煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用.pdf

第 1 6卷 第3期 总第 1 0 0期 2 0 1 1 年 6月 煤矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 6 N o ． 3 S e r i e s N o ． 1 0 0 J u n e 2 0 1 1 煤矿预 应力锚杆 支护技术的发展 与应用 康红普 1 ．天地科技 股份有 限公司 开采设计事业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科 学研究 总院 开采设计研究分院 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要】 介绍我国煤矿巷道锚杆支护技术的发展过程，分析预应力锚杆支护作用机理与影响 因素，确定锚杆预应力设计的原则是控制围岩不出现明显离层与拉应力区，得出不同锚杆的预应力取 值范围，分析影响锚杆预应力的主要因素。论述预应力锚杆与锚索对支护材料的要求，介绍高强度、 高延伸率锚杆与锚索材料力学性能，高预应力施加方法与机具。最后，介绍预应力锚杆与锚索支护在 复杂困难巷道中的应用，包括支护形式与支护效果。指出预应力锚杆与锚索支护，必要时进行注浆加 固，是一种复杂困难巷道有效的支护形式。 [ 关键词] 煤矿巷道；锚杆支护；锚索；预应力；发展；应用 [ 中图分类号]T D 3 5 3 ． 6 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 1 0 3 - 0 0 2 5 - 0 6 De v e l o pme nt a n d App l i c a t i o n o f Pr e - s t r e s s Anc h o r e d Bo l t Su pp or t i n g Te c hn o l o g y i n Co a l M i n e KANG Ho n g p u1 ． 1 ． C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g D e p a r tme n t ， T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ， L t d， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B y i n t r o d u c i n g d e v e l o p me n t p r o c e d u r e o f a n c h o r e d b o l t s u p p o si n g i n Ch i n a a n d a n a l y z i n g a c t i o n me c h a n i s m a n d i n fl u e n c e f a c t o r s o f p r e s t r e s s a n c h o r e d b o l t ，p r i n c i p l e o f a n c h o r e d b o l t s u p p o rti n g d e s i g n wa s c o n f i r me d t h a t t h e r e w a s n o o b v i o u s s e p a r a t i o n a n d t e n s i o n s t r e s s a r e a i n s u r r o u nd i ng r o c k ． Pr e - s t r e s s v a l ue r a ng e o f di f f e r en t a nc ho r e d b o l t wa s o b t a i n e d a n d ma i n f a c t o r s i n flu e nc i n g p r e s t r e s s we r e a n a l y z e d ． Re q u i r e me n t o f p r e - s t r e s s a n c h o r e d b o l t a n d r o p e f o r s u p p o r t i n g ma t e r i al w a s d i s c u s s e d ． Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f a n c h o r e d b o l t w i t h h i g h s t r e n g t h a n d h i g h e x t e n s i o n r a t i o ，a n d p r e - s t r e s s f o r c i n g me t h o d a n d i n s t r u me n t w e r e i n t r o d u c e d ． Ap p l i c a t i o n o f p r e -- s t r e s s a n c h o r e d b o l t a n d r o p e s u p p o rt i n g i n r o a d wa y w i t h c o mp l e x c o n d i t i o n s i n c l u d i n g s u p p o rt i n g mo d e l a n d e f f e c t w a s i n t r o - d u c e d ． P r e s tre s s a n c h o r e d b o l t a n d r o p e ，a d d i n g g r o u t i n g f o r r e i n f o r c e me n t i f n e c e s s a r y，w a s a n e f f e c t i v e s u p p o rt i n g ma n n e r for r o a d wa y wi t h c o mp l e x c o nd i t i o ns ． Ke y wo r d s r o a d w a y i n c o a l mi n e ；a n c h o r e d b o h s u p p o rti n g；a n c h o r e d r o p e ；p r e s t r e s s ；d e v e l o p me n t ；a p p l i c a t i o n 我国大中型煤矿每年新掘进 的巷道总长度高达 l O 0 0 0 k m左右 ，而且 8 0 ％ 以上是煤巷 与半煤岩巷 ， 地下巷道工程巨大。煤矿 沉积岩层强度低 、破碎 ， 绝大部分煤巷受到采煤工作面动压影响。随着煤矿 开采深度增加 ，不仅原岩应力高 ，而且与不断变化 的采动应力叠加 ，导致高应力 、大变形巷道所 占比 重很大。煤矿特殊地质环境与生产条件 ，决定了巷 道支护难度大 ，对支护技术要求高。 煤矿巷道支护经历了木支护 、砌碹支护、型钢 支护到锚杆支护 的发展过程 。国 内外实践 经验表 明，锚杆支护是煤矿巷道经济 、有效 的支护技术。 不仅提高了巷道支护效果 ，降低 了巷道支护成本 ， 而且十分有利于采煤工作面的快速推进和煤炭产量 的提高⋯ 。目前 ，锚 杆支护 技术 已成 为我 国煤 矿 巷道首选的、安全高效的主要支护方式。 锚杆支护经历 了从低强度 、高强度 到高预应 力 、强力支护 的发展过程。通过不断研究 、试验与 推广应用 ，逐步认识到预应力在锚杆支护 中的重要 作用 ，预应力锚杆支护技术得到大面积推广应用。 本文在介绍煤矿锚杆支护技术发展过程 的基础上 ， 论述预应力锚杆支护作用 机理 、预应力参数设计 、 预应力支护材料与施工机具 ，介绍预应力锚杆支护 技术的应用情况。 1 煤矿锚杆支护技术的发展过程 我国煤矿从 1 9 5 6年开始使用锚 杆支护，至今 已有 5 0多年的历史。锚杆支护首先 在岩巷 中应用 成功 ，随后大力推广应用 了以 “ 三小 ”为代表 的 锚喷支护技术，使得锚喷支护成为岩巷的主要支护 方式。2 0世纪 6 0 年代锚杆支护开始在采区巷道中 [ 收稿 日期】2 0 1 1 一 O 3 2 8 [ 基金项目]国家科技支撑计划项 目大断面煤巷锚杆支护技术与材料研发 2 0 0 8 B A B 3 6 B 0 7 [ 作者简介]康红普 1 9 6 5 一 ，男，山西五台人，研究员，博士生导师， 从事巷道支护理论技术研究工作。 