1、专题部分煤巷锚杆支护摘要煤巷锚杆支护的技术已趋于成熟但是锚杆支护仍然存在较多问题。第一，锚杆支护工程隐蔽性强，监测技术不能完全满足煤矿的需要，安全可靠根本没有保证。第二，我国煤炭资源分布范围广，地质条件复杂多变，好多复杂地质条件下锚杆支护并未达到理想的支护效果。该设计是从锚杆支护的隐蔽性和我国复杂多变的地质条件等特点出发。围绕这些特点，从杆体材料，加工方法，支护设计理念、施工质量，检测设备，监测手段等方面入手进行试验研究，提高支护质量，实现高产高效。关键词：煤巷；锚杆支护；高强度锚杆；监测1问题的提出由于锚杆支护能够改变围岩的力学特性，能获得良好的支护效果，带来传统支护方式无法比拟的技术经济效
2、益，在国内外已受到了普遍的重视并得到了快速的发展及广泛的应用。因此，探索正确的巷道支护理论、选择安全可靠的支护方法、确定经济合理的支护参数以及实用高效的施工工艺成了长期以来人们所致力解决的一个重大理论及技术课题，对于煤矿来说具有重大意义。锚杆支护是巷道支护的一次重大革命，它可以起到加固、悬吊、合成梁和挤压连接体等作用，在支护中使用锚杆可以改变岩体的受力状态，不仅增加了岩石本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，提高了岩体承载能力。同时，大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、巷道断面利用率高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优。因而，井下巷道采用锚杆
3、支护是一种行之有效的支护手段，成为世界主要产煤国家煤矿支护的主要形式，美国、澳大利亚的煤矿巷道普遍采用锚杆支护，其支护比例己接近100%，英法两国煤巷的锚杆支护比例也分别达到了50%和80%以上，而我国煤矿锚杆支护在煤巷中仅占20%左右，和世界先进水平相比存在较大差距。其主要原因是巷道事故率很高。巷道变形破坏、片帮冒顶等事故在地下工程中是最常见的。据不完全统计，煤矿事故中59%以上是巷道事故。究其原因，还是对巷道变形破坏规律认识不清、支护理论不完善，从而造成支护设计工程类比居多，缺乏科学的指导，巷道支护方式选择不合理，因而也就无法保证巷道在不同地质条件下稳定和安全使用。所以本文系统的介绍锚杆支
4、护。2 国内外煤巷锚杆支护现状2.1国内外煤巷锚杆应用概况由于各国的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比较大，煤巷锚杆支护的发展历程也表现出各自不同的特点。2.1.1美国美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家(1912年)，依据其得天独厚的地质条件及先进的科技、经济实力，在锚杆支护技术方面一直处于世界领先水平，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在8000万根以上，约25000 km的煤巷使用锚杆支护。由于使用锚杆有效地控制围岩的稳定性，美国所有的井工巷道都布置在煤层中，并认为不能采用锚杆支护的煤层，开采是不经济的。60年代末由于树脂锚固剂
5、的发明，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式，并且锚杆的直径和强度都有所提高(直径大约为19 mm，强度大约为300 MPa)。随着人们对全长胶结锚杆的机理及应用条件的认识，认为高预拉力对于更大限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意义。在70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆能够实现很高的预拉力，同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高(直径达到22 mm和25 mm，强度达到517 MPa)，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%。这种锚杆系统的安装速度很快，安装机具不需等到树脂固结就可以移至安装下一根锚杆的地方，因而可以采用中速或慢速树脂锚固
