煤巷高性能錨桿支護技術(shù)

煤巷高性能錨桿支護技術(shù)及實踐目錄引言國內(nèi)外煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展概狀及比較煤巷錨桿支護理論高性能預(yù)拉力錨桿支護頂板離層控制技術(shù)工程應(yīng)用示例2引言131.1煤巷的重要性我國煤礦年掘進量超過2000萬m，其中煤巷通常占礦井年新掘巷道的80%以上，占保有巷道的80%；是礦井運輸、通風(fēng)、排水、行人和保障安全的必備和主要通道。

1.2煤巷的主要特點支護的對象是破裂煤巖體：圍巖松軟、破碎，節(jié)理、層理發(fā)育；兩幫煤體既松軟又性脆；圍巖錨固性能差；工程條件復(fù)雜多變：受地質(zhì)構(gòu)造影響，在同一條巷道內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)變化大；構(gòu)造應(yīng)力也有很大差別；圍巖分類可能相差1～2類，需要采取不同的支護方式和參數(shù)；1.2煤巷的主要特點高于自重應(yīng)力數(shù)倍的強烈采動高應(yīng)力作用，絕對變形量達到500～1500mm以上，一般為巖巷的幾倍到幾十倍；巷道工程量大，服務(wù)時間短；要求支護結(jié)構(gòu)安全可靠，又要簡單實用。

1.3煤巷支護落后的嚴(yán)重后果煤巷安全沒有根本保障被迫開掘大量費用高、環(huán)節(jié)多的巖巷；巷道支護成本高，占到噸煤成本的1/3；嚴(yán)重制約回采面的推進，單產(chǎn)低，礦井綜合效益差。10

很多煤巷現(xiàn)有支護難以適應(yīng)，損壞嚴(yán)重，巷道維護十分困難，影響礦井高產(chǎn)高效、安全和經(jīng)濟效益的提高。國內(nèi)外煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展概狀及比較22.1國外錨桿支護的發(fā)展概狀

40年代在國外得到了迅速發(fā)展，主要歷程：1945～1950：機械式錨桿的研究與應(yīng)用1950～1960：采礦業(yè)廣泛采用機械式錨桿，開始對錨桿進行系統(tǒng)研究1960～1970：發(fā)明了樹脂藥卷，引發(fā)錨桿技術(shù)的一次革命，樹脂錨桿在礦山得到應(yīng)用1970～1980：發(fā)明管縫式錨桿、水力賬管式錨桿并應(yīng)用，研究錨桿新的設(shè)計方法，長錨索產(chǎn)生1980～1990：混合錨頭錨桿、組合錨桿、桁架錨桿及各種特種錨桿得到應(yīng)用，樹脂錨固材料得到改進2023/1/1513美國世界上最早使用錨桿并以錨桿作為唯一的煤礦頂板支護方式的國家美國最早開創(chuàng)性地使用錨桿可以追溯到本世紀(jì)30年代初。直到1943年才比較有計劃有系統(tǒng)地使用錨桿。1947年在原美國礦務(wù)局研究中心旨在減少頂板事故的努力下錨桿受到普遍歡迎。在不到2年的時間內(nèi)，錨桿在采礦工業(yè)中得到普及。到了50年代初，美國發(fā)明了世界上第一個漲殼式錨頭，由此而來帶來了美國采礦工業(yè)的一場革命。60年代末由于樹脂錨固劑的發(fā)明，錨桿使用的相當(dāng)一部分比例都是以樹脂錨固劑全長膠結(jié)的形式。在70年代末，美國首次將漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用，使得錨桿具有很高的預(yù)拉力成為可能，錨桿的高預(yù)拉力可以達到桿體本身強度的50%～75%。美國的成功經(jīng)驗產(chǎn)業(yè)化作為一門技術(shù)，而非材料消耗、廢品利用多樣化、多系列，以適應(yīng)各種不同的條件錨桿設(shè)計、制造、服務(wù)一體化高新技術(shù)用于錨桿設(shè)計美國錨桿技術(shù)精髓

