1、专题部分大断面煤巷锚杆支护机理与技术浅析摘要：总结了研究煤巷锚杆支护的意义与目的以及国内外锚杆支护研究现状，主要分析了目前常用的锚杆支护理论，通过实例分析了锚杆支护的优点并进一步提出了所得到的结论。关键词： 大断面；煤巷；锚杆支护；技术；机理On the Bolt Support Technology and MechanismAbstract: Summed up the study of bolt support the meaning and purpose, as well as study at home and abroad bolting the status quo, the
2、main analysis of the current commonly used in bolting theory, through the example of an analysis of the merits of bolting and further put forward by conclusion.Keywords: Large cross-section; Coal roadway; Bolting Support; Technical; Mechanism1 引言煤巷锚杆支护技术的理论和实践都已比较成熟，在1、2、3类围岩的煤巷可大面积推广。4类围岩巷道的锚杆支护在许多
3、局矿都取得了成功，如神东大柳塔煤矿在4类围岩的“三软一大”（即顶、底、煤三软，断面大）综采工作面，机、风巷沿实体煤掘进和沿空巷中，独头长距离（4000m以上）用锚网支护均已获得成功，并形成自己的支护系列，获得广泛应用。5类围岩的锚杆支护正在进一步试验，并在部分地区取得成功。 实践充分证明，在煤巷中应用锚杆支护，和传统的棚式支架相比，具有显著的优越性。主要表现在以下几个方面: 从根本上改善了支护状况，保证了安全生产。神东煤炭集团近年来坚持推广并使用锚杆支护，做到安全无事故。 减轻了工人劳动强度，改善了作业环境。 减轻了支护物料运输，改善了生产矿中辅助运输紧张状况。 提高了掘进单进水品和掘进工效，
4、有利于高速、高效掘进队的建设。 大幅度节约了支护材料，降低支护成本。如神东煤炭集团，锚杆支护巷道，节省支护钢材28万t，节约支护材料费13.6亿元。 提高了巷道断面利率。 简化了综采工作面超前支护，加快了回采速度。如神东大柳塔矿，在回采期间用锚杆支护，不需要替棚，使采煤平均单产提高40%-50%，创出历史最高记录。 锚杆支护巷道维修量少，服务年限相对延长，为优化矿井开拓布置、合理集中生产创造了条件。如神东大柳塔矿，将丁组二水平两个采区合并为一个采区，合并后采区一翼的走向长度由原来对1800-2600m，扩大为3600-6000m。 能可靠支护综采大断面的机、风巷和切眼，为综采工作面设备快速安装
5、创造了条件。 有利于节约资源，改善生态环境。但是，我们应当看到，目前煤巷的锚杆支护率从全国来讲还比较低。原全国统配煤矿1997年煤巷锚杆支护率也不国20%，地方煤矿、乡镇煤矿煤巷锚杆支护率更低，有不少矿井还是空白，这说明在煤巷推广锚杆支护还任重道远。为全面贯彻落实原煤炭工业部关于推广锚杆支护的决定，积极组织推广以煤巷、煤-岩巷锚杆支护为重点，是煤矿巷道支护的又一次改革。为此，应着重解决好以下问题。各局、矿领导要解放思想，提高认识，要积极试验，不怕反复，不怕失败，坚持到底，搞出成效；要讲究科学，从本矿区、本矿井的实际出发，探索科学、合理的锚杆支护形式和支护参数，严禁盲目蛮干；积极组织锚杆支护技术
6、培训，全面提高施工队伍素质。特别要注重对掘进区队长，技术员，班组长的培训，使他们思想上有质的转变，技术上到达全面提高，工作上一丝不苟；加强锚杆支护的技术管理，严把施工质量关，施工质量直接关系到安全生产和锚杆支护的成败；加强与科研院所、大专院校锚杆支护的专家的联系，请他们帮助解决煤巷锚杆支护的难题，避免走弯路；制定有利于锚杆支护的经济政策，利用经济杠杆，调动职工应用锚杆支护的积极性；学习外地的先进经验，及时总结本地区、本单位的经验，并进行现场交流，促进锚杆支护的发展；2 国内外锚杆支护的发展现状2.1 国外锚杆支护的发状展现 锚杆支护技术始于国外，1905 年美国在岩土工程中首次使用喷浆技术，1
7、911 年德国开始第一次在井下巷道喷浆，1924 年前苏联顿巴斯矿开始灾用锚喷支护， 法国1949 年开始在铁矿中应用锚汗，随后锚喷支护在奥地利、瑞典、德国、加拿火、英国、法国、美国和澳大利亚等国家的地下工程中得到普遍的应用，当前对锚杆支护技术研究最为活跃的是澳大利亚。美国是最早使用锚杆作为煤矿顶板主要支护方式的国家，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。目前美国所有井下巷道都布置在煤层中，每年大约有25000km 的谋售使用了锚杆支护。澳大利亚基于应用岩石力学原理和实测技术，通过地质调查，了解被锚固地层的地质条件和地应勺状态， 对围岩进行变形量测和锚杆受力量测，通过
8、分析其实测数据，研究巷道的变形机理以及锚杆参数的优化设计系统。同时，澳大利亚的锚杆机具狭置的研制也居世界领先水平。发展特种锚杆， 如纤维增强塑料锚杆（重量只有钢材的14 ，而强度高于钢材）、高预应力锚杆、注入式锚杆等。在安装锚杆机具方面，如旋扭预紧装置，通过在螺母和托板加承压滚珠，承载可达80 100kN 。ABM20 新型锚杆装机，可同时安装锚杆，一次可装6 根顶板锚杆。德国以临界移近率尾来衡量锚杆的应用，另外，在可拉伸锚杆的研制和应用方面也有其独到之处，采用极限移近量法设计锚杆支护。一般锚杆支护的移近量为8 20 ，滑动锚杆和可拉伸锚杆的极限移近量可提高到30 35 。目前长壁工作面采区煤
