康红普院士：煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望
为总结中国煤炭科工集团“十三五”期间的科技成果，展示中国煤炭科工集团在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系方面做出的成就，并为“十四五”煤炭科技发展提供参考。《煤炭科学技术》2021年第4期特邀中国工程院院士、中国煤炭科工集团科学技术委员会主任康红普院士担任客座主编，中国煤科一级首席科学家吴拥政研究员担任客座编辑，策划了“中国煤科首席科学家成果”专题。
康院士以题为“煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望”撰写论文，详细总结了我国煤矿巷道支护、加固材料及构件的发展状况，取得的主要研究成果，并对今后的发展提出建议！
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我国煤矿巷道支护与加固方法主要有4种形式，包括棚式支架、支柱、砌碹支护、喷射混凝土 及巷道用液压支架等围岩表面支护型;锚杆与锚索围岩锚固型;注浆加固围岩改性型及联合控制型。系统介绍各种支护材料与构件的力学特性，注浆加固及充填材料的物理力学性能，分析其支护加固效 果及适用条件。指出我国煤矿已形成了包括金属材料、非金属材料及复合材料的煤矿巷道支护加固 材料体系，实现了从木材到金属的支护材料革命，被动支护到主动支护的技术革命。不仅显著提高了 巷道围岩控制效果，而且降低了巷道维护成本，为煤矿实现安全、高效建设与生产提供了可靠的保障。最后，分析了支护加固材料与构件存在的问题，对其未来的发展进行了展望。
井工开采是我国煤矿的主要开采方式，开采前需要掘进各种类型的井筒、巷道与硐室，井巷工程的畅通与稳定是保证煤矿正常生产的基本前提。同时，井巷工程的施工速度、维护成本都显著影响煤矿的经济效益。
煤系沉积岩地层特点决定了煤矿巷道与其他行业相比具有显著的特征，主要表现为软岩、强采动、大变形。煤岩体强度普遍比较低;煤岩体中各种尺度的结构面发育，围岩破碎;中东部地区开采深度大，地应力高;80%以上的巷道受工作面采动影响，采动应力数倍于原岩应力;无煤柱开采技术得到广泛应用，采动影响更加强烈;随着煤炭产量的不断增加及大型采掘装备的广泛采用，要求的巷道断面越来越大;对于回采巷道，还要求采前必须稳定，采后又能及时垮落。
针对上述煤矿巷道地质与生产条件及围岩变形、破坏特点，我国开发了多种形式的巷道支护加固技术。按支护加固原理可分为4种形式:
1.棚式支架、支柱、砌碹支护等巷道围岩表面支护型;
2.锚杆与锚索巷道围岩锚固型;
3.注浆加固巷道围岩改性型;
4.上述2种及以上方法联合控制型。
煤矿巷道支护与加固技术包括理论、设计、材料、施工工艺、装备及矿压监测等诸多内容，其中支护、加固材料是核心内容。总结我国煤矿巷道支护、加固材料及构件的发展状况，取得的主要研究成果，并对今后的发展提出建议。
1 煤矿巷道支护加固材料类型
我国煤矿巷道支护经历了从木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆、锚索支护的发展过程。巷道支护与加固涉及的材料类型很多，可分为金属材料、非金属材料及复合材料，见表1。在金属材料中，型钢是制作各种金属支架的主要材料，钢筋、钢绞线用于制作锚杆与锚索。非金属材料类型很多，包括木材、砖、岩石、砂、水泥、混凝土，高分子材料等，用于制作非金属支架，及喷浆、充填、锚固、注浆等。复合材料包括金属与非金属复合材料，无机有机复合材料等，用于制作支架、支护构件及喷层、注浆等，以进一步提高支护与加固效果。
2 巷道支护材料与构件
巷道支护形式是指支护力作用在巷道围岩表面的支护，包括各种棚式支架、支柱、砌碹支护( 钢筋)混凝土支护及喷射混凝土等，见表2。
2.1 棚式支架
棚式支架是煤矿巷道最早的支护形式，属于被动支护，只有当围岩压紧支架时才会承载。棚式支护形式经历了从木支架、砌碹支架、装配式钢筋混凝 土支架、型钢支架到钢约束混凝土支架的发展过程。在2000年以前，棚式支架的用量很大，是巷道主体支护方式。随着锚杆支护技术的大面积推广应用，棚式支架所占的比例逐年降低。由于煤矿巷道的多样性及我国巷道地质条件的复杂性，目前，棚式支架仍然在部分巷道中使用。
2.2 喷层
在巷道表面喷层首先可起到封闭围岩、防止风化的作用，同时喷层能对围岩施加径向约束，传递剪应力，喷层分类见表3。按喷层材料可分为水泥砂浆、混凝土等无机材料;高分子等有机材料;树脂与混凝土复合材料;钢纤维、塑料纤维等纤维增强材料。按喷层厚度可分为普通喷层(一般为50~150mm)和薄喷(厚度小于30mm)。按喷射工艺可分为干式、潮式、湿式喷射混凝土及水泥裹砂喷射混凝土。喷层可一次喷射完成，也可二次或多次喷射完成。
2.3 单体支护与液压支架
巷道中使用的单体支护与液压支架有多种形式，见表4，主要用于工作面巷道超前支护，沿空留巷、回撤通道等强烈采动影响巷道及冲击地压巷道、特殊地段的加强支护。