----“兩高一大”高強度高預(yù)拉力大排間距澳大利亞:主要推廣全長樹脂錨固錨桿、玻璃鋼錨桿；澳大利亞的51座井工礦中，有34座至少擁有1個長壁工作面。長壁工作面采用雙巷掘進系統(tǒng)。長壁工作面采區(qū)煤巷掘進速度滯后是影響澳大利亞煤炭工業(yè)發(fā)展的一個主要因素。每掘進1m煤巷，安裝6根頂板錨桿和2根煤壁錨桿，每班安裝錨桿100～120根。根據(jù)不同地質(zhì)條件，安裝錨桿的根數(shù)也會變化。目前一些煤礦采用了安設(shè)有錨桿機的連續(xù)采煤機，但由于錨桿安裝速度跟不上工作面回采速度，一些煤礦逐漸采用了位置變換開采法。澳大利亞主要推廣全長樹脂錨固錨桿，強調(diào)錨桿強度要高。澳大利亞錨桿支護率１００％．2023/1/1517英國1952年大規(guī)模使用機械式錨桿，但最終證明英國較軟弱的煤系地層不適宜用機械式錨桿。到60年代中期，英國逐漸開始不使用錨桿支護技術(shù)。1987年，由于煤礦虧損，煤礦私有化。英國煤炭公司參觀澳大利亞煤礦，引進澳大利亞錨桿技術(shù)，在全行業(yè)重新推廣錨桿支護，煤礦開始盈利。南非

一般地講，南非大部分井工礦煤層是硬砂巖頂板，開采條件良好。南非57個井工礦均采用了不同的頂板錨桿安裝形式，由于地質(zhì)條件良好，錨桿安裝作業(yè)并不構(gòu)成采煤作業(yè)的“瓶頸”。為了阻止頂板巖層的局部冒落，一些煤礦安裝了嚴(yán)格的頂板巖層監(jiān)控系統(tǒng)。大部分煤礦采用了房柱式開采方式，長壁工作面所占的比重不足10%。

德國自1932年發(fā)明Ｕ型鋼支架以來，主要采用Ｕ型鋼支架支護巷道，支護比重達到90%以上；自80年代以來，由于采深加大，Ｕ型鋼支架支護費用高，巷道維護日益困難，開始使用錨桿支護；80年代初期，錨桿支護在魯爾礦區(qū)試驗成功。俄羅斯

俄羅斯煤炭工業(yè)正在發(fā)生重大改革和重組，一些虧損的煤礦被迫關(guān)閉。俄羅斯目前約有200座井工礦，全部采用單巷長壁開采系統(tǒng)。西伯利亞庫茲巴斯礦區(qū)的一些煤礦采用頂板錨桿（點固錨桿或點固樹脂錨桿）支護形式，錨桿長度1.6～1.8m，承載能力6～8t。隨著經(jīng)驗的積累，這種支護系統(tǒng)將不斷得到完善。但由于缺乏資金，對現(xiàn)代化錨桿支護設(shè)備的維護和改進工作進展非常緩慢。

波蘭

盡管波蘭是世界第4大井工礦煤炭生產(chǎn)國（年產(chǎn)量約120Mt，位居中國、美國和俄羅斯之后），但是波蘭沒有一個煤礦將錨桿支護用作永久頂板支護技術(shù)。所有井工礦采用被動受力的鋼型（U型鋼）支架。隨著高產(chǎn)高效長壁工作面的采用，工作面端頭的U型鋼支架的緩慢拆除速度和緩慢、昂貴的采區(qū)煤巷掘進速度嚴(yán)重阻礙了工作面的回采速度。

由于缺乏操作經(jīng)驗、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地質(zhì)條件差（盡管其它國家在相同地質(zhì)條件下取得了錨桿支護作業(yè)的成功），波蘭向錨桿支護技術(shù)的轉(zhuǎn)變過程最緩慢。為了獲得最大的煤炭回采率，采區(qū)巷道需要重復(fù)使用，這導(dǎo)致了頂板支護條件惡劣，不利于巷道快速掘進和工作面快速回采。

印度

印度井工礦年產(chǎn)煤炭80Mt，其中90%來自非機械化和半機械化（鉆眼、爆破和采用側(cè)卸式裝載機裝載）房柱式開采工作面。大多數(shù)井工礦采用錨桿支護方式，采用點固錨桿或承載能力為6～8t的水泥錨桿。近幾年一些井工礦對連續(xù)采煤機和全部機械化房柱式開采系統(tǒng)很感興趣，同時全脂錨桿也將得到使用。

