超前支護簡介

隧道穿越軟弱破碎圍巖時，開挖擾動會引起較大的圍巖變形。如果初期支護施做不及時，圍巖變形可能超過其容許范圍，嚴重時引起掌子面失穩(wěn)、隧道塌方，造成重大經(jīng)濟損失。此時，需采用隧道超前支護措施來控制圍巖的變形，從而達到保證隧道施工安全的目的。

隧道超前支護的方式主要有管棚、小導(dǎo)管、水平旋噴樁等，目前國內(nèi)外學(xué)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，表明采用管棚注漿法能有效抑制軟弱破碎圍巖的變形，改善隧道支護結(jié)構(gòu)受力，避免施工過程中產(chǎn)生塌方。張蓓等對超前小導(dǎo)管的加固參數(shù)與加固效果進行了研究，研究表明超前小導(dǎo)管注漿支護能夠提高圍巖的穩(wěn)定性，減少洞室的變形和塑性區(qū)，其環(huán)向分布范圍、管徑等是主要的加固參數(shù)。J. C. Anon 等歸納、總結(jié)水平旋噴樁的施工要點，對其工程應(yīng)用效果進行評價，水平旋噴技術(shù)在軟弱砂層隧道預(yù)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(jīng)成為隧道穿越軟弱破碎圍巖的關(guān)鍵措施，其設(shè)計顯得尤為重要。 已有的關(guān)于超前支護設(shè)計的研究一般集中于對設(shè)計方案的優(yōu)化分析或者單一參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，對如何選擇合適的隧道超前支護方式及合理參數(shù)范圍的研究較少。隧道超前支護設(shè)計在某些條件下過于保守，造成浪費，然而在有些條件下又由于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計過于薄弱而存在較大的安全隱患，給隧道工程的建設(shè)和后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(shù)范圍進行深入的研究。

超前支護超前距離測定方法

無論是單體支護，還是采用超前液壓支架，支護距離一般按照《煤礦安全規(guī)程》不小于 20 m 布置，對于壓力顯現(xiàn)較大或特殊開采條件的煤層，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(jù)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，采用煤幫安設(shè)鉆孔油壓枕的方式。回風超前支承壓力從原巖應(yīng)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，隨后又逐漸減小趨向于原巖應(yīng)力，工作面超前支承壓力影響范圍大約在工作面前方 30 m 的位置。工作面兩順槽超前 50 m 范圍內(nèi)，使用 DZ-40 單體液壓支柱配合 1.2 m 的鋼梁進行支護。

大采高綜采工作面的采動影響范圍大，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，超前支承壓力影響范圍為 20～35 m，平均 28 m，在此范圍內(nèi)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。

華亭煤礦是典型的沖擊地壓礦井，隨著開采深度的增加，沖擊地壓頻發(fā)，在超前段采用超前液壓支架。250103 工作面采用小煤柱長壁后退式低位放頂煤開采，工作面運輸巷超前支護采用超前支架和 Π 型鋼梁進行支護，支護長度不小于 80 m。從端頭支架算起 16 m 采用巷道支架支護，其余 64 m 采用 Π 型梁配合單體液壓支柱架設(shè)抬棚支護。工作面回風巷支護長度則達 150 m 。

許廠礦 1309 孤島工作面和 4307 沿空掘巷工作面，超前支護采用“單體支柱 頂梁”方式，規(guī)定軌道順槽支護距離不小于 100 m，并在巷道特殊區(qū)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 ，采用錨網(wǎng)加鋼帶支護。通過圍巖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，僅影響巷道的圍巖變形量值。

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，鐘新春等人采用 FLAC 5.0 數(shù)值計算軟件，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巖變形的影響規(guī)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范圍為 44.3 m，塑性區(qū)寬 8.7 m，破碎區(qū)寬 4.15 m，應(yīng)力峰值為 16.785 MPa。

超前支護超前支護強度參數(shù)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(dǎo)超前支架強度選取，取得了較好的支護效果。

中國礦業(yè)大學(xué)殷建生等人在確定董莊礦超前支護參數(shù)的原則時，分巷道外幫為實體煤和采空區(qū)2種情況。前者工作面前方的應(yīng)力高峰值可達到非應(yīng)力集中區(qū)的 2～3 倍，但由于兩幫實體煤的支撐作用，工作面前方基本頂巖層自身結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，并以其自身的規(guī)律彎曲下沉，因此支架阻力只要能夠在承載直接頂巖層質(zhì)量的基礎(chǔ)上，適當提高以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使直接頂巖層保持一定的自撐能力即可。支架設(shè)計為定變形工作狀態(tài)，以上臨界點開始超前支護，到下臨界點前必須達到恒阻狀態(tài)，而其總可縮量應(yīng)與基本頂自上臨界點到工作面的累積下沉量相對應(yīng)。巷道外幫為采空區(qū)時。巷道圍巖變形運動的力學(xué)原因是在基本頂斷裂前主要是采動超前支承壓力的作用，在基本頂斷裂后主要是受基本頂破斷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)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(yīng)變形和定載荷的雙重極限工作狀態(tài)。所以應(yīng)以定變形原則來確定支架的可縮量，而以基本頂破斷結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)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(shù)選擇上，按照“支護準則”和“防滑準則”計算支護強度，并取其最大值作為合理支護強度。結(jié)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，采用基本頂位態(tài)方程對沿空順槽圍巖變形進行預(yù)計，運用彈性力學(xué)理論計算煤柱及沿空順槽實體幫的承載力，并以不發(fā)生“擠架”為原則，確定沿空順槽超前支護的臨界強度。

相較工作面支架，超前液壓支架成熟度不夠，還處于探索發(fā)展中，各種架型層出不窮，煤炭生產(chǎn)單位、支架生產(chǎn)制造廠家、設(shè)計研究機構(gòu)進行了研究創(chuàng)新，如天地科技開采設(shè)計事業(yè)部、兗礦集團、太原分院、鄭州四維以及三一集團等，開發(fā)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，但從近年的推廣應(yīng)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。 2100433B

2019年8月30日，《綜采綜放工作面超前支護系統(tǒng)技術(shù)條件》發(fā)布。

2020年3月1日，《綜采綜放工作面超前支護系統(tǒng)技術(shù)條件》實施。