1、煤巷锚杆支护技术的研究及应用摘 要：随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所剩无几，因而需要有新的巷道支护理论与技术来指导巷道维护，确保煤炭的安全生产1。由于锚杆支护经济效益显著，劳动强度低，对破碎岩体的加固效果好，因而成为煤巷支护改革的发展方向，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一3。关键词：锚杆支护；支护理论；煤巷1 引言随着矿井产量和效率的不断提高，要求的巷道断面越来越大，成巷速度越来越快，传统的棚式支护越来越不能满足生产需要。近年来，煤巷锚杆支护技术发展极为迅速。与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度。更重要的是，锚杆支护大
2、大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一16。从1996年开始，我国在引进、吸收、消化国外先进技术经验的基础上，结合我国煤矿具体情况，经过大规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套装备和技术。放顶煤工作面沿底板掘进的顶煤巷道锚杆支护技术、冲击地压及破碎顶板锚杆支护技术等重点项目的顺利完成，成功地解决了困难回采巷道支护问题，显著扩大了锚杆支护的使用范围。例如，邢台矿区采用高强度锚杆支护系统和小孔径锚索支护技术，有效地控制
3、了顶煤巷道和复合顶板巷道围岩的强烈变形，保持了巷道的稳定性，取得了显著的技术经济效益；兖州矿区采用高强度锚杆支护系统成功地解决了顶煤巷道支护难题，不仅支护效果好，技术经济效益显著，而且解决了以前采用棚式支架出现的煤层自燃等问题；新汶矿区冲击地压和破碎顶板条件下的巷道维护十分困难，采用高强度锚杆支护后，巷道围岩的强烈变形得到有效控制，稳定性得到可靠保证，而且显著降低了巷道支护和维修费用。1998年以来，煤巷锚杆支护技术又有了新的发展。例如，潞安常村煤矿采用新型的小孔径树脂注浆联合锚固预应力锚索和高强度锚杆组合支护系统，成功地支护加固了多条大断面、围岩松软破碎、受地质构造和小煤柱影响的困难巷道，在
4、没有影响矿井正常生产的条件下，保证了巷道安全状况，同时节约了大量支护费用；西山矿区在原有锚杆支护技术的基础上，又与科研院所合作进行了全面、系统的开发研究，形成了西山矿区煤巷锚杆支护成套技术，解决了复合顶板巷道、近距离煤层巷道等多个支护难题，每年节约上千万元的支护费用；阳泉矿区集中精力进行了综采放顶煤回采巷道锚杆支护技术攻关，不仅圆满解决了顶煤巷道支护难题，而且取消或简化了工作面超前支护和端头支护，显著提高了采煤工作面的推进速度。锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，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，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面利用率、简化回
5、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，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向17。2 国内外煤巷锚杆支护研究现状2.1国外锚杆支护研究现状自从19世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆支护方法逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域，此后锚杆支护技术得以改进和提高，锚杆支护理论也不断得到完善和发展。1912年，德国谢列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道的围岩控制。20世纪40年代以后，锚杆支护技术发展迅速，现已成为世界主要产煤国家煤矿的主要支护形式。美国、澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道
6、全部采用锚杆支护，处于世界领先水平。欧洲一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护。英国是锚杆支护发展最快的国家之一，在20世纪八十年代以前，英国煤矿90%以上都采用金属支架支护，由于回采工作面单产及效率低下，支护成本过高，造成严重亏损。1987年英国从澳大利亚引进了锚杆支护技术以后，煤巷锚杆支护得到了迅猛发展，1994年在巷道支护中的比重已达到80%以上。澳大利亚是世界主要产煤国之一，煤炭储量极为丰富，位居美国、中国之后排世界第三位。其中使用最多的是树脂锚杆，占锚杆使用量的98%。澳大利亚主要推广全长树脂锚杆，其锚杆强度较
7、高，并且锚杆参数设计方法有独到之处，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，使他们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护设计的系统设计方法15。总结国外的锚杆发展经验，主要有以下几个特点：1、发展适合本国巷道围岩地质及生产条件的锚杆类型。美国主要以树脂锚杆、机械及摩擦式锚杆作为主要的适用类型。澳大利亚及英国则以全长树脂锚杆作为主要发展方向，德国除了发展树脂锚杆外，还大力发展可伸长锚杆。俄罗斯则是多种类型兼用。2、国外锚杆日益朝着高强度及超高强度的方向发展。其主要有两种发展途径：一是研制强度较高和具有较好延伸率的锚杆材料。二是继续加大锚杆直径。3、
8、继续完善锚杆施工配套机具也是促进各国锚杆技术发展的重要原因。掘锚一体机的发展为巷道掘进和锚杆施工创造了极为有利的条件。4、建立一套适合自身条件的锚杆支护设计方法。目前，新奥法、收敛约束法在国际上较为流行，澳大利亚、英国等国家在充分考虑水平地应力作用的条件下，采用了“地质力学评估-计算机数值模拟进行初始设计-现场施工、监测-信息反馈、修改完善设计”的设计方法。5、完善锚杆支护监测系统。锚杆支护是一种隐蔽性很强的工具，只有完善锚杆支护监测系统才能保证锚杆支护巷道的安全可靠性。2.2国内锚杆支护研究现状我国的锚杆支护技术研究开始于1956年，至今已有50多年的历史。60年代锚杆支护开始进入采区，由于