2023/1/1523采用高強度、超高強度材料制造錨桿，加工精細(xì)，將錨桿作為產(chǎn)品、實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化，而不是簡單的支護材料，并形成適用于不同條件的系列化產(chǎn)品。在支護設(shè)計上，以巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估及井下實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，強調(diào)最大水平應(yīng)力在巷道布置與支護參數(shù)設(shè)計上的應(yīng)用，形成一整套比較科學(xué)的設(shè)計方法。有比較可靠的配套機具，采用掘錨一體化聯(lián)合掘進機或性能良好的單體錨桿鉆機，滿足施工要求，并能實現(xiàn)快速掘進。采用可靠的監(jiān)測手段，大力推廣應(yīng)用頂板光纖窺視儀、頂板離層指示儀、圍巖深部多點位移計、測力錨桿等監(jiān)測儀器。堅持科學(xué)管理，嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)測，形成了從理論到實踐的完善的錨桿支護技術(shù)體系。國外錨桿支護的發(fā)展現(xiàn)狀—成功經(jīng)驗2.2我國煤巷錨桿發(fā)展進展歷程：50年代首先用在巖巷，60年代進采區(qū)，發(fā)展緩慢八五、九五煤炭部把煤巷錨桿支護技術(shù)作為重點項目進行了攻關(guān)，特別是96-97年引進澳大利亞錨桿支護技術(shù)，在邢臺礦務(wù)局現(xiàn)場演示，樹脂錨桿研制成功并推廣應(yīng)用研制開發(fā)了價廉物美的快硬水泥錨桿引進管縫式錨桿技術(shù)并推廣應(yīng)用開始研究“三小”錨桿技術(shù)試驗成功了幾種可拉伸錨桿各種組合錨桿錨索和桁架開始試用2023/1/1525錨桿產(chǎn)品加工不規(guī)范。在錨桿產(chǎn)品加工方面沒有形成產(chǎn)業(yè)化、系列化、多樣化，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，錨桿加工粗糙、結(jié)構(gòu)單一、規(guī)格單一、品種單一，不能滿足煤礦錨網(wǎng)支護日益發(fā)展的需要。這是制約煤礦錨桿支護技術(shù)發(fā)展的根本所在。巷道掘進速度較慢。常常低于架棚巷道速度，制約了錨桿支護技術(shù)的進一步發(fā)展。在困難的地質(zhì)條件下，特別是在破碎、三軟、復(fù)合頂板條件下錨桿支護巷道的效果仍然不甚理想。煤巷錨桿支護巷道冒頂事故時有發(fā)生，進一步動搖了現(xiàn)場推廣錨桿支護的信心與決心。我國錨桿支護存在的問題2.3國內(nèi)外煤巷錨桿支護技術(shù)比較

1）錨桿鉆機的發(fā)展代表著錨桿技術(shù)的發(fā)展：國際錨桿鉆機市場上錨桿鉆機可分為三類：（1）手持式鉆機，如gophers、wombats和superoo鉆機。（2）移動式鉆機。這種鉆機采用履帶或橡膠輪，可安裝1臺、2臺、3臺或4臺鉆機。（3）機載鉆機，即鉆機被固定在連續(xù)采煤機和巷道掘進機上。久益采礦設(shè)備公司（JoyMiningMachinery）研制了一種移動式頂板錨桿鉆車——JOY型多鉆機平臺操作錨桿鉆車。該鉆車已在澳大利亞和美國的煤礦創(chuàng)造了頂板錨桿鉆進的新紀(jì)錄。多鉆機錨桿鉆機結(jié)構(gòu)圖

2）煤層賦存地質(zhì)條件的差異美澳等國先天的優(yōu)越條件－我國煤層賦存的復(fù)雜條件3）煤礦作業(yè)人員素質(zhì)的巨大差異美國：８０％以上具有大專以上學(xué)歷我國：８００萬煤礦職工中具有中轉(zhuǎn)及以上學(xué)歷者不足１０％；目前畢業(yè)學(xué)生基本無人愿意去煤礦企業(yè)．況且企業(yè)原有技術(shù)人員大量流失：跳槽、調(diào)離、辭職另謀它路。煤巷錨桿支護理論3

