1、附录A锚杆支护技术发展前景与制约因素摘要 介绍了我国煤矿锚杆支护技术发展的三个阶段和扩展的五个应用范围, 探讨了锚支护技术与设计方法发展的四大方向, 分析了制约锚杆支护技术发展速度与水平的四大素。 锚杆支护技术始于国外1905年美国在建筑修缮方面开始使用喷浆技术, 1911年德国第一次在井下巷道喷浆, 1924年前苏联的顿巴斯矿开始应用锚喷支护。50年代初, 瑞士和德生产了高效喷射机，并采用了速凝剂。随后, 锚喷与锚杆支护在奥地利、瑞士、瑞典、挪威、德国、加拿大、英国、法国、美国和澳大利亚等国家的地下工程中得到了普遍应用。目前, 对锚杆支护技术研究和应用最为活跃的当属澳大利亚。1 锚杆支护技术
2、发展阶段与应用范围1.1 锚杆支护技术发展的三个阶段我国煤矿于年开始试用锚杆, 1955年在试验平炯和少数矿试验喷浆、喷射混凝土和锚喷支护, 这是我国锚杆支护技术发展的初期阶段。这一阶段以钢丝绳水泥砂浆锚杆为代表, 锚杆没有托板, 锚杆之间缺乏联系。在这种情况下, 锚杆只起悬吊作用, 被动承载而不与围岩共同作用。当时由于盲目扩大这类锚杆的应用范围, 致使部分井巷冒顶失修, 实际上阻碍了锚杆支护的发展。到了80-90年代, 由于国家“ 七五”和“ 八五”科技攻关将锚杆支护定为软岩巷道支护的主攻方向之一, 使锚杆支护技术有了新的发展, 进入了以锚带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段。这一阶段锚杆类
3、型以水泥药卷钢筋锚杆为主, 树脂药卷钢筋锚杆也已开始使用, 这时的锚杆支护不仅尾部增加了托板和螺帽, 而且还在松软破碎条件下增加了金属网和喷层, 以及在动压影响时进一步增加钢带、钢梁或钢筋梯等, 形成组合锚杆支护体系, 并且由平面组合发展到空间组合, 形成组合锚杆整体支护结构体系, 这时锚杆不仅起到悬吊作用, 更重要的是起到组合拱或组合梁作用, 因而支护作用效果显著增强, 从而使得锚梁网、锚喷网、锚带网以及锚钢筋梯网等多种组合锚杆联合支护形式得到广泛应用, 各种具体用途和具体结构形式的锚杆层出不穷, 如中国矿业大学研制出挤压式和套管摩擦可拉伸锚杆以及型杆体可拉伸锚杆, 东北工业大学研制出端锚外
4、伸式可拉伸锚杆, 西安矿业学院研制出蛇形杆体可拉伸锚杆, 长春煤研所研制出弹簧式可拉伸锚杆等。此外, 还出现了锚杆与注浆合二为一的锚注锚杆以及以小直径钻头、小直径药卷和小直径锚杆为主要特征的“ 三小”光爆锚喷新技术。组合锚杆则在锚梁网和锚带网等水平拉杆无预紧力的组合形式基础上, 出现了水平拉杆施加预紧力的新的组合锚杆支护形式彬架锚杆。这是锚杆支护技术发展的新阶段预应力锚杆支护体系阶段, 其代表产品主要有三种, 即析架锚杆、水涨式锚杆和缝管式锚杆, 这三种锚杆均具有良好的横向预应力和一定的纵向预应力, 其支护效果均已为国内外矿山支护实践所证实。对无横向预应力的锚杆,足够的纵向预应力更是必不可少。
5、澳大利亚的研究证明, 当锚杆的纵向预应力达到60-70kN以上时,可以基本上阻止巷道顶板下沉, 为此采用了高强度粗直径（25mm）必全长锚固树脂钢筋锚杆, 并研制出托板减摩装置。1.2 应用范围随着对锚杆支护机理认识的不断深化和支护技术的发展, 我国煤矿锚杆支护的应用范围已从硬岩扩展到软岩, 从完整稳定岩层扩展到破碎不稳定岩层, 从中小断面巷道扩展到大断面碉室和交岔点, 从新掘进巷扩展到旧巷修复, 从开拓巷道扩展到受动压影响的采准巷道。目前, 尤以采准巷道锚杆支护发展最快。2 锚杆支护技术发展方向经过近10年的迅速发展, 我国煤矿锚杆支护已形成较为明显的四个方向, 即组合锚杆、预应力锚杆、可拉
