超前支護

超前支護，是保證隧道工程開挖工作面穩定而採取的超前於掌子面開挖的輔助措施的一種。方式主要有管棚、小導管、水平旋噴樁等。

基本介紹

• 中文名：超前支護
• 方式：管棚、小導管、水平旋噴樁 
• 套用：採礦，隧道修建 
• 目的：確保工作面穩定 

簡介

隧道穿越軟弱破碎圍岩時，開挖擾動會引起較大的圍岩變形。如果初期支護施做不及時，圍岩變形可能超過其容許範圍，嚴重時引起掌子面失穩、隧道塌方，造成重大經濟損失。此時，需採用隧道超前支護措施來控制圍岩的變形，從而達到保證隧道施工安全的目的。

研究現狀

隧道超前支護的方式主要有管棚、小導管、水平旋噴樁等，目前國內外學者對其控制效果進行了充分的研究。賈金青等對管棚的加固機制及加固效果進行了研究，表明採用管棚注漿法能有效抑制軟弱破碎圍岩的變形，改善隧道支護結構受力，避免施工過程中產生塌方。張蓓等對超前小導管的加固參數與加固效果進行了研究，研究表明超前小導管注漿支護能夠提高圍岩的穩定性，減少洞室的變形和塑性區，其環向分布範圍、管徑等是主要的加固參數。J. C. Anon 等歸納、總結水平旋噴樁的施工要點，對其工程套用效果進行評價，水平旋噴技術在軟弱砂層隧道預支護中具有良好的效果，對富水地層隔水效果良好，也可以避免隧洞水力破壞。因此，超前支護已經成為隧道穿越軟弱破碎圍岩的關鍵措施，其設計顯得尤為重要。 已有的關於超前支護設計的研究一般集中於對設計方案的最佳化分析或者單一參數的最佳化設計，對如何選擇合適的隧道超前支護方式及合理參數範圍的研究較少。隧道超前支護設計在某些條件下過於保守，造成浪費，然而在有些條件下又由於隧道結構設計過於薄弱而存在較大的安全隱患，給隧道工程的建設和後期的運營帶來較大的安全風險。因此，有必要對如何選擇合適的隧道超前支護方式及合理參數範圍進行深入的研究。

支護參數的確定

超前距離測定方法

無論是單體支護，還是採用超前液壓支架，支護距離一般按照《煤礦安全規程》不小於 20 m 布置，對於壓力顯現較大或特殊開採條件的煤層，研究方法主要有理論分析和礦壓觀測。巷道超前支護距離的確定主要依據超前壓支承壓力和巷道變形情況。

陳軼平對某礦井 8406 綜采工作面超前支承壓力進行了觀測分析，採用煤幫安設鑽孔油壓枕的方式。迴風超前支承壓力從原岩應力開始增加，隨工作面的逐步推進，其增幅也逐步增加，當工作面推進到距離煤壁 6 m 左右時，達到了增值的峰值，隨後又逐漸減小趨向於原岩應力，工作面超前支承壓力影響範圍大約在工作面前方 30 m 的位置。工作面兩順槽超前 50 m 範圍內，使用 DZ-40 單體液壓支柱配合 1.2 m 的鋼樑進行支護。

大采高綜采工作面的采動影響範圍大，對巷道布置、斷面選擇和超前支護方式都提出了新的要求。寺河礦 33014 工作面礦壓觀測得知，超前支承壓力影響範圍為 20～35 m，平均 28 m，在此範圍內對巷道高 5 m 以上的斷面，單體液壓支柱加強支護是十分困難的，對超前支架需求迫切。

華亭煤礦是典型的衝擊地壓礦井，隨著開採深度的增加，衝擊地壓頻發，在超前段採用超前液壓支架。250103 工作面採用小煤柱長壁後退式低位放頂煤開採，工作面運輸巷超前支護採用超前支架和 Π 型鋼樑進行支護，支護長度不小於 80 m。從端頭支架算起 16 m 採用巷道支架支護，其餘 64 m 採用 Π 型梁配合單體液壓支柱架設抬棚支護。工作面迴風巷支護長度則達 150 m 。

