(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

我國煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與展望

鞠文君1，2

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

總結(jié)了近20年來我國錨桿支護(hù)技術(shù)在支護(hù)理論、支護(hù)材料、設(shè)計(jì)方法、監(jiān)測技術(shù)等方面的發(fā)展與創(chuàng)新，介紹了錨桿支護(hù)技術(shù)在軟巖巷道、破碎圍巖巷道、沖擊地壓巷道、大斷面巷道、高瓦斯煤層巷道、底鼓巷道中的成功應(yīng)用，指出了錨桿支護(hù)技術(shù)未來發(fā)展需要重點(diǎn)解決的幾個問題。

強(qiáng)力支護(hù)理論；高強(qiáng)度錨桿；沖擊吸收功；能量校核設(shè)計(jì)法

自1912 年德國謝列茲礦最先在井下巷道采用錨桿支護(hù)以來，錨桿支護(hù)技術(shù)用于巷道支護(hù)已有100多年的歷史。我國于20 世紀(jì)50 年代開始在煤礦巖巷中試用錨噴支護(hù)技術(shù)，80 年代開始在煤巷支護(hù)中應(yīng)用錨桿支護(hù)，90 年代引進(jìn)澳大利亞成套錨桿支護(hù)技術(shù)，之后經(jīng)過20多年不斷研究探索，我國的錨桿支護(hù)技術(shù)在支護(hù)理念、支護(hù)材料、設(shè)計(jì)方法、監(jiān)測技術(shù)等方面均取得了重大進(jìn)展，煤巷錨桿支護(hù)的比重已經(jīng)達(dá)到了60%以上，部分礦區(qū)達(dá)到了90%以上。錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展提升了我國煤礦巷道支護(hù)的整體水平，使巷道支護(hù)效果明顯改善，成巷速度大幅提高，解決了大量復(fù)雜困難條件下的巷道支護(hù)難題，工人勞動強(qiáng)度明顯降低，回采速度得到了釋放，取得了良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)成為現(xiàn)代化礦井必不可少的配套技術(shù)。

1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展

錨桿支護(hù)近年來發(fā)展的一個關(guān)鍵點(diǎn)是支護(hù)理念的提升，更加明晰了“主動”支護(hù)的概念，強(qiáng)調(diào)預(yù)緊力和一次性支護(hù)對于保持巷道圍巖穩(wěn)定性的重要性；另一個關(guān)鍵點(diǎn)是錨桿支護(hù)材料的發(fā)展，經(jīng)歷了從無到有、從弱到強(qiáng)、從單一到多樣化的發(fā)展過程，使錨桿支護(hù)的能力和適用性大大提高；同時(shí)，錨桿機(jī)具、監(jiān)測技術(shù)等也得到了相應(yīng)的發(fā)展；頒布了《煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(MT/T1104 -2009 )，錨桿支護(hù)技術(shù)開始走向規(guī)范化。

1.1 錨桿支護(hù)理論的發(fā)展與創(chuàng)新

早期的錨桿支護(hù)理論，如“懸吊理論”、“組合梁理論”、“加固拱理論”等具有簡單樸素、形象直觀等特點(diǎn)，對于理解錨桿支護(hù)原理、指導(dǎo)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)起到了重要作用。上世紀(jì)后期，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)在我國試驗(yàn)和應(yīng)用，對錨桿支護(hù)理論進(jìn)行了比較深入地研究，董方庭教授等提出了“圍巖松動圈支護(hù)理論”；侯朝炯教授等提出了“錨桿圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論”；陸士良等學(xué)者基于“新奧法”提出了針對軟巖巷道的“二次支護(hù)”理論，這些理論的出現(xiàn)進(jìn)一步推進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展。自上個世紀(jì)90年代引進(jìn)澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)后，經(jīng)過不斷地攻關(guān)研究和實(shí)踐，錨桿支護(hù)理論又取得了重要進(jìn)展。

針對深部及復(fù)雜困難巷道條件，以康紅普為代表的天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論[1-2]。其要點(diǎn)是:

(1)大幅度提高巷道支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度, 可有效控制圍巖不連續(xù)變形, 保持圍巖的完整性。與傳統(tǒng)的“先柔后剛、先讓后抗”的支護(hù)理念不同，深部及復(fù)雜困難巷道支護(hù)應(yīng)該是“先剛后柔再剛、先抗后讓再抗”。

(2)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形, 使圍巖處于受壓狀態(tài), 抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn), 在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。

