1、专题部分浅谈我国煤矿锚杆支护技术发展现状与前景摘要针对我国锚杆支护的现状做了初步分析运用支护设计中常用理论及方法，对其中的优缺点进行了分析和评价，同时对实际支护工程中的某些不足进行了具体讨论，并对未来的发展趋势进行了初步分析。关键词锚杆支护；应用现状；发展趋势0 引言 自1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡及1912年德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来，锚杆支护技术至今已有一百多年的历史。就目前而言，国外锚杆支护技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近100%，其技术水平居于世界前列。 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
2、探索阶段，直到1978 年才开始重点推广，80 年代开始向英国学习锚杆支护技术后推广到煤巷支护，90 年代又向澳大利亚学习引进成套先进的锚杆支护技术，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。国内现有楔缝、涨壳、倒楔锚杆、钢丝绳或钢筋砂浆锚杆、木锚杆、竹锚杆、内涨锚杆、管缝锚杆、树脂锚杆、水泥锚杆、爆扩锚杆、预应力注浆大锚索等十几个系列品种。 由于各种锚杆的构造不同，锚杆作用机理差异甚大，国内外大量工程实践证明，各种不同种类锚杆，在不同的地质条件下，有不同的“支护”效果。国内外锚杆支护成功的经验表明，合理的
3、锚杆支护设计及详细的监测分析，不仅可保证回采巷道的安全可靠，而且可取得显著的技术经济效益和社会效益。目前，我国正在进行大规模的基础设施与各类矿山及隧道工程建设，锚杆支护得到了普遍应用。1 锚杆支护技术浅析1.1 锚杆 锚杆是岩土体加固的杆件体系结构。通过锚杆杆体的纵向拉力作用，克服岩土体抗拉能力远远低于抗压能力的缺点。表面上看是限制了岩土体脱离原体。宏观上看是增加了岩土体的粘聚性。从力学观点上是主要是提高了围岩体的粘聚力和内摩擦角。其实质上锚杆位于岩土体内与岩土体形成一个新的复合体。这个复合体中的锚杆是解决围岩体的抗拉能力低的缺点。从而使得岩土体自身的承载能力大大加强。锚杆是当代地下开采的矿山
4、当中巷道支护的最基本的组成部分,他将巷道的围岩束缚在一起,使围岩自身支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体等进行主动加固。 （一）锚杆的基本结构锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段。自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。 （二）锚杆组成1、组成锚杆必须具备几个因素： 一个抗拉强度高于岩土体的杆体 杆体一端可以和岩土体紧密接触形成摩擦（或粘结
5、）阻力。 锚杆 杆体位于岩土体外部的另一端能够形成对岩土体的径向阻力 锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。 （三）锚杆的基本组成。锚杆主要由杆体、螺母、托盘组成。（四）锚杆作用锚杆是岩土体加固的杆件体系结构。 通过锚杆杆体的纵向拉力作用，克服岩土体抗拉能力远远低于抗压能力的缺点。 表面上看是限制了岩土体脱离原体。 宏观上看是增加了
6、岩土体的粘聚性。 从力学观点上是主要是提高了围岩体的粘聚力C和内摩擦角。 其实质上锚杆位于岩土体内与岩土体形成一个新的复合体。这个复合体中的锚杆是解决围岩体的抗拉能力低的缺点。从而使得岩土体自身的承载能力大大加强。 锚杆是当代地下开采的矿山当中巷道支护的最基本的组成部分,他将巷道的围岩束缚在一起,使围岩自身支护自身. 现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体等进行主动加固。1.2 锚杆支护 （一）锚杆支护的概念 锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。用于煤矿的锚杆支护成为煤矿锚杆支护。锚杆支护是利用深入围岩内部的锚杆杆体对
7、围岩进行加固，提高被锚固围岩自身的稳定性来达到支护的目的。锚杆支护巷道示意图如图1 -1所示；图1-1 锚杆支护巷道示意图 （二）锚杆支护的目的 用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入巷道钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板（亦可不用），或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。消除不安全隐患，改善操作人员的劳动环境. 一切都是为安全着想。 （三）锚杆支护的特点 锚杆支护技术是集理念、理论、方法、材料、机具、施工工艺检测仪器及技术规范于一体的巷道支护成套技术创新体系。该技术一广泛应用于煤巷、岩巷、半煤岩巷、全煤巷道、
8、冲击低压巷道、软岩巷道、深部动力巷道、无煤柱巷道、复合和松软破碎顶板等困难条件下的支护。 锚杆支护作为一种有效的巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低，成巷速度快、劳动强度低、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井效益，因而成为煤矿企业矿井巷道的一种主要支护方式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。 其缺点是它属于隐性支护，对支护质量和可靠性的检测和监测不易，有时会出现无明显先兆的冒顶事故，此外，对变形量很大的软岩、塑性较大的巷道的回采巷道，支护效果不易保证，导致巷道无法使用。 在软岩锚杆技