許廠礦 1309 孤島工作面和 4307 沿空掘巷工作面，超前支護採用“單體支柱 +頂梁”方式，規定軌道順槽支護距離不小於 100 m，並在巷道特殊區段、壓力劇烈時加強支護。

兗礦集團 5318 綜放工作面巷道斷面為 3.0 m ×4.2 m ，採用錨網加鋼帶支護。通過圍岩巷道變形量觀測表明：① 超前支護距離的增大，巷道變形量及變形速度始動點增大；② 超前支護距離的加大，可明顯減少巷道頂板的下沉速度、底鼓量、底鼓速度和兩幫移近量及移近速度。超前支護方式、距離及支護強度的改變不能影響超前支承壓力峰值的位置，僅影響巷道的圍岩變形量值。

河南神火集團梁北礦 11151 工作面為極軟工作面煤層賦存條件，鐘新春等人採用 FLAC 5.0 數值計算軟體，模擬分析了煤層采高和煤體強度對工作面超前支承壓力和圍岩變形的影響規律，11151 極軟雙突厚煤層大采高工作面超前支承壓力實測影響範圍為 44.3 m，塑性區寬 8.7 m，破碎區寬 4.15 m，應力峰值為 16.785 MPa。

超前支護強度參數確定

普氏免壓拱理論是支護受力常用的模型之一，超前支架受力可以按照普氏免壓拱理論進行分析。如華亭煤礦按照上述模型指導超前支架強度選取，取得了較好的支護效果。

中國礦業大學殷建生等人在確定董莊礦超前支護參數的原則時，分巷道外幫為實體煤和採空區2種情況。前者工作面前方的應力高峰值可達到非應力集中區的 2～3 倍，但由於兩幫實體煤的支撐作用，工作面前方基本頂岩層自身結構是穩定的，並以其自身的規律彎曲下沉，因此支架阻力只要能夠在承載直接頂岩層質量的基礎上，適當提高以改善圍岩應力狀態，使直接頂岩層保持一定的自撐能力即可。支架設計為定變形工作狀態，以上臨界點開始超前支護，到下臨界點前必須達到恆阻狀態，而其總可縮量應與基本頂自上臨界點到工作面的累積下沉量相對應。巷道外幫為採空區時。巷道圍岩變形運動的力學原因是在基本頂斷裂前主要是采動超前支承壓力的作用，在基本頂斷裂後主要是受基本頂破斷結構失穩運動的影響，因此要保證超前支架在最困難和最危險時期能夠正常工作，必須使其適應變形和定載荷的雙重極限工作狀態。所以應以定變形原則來確定支架的可縮量，而以基本頂破斷結構發生滑落失穩來確定支架的工作阻力。

卞景強等人在東灘煤礦 143 上 14 工作面運輸巷超前支護參數選擇上，按照“支護準則”和“防滑準則”計算支護強度，並取其最大值作為合理支護強度。結合礦壓觀測成果，分別按直接頂初次垮落步距、基本頂初次來壓步距、正常推進階段、防止直接頂滑動的強度計算，綜合比較取最大值。新巨龍礦 1302 工作面超前液壓支架選型過程中，採用基本頂位態方程對沿空順槽圍岩變形進行預計，運用彈性力學理論計算煤柱及沿空順槽實體幫的承載力，並以不發生“擠架”為原則，確定沿空順槽超前支護的臨界強度。

超前液壓支架架型發展

相較工作面支架，超前液壓支架成熟度不夠，還處於探索發展中，各種架型層出不窮，煤炭生產單位、支架生產製造廠家、設計研究機構進行了研究創新，如天地科技開採設計事業部、兗礦集團、太原分院、鄭州四維以及三一集團等，開發了從履帶壓頂端頭超前支架、可縮性巷道支架、氣墊液壓自移支架到目前的車載移動支架等各種原理型式，但從近年的推廣套用效果來看，仍以綜采工作面所用液壓支架演變出來的四連桿型式的超前液壓支架為主。