6、伸锚杆和“ 三小”锚杆。2.1 组合锚杆组合锚杆分为对水平拉杆施加预应力与不施加预应力两种。施加预应力的组合锚杆即析架锚杆。析架锚杆的结构型式有多种, 但其主要构件和工作原理基本相同, 即在顶板斜拉锚杆和水平拉杆的共同作用下, 形成对顶板中部的压缩, 一方面增大了顶板裂隙体中的摩擦力, 另一方面减小甚至抵消了顶板中部可能产生的拉应力, 同时, 由于两根斜拉锚杆通过水平拉杆连结一体, 既能协调受力, 又具有一定的柔性, 允许顶板微量下沉并在微量下沉过程中, 增大顶板岩体摩擦角申和摩擦力, 产生自锁作用, 从而能够有效地维护高应力区的破碎顶板,阻止节裂岩体中单体锚杆之间可能发生的松脱冒顶。2.2
7、预应力锚杆预应力锚杆有纵向预应力和横向预应力之分,纵向预应力锚杆就是通过对锚杆端部螺帽施加足够的扭矩使杆体中产生足够拉应力横向预应力锚杆主要有水涨式和缝管式两种。析架锚杆既是组合锚杆, 又是预应力锚杆, 而且既有横向预应力又有纵向预应力, 因而是一种性能优越的预应力组合锚杆。众所周知, 地下岩体抗拉强度很小, 又往往被层理、节理和裂隙等弱面所切割, 弱面抗拉强度更小,几乎为零, 抗剪强度主要取决于作用在该弱面上的正压力, 当正压力不大时, 弱面的抗剪能力也很小,因此, 巷道开挖后在围岩变形很小时约破坏载荷的以下就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等等, 使围岩大大弱化。如果巷道开挖后立即安装
8、锚杆, 但未施加预应力, 由于锚杆的极限变形量大于围岩极限变形量, 又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量, 因而无预应力锚杆实际上不能有效地阻止围岩的开裂、滑移和弱化, 只有当围岩的开裂位移达到一定的程度后, 锚杆才开始起到阻止裂纹进一步扩展的作用, 但这时围岩几乎已丧失抗拉和抗剪切能力, 因而加固体的抗拉和抗剪主要依靠锚杆杆体来承担。如果在安装锚杆的同时, 立即施加足够的预应力, 不仅消除了锚杆的初始滑移量, 而且还能给围岩施加一定的预压应力, 这样, 对于受拉截面, 可以抵消一部分拉应力, 从而大大提高抗拉能力对于受剪截面, 由于压应力而产生的摩擦力大大提高了加固体的抗剪能力, 同时, 又由
9、于避免了过早地出现张开裂缝, 因而减缓了围岩的弱化过程, 保证了巷道的长期稳定。由此可以看出, 预应力锚杆的作用机理在于保证了围岩与锚杆共同起作用, 避免了围岩与锚杆被“ 各个击破” , 从而提高了围岩加固体的抗拉与抗剪切能力。2.3 可拉伸锚杆如前所述, 可拉伸锚杆有很多种, 但其作用原理基本相同。锚杆对围岩的加固作用是通过二者之间的相互作用实现的, 这种相互作用来源于二者之间的变形差, 变形差则来源于二者之间的刚度差。由于软岩刚度过小, 动压巷道的应力集中较大, 因而往往导致软岩和动压巷道中的锚杆与围岩之间的变形差过大, 过早地达到极限而引起锚杆与围岩之间相互作用状态发生变化, 锚固力大大
10、降低。可拉伸锚杆通过杆体伸长可适应锚杆与围岩之间产生的大变形量而不丧失锚固力, 这正是可拉伸锚杆能适应软岩和动压巷道围岩大变形的原因和工作原理。2.4 “三小”锚杆“三小”锚杆光爆锚喷新技术于1991年试验成功。近几年在我国国有重点矿区推广应用结果表明在可比条件下, 小直径树脂锚杆可节约锚固剂50%左右, 钻孔速度比钻大孔径提高50%左右, 且节省了杆材。至于小直径锚杆的锚固力, 国外试验研究表明, 锚杆锚固力与锚杆孔径成反比。有关试验进一步表明, 锚杆锚固力与粘结体环向厚度有关, 锚杆直径并不是越大越好, 而是一定直径锚杆的粘结体环向厚度存在一个锚固力最大的值, 这就是推广小直径锚杆的理论依
11、据。国内对缝管锚杆所进行的试验研究表明, 外径为30mm的缝管锚杆比外径为43mm的缝管锚杆锚固力大1.43倍, 钢材用量减少31%-42%, 钻孔速度提高一倍, 钻具消耗与能耗减少24%。由此可见, “ 三小”锚杆的综合经济效益十分显著, 因而值得广泛推广3 锚杆支护设计方法发展方向目前, 国内锚杆支护设计及参数选择方法基本上还停留在经验设计阶段和经验数据的基础上, 即工程类比法是主要的设计方法。当地质条件简单、围岩稳定时, 直接采用工程类比法确定锚杆支护参数,再用悬吊理论、组合拱理论或松动圈理论加以校核即可当地质条件复杂时, 采用试验方法确定锚杆支护形式和支护参数, 一般先进行室内模拟实验