懸吊理論組合梁理論組合拱理論最大水平應(yīng)力理論剛性梁理論圍巖強度強化理論預(yù)應(yīng)力控制理論懸吊理論認(rèn)為：錨桿支護的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性堅硬巖層軟弱巖層組合梁理論認(rèn)為：在層狀巖體中開挖巷道，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，防止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁），梁越厚，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的饒度也就越小。無錨桿支護有錨桿支護組合拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的應(yīng)力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即組合拱。最大水平應(yīng)力理論：由澳大利壓學(xué)者蓋爾（W.J.Gale）提出：礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5-2.5倍。巷道頂?shù)椎姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，且有三個特點：剛性梁理論：認(rèn)為錨桿的作用在于給頂板及時提供很高的初撐力以形成“剛性”頂板，“剛性”頂板本身提供了一個壓力自撐結(jié)構(gòu)。錨桿桿體本身不是承載結(jié)構(gòu)。大量實測表明“剛性”梁頂板的建立使得錨桿后期增加的載荷等于零，也就是說，桿體本身除維持錨桿預(yù)拉力外已不起任何別的作用水平應(yīng)力垂直應(yīng)力水平應(yīng)力水平應(yīng)力垂直應(yīng)力水平應(yīng)力水平應(yīng)力垂直應(yīng)力

“剛性梁”與組合梁的區(qū)別

圍巖強度強化理論：煤巷錨桿支護的作用就是對錨固體提供圍壓，使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強度得到強化，提高峰值強度和殘余強度，改善峰后巖體力學(xué)性能。巷道圍巖的穩(wěn)定性除了支護的作用外，主要取決于圍巖的強度和應(yīng)力狀態(tài)。對于煤層巷道，由于圍巖松軟、埋藏深、受采動和構(gòu)造應(yīng)力影響，地應(yīng)力大，巷道圍巖破壞嚴(yán)重，其周圍存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述兩個或三個區(qū)域中，相應(yīng)地錨固區(qū)域的巖石強度處于峰后強度或殘余強度。該理論主要探討了錨桿加固后巖石峰前區(qū)粘聚力C、內(nèi)磨擦角φ、彈性模量E的改善情況。錨桿布置在破碎圍巖中

高性能預(yù)拉力錨桿支護42023/1/1538安全：安全可靠性要求更高，“零死亡率”是研究錨桿支護技術(shù)的首要目標(biāo)。快速：成巷速度必須與快速推進的現(xiàn)代化長壁綜采相適應(yīng)。高效：在服務(wù)期間不進行任何翻修即能滿足長壁面生產(chǎn)所需的有效斷面，并努力簡化回采動壓影響期間的超前加強支護，最終取消加強支護。適應(yīng)中國特色：復(fù)雜多樣性、沿空掘巷、開采影響 “安全”和“支護效果”已經(jīng)取代“支護成本”成為支護技術(shù)先進性和支護設(shè)計的出發(fā)點和評價標(biāo)準(zhǔn)。目前主導(dǎo)的錨桿支護技術(shù)（主要是“九五”期間完成的煤巷高強螺紋鋼樹脂錨桿成套技術(shù)）不能滿足上述目標(biāo)。傳統(tǒng)的機械式點錨固錨桿←→高強樹脂錨桿←→？2023/1/1539問題：錨桿應(yīng)該具有那些性能？實際受力狀況？過去主要圍繞強度開展研究;現(xiàn)在進一步圍繞錨桿的承載性能開展研究更全面理解強度的內(nèi)含:抗拉強度抗剪強度系統(tǒng)強度錨固性能：三徑匹配結(jié)構(gòu)和安裝性能:實現(xiàn)預(yù)拉力承載性能：支護強度、支護能力、有效支護強度、初始支護強度2023/1/1540概念