2 5 息第 1 0 0期 煤 矿 开 采 2 0 1 1年第 3期 应用。但是，由于煤巷围岩比较松软破碎 ，又受到 采煤工作面动压影响，围岩变形大 ，加之我国早期 锚杆支护强度 、刚度低 ，锚 杆支护理论 、支护材 料 、施工机具及监测仪器等还不成熟 ，导致煤巷锚 杆支护技术发展缓慢。1 9 9 0年我 国国有重点煤矿 煤巷锚杆支护仅为 5 ％。 从锚杆支护型式 的发展过程看 ，我 国最早采用 的主要 是机械锚 固锚杆 和钢丝绳砂浆 锚杆 ；1 9 7 4 年开始研制和试验树脂锚杆 ，并于 1 9 7 6年在淮南 、 鸡西 、徐州 等矿区进行 了井下试 验 ，取得较好效 果；我 国还引进和应用了管缝式锚杆 、胀管式锚杆 等，开发研 制 了廉价的快硬水泥锚杆 ；1 9 9 6年 又 从澳大利亚引进高强度树脂锚 固锚杆 ，并针对我国 煤矿条件进行了二次开发和完善提高。可以说 ，国 外使用过的锚杆支护型式 国内基本上都用过。 为了解决煤 巷锚杆支护技 术难题 ，在 1 9 9 1 1 9 9 5年，国家将煤巷锚杆支护技术列为重点科技 攻关项 目，完 成 了 “ 采准 巷 道组 合 锚 杆 支 护技 术” 、“ 采准巷道围岩稳定性分类及支护规范” 等 一 批水平较高的科研项 目，研究成果应用于新汶 、 铁法 、兖州 、峰峰 、淮南等多个矿区，取得较好的 支护效果。到 1 9 9 5年 ，国有重点煤矿 当年新掘 的 巷道中，锚杆支护所 占比重为 2 8 ． 1 9 ％ ，其中岩巷 占5 7 ． 2 ％ ，煤巷 占 1 5 ． 1 5 ％。在这一阶段 ，虽然煤 巷锚杆支护技术取得一定进展 ，但发展较慢 ，主要 应用在 围岩条件 比较好的巷道。 在 “ 九 五”期 间，原 煤炭部又把煤巷锚杆支 护技 术列 为 重 点课 题 进行 了攻关 研 究 。特 别是 1 9 9 6 1 9 9 7年我 国引进了澳大利亚锚杆支护技术 ， 在邢台矿务局进行了现场演示 ，完成 了重点科技攻 关项 目 “ 邢 台矿 务局 煤 巷 锚杆 支 护 成套 技 术研 究”，显著提高 了我 国煤巷锚杆 支护技术 水平 J 。 开发出以地应力为基础的动态支护设计方法 、高强 度螺纹钢锚杆 、小孔径树脂锚固预应力锚索 、顶板 离层指示仪 、测力 锚杆等新技术 、新材料 、新产 品，并应用于煤顶巷道 、复合与破碎顶板巷道等困 难条件 ，取得 良好的支护效果。 进入 2 1世纪后 ，随着综采放顶煤 、厚煤层一 次采全高开采技术的快速发展和大面积应用 ，对煤 巷锚杆支护技术提出更高要求。煤顶和全煤巷道、 大断面巷道 、沿空掘巷及破碎 围岩巷道所占的比重 越来越大 ，支护难度显著加大 。为此 ，多个矿 区相 继开展 了煤巷锚杆支护成套技术研究 、试验与推广 应用，显著提高了巷道支护效果，降低了支护成 本，为矿井安全 、高效生产创造了良好条件。 2 6 2 0 0 5年 以来 ，为 了解决 深部 高地应 力 巷道 、 受强烈采动影响巷道 、沿空留巷等复杂困难条件支 护难题 ，我国又开发 出高预应力 、强力锚杆与锚索 支护技术 J 。井下应用大幅度减少了巷道围岩变 形与破坏 ，巷道支护与安全状况发生了本质改变。 同时，实现了高强度 、高刚度 、高可靠性与低支护 密度的 “ 三 高一低 ” 的现 代锚杆 支护 设计 理念 ， 在保证支护效果 的前提下 ，显著提高了巷道掘进速 度与工效 。 到 目前为止，国有大 中型煤矿的煤巷锚杆支护 率达 到 6 0 ％，有 些矿 区超过 了 9 0 ％，甚 至达 到 1 0 0 ％。我国煤矿 已经形成 了具有 中国特 色的锚杆 支护成套技术体系。该技术深刻改变 了矿井的开拓 部署与巷道布置方式 ，对我国矿井建设 、煤炭产量 与效益的大幅度提高及安全状况的改善 ，起到不可 替代的重要作用 。 2 预应力支护理论 2 ． 1 锚杆支护作用分析 锚杆支护作为围岩的一种加固技术 ，与设置在 巷道开挖表面 、限制开挖边界位移的各种支护结构 金属支架 ，砌碹与混凝土衬砌等 的支护原理有 本质区别。