9、巷掘进速度滞后是影响德国煤炭工业发展的一个主要因素，每掘进1m 煤巷，安装6根顶板锚杆和2根煤帮锚杆，每班安装锚杆的根数也会变化，由于煤矿使用了连续采煤机，使得锚杆安装速度跟不上工作面回采速度，一些煤矿逐渐采用了位置变换开采法。南非大部分矿井煤层顶板为硬砂岩顶板，顶板条件好，容易支护，锚杆安装速度较快，几乎不影响采煤作业，为了防止煤层顶板的局部冒落，一些煤矿安装了顶板岩层监控系统，有效地维护了矿井生产的安全。国外锚杆支护应用十分广泛，但仅局限于围岩较稳定的巷道。软岩锚杆支护问题在美、澳等国并不突出，德国比较重视采深大。岩体质量差，长期共存等地质条件丁的锚杆支护问题，对较松软的煤层巷道， 为了更
10、好地发挥锚杆的支护效果，已经研制成多种锚杆安装机械，但是由于锚杆间距小、锚杆锚固强度较低、密度大，使得巷道掘迸速度慢，影响矿井生产接替。为了提高巷道掘进速度，必须提高锚杆锚固强度以其增大锚杆间距，为此，英国研制成锚杆入，锚固力达500kN 的“大锚杆”，并在Asfordby 矿试验成功间距l .0m 的“大锚杆”代替间距0.6m 的“AT ”锚杆。因此，在围岩松软破碎、高应力、受采动影响的大变形巷道，提高锚杆的锚固力和锚固效果，确保三软煤巷在采动过程中稳定和安全，扩大其应用范围，是国外锚杆支护发展的方向。2.2国内锚杆支护发展的现状我国锚杆支护起始于20 世纪50 年代，在岩土工程中得到了广泛
11、应用。煤矿于1956 年开始使用锚杆支护巷道，主要采用机械端锚和钢砂浆元托板锚杆，这种单体锚杆只适合于稳定的岩石巷道，在围岩较软的岩巷、煤巷及动压巷道中还不能取得很好的效果。1964 年在少数矿井下试验喷浆、喷射混凝土和锚喷支护，这是我国锚杆支护的初期；到80 90 年代，进人了以锚带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段，由于锚杆支护经济效益显著，劳动强度低，对控制围岩和破碎岩体的加固效果，较U 型钢被动支护效果好，因而，已经在我国煤矿中得到广泛应用。“煤巷锚杆支护技术” 作为“九五”期问煤炭工业重点科技攻关项目，经过几年来攻关研究，在技术上日益成熟，并能生产成套系列产品，初步适应了我国煤巷锚杆
12、支护的具体要求，到1998 年煤巷中锚杆支护比重达到20 以上，目前，在我国国有矿井中达到50 以上。但是，我国煤矿的软岩地层分布十分广泛，加之占煤矿75 采准巷道还要经受采动的频繁影响，大部分巷道在服务年限内的围岩变形量都很大，有的甚至冒落垮实，使得巷道元法再利用，因此，研究开发有效地控制高应力、软岩和采动等大变形巷道的锚杆支护技术，成为推动锚杆支护技术的关键。近年来，随着我国加大对软岩巷道支护的研究，已初步地将锚梁网、锚喷网、锚索等应用到软岩巷道支护中，并在部分矿井中取得了一定的经济效益，但是，对于各种不同岩性松软破碎的围岩及其受高应力、强烈采动影响的大变形巷道，锚杆支护仍是尚待解决的难题
13、。同国外相比，我国锚杆支护主要存在锚固力低、可靠性差等间题，因此，提高锚杆性能、开发具有强初撑。急增阻、高阻力力学特性的锚杆支护，是控制高应力、软岩大变形巷道的有效途径，也是国内锚杆支护的主要发展方向。随着对软岩巷道的研究和锚杆锚固力的逐步提高，锚杆支护得到了迅速发展，随着人们对煤巷锚杆支护实践不断深入，锚固理论也得到了很大的发展。3锚杆支护的原理及其种类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。目前,较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为3大类:一是基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论等;二是基于锚杆的挤压加固作用提出的组合梁理论、组合
14、拱理论以及楔固理论等;三是综合锚杆各方面的作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理、最大水平应力理论以及锚杆桁架支护理论等。3.1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定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图3.1所示。 图3.1 锚杆的悬吊作用 图3.2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破碎区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分冒
15、落岩体悬吊在深部未松动岩层上，如图3.2所示。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。3.2 组合梁理论组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。这种组合梁岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3.3所示。组合梁理论只适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。（a） 未打锚杆 (b) 布置顶板锚杆图图3.3 顶板锚杆的组合梁作用3.3 组合拱（压缩拱）理论组合拱（压缩拱）理论认为：在拱形巷道的破裂区安装预应力锚杆时，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锚杆群，只要锚杆间距离足够小，各个锚杆形成的压力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱（亦称