6、剂。美国的主要经验是：将锚杆加工产业化；锚杆支护作为一门技术，而非材料消耗、废品利用，形成了锚杆产品的多样化、多系列，以适应各种不同的条件；锚杆设计、制造、服务一体化；将高新技术用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计，形成了不同与其它国家的锚杆支护方法。2.1.2澳大利亚绝大多数煤巷采用锚杆支护，主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆参数设计方法有其独到之处，将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统设计方法。设计步骤主要包括以下几个基本部
7、分：地质力学评估，地应力状况和围岩力学性质是地质力学评估的主要内容；锚杆支护参数设计，在巷道围岩力学评估的基础上，应用有限差分数值模拟分析辅以工程类比和理论计算进行锚杆支护参数设计；对初始设计选定的方案进行围岩稳定性分析；现场施工；现场监测、信息反馈和优化调整设计。2.1.3英国1946年首次试验机械涨壳式锚杆，1952年在NCB矿大规模使用机械式锚杆，但由于机械式锚杆不适宜英国较软弱的煤系地层，到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术；80年代中后期开始重新发展锚杆支护技术，使用比重达到80%，主要引进澳大利亚锚杆技术，包括：(1)采用高强度的澳大利亚锚杆支护系统(AT锚杆)，包括高强
8、度树脂锚杆全长锚固技术、清洁钻孔的做法、锚杆与钻孔需紧密配合等等，树脂粘结强度达到510 MPa，锚杆锚固力达到250 kN以上；(2)根据实际的地质、开采条件，研究围岩的应力状态，掌握岩层移动、锚杆载荷的分布和发展，合理设计锚杆支护参数。2.1.4其它国家自1932年发明型钢支架以来，德国主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上；自80年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护；80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。60年代中后期，法国引进由德国发明、60年代进入商品化的树脂全长锚固技术，几起严重的围岩坍塌促使法国煤科院在Lorraine煤田对
9、树脂锚杆进行深入研究，80年代以后锚杆使用比重大大提高。2.1.5国内情况自50年代以来，锚杆支护技术在我国也得到了逐步应用，煤矿于1956年开始使用锚杆，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在较稳定的岩石巷道中，7080年代，国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护列为主攻方向之一，80年代末期，开始引进澳大利亚技术，树脂锚杆研制成功并推广应用，煤巷锚杆进入发展的快车道，、类巷道锚杆支护很快取得成功，、类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推广应用力度进一步加强，但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂，我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道，而且要使
10、用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下，所以总体使用比重较低，各地区发展很不平衡。2.2锚杆支护型式演变概况透过世界各国锚杆支护的应用历史，单从锚固技术和手段的演变看可将其归结为3个阶段：2.2.1机械式端头点锚固锚杆的应用阶段40年代开始，在5060年代广为推广的锚杆支护主要型式是机械端头锚固，分为楔缝式、涨壳式、倒楔式等，其特点为锚固力低、系统刚度小、可靠性差，受岩性影响大，不易在软岩中使用，英国煤矿采用该类锚杆支护的实践表明它不适宜在软弱煤层中应用，一度停止在煤巷中使用锚杆支护。机械式端头点锚固锚杆的技术特征客观上导致了使用的局限性，并出现锚杆支护技术和使用的徘徊期。2.2