預(yù)拉力錨桿支護技術(shù)：指能夠在支護構(gòu)件和頂板間實現(xiàn)明顯超過松散巖體自重的預(yù)張力、形成頂板預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，并有效控制頂板離層的高強支護技術(shù)。低強度低初錨力的錨桿支護階段高強度低初錨力的錨桿支護階段高強度高預(yù)拉力的錨桿支護新階段2023/1/1541高性能（預(yù)拉力）錨桿：指桿體材質(zhì)符合高強度、延伸率要求、外形符合錨固要求、附件完整、整體強度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機連續(xù)一體化安裝并實現(xiàn)預(yù)拉力的新型錨桿；為強調(diào)預(yù)拉力的作用，這種錨桿又稱高性能（預(yù)拉力）錨桿。2023/1/1542錨桿的三種工作狀態(tài)2023/1/1543基本性能1）錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)高粘低阻；2）桿體強度和延伸率符合要求；3）外端螺紋部采用無強度損失或增強加工新工藝；4）增加減摩和調(diào)節(jié)錨桿外端受力的附件；5）快速機械安裝結(jié)構(gòu)；6）錨桿系統(tǒng)強度及附件幾何尺寸配套；7）有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量；2023/1/15442023/1/15452023/1/1546技術(shù)優(yōu)勢1）及時主動高阻加固，支護效果明顯；2）錨桿鉆機連續(xù)一體化安裝，施工規(guī)范，安裝質(zhì)量有保證，安全可靠性高；3）大間排距控制圍巖變形，省時省力省錢；4）系列化產(chǎn)品能夠滿足多種條件要求，使用范圍廣；

可以在很大程度上替代普通錨桿（索）組合支護。實現(xiàn)了錨桿安裝的機械化、連續(xù)化；保證了20~30kN以上的預(yù)拉力；控制了頂板的松脫垮冒，初始支護強度達到30~45kN/m2。高性能預(yù)拉力錨桿支護技術(shù)本項目尾部等強加工扭矩螺母桿體外型結(jié)構(gòu)優(yōu)化原尾部損傷加工抗撕裂，容易與圍巖密貼，適應(yīng)破碎不平整煤巷頂板條件,保障了整體錨固效果；

克服了W型鋼帶、鋼筋梯子梁等常用鋼帶的主要缺陷。新型M型鋼帶和Π型鋼帶M型鋼帶及井下應(yīng)用Π型鋼帶及井下應(yīng)用實現(xiàn)了煤巷支護技術(shù)的階段性突破強度粘結(jié)力初錨力(工作阻力)可靠性使用范圍技術(shù)特征50~60年代：機械點錨固錨桿技術(shù)低低低低很小四低一小80~90年代末：高強螺紋鋼錨桿技術(shù)高高低低較小兩高兩低1999年開始：高性能預(yù)拉力支護技術(shù)高高高高大四高一大ZL200410041386.7一種控制煤巖頂幫變形的桁架支護技術(shù)ZL200320120629.7一種柔性抗剪錨桿ZL200720131115.X擠注錨筒式錨桿ZL200620076310.2一種防松復(fù)合托盤ZL200420026908.1錨桿配套的墊圈ZL200420026905.8用巷道臨時支柱器ZL200420026907.7種與錨桿配套的檢測墊圈ZL200420062790.8一種高翼緣抗撕裂礦山支護用鋼帶ZL200420062791.2雙張拉鋼絞線連接器ZL200720131114.5一種對拉錨索ZL200620076312.1一種可折疊鋼筋網(wǎng)ZL200620076311.7一種柔性可延伸鋼塑復(fù)合帶

獲得12項專利授權(quán)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，唯一通過“雙高”企業(yè)認(rèn)證率先開展錨桿類支護產(chǎn)品的質(zhì)量體系認(rèn)證頂板離層控制技術(shù)51）通過綜合研究發(fā)現(xiàn)此類頂板巖體具有兩種垮冒型式松脫型垮冒：垮冒范圍一般在0.5~1.5m內(nèi)，負(fù)荷15~25kN/m2。松脫型垮冒5.1系統(tǒng)研究極易離層破碎型頂板(Ⅳ、Ⅴ類)的失穩(wěn)規(guī)律擠壓型垮冒：在水平應(yīng)力和自重應(yīng)力雙重作用下，薄層狀巖體發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致弱面離層，變形持續(xù)發(fā)展，漸次向上垮冒。擠壓型垮冒5.1系統(tǒng)研究極易離層破碎型頂板(Ⅳ、Ⅴ類)的失穩(wěn)規(guī)律錨固區(qū)內(nèi)離層：松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產(chǎn)生裂隙，錨固強度衰減，進而導(dǎo)致錨固區(qū)整體穩(wěn)定性的削弱或破壞；錨固區(qū)外離層：錨固區(qū)的完整性較好，但不能阻止外層巖體的漸進破壞，導(dǎo)致外層弱面離層。錨固區(qū)外離層的持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒。