巷道锚杆支护关键技术及发展趋势

巷道锚杆支护关键技术及发展趋势

李强

淮河能源控股集团煤业公司谢桥煤矿，安徽淮南 236200

摘要：锚杆支护是一项比较成熟的技术，文章针对我国锚杆支护技术发展历史进行了简要回顾，并对支护关键技术进行了分析，对未来的发展趋势进行了初步分析。

关键词：锚杆；关键技术；发展趋势

前言

锚杆支护是一种安全、经济的支护方式，它是以锚杆为主体的支护结构的总称，包括锚杆、锚喷、锚喷网等支护形式。我国于 20 世纪 50 年代开始试用锚杆支护技术，至 70 年代前期还处于探索阶段，直至 1978 年才开始重点推广，目前已得到较广泛的推广和应用。在一些矿区的锚杆支护巷道比例达到 90% 以上，有些矿井甚至达到了 100% ，取得了较好的技术与经济效益。锚杆支护以其结构简单，施工方便、成本低和对工程适应性强等特点，在采矿工程中得到了广泛应用。

1我国煤矿锚杆支护技术发展历史

我国在煤矿岩巷中使用锚杆支护也已有近60余年的历史。从1956年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，20世纪60年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法，锚杆材料、施工机具、检测手段等还不够完善，因而发展缓慢。“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关，在“九五”期间，原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个项目之一， 对锚杆支护的可行性和适用性进行了深入细致的研究，取得了一大批水平较高的科研成果。特别是1996~1997 年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在原邢台矿务局进行了现场演示，并完成了与锚杆支护技术有关的15个项目，使我国的煤巷锚杆支护技术有较大提高。同时，困难条件下锚杆——锚索支护技术得到了应用，并取得令人满意的支护效果和经济效益。2005年，我国国有重点煤矿的锚杆支护所占比重为60%，有些矿区超过了90% ，甚至到达100% 。

2锚杆支护关键技术

2.1注重顶板斜锚杆的作用

物理模拟及数值模拟研究结果均显示在巷道肩窝处布置倾斜锚杆对顶板在肩窝附近的切落具有明显的控制作用。这种作用有三个方面：一是锚杆的轴向约束承担了作用在顶板岩层上的部分荷载，从而减少了作用在顶板剪切面上的剪应力；其二锚杆杆体和锚固剂自身提供抗剪阻力；其三是锚杆的预紧力增加了剪切面上的正应力，有利于抑制剪切破坏的出现。在有较大垂直荷载作用下大跨度巷道具有整体切落的可能性，所以在巷道的四角布置倾斜锚杆是非常必要的。

2.2 “三径”合理匹配

为了保证锚杆锚固质量，锚杆钻孔直径、锚杆直径和树脂药卷直径应合理匹配，钻孔直径与锚杆直径之差应为4～10mm，同时考虑锚固效果和施工难易程度以6～8mm为最佳，钻孔直径与树脂药卷直径之差应为3～5mm。

2.3 保证合理的锚杆预紧力

为了充分发挥锚杆主动支护的优越性，在进行锚杆安装时必须要保证足够的预紧力，控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。根据国外经验以及国内部分矿区的试验数据，结合我国煤矿巷道条件与施工机具，一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服荷载的30％～50％。

目前，我国煤矿锚杆预紧力主要是通过拧紧锚杆尾部螺母，压紧托板实现的。锚杆预紧力P0与螺母预紧力矩M之间的关系可表示为：

P0=kM

可见，锚杆预紧力与螺母预紧力矩成正比，同时取决于系数k。影响k值大小的关键因素包括：一是螺母与锚杆螺纹段间的摩擦系数，该系数越大k值越小；二是螺母、垫圈断面间的摩擦系数，该系数越大k值也越小；三是锚杆直径，锚杆越粗k值越小。因此，一方面要尽量提高螺母预紧力矩，另一方面要尽量减小构件间的摩擦系数。

2.4 整体支护与关键部位加强支护相结合

在支护设计与施工中，要确保巷道的安全稳定就必须采用整体支护的方式将巷道顶板和两帮（有时还包括底板）连接成整体以充分发挥群锚的作用，另外对于巷道局部容易破坏的薄弱部位应采取加强支护的措施以防止巷道首先从该处开始破坏继而导致巷道全断面失稳。

3 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、可拉伸锚杆和“三小”锚杆。

3.1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。

3.2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。

3.3 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，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。

3.4 “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

4 结束语

实践充分证明，在煤巷中应用锚杆支护，与传统的棚式支护相比，从根本上改善了支护状况，保证了安全生产，减轻了工人的劳动强度，改善了作业环境，大幅度节约支护材料，降低支护成本。煤巷锚杆支护技术的理论与实践都已比较成熟，锚杆支护的可行性和安全可靠性得到充分验证。我们要大力推广使用锚杆支护技术，并明确锚杆支护的发展方向，积极探索新的新的支护方法，更好的为煤矿安全绳生产服务。

参考文献：

[1] 程良奎．岩土锚固的现状与发展［Ｊ］．土木工程学报，2001，34（3）：7-12，34

[2] 姚爱敏，孙世国，刘玉福．锚杆支护现状及其发展趋势［Ｊ］．北方工业大学学报，2007，19（3）:90-94