巷道支護(hù)中的金屬支架與支護(hù)技術(shù)分析

摘要：本文首先介紹了對金屬支架材料的要求，然后介紹了金屬礦巷道支護(hù)理論，接著介紹了兩種應(yīng)用廣泛的礦井支護(hù)技術(shù)以及目前金屬礦巷道技術(shù)在使用的過程中存在的現(xiàn)狀及問題，最后介紹了金屬支架運輸及處理方式和可縮性金屬支架與錨注結(jié)合的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：巷道支護(hù)，金屬支架，支護(hù)技術(shù)

一、前言

在金屬礦生產(chǎn)中巷道支護(hù)可以穩(wěn)定圍巖狀況、控制圍巖運動的發(fā)展速度，維護(hù)工作空間安全。好的支護(hù)技術(shù)能夠保證生產(chǎn)的安全。

二、對金屬支架材料的要求

礦井一般都使用礦用工字鋼和型鋼來制成金屬支架，礦用工字鋼被用于剛性金屬支架的制作中，而型鋼通常被用于制作可縮性金屬支架。因為井下有著十分復(fù)雜的圍巖條件，并且有著不均勻的礦山壓力，釆動和巷道交岔口也會影響到巷道支架，那么采用的井下金屬支架的材料就需要滿足多方面的要求，比如抗彎曲、抗拉、抗壓、抗剪等等，還需要滿足防繡、防腐等方面的要求;要合理的選擇設(shè)置支架型剛斷面的形狀，同時，在對采準(zhǔn)巷道金屬支架進(jìn)行選擇時，還需要充分的考慮支架有著較為頻繁的架設(shè)以及回拆等特點。礦用工字鋼因為有著較高的穩(wěn)定性，因此井下的載荷狀況即使是十分的復(fù)雜和多變，也可以滿足，而U型鋼因其斷面形狀和幾何參數(shù)相對來講，具有較好的優(yōu)越性，搭接型鋼收縮較為容易，只要合理的型鋼選型和設(shè)計支架，準(zhǔn)確的進(jìn)行連接，用U型鋼來制作支架，就可以保證支護(hù)力學(xué)性能符合相關(guān)的要求。

三、金屬礦巷道支護(hù)理論

由于巷道支護(hù)對金屬礦安全生產(chǎn)的重要性，所以一直是金屬礦安全領(lǐng)域研究的重點，其技術(shù)和相關(guān)設(shè)備也在不斷發(fā)展之中，經(jīng)過多年的不斷研發(fā)，取得了豐碩的研究成果，下面介紹幾種應(yīng)用較廣、較為經(jīng)典的支護(hù)理論：

新奧法支護(hù)理論：是在奧法支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的實踐研究和改進(jìn)，同其他學(xué)科的研究成果，尤其是地質(zhì)動力學(xué)的相關(guān)研究成果進(jìn)行交叉融合而形成的效率更高、可靠性更強的一種支護(hù)技術(shù)，其特點是：采用早強噴射混凝土及時封閉巷道周邊，實施密貼支護(hù);對圍巖采取預(yù)先加固措施，可將未來發(fā)生的隱患及早排除，采用錨噴支護(hù)提高其承受力能力;對已加固的圍巖進(jìn)行評估，若有需要可實施二次支護(hù);若發(fā)生圍巖裂痕、破碎的現(xiàn)象，主動實施注漿加固;在設(shè)計階段預(yù)先考慮環(huán)境影響因素，建立動態(tài)自適應(yīng)的設(shè)計模型，在施工過程中動態(tài)調(diào)整施工方法和工藝，更合理的滿足巷道支護(hù)的需求。

聯(lián)合支護(hù)理論。此理論相對于針對性較強的支護(hù)技術(shù)而言，更加強調(diào)巷道圍巖整體的穩(wěn)定性，許多專家學(xué)者經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，在井下巷道中，尤其在圍巖地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的金屬礦巷道中，單純的不斷加強支護(hù)體的強度，可能會適得其反，使得巷道支護(hù)的穩(wěn)定性下降，因為局部的強化不能很好的控制圍巖在外力和環(huán)境長時間作用下的變形效應(yīng)，應(yīng)該先柔后剛，適度柔讓的方式進(jìn)行支護(hù)，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性，不至于出現(xiàn)因穩(wěn)定性不統(tǒng)一而導(dǎo)致的支護(hù)效果下降。在地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜的巷道中，這種方式無疑比單純提高巷道本身強度更為合理。但其局限性也是顯而易見的，由于我們只能在某一時間點上測定巷道圍巖的具體參數(shù)，從而據(jù)此來設(shè)定巷道支護(hù)方式和強度，但地質(zhì)變化是一個動態(tài)過程，圍巖的穩(wěn)定性也隨著時間流逝而緩慢持續(xù)下降，當(dāng)這種下降程度達(dá)到一上限值時，巷道的穩(wěn)定性就會直線下降，因此，就支護(hù)的長期穩(wěn)定性而言，聯(lián)合支護(hù)并不是一個很好的選擇，其后期維護(hù)工作可能隨圍巖情況的變化而逐漸繁重。

圍巖強度強化理論。此理論是由我國專家侯朝炯提出的，通過錨桿支護(hù)，使得圍巖強度得到一定的提高，因為錨桿支護(hù)可以在一定程度上改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使圍壓增加，從而從本質(zhì)上提高圍巖的最大承受力，同時強化錨固區(qū)域巖體的峰后強度與殘余強度。

錨、網(wǎng)、噴與U鋼金屬支架聯(lián)合支護(hù)。對特別松軟、破碎巖層，采用錨、網(wǎng)、噴支護(hù)作用不明顯時根據(jù)圍巖變形的特點，采取錨、網(wǎng)、噴作為一次支護(hù)，可使噴層及時封閉圍巖，容易做到及時支護(hù)，提供一定的初錨力和較大的錨固力，能較好地滿足特別松軟、破碎圍巖巷道第一階段圍巖變形的要求。當(dāng)巷道圍巖變形基本穩(wěn)定后，使用U型鋼可縮性金屬支架進(jìn)行二次支護(hù)，以適應(yīng)第二階段圍巖變形的要求。實現(xiàn)深部高應(yīng)力軟巖巷道厚壁支護(hù)。一是采用全長錨固全螺紋鋼等強錨桿，增加圍巖自承圈厚度，實現(xiàn)厚壁支護(hù);二是進(jìn)行錨索加固。由于錨索長度較大，能夠深入到深部較穩(wěn)定的巖層中，錨索對被加固巖體施加的預(yù)緊力高達(dá)200KN，限制圍巖有害變形的發(fā)展，改善了圍巖的受力狀態(tài)，增加圍巖自承圈厚度，實現(xiàn)厚壁支護(hù);三是改變支護(hù)結(jié)構(gòu)。在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形并錨噴（梁）支護(hù)，從而形成完整的、封閉的支護(hù)整體。

四、兩種應(yīng)用廣泛的礦井支護(hù)技術(shù)

1、單體液壓支柱技術(shù)

經(jīng)過三十多年的試點應(yīng)用及研究，單體液壓支柱技術(shù)已經(jīng)成為一種成熟的井下支護(hù)技術(shù)，多用于金屬礦井下工作面的臨時支護(hù)工作，在老舊金屬礦中，由于支護(hù)設(shè)備的陳舊，冒頂事故時有發(fā)生，給井下工作人員的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的隱患，而單體液壓支柱的應(yīng)用從根本上解決了這一問題。

單體液壓支柱按注液方式分為外注式和內(nèi)注式兩種。外注式的特點在于結(jié)構(gòu)簡單，安裝靈活，易于維護(hù)，使用門檻較低，它類似一個油缸，升柱靠外部供液管路系統(tǒng)（包括液壓泵站），動力介質(zhì)為乳化液。內(nèi)注式采用機油作為介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)類似一個油壓千斤頂，手動升柱。

2、巷道錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿即桿狀錨栓體，是一種常用的加固裝置，通常放置在巷道圍巖內(nèi)。采用錨桿支護(hù)技術(shù)，首先需要在巷道的圍巖中鉆孔，稱為錨桿孔，然后將錨桿安置在錨桿孔內(nèi)，就可實現(xiàn)為圍巖的加固效果，目前是金屬礦巷道支護(hù)領(lǐng)域內(nèi)最常用的一種技術(shù)，大量的實踐證明，使用錨桿支護(hù)技術(shù)可以對巷道的穩(wěn)定性起到很好的支撐作用，其作用原理有以下幾點：

（1）懸吊作用。是指采用錨桿將有冒落風(fēng)險的圍巖懸吊于上部的堅硬巖層上，起到懸吊的作用，圍巖的重力作用由錨桿傳輸?shù)綀杂矌r層上，起到加固的效果。

（2）減跨作用。在巷道內(nèi)安設(shè)錨桿，能夠減少壓力拱的高度和跨度。

（3）組合梁作用。采用錨桿將各組合板梁壓緊，使得各層板梁在結(jié)構(gòu)上形成一個整體，共同分擔(dān)擠壓和拉伸力，提高了板梁的抗彎強度，從而提高巷道頂板巖層的承受力。