(3)錨桿預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散對支護(hù)效果起著決定性作用。根據(jù)巷道條件確定合理的預(yù)應(yīng)力, 并使預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，錨桿托板、鋼帶與金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散中發(fā)揮極其重要的作用。

(4) 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度, 即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度。支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度, 圍巖將長期處于變形與不穩(wěn)定狀態(tài)。支護(hù)剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿預(yù)應(yīng)力。

(5) 錨桿支護(hù)對巷道圍巖的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形、錨固區(qū)整體變形等連續(xù)變形控制作用不明顯, 要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率, 使圍巖的連續(xù)變形得以釋放。

(6) 對于深部及復(fù)雜困難巷道, 應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù), 應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞, 避免二次支護(hù)和巷道維修。

筆者分析論述了沖擊地壓巷道中錨桿支護(hù)對沖擊地壓巷道的適應(yīng)性，研究了沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)的作用原理[3]，提出了沖擊地壓巷道的支護(hù)理念和“能量校核設(shè)計(jì)方法”[4],認(rèn)為錨桿支護(hù)是沖擊地壓巷道最有效的支護(hù)形式，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：

(1)錨桿支護(hù)作為一種內(nèi)在的支護(hù)形式，被“植入”在圍巖中，有非常好的自身穩(wěn)定性，不同于棚式支架受到?jīng)_擊載荷作用易于失穩(wěn)，表現(xiàn)出良好的耐沖擊能力。

(2)錨桿支護(hù)可通過施加預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)主動支護(hù)，早期承載，有利于保護(hù)和發(fā)揮圍巖的自承能力。

(3)高強(qiáng)度錨桿、錨索材料的開發(fā)，可以使錨桿達(dá)到很高的支護(hù)強(qiáng)度，以應(yīng)對沖擊地壓巷道的強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)。

(4)錨桿支護(hù)的柔性特征使其能與圍巖協(xié)調(diào)變形，能夠適應(yīng)沖擊地壓巷道的激烈變形。

(5)金屬桿件的抗拉性能遠(yuǎn)高于其抗彎性能，錨桿支護(hù)利用了金屬桿件的抗拉性能，而型鋼棚式支架利用的是桿件的抗彎性能，所以錨桿支護(hù)的材料利用效能遠(yuǎn)高于棚式支架，因此表現(xiàn)出優(yōu)良的支護(hù)效能。

筆者還總結(jié)了沖擊地壓巷道錨桿支護(hù)的作用形式：對圍巖體整體強(qiáng)度的強(qiáng)化作用；對圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改良作用；對圍巖變形破壞的約束作用；對沖擊剩余能量的吸收作用。

針對沖擊地壓巷道來壓猛烈、變形大、易底鼓的特點(diǎn)，筆者提出了“高強(qiáng)度、強(qiáng)讓壓、整體性”的支護(hù)理念?！案邚?qiáng)度”是指錨桿支護(hù)系統(tǒng)給圍巖提供足夠高的支護(hù)阻力；“強(qiáng)讓壓”是指支護(hù)系統(tǒng)具有較大的變形能力，有很強(qiáng)的柔性；“整體性”是指錨桿支護(hù)與圍巖一起形成一個封閉的完整支護(hù)體系，底、幫、頂全斷面支護(hù)，錨桿與金屬護(hù)表層(托板、鋼帶、金屬網(wǎng))及圍巖緊密結(jié)合，互為表里，協(xié)調(diào)作用。

1.2 錨桿支護(hù)材料的發(fā)展

經(jīng)過近20年的努力，錨桿支護(hù)材料發(fā)生了質(zhì)的變化。木錨桿、竹錨桿、鋼絲繩錨桿、圓鋼錨桿基本被淘汰，普遍采用樹脂錨固螺紋鋼錨桿，所用的鋼材由建筑螺紋鋼向?qū)Ｓ玫腻^桿鋼材轉(zhuǎn)變，桿體強(qiáng)度由低強(qiáng)度向高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度方向發(fā)展，小孔頸預(yù)應(yīng)力錨索得到廣泛應(yīng)用，錨桿、錨索的錨固形式趨向樹脂全長錨固，更加強(qiáng)調(diào)錨桿預(yù)緊力的作用，開始注意鋼材沖擊韌性對錨桿脆斷的影響，對錨桿的加工精度提出了更高的要求，展開對錨桿桿體及托盤、螺母、鋼帶、金屬網(wǎng)等配件的精細(xì)化研究。具體成果體現(xiàn)在：

