美国煤巷锚杆支护技术概况.pdf

第2 6 卷第4 期 煤炭科学技术 1 9 9 8 年4 月 _ 回躲 锄濡 羧 溺 美国岩层加固工程技术公司 郭颂 ，一 摘要介绍了美国煤矿煤巷锚秆使用概况。 ． ， ． 关键词美国锚杆组合型预拉力 ‘ 、 r f ． ； 一 - 一一一 ， 一 l ， 一 、 、／’ 、 ／ 美国是世界上产煤大 国之一。全年煤 炭 E o w F o r k 矿 产量在 1 0亿 t 左右，仅次于中国，排行世 该矿位于美国东部煤田开采匹兹堡八号 界第 二。总产 量的 3 5 ％ 是来 自井工煤矿 ， 煤层 P i t t s b u r g h No ．8 。煤层厚 度为 2 ． 5 大 约 为 3 ． 6 ～3 ． 7亿 t ，其产量的 4 5 ％ 来 13 3 。全矿共有两套综采和三个连续采煤机 自 机械化长壁工作面，剩余的 5 5 ％来 自连 掘进工作面，年产原煤约 1 1 0 0万 t ，是 目 续采煤机掘进工作面。据 1 9 9 6年的统计 资 前世界上最大的井工煤矿。直接顶由分层极 料 ，美国现有 6 9个机械化长壁 工作 面 ，平 薄的页岩和砂 质页岩组成 ，抗 压强 度为 3 0 均一个长壁工作面每班生产 3 4 7 5 t ，全年 --5 5 MP a 。采深在 2 5 0 ～4 4 0 n l ，原始最大 平均生产 2 5 0万 t 。其井工生产效率居世界 水平应力为 3 0 --3 1 MP a 。巷道宽度为 5 n l ， 首位。先进的生产效率与很多因素有关 ，但 长壁 工 作 面 长 度 为 3 1 4 13 3 ，走 向 长 度 为 最主要 因素还是先进 的技术。 2 8 0 0 3 8 0 0 i n 。长壁工作面搬家只需 4 ～5 美国是世界上最早使 用锚杆并以锚杆作d ，是美国最好记录。该矿在回 风巷成功使 为唯一的煤矿顶板支护方式的国家，也是目 用顶板桁架系统作二次支护取代木垛。 前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚 1 ． 2 美 国赛普路 斯公 司 C y p r u s 高原 杆使用数量最多的国家 。由于使用锚杆有效 P ht e a u 矿 地控制围岩的稳定性，美国所有井工巷道都 该矿位于美国西部煤田开采瓦特斯煤层 布置在煤层中。美国每年 锚杆使用量在 Wa t t i s 。煤层厚度为3 ～4 n l 。直接顶主要 8 0 0 0 万根以上 ．如果巷道平均 0 ． 3 1 n l 使用 是 泥岩和层理 中等发育的粉砂岩互层 ，抗压 一 根锚杆 以美 国常见 的锚杆布置方式计算 强度为 5 0 ～6 9 MP a 。采深在 5 5 0 ～7 0 0 n l ， 即一排 4根 ，排间距为 1 ． 2 5 m ，美国每年 原始最大水平应力为 9 ～1 0 MP a 。巷道宽度 有2 5 0 0 0 k m 的煤巷使用锚杆支护。全年由 为6 ． 3 -6 ． 9m。这是美国最早在双巷系统 于顶板冒顶造成的死亡人数不到 l 0 人。 中 煤柱宽度为 9 ～1 1 m 的回风巷使用锚 ⋯～⋯．⋯⋯⋯⋯～⋯． 索作为二次支护取代木垛 的煤矿。 1 煤巷锚杆支护技术不同条件的应用实例 t t i k i 矿 1 ． 1 美国固本公司 C ON S O L 安路伏克 该矿位于美国东部煤田开采上弗来伯特 5 0 I 维普资讯 第2 6 卷 第4 期 煤炭科学技术 1 9 9 8 年4 月 煤层 Up p e r F r e e p o r t 。煤层 倾 角为 1 5～ 1 8 。 ，煤层厚度为 3 ． 1 4 m，煤质极软。直接 顶为层理 中等至极其发育的页岩或砂页岩组 成 ，抗压强度为 4 O ～5 0 Me a 采 深在 2 2 0 ～ 3 0 0 m，原 始 最 大 水 平 应 力 为 1 8～ 1 9 MP a 。巷道宽度为 5 ． 6 m。它是美 国第一个 使用强力锚杆支护方式支护预先掘好 的长壁 工作面回收巷 1 1 m 宽 ，使得 工作面搬 家时间大大缩短，只筲 4 --7 d 。 1 ． 4 加拿大菲伦 P h a le n 矿 菲伦矿是位于加拿大东部大西洋海底下 开采的煤矿。该矿开采菲伦煤层 ，煤层倾角 1 5 ’ ，煤层厚度为 2 ～3 m。现有 开采水平的 采深在 7 0 0 m 左右 ，原始最 大水平应力 为 2 6 ～2 7 MP a 。巷遭 宽度为 5 ． 6 m，单巷 掘 进。直接顶为分层极薄的页岩 、泥岩和泥质 砂岩互层 ，抗压强度为 3 5 ～5 0 MP a 。 1 ． 5 澳大利亚斯本伦维尔 S p r i n g e 矿 该矿位于澳大利亚东南部开采利思克煤 层 L i t h g o w ，煤层采 高 2 ． 6 5 m。直接 顶 主要由煤组成中间夹粘土层，煤呈块状，粘 结性差 ，煤块强 度为 2 8 MP a 。采 深在 2 2 5 ～ 4 0 2 m，原始 最 大 水平 应 力 为 1 4～ 1 7 MP a ，巷道宽度为 5 m。 煤巷锚杆技术是一项综合的技术。具体 地讲，它是钻具 技术，树脂技术，制造工 艺 ， 锚杆产品 ，以及岩层控制技 术，支护理 论及思想的综合体现。因此说，它的成功实 施是一项复杂的系统工程 。作者将系列地介 绍涉及煤巷 锚杆技术的各个方面。 2 锚杆发展的历史回顾 美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到 本世纪 3 0年代初。直到 1 9 4 3年才 比较有计 划有系统地使用锚杆。1 9 4 7年在 原美 国矿 务局研究 中心旨在减少顶板事故的努力下锚 杆受到普遍欢迎。在不到 2年的时间内，锚 杆在采矿工业 中得到普及。当时的锚杆是在 杆体顶端切一个槽子 ，其上用一个楔子 ，锚 杆头部是 由在杆体上有加工螺纹和一个螺母 组成的 如图 l a 。锚杆使用柔性钢材，其 圈 白广 _ 一 圈 1 美国蝶巷蜡杆种类 强度级别 大约为 2 o 7 MP a ，锚杆直径较小 ， 槽子大约为 1 5 0 r m 长 ，2 ～3 ml n宽。楔子 的锥削度为 1 ／ 7 ～1 ,“ 1 0 。锚杆的安装是依靠 风动冲击锤。由于使用压缩空气，给锚杆的 使用带来 极大 的不便。到了 5 0年代初 ，美 国发明了世界上第一个涨壳式锚头 ，由此带 来美 国采矿工业的一次革命 。这以后的锚杆 变成其头部用锻造工艺形成 ，即头部与杆体 熔为 一体 ，顶 端装 配一个涨 壳式锚 头。6 O 年代末 由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用的 相当T部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结 51 维普资讯 第2 6 卷第4 期 煤炭科学技术 1 9 9 8 年4 月 的形式 ，并且锚杆 的直径和强度都有所提高 直 径 大 约 为 1 9 m m，强 度 大 约 为 3 0 0 MP a 。随着人们对 全长 胶结锚杆 的机理及 应用条件的认识 ，7 O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 杆具有很高的预拉力成为可能 ，锚杆的直径 和强度有 了进一步的增加 直径达到 2 21 T I 1 T I 和 2 5 r l l l n ，强度 达到 5 1 7MP a 。 美国在复杂顶板 条件下使用高预拉力锚 杆系统的思想及成功经验最近已影响到加拿 大、澳大利亚、英国等 国家 ，导致这些 国家 的锚杆技术也朝这个方向发展。 3 锚杆 系统的种类 美国锚杆系统种类有不同的划分办法。 按是否存在预拉力的角度划分 ，可分为无拉 力和预拉力两大类 。按锚 杆头部 的形成方法 划分，可分为镦头式和螺纹头式两大类。下 面将逐一介绍美国 目前通常使用的作为一次 支护的各种锚杆类型 。 3 ． 1 无拉力全长胶结锚杆系统 这是美国 自6 o年代末 以后一直使用 的 一 大锚 杆类型 。至今仍 然 占有相 当大的 市 场。这种锚杆 系统 如图 1 b所示 ，通 常长度 为 1 ． 6 ～1 ． 9 r i3 ，直径为 1 9 H n ，使用 2 5 mm 的孔径 ，其头部采取镦头式 。 这种锚杆成本便宜 ，制造工艺简单 。它 是一种被动性 支护 ，不主动对顶板施加任何 应力。它依赖顶板岩石先运动锚杆才给顶板 施加约束力。在原始水平应力小的条件下使 用起来 比较成功。它 的其他优 点还表 现在 能防锈和保 护顶板 岩石 免受空气 和水 的影 响。这种系统一般和慢速树脂锚固剂联合使 用 。 3 ． 2 j 页 拉力锚杆系统 3 ． 2 1 带涨壳式锚头的预拉 力锚杆 系统 这是其头部采取镦 头式的锚杆类型 图 l c 。它是在 早期 带涨壳式锚头的预 拉力锚 5 2 杆系统上的进一步完善。主要表现在锚杆顶 部树脂胶结段下面设置一个垫 圈以阻止树脂 锚固剂在锚杆安装过程中顺着 杆体 往下 流， 或用一个套管，或用一根螺旋式的钢丝也可 达到同样 的 目的。另一个主要的改进是在锚 杆头部附近增加各种垫圈，其中最重要的是 抗磨擦用的塑料垫圈。这种系统的预拉力高 可达到 1 0 t 左右。 由于预拉 力是 靠从安装 机具传递过来 的扭转力矩而建立的 ，因此在 锚杆安装过程 中扭转力矩在锚杆头部引起的 应力集中因抗磨擦 的塑料垫圈的机制而太大 降低，并且各根锚杆的预拉力的一致性得以 保证 。这种系统的杆体可 以是光滑杆 ，建筑 螺纹钢筋等等，取决于系统如何构造。锚杆 上部树脂胶结段的长度通常为 0． 3 --0． 6 m。 在这里树脂锚 固剂的作用 是保 持机械式 锚 头的锚固力不被因时间或其他外在 因素比如 锚杆孔 内风化或水的影响而出现松弛导致预 拉力的降低。 涨壳式锚 头有 2种 标准式和戽 斗式。 标准式锚头的预拉力锚杆 比较常见 。因为与 树脂锚固剂联用的困难 ，使用戽斗式锚头的 预拉力锚杆通常不用树脂锚固剂。最近美国 刚刚研制成功与树脂锚固剂联用的带戽斗式 锚头的锚杆 。戽斗式锚头在软岩或 中硬偏下 的岩层 中具有较高的锚固力，正因如此，煤 帮锚杆经常使用戽斗式锚头。 这种系统属于主动性支护 。它的预拉力 是建立在锚杆的全长 ，即从锚杆顶端的涨壳 式锚头处到锚杆下端的锚杆头部。 这种系统安装速度快 ，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 。因此这种系统可 以用 中逮或慢速树脂锚 固剂。 3 ． 2 ． 2 纽合型预拉力错杆 系统 与带涨 壳式锚头 的 预拉力锚杆 系统 不 同，这种系统不依赖任何涨壳式锚头作为顶 端锚圃点。它是 由至少两节锚杆杆 体组成 ， 维普资讯 第2 6 卷 第4 期 煤炭科学技术 1 9 9 8 年4 月 中间通 过一个带 销 的连接 件而联接 起来 的 图 1 d 。上节杆体是用 树脂 全长胶结 ，它 的功能相当于涨壳式锚头 ，起作顶端锚 固点 的作用。通常上节杆体是建筑螺纹钢筋，其 长度 为 1 ． 0～1 ． 3 m，下 节 杆体是 光滑 杆 ， 其长度根据需要而定，长度通常也 可为 1 ． 0 ～ 1 ． 3m。 这种系统在其头部附近的构造与带涨壳 式锚头的锚杆系统相 同。系统可产生的预拉 力也与带涨壳式锚头的锚杆系统相当。 这种系统属于主动性支护，它的预拉力 是建立在锚杆下端的光精杆段 ，即从带销的 连接件处到锚杆下端的锚杆头部。安装速度 不如带涨壳式锚头的预拉力锚杆 ．因为安装 机具要等到顶端树脂固结后才可以对下节杆 体施加扭矩。这种系统一般和 中速树脂联合 使用 以保证树脂的充分搅拌 。 总的来说 ，高预拉力锚杆系统在原始水 平应力大，顶板为页岩或砂页岩等并层理极 端发育或复合顶板条件下使用起来 比较成功。 3 2 ． 3 带螺致头的预拉力锚杆系统 这是 其 头部采取螺 纹头式 的锚 杆类 型 图 1 e 。它 的固有 缺点是锚杆 的预拉力 的 建立与安装质量密切相关 ，预拉力一般来讲 比较低 大约在 2 ～3 t 左右 。因此这种锚 杆系统的预拉力仅仅是个名义而 已。由于锚 杆最薄 弱的环节是在锚杆的头部 ，因此这种 锚杆头部存在的加工螺纹削弱 了锚杆系统的 总体强度。在锚杆后期工作所遇到的拉力和 剪力共同作用下锚杆头部极容易破坏 ，并且 可能 由于锚杆存在的很高的拉力载荷使得锚 杆头部从顶板上象子弹一样射出来 ．甚至造 成安全 隐患。这种系统一般和快速树脂联合 使用 ，快速树脂胶结段长度通常为 o ． 6 m。 这种系统的另外一种变异形式称作扭转 拉力锚杆 图 1 f 。它使用两种不同速度的树 脂锚固剂，上部为快速树脂锚固剂 ，下部为 中或慢速树脂锚固剂。形式上来讲它具有无 拉力全长胶结锚杆系统和预拉力锚杆系统 的 共同优点，但由于上面提到的非 常低的预拉 力，使得这种系统在实 际应用中与无拉力全 长胶结锚杆系统投有多大差别，在很大程度 上讲 ，由于锚 杆头部固有 的薄弱环节，它 的 工作性能还不及无拉力全长胶结锚杆系统。 与组合型预拉力锚杆系统相同，这种系 统要等到锚杆上部树脂锚固剂固结后安装机 具才可对下部杆体施加扭矩 。如果安装质量 稍掌握不好，锚杆头部将会伸 出到顶板外 ， 少则 0． 1 1 1 1 ， 多则 0 ． 3 m 或 以上．使每 根锚 杆伸出到顶板外的长度参差不齐。更主要的 是每根锚杆的预拉力大小相当不一致。 这种锚杆的下部有一个具有滞后机理的 螺母 ，这个 螺母 的形 式多 种 多样 图 2 。 它的作用是保证在锚杆上部树脂 固结之前 ， 没有扭矩施加到锚杆下部杆体。其预拉力建 立在锚杆下端从树脂 固结段底部到锚杆的头 部之闯。 ④叠 图 2 锚杆用的各神 螺母 这种系统在顶板条件较好 ，采深浅，原 始水平应力小 的条件下有一定程度 的成功。 它在美国基本处于淘汰状态。 4 预拉力的确定方法 预拉力大小是根据扭矩与拉力成线性比 例 的关系来确定 的。用公式表示 ，即是 P CQ 式 中P 预拉力； 0安装机具的输出扭矩 ； c扭矩与拉力 比，它是一个常量。 C的大小 主要取决 于在锚 杆 头部 附近 各种垫圈的组合方式。现场试验表明扭矩与 5 3 维普资讯 第2 6 卷第4 胡 煤炭科学技术 1 9 9 8 年4 月 拉力比可从 1 2 0到 1 1 0 0 。对于带螺纹头 的预拉力锚 杆系统 ，扭 矩与拉力 比通 常为 1 2 0到 1 3 0 之间；对 于其他预拉力锚杆系 统 ，扭矩与拉力 比可在 1 6 o到 1 1 0 0之间。 影响扭矩与拉力 比的另外一个 因素是安装机 具的推力。安装机具在安装施加给锚杆的推 力越大 ，扭矩与拉力 比就越小 。但使用垫圈 可大大降低扭矩与拉力比的离散度 。 这个公式的启示是可 以在不改变安装机 具的输出扭矩的条件下 ，锚杆的预拉力 的调 整可以通过改变各种垫圈的组合方式来实现。 5 与锚杆支护有关的一些法律 法律要求所有井工煤矿必须系统地安装 顶板锚杆。这就是说不管顶板条件好坏，都 必须使用锚杆。并且锚 杆的安装不能以点锚 形式 ，必须是 以系统的方式。 法律规定最后一排锚杆与掘进工作面的 距离不得超 过 1 ． 5 7 m，锚杆的排 间距不 宜 超过 1 ． 5 7m。 美国国家材料试验标准规定对于无拉力 全长胶结锚杆 ，其最终抗拉载荷不得低于 1 0 t 左右。对于预拉力锚杆系统，其最终抗 拉载荷不得低 于 1 3 t 左 右。美 国国家材 料 试验标准还对锚杆材料在 2 0 0 r n m 内的延展 率有 明确的规定 ，比如强度级别为 5 1 7 MP a 的钢材延展率 不得低于 8％ ，强度级别为 3 7 9 MP a的延展率不得低于 l 2 ％。 美国国家材料试验标准 A S 1 ’M同时 对锚杆头部的尺寸都有具体的规定。规定镦 头式的锚杆头部必须印上以符号或数字形式 表示的锚杆长度 ，钢材强度级别 ，直径 ，厂 商等技术参数 。美国矿山安全及健康行政总 署 MS H A还要求任何使用无拉力 全长胶 结锚杆必须能承受 2 0 3 N m的扭矩而锚杆不 在孔 内旋转 ，否则必须采取改正措施或补充 安装新的锚杆。 作者蕾舟郭 1 8 8 5 年毕业于中国矿业学院北 京研究生部，留板M事巷道矿山压力研究 ，1 8 8 8年赴美 攻谀博士．M事锚杆支护的理论研究．1 8 8 3 年起在美国 最大的锚杆公司 杰姆 J 。 mm a r 集团 工作．任公司副总 裁 工程助理，从事锚杆支护的应用研究和咨询工作 ． 自 1 8 8 7 年起任美国岩层加固工程技术公司 G ．IR E ． A T总裁 ．曾于 1 8 8 6 年获美国乐区采矿工程协会优 秀青年工程师奖。E r r k 3 1 1 G u o s mg r n s n o o r n 。 收稿 日期1 9 9 8 0 1 1 8 ；责任编辑曾康生 上接第 4 9页 是局部最优解。 5 计算实例 Y F ] 2 2 0 01 6 ／ 2 4轻 型放顶煤液压支架 是一种新型的液压支架 ，采用单铰结构 ．低 位放煤 ，主要针对 “ 三软”煤层及其它特殊 煤层设计 。在设计 中，我们采用这种方法对 原先的经验设计模型进行 了费用的估算和优 化设计，以期最大限度地降低液压支架的制 造成本 ，使之在形成批量生产规模后能迅速 推广。 参考文献 1王忠 义 ，李 剑两格 法 与多室 箱形截 面 最优设 计 矿业科学技 术 ，1 9 1 2 王国彪 ．饶明杰藏压支架优化设计与计算机模撤分 析．北京机械工业出版杜．1 9 9 4 3 朱诗顺．液压支架结鞠与材科优化设计北京煤炭 工业出版社1 9 9 6 作者筒舟孛牵1 8 7 4 年生．硕士研究生．1 8 8 5 年毕业于南京理工大学机械学院．获工学学士学位，现在 中国矿业大学北京研究生部就读。地址 北京市学院路丁 ”号，邮码 1 0 0 0 8 3 。 收稿 日 期1 9 9 7 1 1 0 5 ；责任辖辑王廷圣 维普资讯