（4）圍巖補強加固作用。巷道深處圍巖內(nèi)的巖石是三向受力的，而巷道周邊巖石是二向受力，抗壓強度大大減少了，因此受到壓力而變形破快的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。在巷道內(nèi)安設(shè)錨桿后，有些圍巖又部分地恢復(fù)為三向受力狀態(tài)，增強了自身的強度。

五、目前金屬礦巷道技術(shù)在使用的過程中存在的現(xiàn)狀及問題

錨桿支護(hù)技術(shù)在金屬礦巷道的應(yīng)用狀況就目前看來，我國的不少金屬礦開采的深度已達(dá)到1000余米之上，不僅僅開采深度大，而且地質(zhì)構(gòu)造及其復(fù)雜，存在礦井災(zāi)害發(fā)生的可能性，給金屬礦的開采帶來了很大的困難。但在不斷地技術(shù)改革和大量的資金投入，新型的技術(shù)和材料被應(yīng)用到巷道支護(hù)中，為金屬礦巷道支護(hù)技術(shù)提供了很大的保障。目前，就應(yīng)用范圍而言，錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)由穩(wěn)定的巖層、靜壓巷道、全巖巷道發(fā)展到了松軟破碎巖層、動壓巷道、采區(qū)煤巷;就錨桿的種類而言，也有了很大的改善，從木錨桿發(fā)展到了多種多樣的金屬錨桿;就支護(hù)形式而言，錨桿支護(hù)的形式由單一的錨桿支護(hù)發(fā)展到現(xiàn)在的錨網(wǎng)帶及錨索等多種方式聯(lián)合支護(hù)。這都大大推動了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，使得錨桿支護(hù)達(dá)到了97.15%的應(yīng)用率。目前錨桿支護(hù)技術(shù)仍存在很大的問題。其主要表現(xiàn)可概括為以下幾點：第一：隨著礦井深度的不斷增加和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性的增加，使得巷道的壓力也越來越大。復(fù)雜的地質(zhì)條件極可能留下礦柱、采區(qū)礦柱、斷層構(gòu)造帶礦柱造成應(yīng)力集中，就會增加金屬礦巷道的支護(hù)難度，由于開采的進(jìn)行錨桿從托盤拉斷或者跟隨煤體移動，也都會造成巷道的支護(hù)困難。第二：當(dāng)前的深部巷道圍巖破壞機理仍然存在很大的問題，需要更多的理論研究來支持和完善相應(yīng)的控制工作。第三：當(dāng)前仍然采用工程比擬法來對巷道的各個參數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，沒有形成一個科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎銠C動態(tài)輔助系統(tǒng)和巷道支護(hù)合理性評價系統(tǒng)來支撐錨桿支護(hù)工作，也就無法保證巷道的最佳效果和金屬礦的安全經(jīng)濟(jì)效益。第四：軟巖破碎帶等地點錨網(wǎng)噴二次支護(hù)理論無法在深部動壓影響區(qū)、構(gòu)造壓力帶、軟巖破碎帶等特殊條件下使用，仍需進(jìn)一步研究。第五：當(dāng)前使用的支護(hù)材料普遍采用螺距較大、鎖緊力低的全螺紋錨桿，并且經(jīng)受到大震動（如：放炮）后易出現(xiàn)松動的情況，還有其他一些材料和器械都不適應(yīng)金屬礦深部的巷道條件，無法滿足所需的支護(hù)條件。