(1)錨桿桿體強(qiáng)度大幅提高 天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部與國內(nèi)廠家合作研發(fā)了系列錨桿專用鋼材：左旋無縱筋錨桿螺紋鋼，型號有BHRB400，BHRB500,BHRB600，屈服強(qiáng)度分別為400MPa，500MPa，600MPa, 抗拉強(qiáng)度分別為570MPa，670MPa，800MPa,伸長率均為18%，是早期圓鋼錨桿強(qiáng)度的1.80，2.11和2.50倍。

(2)對左旋無縱筋螺紋鋼錨桿的外形花紋進(jìn)行優(yōu)化 早期的螺紋鋼錨桿是由建筑螺紋鋼加工的，與礦用樹脂錨固劑配合效果不好，特別是全長錨固時(shí)錨桿推入困難。為此采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法,對錨桿外形與錨桿錨固性能以及安裝阻力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,提出錨桿外形相關(guān)參數(shù)的合理值[5]。優(yōu)化后的錨桿橫肋高度由原來的1.46mm降低為1.00mm,間距由11.05mm增加到33.15mm,采用交錯布置的方式。對錨桿橫肋高度和間距優(yōu)化后,錨固長度125mm時(shí)錨桿的拉拔力比改進(jìn)前提高了7.7%;錨桿安裝過程中的平均扭矩比優(yōu)化前降低約40%,安裝錨桿所需要的推力為優(yōu)化前的50%左右。

(3)對錨桿沖擊韌性進(jìn)行了研究[6]在動壓巷道中也常出現(xiàn)錨桿脆斷的現(xiàn)象，研究表明這是由于材料的沖擊韌性不足造成的。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑形變形功和斷裂功的能力，反映了材料內(nèi)部的細(xì)微缺陷和抗沖擊性能。沖擊韌性由沖擊吸收功來表征，沖擊吸收功是材料強(qiáng)度和韌性的函數(shù)，強(qiáng)度和塑性的提高均能導(dǎo)致沖擊吸收功的提高，塑性的影響要大于強(qiáng)度的影響。經(jīng)過研究認(rèn)為，屈服強(qiáng)度為500MPa的左旋螺紋鋼錨桿的合理沖擊吸收功值為42J。

(4)對錨桿的加工精度提出了明確要求[7]錨桿尾部螺紋應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，通常會受到拉、彎、扭等復(fù)合應(yīng)力作用，易在牙底產(chǎn)生應(yīng)力集中，是桿體的薄弱環(huán)節(jié)。錨桿螺紋的加工質(zhì)量對錨桿的力學(xué)性能有重要影響，以往常用車絲、剝皮和滾絲工藝加工螺紋，螺紋加工粗糙，強(qiáng)度損失明顯，也不利于預(yù)緊力矩向預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化。為改變這種狀態(tài)，提高了螺紋的加工精度，將大功率的滾絲機(jī)替換小功率滾絲機(jī)，并且改變了以往小作坊式的加工模式，研制了專用錨桿加工自動化生產(chǎn)線，逐步走向錨桿生產(chǎn)加工的專業(yè)化。

(5)新型錨索的柔性和承載力得到大幅提升 錨索的錨固深度大，承載能力高，可施加較大的預(yù)緊力，在巷道支護(hù)中有其獨(dú)到的作用。小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索在1996年研制成功，錨索可以向錨桿一樣快速安裝，提升了錨索應(yīng)用的便捷性，這是我國對錨桿支護(hù)技術(shù)的重要貢獻(xiàn)。起初錨索索體的結(jié)構(gòu)為7股冷拔鋼絲擰成的鋼絞線，直徑15.24mm，破斷力為260kN，之后又開發(fā)了17.8mm和21.6mm的1×7結(jié)構(gòu)錨索[2]。但是在使用過程中，發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)錨索柔性相對較差，且延伸率偏小，為4%左右。為此，天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部與廠家合作開發(fā)了1×19結(jié)構(gòu)的小孔徑低松弛預(yù)應(yīng)力錨索[2]，承載能力大幅度提高，直徑22mm錨索極限承載能力達(dá)到600kN，比同尺寸1×7結(jié)構(gòu)錨索提高了15.4%，延伸率也大大增加，達(dá)到了7%，同比增加了75%。錨索柔性明顯得到改善，易于彎曲，安裝過程送往鉆孔省時(shí)省力。