9、术的推广应用和实施中，由于煤层赋存条件多样化，围岩结构复杂，软弱夹层和层理十分发育，稳定性很差，极易发生离层垮冒，即使在同一巷道内顶板赋存状态也是频繁变化，构造影响随处可见。对于上述软岩巷道，锚杆支护不能有效的控制顶板离层，恶性冒顶事故时有发生。跨落现象频繁，安全事故时有发生。1.3 锚杆支护理论 岩土体在工程开挖之后，其初始的应力平衡状态会遭到破坏，为了达到新的平衡状态，应力场将重新分布，从而导致岩土体在一定范围内出现弹塑性变形、地层膨胀变形，使岩土体出现碎裂带；若地层开始处于高应力状态，还可能发生岩爆，严重的影响工程质量，威胁施工人员的安全。 锚杆加固技术是一种柔性加固技术，它能充分利用岩
10、土体自身的承载力保持岩体的稳定，使加固体不被破坏。它本质就是通过锚固加强岩土体的整体性，控制开挖后岩土体的变形，避免应力的突然释放，从而保证工程顺利、安全地进行。 1）目前，已经广为接受的锚杆支护理论主要有悬吊理论、组合梁理论和组合拱（压缩拱）理论。锚杆的悬吊理论 1952 年路易斯阿帕内科(Louis APanek) 等发表了悬吊理论,悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。见图1- 2。 对于回采巷道揭露的层状岩体,直接顶板均有弯曲下沉变形趋势,如果使用锚杆及时将其挤压，并悬吊在老顶上,直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层
11、的厚度,层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早，满足其前提条件时,有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层,锚杆亦能发挥支护作用。例如，在全煤巷道中，锚杆就锚固在煤层中也能达到支护的目的,说明这一理论有局限性。图1- 2 在掘进采用锚杆支护中， 锚杆将下部不稳定的岩层( 直接顶或块状结构中不稳定的岩块) 悬吊在上部稳固的岩层上， 阻止岩层或岩块的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计锚杆支护参数。 这一理论提出的较早，满足其前提条件时，有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固
12、的岩层，锚杆亦能发挥支护作用。例如，在全煤巷道中，锚杆锚固在煤层中也能达到支护的目的，说明这一理论有一定的实用性,也有它的局限性。 组合梁理论 组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷。见图1-3。图1-3使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下，这种较厚的组合梁比单纯的迭加梁，其最大弯曲应变和应力将大大减小，挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大,整体强度愈大，补强效果愈好。 但是，这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题时有一定
13、的局限性。为了解决悬吊理论的局限性，提出了组合梁理论。它认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来，形成组合梁结构进行支护。 组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁( 板) 的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力。同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固岩层便可看成组合梁，全部锚固层能共同变形，顶板岩层抗弯刚度大大提高。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力、杆体强度和岩层性质。 这一观点有一定的影响，但是工程实例较少，也没有进一步的依据资料供设计应用。例如，岩层沿巷道纵向有裂缝
14、时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题。 组合拱理论 组合拱理论是由兰氏( T A Lang) 和彭德(Pender) 通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为，在拱形巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力维体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带(拱) 见图1-4。这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷,如同碹体起到岩层补强的作用,承载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨,与实际情况有一定差距，在分析过程中没深入探索围岩支护的相互作用。图1-4 如果把不稳定的顶板岩层看成
15、是支撑在两帮的叠合梁( 板)，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于增加了支点，从而减小了顶板的跨度，使顶板岩层的弯曲应力和挠度得到降低，维持了顶板稳定。这就是锚杆的减跨作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用，但它同样未能提供用于锚杆支护参数设计的方法。2）近年来，又有新理论提出，主要有：最大水平应力理论这一理论是由澳大利亚学者盖尔（）提出的。该理论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，其最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍，因此巷道顶板的稳定性主要受水平应力的影响。如图1-5所示。图1-5但该理论在应用中还存在着如下几个问题： a 在支护参数的确定过程中，围岩破坏区域的位置及其大小是最重要的依据。但此理论在判断围岩状态时，是基于围岩的水平应力最大且顶部破坏区域最大这一情况的。显然，在实际中，这种情况是不易满足的。 b 围岩破坏区的确定相当困难。该理论在应用时，只要求测出地应力和岩石的力学参数，但是，对这两个参数进行准确测量本身就是一个世界性难题，而这两个参数与围岩破坏区之
