我国煤矿锚杆支护技术的发展.pdf

附中 国矿业总第期 塑 我国煤矿锚杆支护技术的发展 马其华徐恩虎朱善德 山东矿业学院 泰安东北 大学 沈阳肥城矿务局 摘要展示了我国煤矿锚杆支护技术发展的三个阶段和扩展的应用范围 , 探讨了锚杆支护技术 与设计方法发展的四大方 向 , 分析了发展锚杆支护技术必须重视解决的四大问题 。 关键词锚杆支护技术设计方法发展方向问题 ’ 乒 , 一 ,, 引言 顶板析架锚杆的主要国家之一 , 而英国则是应 用锚杆支护技术的后起之秀 。 锚杆支护技术始于国外 , 年美国在建 筑修缮方面开始使用喷浆技术 , 年德国第 一次在井下巷道喷浆 , 年苏联的顿巴斯矿 井开始应用锚喷支护 。 年代初 , 瑞士和西德 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 , 美国也是发展顶板锚固技术和最早使用 锚杆支护技术发展阶段 与应用范 围 锚杆支护技术发展三阶段 我 国煤矿于年开始试用锚杆 , 年在试验平恫和少数矿井试验喷浆 、 喷射混凝 土和锚喷支护 。 这是我国锚杆支护技术发展的 初期阶段单体锚杆群支护阶段 。 这一阶段以 钢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 中国 矿业 年 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 。一 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 , 从而使锚杆支护技术有了新的 发展 , 进人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 由平面组合在巷道横断面上形成开放环或封 闭环发展到 空 间组合在巷道 、 纵横断面上 锚杆之间相互联系 , 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 , 如矿大研制出挤压式和 套管摩擦可拉伸锚杆以及型杆体可拉 伸锚 杆 , 东大研制 出端锚外伸式可拉伸锚杆 , 西安 矿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 一 析架锚杆 。 这是锚杆支护技术 发 展 的新阶段 一 预应 力锚杆支护体系 阶段 。 其代表产品或结构主要有 三种 , 即析架锚杆 、 水 胀式锚杆和缝管式锚杆 , 这三类锚杆均具有良 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 。 澳大利亚 的研究证明 , 当锚杆的纵向预 应力达到 一以上 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必 全长锚固树脂钢 筋钢杆 , 并研制出托板 减摩装置 。 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 面铜 室和交岔点 , 从新掘井巷扩展到旧巷修复 , 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 。 锚杆支护技术发展方向 经过近十年来的迅速发展 , 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 。 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 。 析架锚杆的结构形式有多种 , 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 水平拉杆连结为一体 , 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 中和摩擦力 , 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 。 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胀式和缝管式两种 。 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 。 预应力锚杆的作 用机理分析如下 众所周知 , 地下岩体抗拉强度很小 , 又往 往被层理 、 节理 、 裂隙等弱面所切割 , 弱面的 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 , 卷期 马其华等我国煤矿锚杆支护技术的发展 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 为破坏载荷的以下 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 。 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 。 众所周知 , 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 工作机理 。 “ 三小 , , 锚杆 “ 三小 ” 锚杆光爆锚喷新技术于年试 验成功 。 近几年在我国统配矿区推广应用结果 表明在可比条件下 , 小直径树脂锚杆可节约 锚固剂左右 , 钻孔速度比钻大 孔径提 高 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 。 有关试验进一步研究表明锚 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 向厚度存在一定锚固力最大 的最佳值 , 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的缝管 锚杆比外 径为的缝管锚 杆 锚固力大 倍 , 钢材用量减少 一 , 钻孔速度 提 高 一 倍 , 钻 具消耗与 能耗减少 。 由此可见 , “ 三小 ” 锚杆的综合经济效益 卜分显著 , 因而值得深化推广 。 锚杆支护设计方法发展方 向 目前 , 国内锚杆支护技术及参数选择方法 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 , 再进行工业性 试验 。 锚杆支护设计方法的发展方 向有四一是 专家系统设计法二是理论设计法三是实测 设计法 四是围岩松动圈设计法 。 专家系统设计法 巷道锚杆支护专家系统设计法是工程类比 法的发展 , 但由于是建立在众多的专家知识和 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 。 