煤矿巷道锚杆支护技术的发展与现状

【摘 要】本文着重介绍了锚杆支护成套技术，包括地质力学测试、锚杆支护设计、支护材料、施工机具与工艺、工程质量检测及矿压监测、特殊地质条件支护技术等。实践表明： 锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式，显著提高了巷道支护效果，保证了采煤工作面的安全、快速推进，促进了煤炭产量的大幅度增长。

【关键词】煤矿；巷道支护；锚杆支护

我国煤矿锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。目前，我国很多矿区煤巷锚杆支护率达到60%，有些矿区超过了90%，甚至达到100%。我国煤矿已经形成了有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系，锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。

1 锚杆支护理论的发展

目前的锚杆支护理论归纳起来有3种模式：被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；在锚固区内形成某种结构（梁、层、拱、壳等）；改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。通过不断深入的研究发现，锚杆支护的本质作用以第3种模式为主。同时，借鉴美国煤矿锚杆支护理论与实践经验，发现巷道开挖后立即支护，并施加足够高的安装力，即锚杆预应力，提高锚固体的刚度非常重要。

根据锚杆受力大小来分型，可将锚杆受力模型分成5级，即从锚杆预应力很低，支护不明显到高预应力、强力支护之间划分出五个档次，根据对锚杆受力变化特征的分析，得出锚杆支护围岩响应曲线，如图2所示，曲线1～5分别5级受力模型相对应。曲线5对应的高预应力、强力锚杆支护能有效控制围岩位移；曲线2锚杆破断之前围岩变形较小，锚杆破断后，围岩位移急剧增大；曲线3围岩发生较大位移后能趋于稳定；曲线4围岩发生较大位移后不能稳定，而且后期由于锚固力明显降低，围岩位移进一步加大，甚至失稳。

图1 锚杆支护围岩响应曲线

根据上述分析，提出高预应力、强力支护理论。

（1）锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，将这种不连续变形控制到最小，保持煤岩体的完整性、连续性，使围岩处于受压状态，减小煤岩体强度降低。

（2）锚杆预应力及其扩散对支护效果起决定性作用。确定合理的预应力，并使其有效扩散是支护设计的关键。托板、钢带与金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。

（3）预应力锚杆支护系统存在临界支护刚度。支护刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于变形与不稳定状态；相反，支护刚度达到或超过临界支护刚度，围岩变形得到有效抑制，巷道处于长期稳定状态。

（4）锚杆支护对围岩弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围岩的连续变形得以释放。

（5）对于复杂困难巷道，应采用高预应力、强力锚杆组合支护，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。

2 锚杆支护技术的发展

锚杆支护成套技术包括地质力学测试与评估、锚杆支护设计、支护材料、施工机具与工艺、支护工程质量检测及矿压监测、特殊地质条件支护技术等诸多方面。

2.1 锚杆支护设计方法

随着对巷道围岩地质条件复杂性与多变性的深入了解，以及数值计算在采矿工程中的快速发展与应用，动态性、系统性、信息化的设计方法，即动态信息设计法得到普遍认可与应用。支护设计不是一次完成的，而是一个动态过程；初始设计采用数值模拟方法，通过多方案比较确定合理的设计参数；设计充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、分析与信息反馈。

2.2 锚杆支护材料

锚杆支护材料包括杆体及附件、锚固剂、组合构件、金属网、锚索等。为了满足复杂困难巷道支护要求，开发出高强度螺纹钢锚杆支护系列材料。通过杆体结构与形状优化，更有利于提高锚杆锚固效果；通过开发锚杆专用钢材，达到高强度和超高强度级别。同时，研制出系列树脂锚固剂，W型、M型钢带，形成了高强度树脂锚固组合锚杆支护系统。针对初期小孔径树脂锚固锚索存在的问题，如锚索直径（15.2 mm）小，破断力小，与钻孔不匹配，易出现拉断现象等，开发出大直径、高吨位锚索。一方面加大了索体直径，最大达22mm，提高了索体的破断力，直径22mm的锚索拉断载荷达到600kN；另一方面，采用19根钢丝代替了原来的7根钢丝，提高了锚索的延伸率。

2.3 锚杆支护施工机具与工艺

锚杆支护施工质量和速度取决于施工机具与施工工艺。我国单体锚杆钻机及配套机具已比较成熟，基本能够满足井下锚杆支护施工的需要。在锚杆、锚索预应力施加设备方面，引进和开发了大扭矩气动扳手、液压扳手，研制出与锚杆钻机配套使用的扭矩倍增器等机具，基本能够满足锚杆螺母扭矩300～500N&m的要求。研制出系列锚索张拉设备，与高预应力、强力锚索配套使用的张拉设备，额定张拉力达到450kN。为了提高煤巷综掘施工的装备和技术水平，促进煤巷单进水平的大幅度提高，有些矿区引进了先进的连续采煤机和掘锚机组，并在井下应用中取得较好的效果。

锚杆支护施工工艺包括施工机具选择与配置，施工人员组织，施工工序安排，安全技术措施等内容。很多矿区根据本矿区地质与生产条件，通过合理配置施工机具与人员，安排支护各工序的顺序和时间，采用快速安装机具与工艺，缩短每个工序所占时间，并与掘进、运输等环节相配套，形成了煤巷快速施工工艺，显著提高了锚杆支护成巷速度。

2.4 锚固与注浆联合加固技术

根据煤矿巷道特点，开发出不同形式的注浆锚杆，包括普通注浆锚杆，内锚外注式注浆锚杆，外锚内注式注浆锚杆，可控压注浆锚杆等。对于极破碎煤岩体，还研制出钻锚注加固技术，将钻孔、注浆和锚固集于一体，解决了难成孔的破碎煤岩体加固难题。在小孔径树脂锚固预应力锚索的基础上，研制出树脂与注浆联合锚固锚索，兼有树脂锚固和注浆锚固锚索的优点。注浆材料除常用的水泥基材料外，还开发出不同类型的化学加固材料，如聚氨酯、脲醛树脂及不饱和聚脂等，以适应不同的围岩条件。

3 结论

（1）煤矿锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。目前已开发出包括巷道围岩地质力学测试、动态信息支护设计、高强度与高刚度支护材料、快速施工机具与工艺、工程质量检测与矿压监测及锚固与注浆联合加固在内的锚杆支护成套技术，成为首选、安全高效的主要支护方式。（下转第388页）

（上接第361页）（2）高强度、高刚度锚杆支护技术成功应用于千米深井巷道、软岩巷道、强烈动压影响巷道、沿空掘巷与留巷、采空区留巷等复杂困难条件，围岩的强烈变形得到有效控制，取得良好的支护效果。

（3）锚杆支护技术是继我国煤矿成功应用综合机械化采煤技术以来采掘技术的又一次革命。它不仅保证了采煤工作面的安全、快速、高效推进，煤炭产量和效益的大幅度增长，而且深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式。

【参考文献】

[1]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32（7）.

[2]侯朝炯，勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J].岩石力学与工程学报，2000，19（3）.