9、煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论及支护工具不够完善，因而发展较慢。1995年国有重点煤矿当年新掘进巷道中锚杆支护所占比重为28.19%，其中岩巷占57.2%，半煤巷中占30.07%，煤巷中占15.15%。我国的煤巷锚杆支护在发展工程中取得了以下宝贵的经验及成果：1、锚杆研制方面积累了丰富的经验。能采用多种材料制作各种形式的适用于不同条件的锚杆。目前能够生产出木锚杆、竹锚杆等，为扩大锚杆的应用范围提供了必要的基础。2、研究出了适用于不同围岩条件的锚固方式，如端头锚固、全长锚固等。3、能够根据不同的巷道类型采用不同的锚杆支护形式。当围岩稳定性类别为
10、、类时，可用单锚。、类时采用组合锚杆，包括锚网梁组合支护和桁架锚杆组合支护等。类巷道可采用联合支护，也可试验高强、超高强锚杆支护系统。4、锚杆施工机具不断改进。机械化施工是提高锚杆支护效果和普及应用程度的重要因素之一，是提高施工速度、保证工程质量、减轻劳动强度以及改善劳动条件等有效途径，因此，锚杆机具的改进一直受到重视，高新科技不断得到应用。5、锚杆监测技术得到了完善，顶板离层指示仪能够测定锚杆锚固范围以及离层情况，锚杆拉力计、托盘式压力盒、传感器以及空芯锚杆等可对锚杆锚固力及轴向力进行测量，为巷道锚杆支护设计提供了直接的依据。2.3我国煤巷锚杆支护技术的发展过程锚杆支护是我国煤巷支护技术改革
11、的发展方向。实际应用表明，与传统的支护方式相比，锚杆支护在改善支护效果、降低支护成本、加快成巷速度、减轻劳动强度、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺等方面的优越性十分突出，是煤矿发展高产高效生产必不可少的配套技术13。我国煤巷锚杆支护技术发展大体上经历了四个阶段：（1）80年代中后期的起步阶段；（2）19911995年的攻关阶段；（3）19961997年的引进和消化阶段；（4）1998年至今的推广和提高阶段。第一阶段，主要进行一些基础性的研究和试验，煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区，如徐州、新汶、淮南、西山等。第二阶段，煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关，取
12、得了一大批科研成果，锚杆支护应用范围明显扩大。第三阶段，引进国外技术，推动我国煤巷锚杆支护技术的发展和提高。在引进、吸收和消化的基础上，结合我国具体情况，集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势，经过两年大规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术。第四阶段，国内各大矿区广泛推广应用，取得显著的技术经济效益。煤巷锚杆支护的比例已达到20%以上，少数矿区已超过50%，全国每年约有260 km 的煤巷采用锚杆支护。2.4我国煤巷锚杆支护技术的基本特点煤巷锚杆作为一项技术上先进、经济上合理的巷道支护技术，近几年来在我国煤矿中得到广泛应用，并取得了极其显著的技术经济效益。据不完
13、全统计，1995年国有重点煤矿当年新掘煤巷中锚杆支护比重仅为15.15%，而且主要使用在围岩条件比较简单的、类回采巷道，到1998年煤巷锚杆支护比重达到20%以上，而且逐渐推广应用到围岩条件复杂的、类巷道，有些矿区已经在破碎围岩、全煤巷道以及深部沿空巷道等，复杂条件下的类巷道中，试验成功了锚杆支护技术14。煤巷锚杆支护属于“主动”支护方式，有利于加固和提高围岩强度，保持巷道围岩的长期稳定。与棚式支架相比，锚杆支护可以节约大量钢材，降低支护成本；减少了由于支护材料运输和装卸支架的大量工作量，特别是减少了工作面上下出口处支架更替和超前维护工序，减轻了工人劳动强度，改善了作业环境，为回采工作面快速安
14、全推进和实现高产高效创造了有利条件12。纵观我国煤巷锚杆支护技术的发展现状，具有以下显著特点。1、先进科学的锚杆支护设计方法在借鉴国外经验的基础上，结合我国的具体情况，以地应力现场实测值为基础，总结研究出“地质力学评估初始设计现场监测信息反馈修改设计”的动态设计方法，开发了一套集地质力学参数处理、有限差分数值模拟分析、利用现场监测信息修改初始设计于一体的煤巷锚杆支护计算机辅助设计软件，使锚杆参数设计科学合理，工程技术人员操作方便。2、高强度组合式锚杆支护体系表2-1 高强锚杆实测力学性能指标锚杆类别直 径屈服载荷极限载荷延伸率（mm）（kN）（kN）（%）高 强1892.2137.020.72
15、0114.0171.021.322141.0215.823.3超 高 强18175.0206.017.020206.0257.017.022254.0314.017.7煤巷锚杆支护与传统的岩巷锚喷支护体系有着本质的不同，近几年来之所以煤巷锚杆支护技术取得成功，就是因为对传统的岩巷锚喷支护技术进行了彻底的改革。煤巷锚杆支护技术的主要特点是全长锚固的大杆径、高强度组合式锚杆支护体系。高强度锚杆杆体系列见表2-1。由表2-1可见，超高强度的直径22 mm锚杆杆体的破断强度可达314 kN。使用高强度螺纹钢锚杆杆体，配合不同凝胶时间的系列化树脂锚固剂（表2-2），可以实现锚杆杆体的全长锚固或加强锚固，使锚杆的锚固强度达到或超过锚杆杆体的极限强度，提高对巷道围岩的加固效果。表2-2 常用树脂锚固剂技术特征树脂型号特 性凝胶时间（min）搅拌时间（s）CK超 快0.51.01015K快 速1.02.51520Z中 速362530M慢 速153030煤巷锚杆支护技术的另一特点是采用锚梁、锚网、锚背网、锚梁网等组合形式，把单一的锚杆组合成整体结构，形成空间力系，对围岩起到有效的整体加固作用。3、基本配套的锚杆支护机具随着煤巷锚杆支护技术的不断发展，与之相配套的锚杆钻孔、安