(6)完善了托盤、鋼帶及金屬網(wǎng)等錨桿配件 錨桿支護(hù)是一種整體的支護(hù)方式，各個構(gòu)件的配套性對于巷道的支護(hù)效果起著重要的作用，往往一個構(gòu)件的失效會導(dǎo)致整體支護(hù)強(qiáng)度的降低。研究確定合理的錨桿托盤形式為高強(qiáng)度可調(diào)心拱形托盤，配調(diào)心球墊和減摩墊片。開發(fā)了不同規(guī)格的W型鋼帶，使鋼帶的強(qiáng)度和剛度大幅度提升，并制定了礦用W型鋼帶標(biāo)準(zhǔn)(MT/T861-200)。在煤巷中推行菱形金屬網(wǎng)，錨噴巷道中推行鋼筋網(wǎng)。

(7)開發(fā)了多種具有特殊功能的樹脂錨固劑 錨桿支護(hù)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是錨固力，樹脂錨固劑粘結(jié)力強(qiáng)度大、固化時(shí)間快、安全可靠性高，已得到廣泛應(yīng)用 。常用的樹脂錨固劑型號包括超快速(CK)、快速(K)、中速(Z)和慢速(M)4種，但是常用的樹脂錨固劑由于稠度大，全長錨固時(shí)攪拌樹脂藥卷、安裝錨桿困難。為此，在原有樹脂錨固劑的基礎(chǔ)上研究出了低黏度全長錨固樹脂錨固劑，如MSZ2570和MSM2660錨固劑，低黏度全長錨固樹脂錨固劑大幅度減小了攪拌樹脂藥卷的阻力。另外，還開發(fā)了防水錨固劑、底板錨固劑等專用產(chǎn)品[8]。

(8)開發(fā)了特種錨桿、錨索 煤礦日趨復(fù)雜的地質(zhì)條件使得單一的錨桿支護(hù)形式不能夠滿足所有巷道的支護(hù)要求，需要開發(fā)一些相適應(yīng)特種錨桿、錨索。目前主要的特種錨桿(索)有：錨注一體錨桿、自鉆錨桿、可切割玻璃鋼錨桿、恒阻大變形錨索等。

1.3 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

傳統(tǒng)的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法包括4大類：理論計(jì)算、工程類比、數(shù)值計(jì)算和監(jiān)測法，基于國內(nèi)外已有研究成果和工程實(shí)踐，天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部提出了“錨桿設(shè)計(jì)動態(tài)信息法”[9],其要點(diǎn)為：基于地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果提供的圍巖基礎(chǔ)參數(shù)，包括圍巖的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力的大小和方向等，評估巷道圍巖的穩(wěn)定性；根據(jù)評估結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定錨桿支護(hù)初始參數(shù)；采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行多方案的比較，選出最優(yōu)方案；進(jìn)行井下試驗(yàn)，在試驗(yàn)的過程中根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果修正和完善初始設(shè)計(jì)；繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，不斷完善設(shè)計(jì)。

筆者針對沖擊地壓巷道支護(hù)，提出了“能量校核設(shè)計(jì)方法”。根據(jù)著名沖擊地壓能量理論，隨著采掘范圍的擴(kuò)大，礦體-圍巖系統(tǒng)的力學(xué)平衡達(dá)到極限時(shí)就會失穩(wěn)破壞，破壞過程中，圍巖既要吸收能量，也會釋放能量，如果釋放的能量大于吸收能量就會發(fā)生沖擊地壓。圍巖破壞過程中釋放的能量與吸收能量的差值稱為剩余能量，剩余能量的數(shù)值即為沖擊地壓發(fā)生時(shí)拋出的圍巖的動能。錨桿支護(hù)具有吸能作用[4]，如果支護(hù)系統(tǒng)能吸收全部剩余能量，那么就不會有圍巖拋出，就可以避免沖擊地壓的發(fā)生?；谶@一原理，提出了能量校核設(shè)計(jì)法，具體步驟為：首先根據(jù)巷道的地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件對其沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)；然后根據(jù)評價(jià)結(jié)果提出巷道支護(hù)方案；再通過數(shù)值模擬方法對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；計(jì)算巷道剩余能量和支護(hù)系統(tǒng)的吸能指標(biāo)，判定設(shè)計(jì)是否滿足抗沖擊要求，否則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.4 錨桿支護(hù)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

錨桿支護(hù)屬于隱蔽性工程，支護(hù)設(shè)計(jì)不合理或施工質(zhì)量不好都有可能導(dǎo)致巷道失穩(wěn)，出現(xiàn)安全事故，因此非常有必要進(jìn)行巷道礦壓監(jiān)測。常規(guī)的礦壓監(jiān)測包括巷道表面位移監(jiān)測，圍巖深部位移監(jiān)測，錨桿(索)受力監(jiān)測，頂板離層監(jiān)測等。為此研發(fā)了多種監(jiān)測儀器，包括ZW-4/6多點(diǎn)位移計(jì)、LBY-3頂板離層指示儀、CM-200測力錨桿、GYS-300錨桿(索)測力計(jì)等[10]。

近年來，開采設(shè)計(jì)事業(yè)部又開發(fā)了KJ25壓力綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由人工測量到自動測量，由間斷測量到連續(xù)監(jiān)測，由靜態(tài)監(jiān)測到動態(tài)監(jiān)測的轉(zhuǎn)變。監(jiān)測系統(tǒng)以總線智能傳感器為基礎(chǔ)，既能單獨(dú)監(jiān)測(顯示、報(bào)警)，又能以總線方式傳輸數(shù)據(jù)，上傳到監(jiān)控中心。配套監(jiān)測軟件是一個專家系統(tǒng)，能夠顯示、保存、查詢數(shù)據(jù)，同時(shí)具有分析、選擇、判讀功能，融安全監(jiān)測和智能分析于一體[11]。

2 錨桿支護(hù)技術(shù)在困難巷道中的應(yīng)用

隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，錨桿支護(hù)的支護(hù)能力愈來愈強(qiáng)，對巷道條件具有良好的適應(yīng)性，并且施工的便捷，使得錨桿支護(hù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)是煤礦回采巷道的基本支護(hù)形式。對于各種類型的困難巷道，錨桿支護(hù)更有其獨(dú)到之處。

2.1 錨桿支護(hù)在軟巖巷道中的應(yīng)用

我國煤礦煤系地層中軟巖礦井分布十分廣泛，隨著第三系和侏羅紀(jì)煤田的開發(fā)，使得軟巖巷道支護(hù)問題廣泛存在。另外，隨著采深加大，一些中硬圍巖也表現(xiàn)出軟巖的變形特性，稱為高應(yīng)力軟巖。軟巖巷道變形大、流變性強(qiáng)，一直是巷道支護(hù)中的難題。錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，為軟巖巷道支護(hù)創(chuàng)造了條件，形成了以“高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)應(yīng)力”為特點(diǎn)的軟巖巷道的支護(hù)新技術(shù)[2]，其要點(diǎn)為：采用高強(qiáng)度全長樹脂錨固錨桿(屈服強(qiáng)度500MPa以上)，聯(lián)合全長錨固預(yù)應(yīng)力錨索(破斷力大于600kN)，配合由大尺寸托板、W鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成的高剛度護(hù)表結(jié)構(gòu)，施加高預(yù)應(yīng)力(達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的50%～80%)形成主動支護(hù)。高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)系統(tǒng)，在新汶?yún)f(xié)莊、內(nèi)蒙平莊、甘肅華亭、陜西彬縣、內(nèi)蒙錫盟等礦區(qū)得到成功應(yīng)用。

2.2錨注支護(hù)在破碎圍巖及井巷修復(fù)中的應(yīng)用

對于一般情況的破碎圍巖，高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)就會有很好的支護(hù)效果，但需要配合高剛度的輔助支護(hù)構(gòu)件，還要適度減小錨桿的間排距。對于極破碎圍巖，松動范圍大、整體強(qiáng)度低，錨固性能差，要想在此類巷道中發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)勢，必須提高圍巖的整體性，改善其可錨性，這就需要引入注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“錨”、“注”結(jié)合。注漿以水泥漿為主，必要時(shí)注入化學(xué)漿。錨注支護(hù)有2種主要形式：一種是管狀的中空錨桿，錨桿兼作注漿管，這種錨桿強(qiáng)度較低，注漿范圍小，成本高，一般用在成孔困難的土層和軟巖中；另一種形式是利用錨索孔或打?qū)Ｓ米{孔注漿對圍巖進(jìn)行注漿加固，再配合高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，這種形式會達(dá)到非常好的支護(hù)效果，非常適合井筒、重要硐室、大巷及采準(zhǔn)巷道的破壞修復(fù)工程。這項(xiàng)技術(shù)在神華寧煤集團(tuán)石炭井礦、華亭硯北煤礦、晉城天地王坡煤礦、陜西下溝煤礦、神東布爾臺以及潞安集團(tuán)的多個礦井應(yīng)用，取得了良好的效果。