12、, 再进行工业性试验锚杆。目前, 支护设计方法的发展方向有四个。 （1）专家系统设计法。它是工程类比法的发展,但由于是建立在众多专家知识和大量的经过实践检验行之有效的经验设计的基础上, 因而支护设计的可靠性和合理性大为提高。 （2）理论设计法。是建立在锚杆支护力学分析与模拟计算的基础上, 需要预先测试围岩力学参数, 并进行系统的锚杆支护作用机理和围岩变形机理研究, 才能成为指导围岩控制实践的科学方法。 （3）实测设计法。又称现场监测法, 是由澳大利亚和英国先后发展起来的, 该设计法从地质评估开始, 先进行初始设计, 然后通过对锚杆的现场特征、岩体特征及巷道在加固条件下特征的详细监测验证设计,
13、最后确定锚杆加固系统, 并继续进行日常监测。 （4）围岩松动圈设计法。该方法含有专家系统设计法和现场实测设计法的内涵, 简单直观, 易为现场工程技术人员所接受, 且对岩巷有着良好的适应性,但对煤巷尤其是动压煤巷的适应性仍有待深入研究, 故围岩松动圈支护理论与设计方法也是今后发展的重要方向。4 制约锚杆支护技术发展速度与水平的四大因素国内外锚杆支护实践表明, 锚杆支护是加固围岩, 提高和利用围岩自身支撑能力, 实现共同承载的主动支护形式, 具有经济、快速和安全的巨大优越性。然而, 这种优越性并非在所有采用锚杆支护的煤矿都能体会到。相反, 有相当一部分煤矿锚杆支护的成巷速度并不快, 安全性也不好,
14、 原因就在于没有解决好至少以下四个主要方面的问题, 即锚杆与锚固剂的产品质量、锚杆机具与安装质量、锚杆监测仪器与监测技术以及锚杆支护技术人员培训。4.1 锚杆与锚固荆的产品质量锚杆的材质、结构与其力学性能紧密相关, 锚固剂的质量指标更是决定支护可靠性的关键, 澳大利亚和英、美等国极为重视锚杆和锚固剂的生产, 制定了严格的技术性能质量指标。而我国煤矿目前使用的锚杆及其构件很多是自产自销, 存在着很大的随意性, 缺乏必要的检测和监督锚固剂的生产也比较混杂, 性能质量难以保证。因此, 急需由部组织制定统一的锚杆系列和锚固剂系列质量标准, 规范锚杆及其构件和锚固剂的生产, 使锚杆支护的安全隐患排除在矿
15、井之外。4.2 锚杆机具与安装质量锚杆机具性能是决定锚杆安装质量与施工速度的关键。澳大利亚不仅重视研制各种具体用途的锚杆结构型式, 而且极为重视锚杆钻装机的不断研制更新, 如新型ABM20锚杆钻装机不仅可同时完成打眼与安装两项作业, 同时安装顶板锚杆的数量多达6根, 而且还可以安装两帮锚杆, 并保证安装的锚杆锚固可靠, 有足够的预紧力, 因而保证了锚杆支护的高质量与高速度。而我国目前虽然电动、风动和液压锚杆钻机都有, 但性能结构不尽合理, 零部件质量和整机性能都急需进一步完善与提高, 至于掘锚联合机组, 更有待进一加紧研制与试验, 以实现掘支平行作业, 提高成巷速度。4.3 锚杆监浏仪器与监测
16、技术监测是监督施工质量、保证锚杆支护安全可靠的重要手段。锚杆支护是一项隐性工程, 因而更需要及时可靠和行之有效的施工检测与跟踪监测。英国煤炭总公司技术部在总结维斯多夫矿使用锚杆的经验时, 将“ 使用综合测量装置, 对安装好的锚杆进行监测”作为成功的五项经验之一。而澳大利亚煤炭工业研究实验室更是重视综合测量技术, 他们研制的数字式声测锚杆变形计, 可用于钻入岩层深达的锚杆孔, 沿孔布置锚固测点多达个, 全部测点数据可在内迅速“ 读出”“ 和“ 记录” , 若这些锚固点发生移动, 即表明岩层出现位移同时测量的还有锚杆载荷, 方法是沿锚杆变形计使用对电阻应变计, 可测得较详细的轴向应变和弯曲应变值, 由此可绘制出锚杆负荷的产生过程, 并可确定出屈服点。通过对测得的锚杆局部性能结果的详细研究, 可对支护系统工作状况的好坏和安装质量的可靠度进行评估。如果有问题, 那么可根据反馈的信息进行二次设计, 从而使锚杆强度或