六、金屬支架運輸及處理方式

目前，一些具備創(chuàng)新意識的施工單位，針對金屬支架的井下運輸，進(jìn)行了一些有益的嘗試和改進(jìn)，具體表現(xiàn)在：

1）針對升入井U型鋼、工字鋼高度超過了罐籠內(nèi)容納物件最大高度的情況，為避免通過人力將U型鋼、工字鋼抬進(jìn)罐籠的高強度工作，根據(jù)罐籠內(nèi)結(jié)構(gòu)及尺寸，設(shè)計加工了U型鋼、工字鋼升入井專用車輛，當(dāng)需要提升U型鋼等時，由人力通過在副井架上安裝的滑輪，用棕繩一端系牢U型鋼，另一端通過電機車牽引，將U型鋼裝入專用車輛內(nèi)，U型鋼裝完后，人力將車輛推進(jìn)罐籠，運至井下，有效減輕了職工勞動強度和工作量，提高了作業(yè)安全系數(shù)及效率。2）針對井下因巷道壓力大而壓變形的U型鋼及支架，為避免升井后因不可利用變?yōu)閺U料，通過在井下投入使用YZW-B型防爆臥式壓力整形機及防爆鋸床，可以在井下直接對變形的U型鋼、工字鋼利用模具進(jìn)行有目地的整形、修復(fù);對于變形嚴(yán)重沒有修復(fù)價值的U型鋼，則利用鋸床進(jìn)行鋸、截和重新加工，節(jié)約了材料，緩解了副井緊張的提升局面，提高了核定提升能力。3）針對井下U型鋼不同型號、尺寸，對移動壓力機進(jìn)行改造，改造后的壓力整形機配有礦車輪，可沿礦車軌道運動，機動靈活，并且可配備多種整形模具，將模具固定在液壓整形頭前端，來對槽鋼、U型鋼、道軌等進(jìn)行有目的的整形，很好的滿足了不同的需求。4）壓力整形機加工安裝設(shè)有滾輪，操作中推拉工件省力、方便，三人就可操作，效率是一般整形工具的十幾倍。三人在8小時內(nèi)可對百萬噸級金屬礦一月內(nèi)產(chǎn)生的變形支架等完成整形。

七、金屬支架運輸及處理方式可縮性金屬支架與錨注結(jié)合的應(yīng)用

復(fù)雜的深部及軟巖巷道支護(hù)條件本世紀(jì)初，隨著金屬礦開采深度的進(jìn)一步增大，巷道礦山壓力顯現(xiàn)更加強烈，深部礦井巷道支護(hù)及軟巖巷道支護(hù)成為金屬礦巷道支護(hù)急需解決的重要課題。對于礦山壓力顯現(xiàn)強烈及軟弱巖體巷道，由于圍巖體破碎、易變形，底板容易發(fā)生底鼓，單純的可縮性金屬支架或者錨網(wǎng)（噴）支護(hù)已不能很好的維護(hù)巷道穩(wěn)定。從而要求在現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)條件下，找到一種或幾種更好的支護(hù)方式來維護(hù)巷道穩(wěn)定，可縮性金屬支架結(jié)合錨注支護(hù)的復(fù)合型支護(hù)方式能很好地解決這一問題。特別是高強度錨帶網(wǎng)支護(hù)體系和大直徑錨索的發(fā)展以及可縮性金屬支架材料的改進(jìn)和精細(xì)加工為這種復(fù)合型支護(hù)方式提供了很好的保證。高強度錨桿的發(fā)展和應(yīng)用提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，防止錨桿松弛、錨固失效;與之配套的大直徑錨索提高了錨索的破斷力，為施加高預(yù)緊力創(chuàng)造了條件;與之組合的可縮性金屬支架滑動段的精細(xì)加工、高強高阻限位卡纜及壁后充填技術(shù)實現(xiàn)了U型鋼支架的高阻讓壓可縮。及時的錨桿支護(hù)使破碎的圍巖體初步形成整體，提高圍巖體力學(xué)性能;可縮性金屬支架阻止并適應(yīng)松軟的圍巖體的變形和移近，保持巷道形狀和尺寸;注漿使松散破碎的圍巖體進(jìn)一步形成整體，力學(xué)性能進(jìn)一步提高;混凝土噴層可防止錨桿、支架等暴露在空氣中銹蝕。

可縮性金屬支架與錨噴（注）結(jié)合支護(hù)方案巷道掘進(jìn)后，及時打錨桿進(jìn)行初次支護(hù);打完錨桿之后及時噴上一層約30mm的混凝土噴層，防止錨桿暴露在空氣中銹蝕;及時架設(shè)可縮性金屬支架（容易底鼓的巷道采用環(huán)形，其他巷道可采用拱形），支架的力學(xué)參數(shù)及性能、棚距等符合設(shè)計要求，要保證支架與圍巖體全面接觸以使支架承載均勻，架后中空的地方用矸石或其他材料填實，避免支架因受載不均而產(chǎn)生較大變形;架設(shè)完可縮性支架之后進(jìn)行復(fù)噴，在巷道表面噴射一層厚約100mm的混凝土噴層，噴層要保證完全覆蓋金屬支架;;必要時在圍巖破碎、變形量較大、頂板不太穩(wěn)定的巷道頂板補打錨索。

八、結(jié)束語

金屬支架支護(hù)技術(shù)，雖然一定程度上增加了巷道支護(hù)初期投入資金量，但有效提高了巷道支護(hù)的安全性能，大大減少了巷道長期的維護(hù)、維修費用，同性質(zhì)同長度的巷道在使用周期釆用金屬支護(hù)與采用傳統(tǒng)木支護(hù)相比，采用金屬支護(hù)能夠降低企業(yè)的成本。

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