理论设计法 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 。 实测设计法 实测设计法又称现场监测法 , 是由澳大利 中国 矿业 年 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 , 最后确定锚杆加固系统 , 并继续进行日常监测 。 围岩松动圈设计法 围岩松动圈支护理论与设计方法含有专家 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 , 但对煤巷尤其是动庄煤巷 的适应性仍有待深人研究 , 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 。 发展锚杆支护技术必须重视 解决的四大问题 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 , 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 。 锚杆与锚固剂的产品质量 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 的生产也是良芬混杂 , 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 隐患排除在矿井之外 。 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 用途的锚杆结构形式如旋人式锚杆 、 组合式 锚杆和注人式锚杆等 , 而且极为重视锚杆钻装 机的不断研制更新 。 如新型锚杆钻装 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 , 更有待进一步加紧研制与试 验 , 以实现掘支平行作业 , 提高成巷速度 。 锚杆监测仪器与监测技术 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 于钻人岩层深达的 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 。 通过对锚杆局部 性能测得结果的详细研究 , 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 果表明有问题 , 那么 可就反馈的信息进行二次 设计即修正设计 , 从而使锚杆强度或锚杆密 度和锚杆长度更 为合理 。 我国虽然也十分重视 锚杆支护监测工作 , 先后研制 出一些检测 与监 测仪器如锚固力测定仪 、 超声波围岩裂隙探 测仪等,但性 能不高 、 功能不全 , 尚未形成系 列配套的综合监测技术 。 锚杆支护监测是设计 与施工质量及安全工作的重要保证 , 因此 , 需 要加大监测仪器仪表的研制力度 , 尽早完善监 测手段 , 规范监测内容 。 锚杆支护人员培训 人是一切工作的制定者和执行者 。 无论从 卷期 马其华等我国煤矿锚杆支护技术的发展 结构合理 、 质量上乘的锚杆到性能优良的锚固 剂 , 还是从灵活高效的锚杆钻装机具到灵敏精 密的监测仪器仪表 , 无一 不需要人来操作 , 无 一不需要人去完成 。 英国维斯多夫矿成功使用 锚杆的另一重要经验就是 “ 健全的培训 和监督 体系及管理工作的保证 ” 。 我 国煤矿施工队伍总 的说来人员素质偏低 , 加上监督管理不到位 , 往 往施工质量难以保证 。 因此 , 重视和加强锚杆 支护技术人员和施工工人的技术培训 和岗位训 练 , 必然有助于我国煤矿锚杆支护技术的发展 和锚杆支护形式的普及 。 即普遍采用工程类比法 , 因而不 可避免地带有 一定的盲目性锚杆支护工作是一项似是简单 、 实则复杂的系统工程 , 影响支护效果与成败的 因素很多 , 因此 , 分析不同种类锚杆结构的作 用原理 , 考察不 同设计方法的特点 , 探讨影 响 支护效果的主要因素 , 明确锚杆支护技术与设 计方法的发展方向及工作重点 , 对推动我国煤 矿锚杆支护技术的发 展 与锚杆支护形 式的普 及 , 提高施工速度 , 发展高产高效矿井 , 降低 煤炭成本 , 促进质量效益的提高和煤炭经济增 长方式的转变 , 有着深刻的现实意义 。 结束语 我国煤矿锚杆支护经过多年的发展 , 应 用范围已扩展到受动压影响的回采巷道 、 软岩 巷道 、 破碎或复合顶板巷道及工作面开切眼和 大断面铜室锚杆支护 的种类 、 结构形式及规 格层 出不穷而锚杆支护设计方法却比较单一 , 收稿 日期 年月 日 〔作者简介〕马其华山东矿业学院采矿 研究所岩 土室硕士讲 师 徐恩虎东北大学在职博士生讲师 朱善德肥城矿务局查庄煤矿生产技术科 工程师 厂 一一一飞 内蒙古 建设中的国家第二大煤炭基地 内蒙古煤炭资源丰富 , 赋存条件良好 , 品种齐 全 , 煤质优良 , 是我国建设中的第二大煤炭基地 。 截 至年底 , 全区共发现煤田处 , 已查明含煤 面积万多平方公里 , 占全区总面积的 。 全 区 个旗县 、 市中 , 个赋有煤炭资源 。 累 计探明储量亿 , 占全 国探明储量的 , 居 全 国第二位人均探明储量近万 吨 , 居全国第一远 景储量叨亿 , 仅次于新疆 , 大型煤田遍布全区 。 储量在亿吨以内的煤田 多处 , 亿一亿的煤田处 , 亿一亿的 煤田处 , 百亿吨以上的特大型煤田处 。 大部分 煤田厚度大 , 埋藏浅 , 地质构造简单 , 煤层较稳定 ,’ 适合大型机械化和露天开采 , 被誉为祖国 的第二大 煤乡 。 到年底 , 全区煤炭工业累计完成基本建设 投资亿元 , 已建成年生产能力万吨以上矿井 处 , 原煤生产能力每年万 。 “ 九五 ” 开局 的年 , 自治区煤炭产量达到万煤炭调 出量 。万 , 居全国第二位煤炭出口万 , 创汇万美元 。 国家把 自治区列为煤炭重点开发区 , 全国五大 露天矿区开发建设项目 , 内蒙古就 占四个 。 伊敏河露天矿已在呼伦贝尔草原崛起 , 今后将 建成规模为万的矿区 和坑口电厂装机容量 为万的煤电基地霍林河露天矿在 自治区 东部 , 今后年将建成规模为万的煤 电联 营基地煤电路同步建设的大型现代化煤矿准格尔 露天矿 , 初期规模为万 , 以后将建成规模为 。万 的特大型动力煤基地元宝山露天矿设计 规模为万 , 即将在元宝脚下拔地而起 。 正在筹 划 中的煤炭就地转化的新型模式 一 东胜万 利 矿 区 , 随着装机容量为万的达拉特电厂 的建 设 , 将形成煤电联动 、 同步运 营的配套发展格局 , 计 划在这里建成规模为万的精煤基地 。 平庄 、 大雁 、 扎贵诺尔 、 宝日希勒是自治区的动 力煤基地 , 随着续扩建工程的进展 , 将成为东北工业 能源供应的主要依托 。 鄂尔多斯煤田储量亿 , 为世界七大煤田之首 , 到 。年 , 将建成规模为 万的矿区 。 ‘叭 幽