通过对锚杆支护构件作用 、加固机理研 究，结合围岩性质的三要素 围岩强度 、围岩结构 和围岩应力 ，对锚杆支护的作用有以下共识 1 锚杆可不 同程 度地提高 围岩强 度、弹性 模量 、黏聚力和内摩擦角等力学参数 ，而且 主要是 改善围岩屈服后的力学性质 ，显著提高屈服后的强 度 ，改变屈服后围岩变形特性。 2 锚杆对 围岩结 构面 的强度影 响很大。通 过锚杆提供 的轴 向力与切向力 ，提高结构面抗剪强 度 ，阻止结构面产生移动与滑动 。通过提高结构面 强度 ，提高节理煤岩体整体强度 、完整性。 3 锚杆给 围岩施 加一定压应力 ，改善 围岩 应力状态。对于受拉区域 ，可抵消部分拉应力 ；对 于受剪区域 ，通过压应力产生的摩擦力 ，提高围岩 的抗剪能力 。 2 ． 2 预应力对锚杆支护作用机理 近年来 ，随着锚杆支护技术 的快速发展，锚杆 支护理论研究也有较大进展。逐步认识到提高锚固 体的刚度非常重要，特别是预应力在锚杆支护中的 决定性作用。我 国煤矿对锚杆预应力重要性 的认识 主要受美国的影响。美国矿山巷道锚杆预应力一般 为 1 0 0 k N，达到锚杆杆体屈服强度 的 5 0 ％ ～ 7 5 ％。 高预应力锚杆显著提高了巷道支护效果与围岩稳定 康红普煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用 2 0 1 1年第3期 性 ，大幅度降低 了顶板 事故 J 。我 国较早 采用 预 应力支护技术 的典型例子是 1 9 9 6年以来推广应用 的小孑 L 径预应力树脂锚固锚索。不仅 因为锚索锚固 深度大 ，更主要 的是锚索可以施加较 大的预应力 ， 显著提高了巷道支护效果 ，扩大了锚杆应用范 围。 通过不断研究与试验 ，对预应力锚杆支护机理有了 比较深入的认识 J 。 1 预应力锚杆 的本质作用 在于控制锚 固区 围岩离层 、滑动 、裂隙张开 、新裂纹产生等扩容变 形与破坏 ，保持锚固区围岩的完整性 ，减小锚 固区 围岩强度的降低 ，在锚固区内形成刚度较大的预应 力承载结构。 2 锚杆 预应 力及其扩散对支护 效果起决定 性作用。不仅要对单根锚杆施加较高的预应力 ，而 且必须通过托板 、钢带等构件将预应力扩散到围岩 中，护表构件在预应力支护系统中发挥重要作用 。 3 锚杆支护 系统存在 临界 支护刚度 ，即使 锚固区不产生 明显离层和拉应力区所需要支护系统 提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度 ，围 岩将长期处于变形与不稳定状态。 4 锚杆支护对 围岩弹性变形 、峰值强 度之 前的塑性变形及整体变形控制作用不明显 ，要求支 护系统应具有足够的延伸率和冲击韧性，使这类变 形得以释放 ，避免锚杆拉断与脆断。 5 预应 力锚 索 的作用 主要 表 现在两 方 面 一 是将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩 相连 ，提高预应力承载结构 的稳定性 ，同时充分调 动深部 围岩的承载能力 ；二是锚索施加高预应力 ， 与锚杆形成 的压应力区组合成骨架网状结构 ，主动 支护围岩。 3 预应力参数设计 3 ． 1 锚杆预应力设计 井下实践证 明，合理的预应力锚杆与锚索支护 能够有效控制离层与滑动 ，因此 ，锚杆与锚索预应 力设计 的原则是控制围岩不出现明显的离层 、滑动 与拉应力区。借鉴国外的经验 ，结合国内部分矿区 的试验数据 ，可选择锚杆预应力为杆体屈服载荷的 3 0 ％ ～ 6 0 ％。表 1列 出了不 同锚杆 的预应力 取值 杆体屈 服载荷 的 5 0 ％ 。可见 ，锚杆 直径越 大 ， 杆体材质强度越高， 要求的预应力值越高。 3 ． 2 锚杆预应力影响因素 目前 ，锚杆主要是通过拧紧螺母 获得预应力 ， 这种方式的影响因素很多。锚杆预应力不仅与螺母 预紧力矩相关 ，而且还取决于扭矩转换系数。影响 表 1 不同材质与规格锚杆的预应力值 转换系数 的因素有 螺母 与锚杆螺纹段 的摩擦系 数 ，摩擦系数越大，转换系数越小；螺母 、垫圈端 面的摩擦系数 ，摩擦系数越小 ，转换系数越大 ；锚 杆直径 ，锚杆越粗 ，转换 系数越小 。 实验室在不同端面减摩条件下 不使用 减摩 垫片 ，减 摩垫 片分别 为 聚 四氟 乙烯 、1 0 1 0尼龙 、 改性 1 0 1 0尼龙及高 密度聚 乙烯 ，M2 4螺纹 预紧 力矩与预应力的关系如图 1 。