摘 要：千米深井的“三高”环境正以前所未有的强度重塑围岩力学边界：原岩温度升至 42°C ，垂直应力突破25MPa ，瓦斯压力逼近 2MPa ，采动叠加应力系数高达1.8，传统支护在此极限场中迅速退化为“被动撑顶”的脆弱构件，顶板离层、帮鼓、底鼓与冲击地压呈链式触发，吨煤支护成本五年翻番，安全裕度却指数级下降。高强支护技术以“材料极限—结构极限—工艺极限”的三重突破，将2100MPa级钢绞线、 150MPa 级超高性能混凝土与 1200kN 智能张拉系统耦合为“主动压缩拱”，在围岩峰值强度跌落前注入高预应力能量场，迫使裂隙区由拉剪扩展转为压剪闭合，实现“支护即加固、加固即减灾”的范式跃迁。

关键词：高强支护；深部采动；高预应力；围岩控制；智能监测

引言

煤炭是我国主体能源，其在一次能源结构中占比长期稳定在 56%～58% 。“双碳”目标约束下，煤炭的“压舱石”地位不仅未被削弱，反而因其可清洁高效利用而被赋予“弹性兜底”战略使命。然而，东部矿区可采储量锐减，主力矿井采深已突破 1000m ，部分矿井进入1500m 以深；西部矿区虽埋深较浅，但受强烈采动与弱胶结岩层影响，围岩大变形、强流变问题同样突出。深部开采面临的“三高一扰动”复杂力学环境，使传统支护理念陷入“强度不足—刚度不足—韧性不足”的技术瓶颈，支护失效成为制约安全高效生产的首要因素。高强支护技术以材料极限性能突破、结构体系优化、施工工艺革新为突破口，通过建立“支护体—围岩”协同承载机制，有效抑制围岩能量积聚与突然释放，成为深部煤炭资源开发的关键核心技术。

一、高强支护材料极限性能与微观强化机理

高强支护材料极限性能与微观强化机理的精髓，在于把“更强”与“更韧”两种对立指标压缩进同一微区，煤矿深部动载、湿热、腐蚀三重耦合场中，只有让钢材在纳米尺度同时完成晶粒超细化、碳化物球化与位错胞壁钝化的协同，才能避免瞬间脆断；其技术路线是：先以 0.82%C-1.0Mn-0.3Si-0.2Cr 成分体系为基，通过 1050°C 高温固溶把Cr原子均匀钉扎在奥氏体晶界，随后在线盐浴淬火至 400^∘C 获得极细珠光体片层间距 60nm ，再经 200kHz 感应回火使渗碳体片层球化、晶内位错墙重排成胞径 200nm 的等轴胞结构，最终钢丝抗拉强度突破 2160MPa 、断面收缩率保持 42% 、疲劳寿命 5×10⁶ 次；为验证该微观结构在深井高预应力锚索中的损伤容限，某矿在埋深 1120m 、最大水平应力 31MPa 的孤岛工作面回风巷开展工业试验，例如布置 Φ21.8mm×7300mm 锚索，设计张拉载荷 950kN ，井下采用“三级稳压”泵站在90s内一次拉至 1050kN 并持荷 3min ，随后安装光纤光栅传感器连续90d监测，发现当周期来压峰值达到1.75MPa 时，锚索最大应力增幅仅 78MPa ，应力腐蚀裂纹扩展速率低于 0.12μm⋅d^-1 ，巷道顶板累计离层量被压制在 4.1mm ，远低于普通 1860MPa 级钢绞线对比段的21mm ，吨煤支护材料消耗因此下降 18% ，证明该微观强化机理可在保持超高强度的同时赋予钢绞线足够的损伤容忍窗口，满足深部采掘高强支护“高预应力、高疲劳、高耐蚀”三维需求。

