超前支护

保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的辅助措施

超前支护，是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的辅助措施的一种。方式主要有管棚、小导管、水平旋喷桩等。

简介

隧道穿越软弱破碎围岩时，开挖扰动会引起较大的围岩变形。如果初期支护施做不及时，围岩变形可能超过其容许范围，严重时引起掌子面失稳、隧道塌方，造成重大经济损失。此时，需采用隧道超前支护措施来控制围岩的变形，从而达到保证隧道施工安全的目的。

研究现状

隧道超前支护的方式主要有管棚、小导管、水平旋喷桩等，目前国内外学者对其控制效果进行了充分的研究。贾金青等对管棚的加固机制及加固效果进行了研究，表明采用管棚注浆法能有效抑制软弱破碎围岩的变形，改善隧道支护结构受力，避免施工过程中产生塌方。张蓓等对超前小导管的加固参数与加固效果进行了研究，研究表明超前小导管注浆支护能够提高围岩的稳定性，减少洞室的变形和塑性区，其环向分布范围、管径等是主要的加固参数。J. C. Anon 等归纳、总结水平旋喷桩的施工要点，对其工程应用效果进行评价，水平旋喷技术在软弱砂层隧道预支护中具有良好的效果，对富水地层隔水效果良好，也可以避免隧洞水力破坏。因此，超前支护已经成为隧道穿越软弱破碎围岩的关键措施，其设计显得尤为重要。已有的关于超前支护设计的研究一般集中于对设计方案的优化分析或者单一参数的优化设计，对如何选择合适的隧道超前支护方式及合理参数范围的研究较少。隧道超前支护设计在某些条件下过于保守，造成浪费，然而在有些条件下又由于隧道结构设计过于薄弱而存在较大的安全隐患，给隧道工程的建设和后期的运营带来较大的安全风险。因此，有必要对如何选择合适的隧道超前支护方式及合理参数范围进行深入的研究。

参数确定

超前距离测定方法

无论是单体支护，还是采用超前液压支架，支护距离一般按照《煤矿安全规程》不小于 20 m 布置，对于压力显现较大或特殊开采条件的煤层，研究方法主要有理论分析和矿压观测。巷道超前支护距离的确定主要依据超前压支承压力和巷道变形情况。

陈轶平对某矿井 8406 综采工作面超前支承压力进行了观测分析，采用煤帮安设钻孔油压枕的方式。回风超前支承压力从原岩应力开始增加，随工作面的逐步推进，其增幅也逐步增加，当工作面推进到距离煤壁 6 m 左右时，达到了增值的峰值，随后又逐渐减小趋向于原岩应力，工作面超前支承压力影响范围大约在工作面前方 30 m 的位置。工作面两顺槽超前 50 m 范围内，使用 DZ-40 单体液压支柱配合 1.2 m 的钢梁进行支护。

大采高综采工作面的采动影响范围大，对巷道布置、断面选择和超前支护方式都提出了新的要求。寺河矿 33014 工作面矿压观测得知，超前支承压力影响范围为 20～35 m，平均 28 m，在此范围内对巷道高 5 m 以上的断面，单体液压支柱加强支护是十分困难的，对超前支架需求迫切。

华亭煤矿是典型的冲击地压矿井，随着开采深度的增加，冲击地压频发，在超前段采用超前液压支架。250103 工作面采用小煤柱长壁后退式低位放顶煤开采，工作面运输巷超前支护采用超前支架和 Π 型钢梁进行支护，支护长度不小于 80 m。从端头支架算起 16 m 采用巷道支架支护，其余 64 m 采用 Π 型梁配合单体液压支柱架设抬棚支护。工作面回风巷支护长度则达 150 m 。

许厂矿 1309 孤岛工作面和 4307 沿空掘巷工作面，超前支护采用“单体支柱 +顶梁”方式，规定轨道顺槽支护距离不小于 100 m，并在巷道特殊区段、压力剧烈时加强支护。

兖矿集团 5318 综放工作面巷道断面为 3.0 m ×4.2 m ，采用锚网加钢带支护。通过围岩巷道变形量观测表明：① 超前支护距离的增大，巷道变形量及变形速度始动点增大；② 超前支护距离的加大，可明显减少巷道顶板的下沉速度、底鼓量、底鼓速度和两帮移近量及移近速度。超前支护方式、距离及支护强度的改变不能影响超前支承压力峰值的位置，仅影响巷道的围岩变形量值。

河南神火集团梁北矿 11151 工作面为极软工作面煤层赋存条件，钟新春等人采用 FLAC 5.0 数值计算软件，模拟分析了煤层采高和煤体强度对工作面超前支承压力和围岩变形的影响规律，11151 极软双突厚煤层大采高工作面超前支承压力实测影响范围为 44.3 m，塑性区宽 8.7 m，破碎区宽 4.15 m，应力峰值为 16.785 MPa。

超前支护强度参数确定

普氏免压拱理论是支护受力常用的模型之一，超前支架受力可以按照普氏免压拱理论进行分析。如华亭煤矿按照上述模型指导超前支架强度选取，取得了较好的支护效果。

中国矿业大学殷建生等人在确定董庄矿超前支护参数的原则时，分巷道外帮为实体煤和采空区2种情况。前者工作面前方的应力高峰值可达到非应力集中区的 2～3 倍，但由于两帮实体煤的支撑作用，工作面前方基本顶岩层自身结构是稳定的，并以其自身的规律弯曲下沉，因此支架阻力只要能够在承载直接顶岩层质量的基础上，适当提高以改善围岩应力状态，使直接顶岩层保持一定的自撑能力即可。支架设计为定变形工作状态，以上临界点开始超前支护，到下临界点前必须达到恒阻状态，而其总可缩量应与基本顶自上临界点到工作面的累积下沉量相对应。巷道外帮为采空区时。巷道围岩变形运动的力学原因是在基本顶断裂前主要是采动超前支承压力的作用，在基本顶断裂后主要是受基本顶破断结构失稳运动的影响，因此要保证超前支架在最困难和最危险时期能够正常工作，必须使其适应变形和定载荷的双重极限工作状态。所以应以定变形原则来确定支架的可缩量，而以基本顶破断结构发生滑落失稳来确定支架的工作阻力。

卞景强等人在东滩煤矿 143 上 14 工作面运输巷超前支护参数选择上，按照“支护准则”和“防滑准则”计算支护强度，并取其最大值作为合理支护强度。结合矿压观测成果，分别按直接顶初次垮落步距、基本顶初次来压步距、正常推进阶段、防止直接顶滑动的强度计算，综合比较取最大值。新巨龙矿 1302 工作面超前液压支架选型过程中，采用基本顶位态方程对沿空顺槽围岩变形进行预计，运用弹性力学理论计算煤柱及沿空顺槽实体帮的承载力，并以不发生“挤架”为原则，确定沿空顺槽超前支护的临界强度。

架型发展

相较工作面支架，超前液压支架成熟度不够，还处于探索发展中，各种架型层出不穷，煤炭生产单位、支架生产制造厂家、设计研究机构进行了研究创新，如天地科技开采设计事业部、兖矿集团、太原分院、郑州四维以及三一集团等，开发了从履带压顶端头超前支架、可缩性巷道支架、气垫液压自移支架到目前的车载移动支架等各种原理型式，但从近年的推广应用效果来看，仍以综采工作面所用液压支架演变出来的四连杆型式的超前液压支架为主。

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