3 巷道锚固材料与构件
3.1 锚杆
我国煤矿从1956年开始在巷道中采用锚杆支护，经过60多年的研究与应用取得重大进展，已成为煤矿巷道的主体支护方式。国内外锚杆有多种形式，见表5。锚杆支护构件一般包括锚杆(杆体、托板、螺母、垫圈、锚固装置等) 及护表构件，如图6所示。
3.2 锚索
锚索具有长度大、预应力高、承载能力强等优势，已成为煤矿巷道锚固技术的重要组成部分。小孔径树脂锚固预应力锚索是煤炭科学研究总院1996年开发的单根钢绞线、树脂药卷快速锚固，适用于煤巷支护。制作锚索索体的钢绞线规格及力学性能见表8，拉伸载荷与位移曲线如图10所示。索体可分为实心、空心，后者主要用于注浆锚索;按钢丝结构与数量可分为1×7、1×19结构及其他结构。最早的锚索采用1×7结构、直径15.2mm的钢绞线;后来根据煤矿巷道围岩变形破坏的特点，不仅要高强度，而且要大延伸率，研制出1×19结构的大直径、高延伸率钢绞线。此外，研制出多种形式的注浆锚索用空心钢绞线，并在井下得到推广应用。
4.1 注浆加固材料
注浆是指采用物理或化学方法将可固化的液体材料注入到破碎围岩中，以改善围岩力学性能与整体性的方法。注浆已成为巷道破碎围岩加固的有效途径。煤矿巷道用注浆材料有多种，见表9。
4.2 充填材料
巷道充填材料主要包括沿空留巷巷旁充填材料及架后充填材料。
经过多年的研究与试验，我国煤矿巷道支护与加固材料取得了重大进展。巷道支护材料实现了从木材、水泥、混凝土到钢材的变革;加固材料经历了 从黏土、水泥、高分子材料到复合材料的发展过程;形成了包括金属材料、非金属材料及复合材料的煤矿巷道支护与加固材料体系，支撑了巷道支护技术的历次革命，包括从木支护到金属支架的材料革命，被动的棚式支护到锚杆主动支护的技术革命，及单一支护方式到多种支护与加固方式协同控制的技术进步。新材料、新产品的不断开发应用，显著提高了巷道围岩控制效果，降低了巷道维护成本，为煤矿实现安全、高效建设与生产提供了坚实的材料基础。
尽管如此，我国煤矿巷道支护与加固材料还存在不少问题，需继续不断研究与试验。
1)锚杆与锚索已成为煤矿巷道的主体支护方式，解决了一般条件巷道支护问题，但在高应力、强采动、大变形、冲击地压等复杂困难条件下，还出现锚杆、锚索破断及支护构件失效等现象，不能完全满足安全生产的要求。需要开发超高强度、大延伸率、高冲击韧性锚杆与锚索新材料;低黏度、高强度、高刚度全长锚固树脂锚固剂，及适应于含水、破碎围岩 的新型锚固材料;根据现场需要，不断开发新的锚杆、锚索形式，进一步优化锚杆、锚索支护构件的几何形状与尺寸，提高支护构件的匹配性;进一步改善锚杆加工工艺，提高锚杆加工设备的精度，不断提高产品加工质量。
2)工字钢、U型钢支架材料基本定型，在不适宜单独采用锚杆、锚索支护的巷道中仍在使用。一方面要研究进一步提高支架稳定性和承载能力的技 术和材料，如架后高效、低成本充填材料;另一方面进一步开发适用于软岩、高应力、大变形、冲击地压等巷道的新结构架型，如钢约束混凝土支架，防冲支架等，满足复杂困难巷道支护要求。
3) 无机、有机注浆加固材料虽然得到广泛应用，但不同程度地存在一些问题:水泥基材料渗透性较差、难以注入围岩细小的裂隙中;高分子材料成本高、易着火、污染环境。需要从原材料、配比、加工工艺等方面深入研究，开发更适合煤矿巷道围岩加固的低成本、环境友好型注浆材料，并与高压注浆工艺 与设备相配合，显著提高围岩注浆加固效果。目前，无机有机复合注浆材料是未来发展方向，需要重点突破。
4）充填材料在巷道支护加固中应用非常广泛，包括沿空留巷巷旁支护，架后充填，钢约束混凝土支架，泵充水泥、混凝土支柱等。需进一步开发高性能、低成本、易于输送的新型充填材料，并考虑矿井固体废弃物的处理与利用，以不断满足巷道支护对充填材料的承载能力、变形能力及耐久性等方面的要求。同时，可与充填开采紧密结合，促进绿色开采 技术的推广应用。
5)巷道快速掘进与支护、提高成巷速度是急需 解决的重大难题。现有巷道支护存在工序多、施工复杂等问题，很多是手工作业，还不能实现机械化、自动化、智能化。为此，需要突破传统技术，开发与掘进自动化、智能化相配套的新型巷道支护与加固材料、构件，及新的施工工艺及装备，以大幅提高掘进速度与效率，减少作业人员，实现巷道掘进与支护技术的跨越发展。
康红普.煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望[J].煤炭科学技术，2021，49(4):1-11.KANG Hongpu.Development and prospects of support and reinforcement materials for coal mine roadways[J].Coal Science and Technology，2021，49(4):1-11.
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责任编辑：郭 鑫
编辑整理：赵泽维
审 核：杨正凯