1、专题部分煤巷锚杆支护技术研究摘要：近年来锚杆支护技术快速发展，在煤矿巷道围岩控制中的应用也越来越广泛，尤其是在澳、美、英等锚杆支护技术先进国家，我国也在研究推广锚杆支护技术。锚杆支护由于能主动地加固围岩，变被动支护为主动支护，有效改善了矿井的支护状况，具有施工方便、效率高，有利于加快施工进度，且施工成本低、支护效果好等特点，而成为当今巷道支护改革的主要趋势。在介绍锚杆支护原理的基础上，分析了锚杆支护时的受力状态，同时对锚杆在使用过程中时常遇到的锚杆失效机制进行研究并提出相应的解决措施。锚杆在支护时不只是存在失效这一问题，在许多矿井也发生过锚杆断裂的案例，本文着重介绍了锚尾断裂的机制，这对工程实
2、践来说具有重要意义。关键词: 锚杆支护；煤巷；锚杆失效；锚尾断裂；研究1国内外煤巷锚杆支护现状1.1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。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25000km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
3、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19mm，强度大约为300MPa)。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22mm和25mm，强度达到517MPa)，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
4、一根锚杆的地方，因而可以采用中速或慢速树脂锚固剂。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)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
5、设计方法。设计步骤主要包括以下几个基本部分：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。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
6、锚杆支护系统(AT锚杆)，包括高强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510MPa，锚杆锚固力达到250kN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。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
7、在Lorraine煤田对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。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
8、回采巷道，而且要使用在软岩回采巷道、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。1.2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：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
9、徘徊期。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。3)树脂锚杆占领市场阶段。80年代以后，树脂锚杆以其优越
10、的锚固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。1.3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
11、巷道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
12、巷道顶板离层垮冒、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6070kN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
13、应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100kN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
14、效，并影响到很多国家，比如英国研制成锚固能力达500kN的“大锚杆”，并在Asfordby矿试验成功用间距1.0m的大锚杆代替间距0.6米的“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
15、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题，有效控制顶板离层破坏，而且大大提高了支护围岩系统的安全可靠性。在传统锚杆承载能力及预应力普遍非常小的情况下，锚杆支护对于巷道周边应力场的影响很小，基本上可以忽略不计，所以很多支护理论方面强调巷道锚杆应具有一定的让压性能，并由此发明了可拉伸锚杆。但随着树脂锚固剂、高强度及超高强度锚杆、预拉力锚索等新材料、新技术在矿山巷道支护中的应用，使大幅度提高顶板的预应力成为可能，并可由此调整巷道周边的应力场，利用水平地应
16、力的积极作用，最大限度地提高岩体本身的承载能力，达到事半功倍的支护效果。但是，预拉力锚杆的受力特点、作用原理及其在巷道围岩加固中的作用，人们还没有完全弄清楚。所以，有必要通过大量的现场实测、理论分析，对在水平地应力作用下预拉力锚杆的作用机理进行深入的研究，以期建立基于水平地应力的预拉力锚杆支护理论。2 锚杆支护理论随着锚杆支护工程实践的不断丰富，适用于不同条件的各种锚杆支护理论相继被提出并逐步得到发展和完善。2.1现有锚杆支护理论2.1.1悬吊作用锚杆支护的悬吊作用，突出地表现在直接顶较薄，老顶比较坚固的情况下，锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳固的岩层上，由锚杆承担软岩或危岩的重量，以达到井巷稳定的目的（图2-1）。（a） (b)图2-1锚杆支护悬吊作用(a)坚硬顶板锚杆；(b)软弱顶板