可见 ，预紧力矩与预 应力基本成线性关系；在相同预紧力矩下 ，减摩垫 片可使锚杆预应力显著提高。其中，1 0 1 0尼龙垫 片的减摩效果最为明显。 羹 l 5 o 匠1 0 0 蒌5 0 瞎 0 2 4 0 一 尢 减 厚 垫 片 ；2 4 2 1 O l O尼 龙 ； 2 4 3 一改性 1 0 1 0尼龙 ；2 4 4 一高密度聚乙烯 图1 M 2 4锚杆预紧力矩与预应力的对应关系曲线 井下对 2 5 mm的锚杆预应力进行 了测试 ，测 试数据与实验室测试数据对 比见表 2 。可见 ，井下 锚杆预应力随力矩增 加逐渐增大 ，但 当力矩超过 4 0 0 N m时 ，预应力增加变得缓慢 。实验室锚杆预 应力随力矩增加基本线性增大 ，随着力矩增加 ，实 验室与井下数据差值逐步增大。 表 2 实验室与井下实测锚杆预应力对比 b 2 5 m m锚杆 导致出现上述现象的主要原因 一是实验室采 用的锚杆螺纹为标准螺栓， 加工精度高，螺母与螺 纹间的摩擦力小，扭矩转换系数大，预应力高；而 井下使用的锚杆，采用滚丝加工工艺， 精度低，螺 母与螺纹间的摩擦力大，扭矩转换系数小，预应力 低 ；二是实验室试验条件与井下有较大差别。 2 7 总第 1 0 0期 煤 矿 开采 2 0 1 1 年 第 3期 3 ． 3 提高锚杆预应力的方法 提高锚杆预应力的技术措施分为两方面其一 是提高螺母预紧力矩 ；其二是提高扭矩转换系数 。 美国 、澳大利亚等 国家 ，普遍采用锚杆 台车 、 掘锚联合机组施工锚杆。锚杆钻机的输 出扭矩大 ， 有的超过 5 0 0 N m，能够保证锚杆 的高预应力。国 内普遍采用单体锚杆钻机钻装锚杆 ，这种锚杆钻机 输出扭矩一般为 1 0 0～1 5 0 N m，无法 实现锚杆的 高预应力。为了显著提高锚杆预紧力矩 ，措施之一 是采用专门的高扭 矩螺母拧紧设备 如 大扭 矩扳 手及扭矩倍 增器 ；其二是 在适 宜 的条 件下 ，引 进 、开发锚 杆台车和掘锚联 合机组 ，保证锚 杆快 速 、高质量安装。 提高扭矩转换系数的主要措施是 提高螺纹加 工精度等级 ，降低螺母与锚杆螺纹段 的摩擦系数 ； 在螺母 与托板之间加减摩垫片，减小螺母 、垫圈端 面的摩擦系数。 3 ． 4锚 索预应力 锚索与锚杆相 比，具有长度大 、破断载荷高等 特点 ，因此 ，锚索的预应力应更大 。锚索预应力设 计的原则为 锚索与锚杆预应力形成的有效压应力 区相互连接 、重叠 ，形成 以锚索为骨架 、锚杆为连 续带的骨架 网状结 构 ，对锚 杆 、锚 索之 间围岩 起到有效的主动支护作用 。 锚索越长 、直径越大 、强度越高 ，施加的预应 力应越大 。根据我国煤矿巷道条件 、现有锚索规格 及张拉设备 ，锚 索预应力一般应 为其拉断载荷 的 4 0％～7 0％ 4 预应力锚杆支护材料 锚杆 支护材料包括 杆体 、托板 、螺母 、锚 固 剂 、组合构件 、金 属 网、锚 索等。对于预 应力锚 杆 ，支护材料除应符合锚杆的基本要求外 ，还应满 足以下要求 1 锚杆杆体应 具有较高 的抗拉 强度 ，以便 施加较大的预应力。同时，杆体应具有较大的延伸 率及冲击韧性 ，保证在高预应力状态下不破断。 2 杆体尾部有 利于施加较大 的预应力。应 优化尾部螺纹形状与几何尺寸，提高螺纹加工精 度，以提高螺母扭矩转换系数。 3 锚杆托板 、螺母 、球 形垫 圈、减摩垫 圈 应与杆体匹配，一方面有利于提高锚杆预应力 ，另 一 方面使杆体处于较好的受力状态 ，避免杆体处于 拉伸、扭转、弯曲及剪切等不利的组合应力状态。 4 锚索应具 有较 高 的破 断 载荷与 延伸率 ， 2 8 以便施加高预应力 ，索体不破断。 5 托板 、钢带、金属 网等护表构件 的力 学 性能应与锚杆 、锚索相匹配 ，以实现锚杆 、锚索预 应力的有效扩散。 为了满足第 1个条件 ，开发出 2个级别的高强 度锚杆螺纹 钢筋 ，力学性 能见表 3 。对于 b 2 2 mm 的 B H R B 6 0 0型钢筋 ，屈服力 达 2 2 8 k N，破断力 达 3 0 4 k N，延伸率达 2 5 ％ ，冲击 吸收功达 5 0 J ，实现 了高强度 、高延伸率及高冲击韧性 。 