2.3 錨桿支護(hù)在沖擊地壓巷道中的應(yīng)用

沖擊地壓巷道的破壞，具有發(fā)生突然、破壞性巨大、斷面收縮嚴(yán)重、強(qiáng)烈底鼓等特征，其支護(hù)形式必須具有更高的承載能力、良好的柔性、穩(wěn)定性和整體性。在過去相當(dāng)長的一段時(shí)間里，國內(nèi)外許多礦區(qū)將U型鋼可縮支架做為沖擊地壓巷道的主要支護(hù)形式，實(shí)踐證明：U型鋼可縮支架做為一種被動的支護(hù)形式，成本高、架設(shè)困難，防沖擊能力并不理想。錨桿支護(hù)對沖擊地壓巷道有很好地適應(yīng)性，沖擊地壓巷道的錨桿支護(hù)宜遵循：“高強(qiáng)度、強(qiáng)讓壓、整體性” 的支護(hù)理念，針對具體巷道條件設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)?？箾_擊錨桿支護(hù)系統(tǒng)最基本支護(hù)形式為：以高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力樹脂錨固螺紋鋼錨桿與小孔徑預(yù)應(yīng)力樹脂錨固錨索(1×19結(jié)構(gòu))為主體支護(hù)，配以托盤、鋼帶、金屬網(wǎng)等組合構(gòu)件，對巷道的頂、幫、底全斷面支護(hù)。用于沖擊地壓巷道的錨桿、錨索、托盤等支護(hù)材料必須有足夠的沖擊韌性，沖擊吸收功不能低于50J。現(xiàn)有錨桿、錨索的延伸率基本能滿足要求，對錨桿的延伸量有更大要求時(shí)，可采用特別的材質(zhì)錨桿、錨索，也可以采用特殊的結(jié)構(gòu)錨桿、錨索來實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)可延伸錨桿(索)有多種形式，比如：蛇形錨桿、滑動摩擦式可延伸錨桿(索)、孔口壓縮件錨桿(索)等，沖擊地壓巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)要滿足支護(hù)強(qiáng)度、剛度、可縮量、吸收功等多參量的要求。

2.4 錨桿支護(hù)在大斷面巷道中的應(yīng)用

近年來隨著大采高綜采、大采高綜放開采技術(shù)為代表的高產(chǎn)高效開采技術(shù)的發(fā)展，需要采用大斷面巷道，比如，大同塔山煤礦8105綜放工作面的回風(fēng)巷，掘進(jìn)斷面寬5.5 m，高3.9m，巷道斷面積21.5 m2；晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤礦1203綜采工作面巷道掘進(jìn)斷面尺寸為5.7m ×4.5m，斷面為25.68m2。巷道斷面的尺寸對巷道圍巖穩(wěn)定性影響顯著，巷道斷面增大后，圍巖應(yīng)力集中水平提高，變形增大，引發(fā)偏幫、冒頂，造成巷道支護(hù)困難。巷道的高度變化對巷幫圍巖的穩(wěn)定性影響大，高度越大，巷幫圍巖的破壞變形越嚴(yán)重；巷道的寬度即跨度的變化對頂?shù)装宓膰鷰r穩(wěn)定性影響大，跨度越大，頂板撓度越大，變形彎曲越嚴(yán)重，頂板下沉量越大。研究得出[12]：對于高煤幫大斷面巷道，要使用錨索加強(qiáng)對巷道兩幫的支護(hù)，控制其變形破壞；對于大跨度大斷面巷道，要用錨索加強(qiáng)對頂板的支護(hù)，減少頂板的跨度和撓度，控制頂板的下沉。另外，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)也運(yùn)用在一些煤礦(如唐山開灤、甘肅華亭、西山杜爾坪等)的開切眼支護(hù)中，取得了非常好的支護(hù)效果。

2.5 錨桿支護(hù)在防治底鼓中的應(yīng)用

在深井、軟巖、強(qiáng)烈動壓影響等支護(hù)困難巷道中，往往伴隨嚴(yán)重底鼓。為了保證巷道的正常使用，需要進(jìn)行多次的擴(kuò)幫、拉底作業(yè)，浪費(fèi)了大量人力物力，影響正常接續(xù)。目前錨注一體加固技術(shù)對于控制巷道底鼓是最有效的方法，基本工藝為：先擴(kuò)幫清底，打孔注漿，植入錨桿，打混凝土底拱，同時(shí)對兩幫及頂板加固。需要解決的問題是施工速度慢、底板成孔質(zhì)量差、排渣困難、樹脂錨固劑遇水粘接性能差等問題。天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部為此專門研究底板鉆孔機(jī)具、防水樹脂錨固劑等配套技術(shù)，在甘肅華亭[13]、陜西彬縣、新汶華豐煤礦試驗(yàn)成功。