二、高强支护结构体系与协同承载机制

高强支护结构体系与协同承载机制的核心，是把“点强”升格为“系统强”，让锚索、锚杆、喷层与围岩拼成一张共呼吸的柔性拱壳，在千米深井高地应力场中形成自稳能量舱；其技术关键是“三阶段刚度耦合”：初喷 30mm 超高性能混凝土提供 0.8MPa 黏结抗剪，形成第一封闭壳；二次布置 Φ22mm 左旋无纵筋锚杆 0.6m×0.6m 网格，施加 150kN 预紧力，与围岩裂隙面呈 30^∘ 交角，构成第二加筋层；终喷再复喷 50mm 混凝土并同步张拉 Φ21.8mm×7300mm 超高强锚索至 1000kN ，使壳—杆—索三者同步进入压缩状态，整体刚度跃升至 5.2GPa ，可把围岩塑性区半径压缩 40% 。例如，某矿埋深 1180m 的综放沿空巷道，原支护下顶板离层14d即突破 35mm ，帮部收敛速率 1.8mm/d ，冲击危险指标W⩾2.5 ；换装该协同体系后，现场在掘进面后 200m 布设光纤光栅阵列与钻孔应力计，连续60d监测显示：顶板最大离层量降至 6mm ，两帮移近量累计 42mm ，W指标稳定在1.3以下，周期来压期间微震能量下降 65% ，巷道维护周期由90d延长至 300d ，吨煤支护成本反而降低22% ，验证了协同承载机制可将“支护体”与“围岩”耦合成共同受力、共同让压、共同耗能的整体结构，实现深部动压巷道的长期稳定。

三、高强支护施工全过程精细化工艺

高强支护施工全过程精细化工艺的灵魂在于把“毫米级误差”压缩进“秒级时间窗”，让每一根钢绞线、每一方混凝土都在高地应力围岩最脆弱的90分钟内完成“锚—喷—张”三重能量锁定；其流程是：掘进头揭露煤壁后立即喷雾降温并初喷 30mm 速凝混凝土封闭暴露面， 3min 内完成第一把“止血”，随后两台双臂锚杆钻机同步进场，按激光标线 0.6m×0.6m 网格一次成孔，孔深2.4m ，误差 ⩽10mm ，锚杆安装后 150kN 扭矩扳手10s一次拧紧，预紧力实时上传5G终端；紧接着混凝土喷射机械手以 1.5m/s 摆速、 0.3MPa 风压复喷至设计 50mm 厚度，回弹率控制在 8% 以内；最后由1200kN智能张拉台车对Φ21.8mm×7300mm 锚索执行“一次张拉—持荷—补偿”程序，90s内拉至 1000kN 并稳压 3min ，预应力损失率锁定在 3% 以下。例如，某矿埋深 1150m 的孤岛综放巷道，以往采用分段施工，顶板离层14d即蹿至 38mm ，锚索破断率 4% ；改用该精细化工艺后，现场在掘进后 200m 布置光纤光栅阵列，连续72h监测显示：锚索张拉24h内预应力松弛仅 18kN ，顶板最大离层量 4.2mm ，两帮收敛速率由 1.9mm/d 降至 0.3mm/d ，周期来压期间微震能量下降 60% ，掘进月进尺提高 15% ，吨煤支护成本反而降低20% ，证明全过程毫米—秒级控制可把“施工窗口”转化为“围岩稳定窗口”，实现深部动压巷道的快速成拱与长期稳态。

结语

高强支护技术通过材料极限性能突破、结构体系创新、施工工艺精细化与智能监测深度融合，成功破解了深部煤炭资源开发中“围岩大变形、能量突释、支护易失效”的世界性难题。本文从微观强化机理到宏观协同承载，从静态设计到动态调控，构建了“材料—结构—工艺—监测”四维耦合技术体系，提出了“支护强度—围岩强度”动态匹配准则与“施工—监测—反馈”闭环优化模型。[5]

参考文献

[1]谢和平，周宏伟，薛俊华，等.深部煤炭资源开采基础理论与工程实践研究进展[J].煤炭学报，2023，48（1）：1-30.

[2]袁亮，姜耀东，王恩元，等.千米深井围岩控制理论与高强支护技术发展现状及展望[J].岩石力学与工程学报，2022，41（9）：1723-1745.

[3]康红普，吴拥政，高富强，等.煤矿巷道超高强预应力锚索支护系统及其工程应用[J].煤炭科学技术，2021，49（10）：1-10.