11、.2全锚锚杆的提出7080年代各种新型锚杆相继问世，如砂浆锚杆、树脂锚杆、管缝式锚杆、水胀锚杆等，它们的特点为全长锚固、锚固力大、可靠性高，适应性强。B.Caverson在White Pine 矿研究聚脂树脂锚杆和涨壳式锚杆的拉拔试验，得出粘结式锚杆比机械式锚杆的锚固力大1.73倍；E.W.Parsons和L.Osen的测试证实粘结式锚杆锚固力随围岩变形的增加而逐步增大，机械式点锚固锚杆的锚固力初期总有个急剧下降的过程，然后就维持在较低的水平。上述研究成果对机械式点锚固锚杆的淘汰和全锚锚杆尤其是树脂锚杆的推广应用发挥了重要作用。2.2.3树脂锚杆占领市场阶段80年代以后，树脂锚杆以其优越的锚固
12、性能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场。砂浆锚杆由于灌浆工艺复杂，凝固时间长，胶结质量难以保证，管缝式锚杆和水胀锚杆易锈蚀，锚固力受到钢材和围岩松弛的影响，只能在某些条件下发展应用，此外各种适应特殊要求的锚杆得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维锚杆、塑料锚杆，适应软岩大变形要求的等塑性锚杆，适应大跨度的桁架和锚索等。2.3 发展趋势从世界各国的应用情况看，高强螺纹钢树脂锚杆技术较好地解决了支护系统本身的强度和锚杆与围岩的锚固技术问题，并形成了一套相对成熟的体系。多种复杂困难条件下煤巷锚杆支护的成功应用，加深了对高强树脂锚杆控制受采动影响巷道围岩变形和稳定性的机理及高强锚杆支护系统适应和控制巷道
13、围岩大变形能力的认识，因此复杂困难条件煤巷采用新型锚杆支护在理论和技术上都有一定的基础。但在近10年的的开发研究和应用中，我们对大量巷道冒顶事故及顶板严重离层变形的现象进行了分析，发现导致冒顶的原因不仅仅是锚杆强度不够造成的，也不能通过增加锚杆密度来解决，锚杆的预拉力(初锚力)起到了更为关键的作用。美国A.Wahab Khair(1992)观测了高水平地应力与巷道顶板产生的离层及剪切破坏程度的关系，并提出了采用锚杆桁架控制巷道顶板的措施。美国J. Stankus(1994、1997)和Song Guo(郭颂，1997、1998)系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道
14、顶板离层垮冒、底板鼓起的主要原因，但可以通过提高巷道顶板锚杆预拉力，将水平地应力的消极影响变为积极的作用，从而极大地提高巷道的稳定性,并开始在锚杆支护设计中考虑锚杆预拉力的影响。中国学者朱浮声(1993)、郑雨天(1995)的研究表明：当锚杆预拉力达到6070 kN时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量。如何把握锚杆支护技术的演变趋势，应用预应力技术成果，从普通圆钢锚杆、高强度螺纹钢锚杆，进一步发展到预拉力锚杆支护技术，是非常值得研究的问题。早在本世纪初，就有人提出无粘结预应力筋的设想，20年代德国人申请了专利，50年代在楼面建筑中应用，近20年发展很快。预应
15、力技术的出现和发展使得预应力平板结构代替了建筑结构中过去大量采用的梁板结构，从而大大提高了承载性能，减少了材料用量，减少了结构厚度，增加了有效空间；混凝土建筑材料也经由素混凝土、普通钢筋混凝土发展到预应力钢筋混凝土，承载性能明显提升。作为采矿技术领先的国家，美国紧紧把握了这一发展趋势，美国采矿界起到了带头作用：1)提高锚固强度，增大锚杆间排，以便和掘进机的速度匹配；同时扩大锚杆支护的应用范围，提高支护效率；2)采用性能优越的施工安装机具，在锚杆安装时实现高预拉力。现在，美国矿山巷道锚杆的预拉力一般为100 kN左右，可以达到锚杆杆体本身屈服强度的5075。美国高预拉力锚杆支护技术已取得了显著成
16、效，并影响到很多国家,比如英国研制成锚固能力达500 kN的“大锚杆”，并在Asfordby矿试验成功用间距1.0 m的大锚杆代替间距0.6 m的“AT”锚杆。这些成功实践表明：高预拉力锚杆能够很有效地控制层状顶板的离层，因而冒顶现象大大减少，安全状况有根本性的转变；同样条件下锚杆的密度减小，间排距大大提高，同比锚杆用量减少2030%；掘进速度大大提高，支护效率明显改善。这一技术思想近年也影响到我国，在淮南新区锚杆支护技术攻关中，课题组充分强调和应用了预应力支护思想，提出控制离层或从根本上消除离层的最直接最有效手段是利用高预拉力锚杆支护形成刚性化预应力顶板结构，最大限度地控制顶板初期变形，消除或大大减缓顶板离层，并从根本上控制巷道围岩的最终变形量，这一思路已得到大量实践的证实,在十分复杂的离层破碎型顶板下采用预应力支护技术取得成功。预应力技术体系不仅能够克服高强锚杆存在的主要技术问