2.6 錨桿支護(hù)在高瓦斯巷道支護(hù)中的應(yīng)用

高瓦斯礦井在我國井工開采煤礦中占有相當(dāng)高的比例，煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等災(zāi)害對煤礦的威脅巨大。巷道支護(hù)與瓦斯突出及涌出量關(guān)系密切，有效的支護(hù)可以抑制巷道中煤與瓦斯的突出，減少瓦斯涌出。錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)形式，施加的高預(yù)應(yīng)力能夠改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低錨固區(qū)煤體孔隙率，甚至封閉孔隙，減少巷道瓦斯涌出量。同時(shí)，錨桿支護(hù)的強(qiáng)大能力，使巷道抗沖擊能力增強(qiáng)，可減少煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)。在華晉焦煤沙曲礦24305工作面膠帶運(yùn)輸巷進(jìn)行了高瓦斯煤層錨桿支護(hù)的試驗(yàn)[14]，結(jié)果表明，采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)，在錨固區(qū)范圍內(nèi)形成一堵阻隔瓦斯流動的“墻”，降低了錨固區(qū)范圍內(nèi)裂隙擴(kuò)展，提高了瓦斯抽采時(shí)的成孔率，有利于瓦斯抽取，也控制了巷道的變形破壞，有效防止了煤與瓦斯突出。

3 錨桿支護(hù)技術(shù)展望

經(jīng)過半個多世紀(jì)的探索實(shí)踐，特別是近20年來，我國錨桿支護(hù)技術(shù)取得了很大的發(fā)展，在支護(hù)理念、支護(hù)材料、設(shè)計(jì)方法及監(jiān)測技術(shù)等方面都有了長足的進(jìn)步，錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為我國煤礦最主要的巷道支護(hù)形式。同時(shí)也應(yīng)該看到，對錨桿支護(hù)技術(shù)的認(rèn)識還不夠全面深入，一些理論和工程方面的問題還沒有很好解決，非常有必要在以下幾個方面開展工作。

3.1 進(jìn)一步研究巷道錨桿支護(hù)機(jī)理

目前，錨桿支護(hù)技術(shù)的工程應(yīng)用明顯超前相關(guān)理論的研究，錨桿支護(hù)在某些工程中取得神奇的效果，但在理論上卻不能準(zhǔn)確說明。對錨桿支護(hù)的機(jī)理還沒有搞清楚，比如錨桿與圍巖的相互作用關(guān)系、錨索與錨桿的協(xié)同作用、不同巷道條件下合理錨桿支護(hù)強(qiáng)度、巷道失穩(wěn)的本質(zhì)和判據(jù)，錨桿支護(hù)的剛度如何定義和度量，錨桿的預(yù)緊力多少為宜，等等，都需要深入研究。在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法方面，已經(jīng)認(rèn)識到傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、加固拱等理論具有片面性，不再依此設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)，但也沒有理想的基于錨桿支護(hù)機(jī)理的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)在普遍采用的還是工程類比法，包括最新發(fā)展的動態(tài)信息設(shè)計(jì)法，也是在工程類比的基礎(chǔ)上加入了數(shù)值模擬優(yōu)化和工程監(jiān)測修正的內(nèi)容。

3.2貫徹執(zhí)行“煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范”，實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化

中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T1104 -2009 《煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)于2010 年7 月1 日起正式實(shí)施，這是國內(nèi)第一部關(guān)于“煤巷錨桿支護(hù)” 的技術(shù)規(guī)范, 對錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展至關(guān)重要。《規(guī)范》發(fā)布已經(jīng)4a了，但其執(zhí)行的情況并不理想，多數(shù)煤礦仍然沿用習(xí)慣辦法，錨桿支護(hù)參數(shù)照貓畫虎，錨桿支護(hù)材料五花八門，錨桿施工各自為政，不但增加了支護(hù)成本，更主要是支護(hù)質(zhì)量和安全無法保證。各煤炭企業(yè)應(yīng)該認(rèn)真貫徹執(zhí)行《規(guī)范》，首先統(tǒng)一錨桿材料，實(shí)現(xiàn)全國范圍的規(guī)?；瘜I(yè)生產(chǎn)，以保證質(zhì)量和降低成本，錨桿材料廠家要開發(fā)系列化產(chǎn)品，滿足不同煤炭企業(yè)的需要。同時(shí)，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、施工、安全監(jiān)測、質(zhì)量檢測也必須嚴(yán)格按《規(guī)范》執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.3 開展特殊條件下的錨桿支護(hù)技術(shù)研究

我國煤層埋藏條件復(fù)雜多樣，開采強(qiáng)度、開采深度在不斷增大，巷道支護(hù)遇到更多的難題，已有的常規(guī)錨桿不能解決全部問題，需要有針對性地開發(fā)錨桿支護(hù)技術(shù)和材料。比如沖擊地壓巷道，就需要開發(fā)更高強(qiáng)度、更大延展性、足夠沖擊吸收功的錨桿材料；再比如用于軟弱巖層的錨桿、錨索，常規(guī)的樹脂錨固易被拉出，就需要開發(fā)新的錨固形式以達(dá)到必要的錨固力。錨桿的構(gòu)造不同，其支護(hù)功能、與圍巖的相互作用機(jī)理也不同，只有用在適合的地質(zhì)條件下，才能充分發(fā)揮其“支護(hù)”效能。所以，應(yīng)針對不同的地質(zhì)，開發(fā)出相應(yīng)的錨桿材料和施工技術(shù)，這樣才能取得良好的支護(hù)效果，避免浪費(fèi)，消除安全隱患。

3.4 加快研發(fā)快速掘進(jìn)與支護(hù)一體化裝備和工藝

多年來，回采工作面機(jī)械化水平的不斷提高，回采工作面推進(jìn)速度大大提升，采掘接替緊張一直是困擾許多煤礦的難題，掘進(jìn)速度拖了煤礦高產(chǎn)高效的后腿。我國煤礦巷道掘進(jìn)通用的掘進(jìn)配套方式為普通綜合機(jī)械化掘進(jìn)作業(yè)線，采用綜掘機(jī)割煤，膠帶機(jī)運(yùn)煤，人工操作單體錨桿鉆機(jī)打錨桿支護(hù)。這種配套模式自動化程度較低，掘進(jìn)速度不理想，一般狀況下巷道的月進(jìn)尺在300m左右，比較好的在600～800m。掘進(jìn)效率低的主要原因在于掘進(jìn)與錨桿支護(hù)不能平行作業(yè)，支護(hù)占用時(shí)間太長，工作面割煤時(shí)間通常占17%～34%，而支護(hù)時(shí)間則要占到50%～67%。美國、澳大利亞等國家，采用的連續(xù)采煤機(jī)和錨桿臺車交叉換位(多巷同掘)，或者采用掘錨一體化機(jī)組的掘進(jìn)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)月進(jìn)尺1000～3000m。我國2014年初在神東礦區(qū)大柳塔礦最新試驗(yàn)的連續(xù)采煤機(jī)與錨桿臺車配合，創(chuàng)造了月進(jìn)1500m記錄。美國、澳大利亞、神東礦區(qū)的煤層埋藏條件得天獨(dú)厚，其配套模式在我國復(fù)雜的地質(zhì)條件下的推廣使用受到了限制，因此研制適用于我國多數(shù)煤礦條件的，月進(jìn)尺不低于800m的巷道快速掘進(jìn)裝備和配套工藝，就成為亟待解決的問題。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Development and Prospect of Anchored-bolt Supporting Technology in Chinese Coalmine

JU Wen-jun1,2

(1.Coal Mining & Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China；2.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

The development and innovation of anchored-bolt technology in supporting theory, material, design method and monitoring technology in recent 20 years in China was concluded.Application of anchored-bolt technology in soft rock roadway, cracked roadway, rock-burst roadway, large-section roadway, high methane roadway and floor heave roadway was introduced and several main problems needed to be solved in future were indicated.

powerful supporting theory；anchored-bolt with high strength；impact absorbing energy；energy check design method

2014-07-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.001

國家科技支撐計(jì)劃(2012BAB13B02-03)

鞠文君(1965-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部副總經(jīng)理，主要從事巷道支護(hù)技術(shù)及工程監(jiān)測技術(shù)的研究

鞠文君.我國煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].煤礦開采，2014，19(6)：1-6.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0001-06