表 3 高强度螺纹钢锚杆钢筋的力学性能 针对 国内锚杆尾部螺纹加工精度低 、质量差等 问题 ，对螺纹几何形状与尺寸进行 了优化，对加工 工艺与设备进行了深入研究 ，在一定程度上提高了 螺纹加工精度与质量。 在锚杆托板 、螺母 、球形垫圈、减摩垫圈的设 计及力学性能方面进行 了深入研究，优化了托板 、 球形垫圈、减摩垫圈的几何形状与尺寸 ，优选 了托 板与垫圈的材料 ，基本满足高预应力锚杆 的要求。 在小孔径树脂锚 固预应力锚索方面 ，针对原有 锚索直径小 、破断载荷小 、延伸率低 、预应力水平 低等 问题 ，开发出大直径 、高吨位 的锚 索 j 。～ 方面加大锚索索体直径 ，最大达 2 8 ． 6 ra m，显著提 高了索体的破 断力 ；另一方面 ，改变了索体结构 ， 采用 1 9根钢丝代替原来的 7根钢丝 图 2 ，明显 提高了锚索的延伸率 。如 b 2 2 m m 的锚索破断力超 过 6 0 0 k N，索体延伸率接近 7 ％。此外 ，开发 出与 强力锚索配套的拱形托板，并配调心球垫，改善了 锚索受力状态，使锚索支护能力得以充分发挥。 图2 强力锚索结构 5 预应力锚杆支护施工机具 5 ． 1 预应力锚杆 国内外从施工机具方面提高锚杆预应力主要有 康红普煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用 2 0 1 1 年第3期 2种方法 一是提高螺母的拧 紧力矩 ；二是采用锚 杆张拉器 ，给锚杆施加较大的预应力。 提高螺母拧紧力矩的方法有 1 采用大扭 矩锚杆钻机 不仅可提高锚杆 拧紧力矩 ，而且可实现锚杆安装一体化 ，提高施工 速度 。如国外普遍采用 的掘锚机组 A B M2 0 ，其 锚杆钻机 的扭矩可达 2 7 0 3 8 0 N m；与连续采煤机 配套 的锚杆台车 ，大都以液压为动力 ，锚杆钻机 的 扭矩也达到 3 0 0 N m以上。 2 采用扭矩倍 增器 为 了提 高锚 杆钻机 的 安装扭矩 ，在钻机上采用扭矩倍增器可成倍增加锚 杆螺母的拧紧力矩 。扭矩倍增器的扭矩放大倍数从 几倍到十几倍不等，可根据具体条件进行选择。 3 采用扭矩扳 手 采用大扭矩 的预紧扳手 拧 紧锚杆螺母是提高锚杆预应力的有效手段 。国内 外 目前有 多种 形式扭矩 扳手 ，按 动力源可分 为液 压 、气动扭矩扳手 ；按工作原理可分为旋转式 、冲 击式扭矩扳手 。 采用锚杆张拉器 ，是锚杆获得高预应力的另一 条有效途径 。锚杆预应力与螺母拧紧力矩之间的关 系比较复杂，受多种因素影响。采用锚杆张拉器能 够获得 比较大的、确定的预应力 ，而且使锚杆仅处 于拉伸状 态。但是 ，锚杆 张拉器存在 2个 明显 缺 点 一是增加了锚杆安装设备 ；二是增加 了锚杆张 拉工序 ，比较耗时 、耗力 ，影响施工速度 。 5 ． 2 预应力锚 索 锚索预应力一般通过张拉获得 ，是决定锚索施 工质量的关键工序 ，张拉设备 的技术性能与质量明 显影响锚索支护效果 。国内针对d -f L 径树脂锚固预 应力锚索特点 ，开发 出各种型式与规格 的锚索张拉 设备 ，主要包括油泵 、张拉千斤顶 和液压切断器。 按油泵动力源不同 ，可分为手动 、电动和气动式锚 索张拉设备。 为满足高预应力 、强力锚索的要求 ，又研制 出 与 b 2 2 mm强力锚索相 配套 的锚索张拉设备。该张 拉设备额定 压力为 5 0 MP a ，额定张拉 力为 4 5 0 k N， 行程为 1 5 0 m m。 6 预应力锚杆支护技术的应用 预应力锚杆支护技术已在潞安 、晋城、山西焦 煤 、大同、新汶 、徐州 、淮南 、平庄 、宁煤 、华亭 等2 0 余个矿区得到推广应用。应用的巷道条件包 括超千米深井高地应力巷道，深部沿空留巷，极 软岩巷道 ，破碎 围岩巷道，特大断面巷道及强烈动 压影响巷道等 ，涵盖了我 国复杂困难巷道类型。 a ． 1 预应力锚杆支护形式 根据巷道 围岩地质与生产条件不 同，预应力锚 杆支护有多种形式 ，如 图 3 。 a 岩巷锚 喷支护 b 锚杆支护 ． ．锚索 c 锚杆与锚索支护 J -J _J _J _ 索 d 全 断面锚累支护 图3 预应力锚杆与锚索支护形式 1 预应 力锚杆 支护 仅采用预应力锚杆支 护巷道 图 3 a 、图 3 b ，适用于围岩比较完整的 岩石巷道、岩石顶板煤巷等条件。如新汶协庄矿 29 总第 1 0 0期 煤 矿 开 采 2 0 1 1 年第 3期 1 2 0 2 E运输巷 ，埋深为 1 2 0 0 m，属超千米深井高应 力巷道。该巷道 沿煤层顶板掘进 ，直接顶砂质 页 岩 。采用 B H R B 6 0 0型、 b 2 5 m m、长度 2 ． 4 m 的强 力锚杆 ，配合强力钢带与金属网的预应力锚杆支护 系统 ，解决 了深井高应力巷道支护难题 J 。 2 预应力锚杆 与锚 索支护 采用预应力锚 杆与锚索支护巷道 图 3 c ，两者相互配合 ，充分 发挥各 自的作用 ，共同支护围岩。不仅提高了锚杆 支护效果 ，而且扩大了锚杆支护适用范围。这种方 式可用于支护顶板 、两帮 ，甚至可用 于底板支护。 锚杆与锚索可交错布置 ，也可布置在一排。 目前 ， 这种支护方式 已经大面积应用于煤顶 和全煤巷道， 沿空掘巷与留巷 ，软岩巷道 ，深部高应力巷道 ，动 压影响巷道及大断面巷道等多种条件 ，成为主要 的 锚杆支护形式 。 3 全预应 力锚 索支护 巷 道顶板 、两 帮， 甚至底板 全 部采 用 预应 力 锚 索 的支 护 方式 图 3 d ，适用于受强烈动压影响巷道 ，极高地应力巷 道，软岩巷道等非常困难 的条件。如潞安漳村矿有 一 种掘进与采煤工作面对穿的强烈动压影响巷道 ， 采用高预应力 、全长预应力锚固、短强力锚索 I x 1 9结构 ，6 2 2 m m，长度 4 ． 3 m支护方式 ，有效 控制了围岩强烈变形 。 4 预应力锚杆 、锚 索与 注浆联 合加 固 当 巷道围岩松软破碎 ，锚杆与锚索锚 固力不能保证 时，预应力锚杆 、锚索与注浆联合是一种有效的加 固技术。注浆可将松软破碎围岩粘结 ，提高围岩整 体强度 ，同时为锚杆与锚索提供可锚的基础 ，保证 锚杆与锚索 预应力与工作阻力能有效 扩散到 围岩 中。注浆后采用预应力锚杆与锚索支护 ，有效控制 围岩扩容变形 。如潞安屯留矿针对井底车场松软破 碎围岩硐室群，采用深孔高压注浆配合强力锚杆、 锚索的加 固形式 ，有效控制 了松软破碎硐室群变形 与破坏 m 。 6 ． 2 预应力锚杆支护效果 多个矿区的井下实践表明，预应力锚杆与锚索 支护 ，必要 时进行注浆加固，是复杂困难巷道一种 有效的支护形式。 新汶协庄矿超千米深井高地应力巷道，采用高 预应力 、强 力锚 杆 支 护 后 ，巷 道 围岩 位 移 降 低 7 0 ％左右，顶板离层降低 9 0 ％；淮南谢一矿采用 高预应力强力锚杆与锚索支护、单体支柱加强支护 配合膏体充填巷旁支护，有效控制了深部沿空留巷 在服务期间的变形 ，围岩与充填体稳定 ，满足了安 全生产的要求 ；潞安漳村矿针对掘进与采煤工作面 3 0 对穿 的强烈动压影响巷道，采用全断面 、高预应力 强力锚索支护 ，巷道两帮移近量与原支护相比降低 9 0 ％，而且主要是整体位移，顶板几乎无离层；潞 安屯留矿采用预应力锚杆、锚索及注浆综合加固技 术 ，有效控制了松软破碎硐室群围岩的长期流变 ， 保证了硐室群的长期稳定。 7结论 1 预应力锚 杆支护的本 质作用在于控制锚 固区围岩的离层 、滑动、张开裂缝等扩容变形与破 坏 ，保持锚固区围岩完整 ，减小锚固区围岩强度降 低 ，在锚 固区内形成 刚度较大的预应力承载结 构。 锚杆预应力及其扩散对支护效果起决定性作用。 2 锚杆 与锚 索预应力设计 的原则是控制 围 岩不出现明显 的离层 、滑动与拉应力区。锚杆预应 力可选取杆体屈服载荷 的 3 0 ％ ～6 0 ％ ，锚索预应 力一般应为其拉断载荷的 4 0 ％ ～ 7 0 ％。 3 预应力锚杆应具有较 高的抗 拉强度 、足 够的延伸率及冲击韧性。杆体尾部螺纹有利于施加 较大的预应力 。托板 、螺母 、球形垫圈、减摩垫圈 及钢带 、金属网等应与杆体匹配 ，以提高锚杆预应 力 ，改善其受力状态 ，实现预应力的有效扩散。 4 锚杆与锚索施加预应力是决定支护质量 的关键工序 ，施加设备的技术性能明显影响支护效 果 。应根据巷道围岩条件与锚杆 、锚索支护形式 ， 选择合理的施工设备 ，确保预应力达到设计要求。 5 预应力锚杆 与锚 索支护 ，必要 时进行注 浆加固，是一种复杂困难巷道有效的支护形式。这 种支护方式能够有效控制了巷道变形与破坏，保持 了围岩稳定。 [ 参考文献] [ 1 ]侯朝炯 ，郭励生 ，勾攀峰 ．煤巷锚杆支护 [ M]．徐州 中国 矿业大学 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 2]王金华 ．我 国煤巷锚 杆支 护技术 的新 发展 [ J ]．煤炭 学报 ， 2 0 0 7，3 2 2 1 1 3 1 1 8 ． [ 3 ]康红普 ，王金 华 ．煤巷 锚杆 支护理 论与成 套技 术 [ M]．北 京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 7 ． f 4 ]S O N G G，S T A N K U S J ． C o n t r o l m e c h a n i s m o f a t e n s i o n e d b o l t s y s ． t e rn i n t h e l a mi n a t e d r o o f w i t h a l a r g e h o r i z o n t a l s t r e s s[ A]． T h e 1 6 t h I n t ． C o n f ． o n G r o u n d C o n t r o l i n M i n i n g [ c]． Mo r g a n t o w n ， We s t V i r g i n i a ，[ s ． n ． ] ，1 9 9 71 6 7 1 7 2 ． [ 5 ]康红普，王金华，林健 ．高预应力强力支护系统及其在深 部巷道 中的应用 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 7，3 2 1 2 ． [ 6 ]康红普 ，姜铁明 ，高富强 ．预应力在锚杆 支护 中的作用 [ J ]． 煤炭学报 ，2 0 0 7 ，3 2 7 6 7 3 6 7 8 ． 下转 1 3 l页 吴拥政等全长预应力结构防止钻孔瓦斯积聚技术研究 2 0 1 1年第3期 方面 ，一是将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起 ，使 锚杆随着岩层移动承受拉力 ；二是当岩层发生错动 时，与杆体共 同起抗剪作用 ，阻止岩层发生滑动。 全长锚 固锚杆与端部锚固锚杆的根本 区别就在于端 锚锚杆体受力对围岩变形和离层不敏感，支护刚度 低 ，全长锚 固杆体受力对围岩变形 和离层很敏感 ， 能及时抑制围岩离层与滑动 ，支护刚度高。 全长预应力锚固不同于传统的全长锚固，其主 要通过锚固剂的凝胶时间差来实现 的，具有端部锚 固和全长锚固的优点 ，能够在较长 的锚杆杆体上施 加预紧扭矩 ，锚杆预应力扩散效果 比较好 ，同时增 加了对围岩离层及错动的敏感度。其实施方法为先 对锚杆施加预应力 ，锚 固剂后 固化 ，最终实现全长 预应力锚 固。 针对端锚及加长锚 固高瓦斯矿井钻孔内存在瓦 斯积聚的问题 ，在余吾煤业公司 2 2 0 5工作面回风 巷进行了工业性试验。 2 2 0 5回风巷沿 3号煤层底 板掘进 ，采用全长预应力锚 固锚杆锚索组合支护系 统进行支护。锚杆锚固方式为树脂全长锚 固，采用 4支低黏度树脂药卷 ，1支规格为 K 2 6 3 5 ，和 3支 规格为 M 2 6 6 0 。钻孑 L 直径为 3 0 m m。锚索采用 1 支 K 2 6 3 5和 3支 M 2 6 6 0低黏 度树脂药 卷锚 固后注浆 实现全长锚 固。巷道在掘进及回采期间巷道变形量 小 ，锚杆锚索受力整体上不大 ，巷道 围岩稳定 。 由于采 用 了全长预应力锚杆锚 索组合支护 系 统 ，锚杆与孔壁之间的间隙被锚 固剂完全充填 ，锚 杆与围岩粘结成一整体 ，不仅支护效果 良好 ，而且 消除了高瓦斯矿井锚杆支护巷道中瓦斯罐的隐患。 5结论 1 在高瓦斯巷道 中，采用端锚 或加长锚使 钻孔 中高浓度瓦斯混合气体聚集并与巷道中新鲜空 气接触 ，在诸如金属 与岩石撞击或相互剧 烈摩擦 其切削面的表面温度往往能达到或超过 1 4 0 0 C 等导致引火温度达到瓦斯的点燃值，这时燃烧极有 可能在瓦斯混合气体和空气的接触面上发生 。 2 实测表 明沿 底板掘进巷道 中，锚 杆孔 瓦斯浓度普遍要高 于沿 顶板掘进巷道 瓦排巷