和樹棟

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司；

3.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司)

錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討*

和樹棟1,2，3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司；

3.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司)

隨著礦山生產(chǎn)采深加大，以及地質(zhì)條件復雜的新礦床開發(fā)，對地下礦山巷道的支護提出了更高的要求，對巖土錨固技術(shù)的新探索顯得極為迫切。為了更好地了解該項技術(shù)，以煤礦錨桿支護技術(shù)為例，介紹了錨桿支護技術(shù)原理、國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，分析了我國目前煤巷錨桿支護技術(shù)存在的主要問題，探討了錨桿支護技術(shù)的發(fā)展途徑和對策。

錨桿支護機理 支護現(xiàn)狀 改進方法

錨桿支護是一種安全、經(jīng)濟的支護方式，是以錨桿為主體的支護結(jié)構(gòu)的總稱，包括錨桿、錨噴、錨噴網(wǎng)等支護形式，是一種結(jié)構(gòu)簡單的主動支護。錨桿支護主要依賴錨固體與土之間的摩擦力，拉桿與錨固體的握裹力以及拉桿強度共同承載引起支護結(jié)構(gòu)變形、破壞的荷載，最終保持圍巖的穩(wěn)定、完整，使圍巖變形處于可控的安全范圍之內(nèi)，借助圍巖自身的支撐作用，把圍巖從荷載變?yōu)槌休d體。錨桿支護結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、適應(yīng)性強，在各工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 錨桿支護機理及特點

錨桿支護的作用機理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①加固拱作用,對于被縱橫交錯的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時用錨桿加固，就能在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成能防止其上部圍巖松動和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定;②懸吊作用,錨桿把將要冒落的軟弱巖層或危巖懸吊于上部堅固穩(wěn)定的巖體上，由錨桿來承擔危巖或軟弱巖層的重量;③組合梁作用,在層狀巖層的巷道頂板中錨入一系列的錨桿，將錨桿長度以內(nèi)的薄層巖石錨成巖石組合梁，提高其承載能力;④圍巖補強作用,巷道周圍安設(shè)錨桿后，靠近巷道周邊的巖石則由二向受力狀態(tài)恢復為三向受力狀態(tài)，增大了圍巖本身的強度，增加了巖石弱面的剪斷阻力，使圍巖不易破壞和失穩(wěn);⑤減小跨度作用,巷道頂板打了錨桿，相當于在該處打了點柱，減小了頂板跨度，增強了頂板巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞;⑥擠壓連結(jié)作用,錨桿對巖石施加預(yù)應(yīng)力，以平衡巖石內(nèi)所產(chǎn)生的張拉應(yīng)力，阻止裂隙的繼續(xù)擴大，對于松散巖石能起到擠壓連結(jié)的加固作用[1]。

與傳統(tǒng)支護方式相比較，錨桿錨固技術(shù)的特點是：節(jié)約坑木和鋼材、降低支架成本、掘進斷面小、巷道變形?。痪S護費用低、工作安全；錨桿輕便，可以減輕工人的勞動強度；可以減小通風阻力；有利于一次成巷施工和加快掘進速度、使用范圍廣，適應(yīng)性強[2]。但是錨桿不能預(yù)防圍巖風化，不能完全防止錨桿與錨桿之間裂隙巖石的剝落。因此，應(yīng)配合其他支護措施，如噴漿，噴射混凝土或金屬網(wǎng)等，使其適用范圍進一步擴大。

2 國內(nèi)外錨桿支護技術(shù)的發(fā)展歷史及概況

2.1 國外錨桿支護技術(shù)的發(fā)展歷史及概況

錨桿支護技術(shù)至今已有100多a的歷史，1872年英國露天礦首次應(yīng)用錨桿進行邊坡加固，1912年德國謝列茲礦最先在井下對巷道進行錨固。隨之錨固技術(shù)逐步地應(yīng)用到了各個工程領(lǐng)域，不僅僅限于一些產(chǎn)煤國家，也深入到了鐵路、公路、冶金、建筑等工程中[3]。

近年來國外錨桿支護技術(shù)發(fā)展很快，特別是世界主要產(chǎn)煤國家。繼幾乎全部使用錨桿支護的美國、澳大利亞之后，英國經(jīng)過幾年的發(fā)展，錨桿支護在煤礦占了主導地位。印度、日本、南非等國都不同程度地引進錨桿支護技術(shù)。德國近年來也在積極探索錨桿支護的可行性。種種跡象表明，錨桿支護技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，正引領(lǐng)著支護技術(shù)的發(fā)展。

美國在錨桿作用機理方面傾向于懸吊理論和組合梁理論，英國、澳大利亞更傾向于加固拱理論。兩者之所以不同，其原因在于巷道所處埋深、巖層強度、地應(yīng)力等影響的差別。美國目前應(yīng)用有2種基本設(shè)計方法：經(jīng)驗法和理論法?，F(xiàn)在多數(shù)采用2種方法的結(jié)合，并借助于監(jiān)測圍巖礦壓顯現(xiàn)及掘進和回采期間錨桿受力特征，加之計算機模擬可能遇到的應(yīng)力場等手段，以進一步提高該方法的科學性、合理性[4]。澳大利亞把該設(shè)計方法的實施分為4個步驟：①地質(zhì)力學評估；②初始設(shè)計；③現(xiàn)場監(jiān)測；④信息反饋和修改、完善設(shè)計。

2.2 國內(nèi)錨桿支護技術(shù)的現(xiàn)狀分析

我國于20世紀50年代開始試用錨桿支護技術(shù)。在50—60年代，錨桿只起單純的懸吊作用，沒有發(fā)揮出與圍巖共同承載的作用。由于盲目擴大此類錨桿的應(yīng)用范圍，致使部分井巷失修，應(yīng)用后存在有潛在的隱患，對后續(xù)錨桿支護技術(shù)的發(fā)展有一定的限制。到70年代前期仍處于探索階段，80年代開始向國外學習錨桿支護技術(shù)并推廣到煤巷支護，支護技術(shù)得到了一定發(fā)展。90年代向澳大利亞學習，引進成套先進的錨桿支護技術(shù)，目前已得到較廣泛的推廣和應(yīng)用[5]。

目前我國各種頂板支護技術(shù)并存，其中大多數(shù)煤礦采用的仍是錨桿支護技術(shù)。在一些礦區(qū)該技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，有些礦井巷道的錨桿支護比例達到90%以上。隨著該技術(shù)的日漸完善，多數(shù)礦井受益于此，均取得了較好的技術(shù)與經(jīng)濟效益。

目前，隨著支護理論的日臻完善、技術(shù)的日漸成熟，錨桿支護技術(shù)取得了長足發(fā)展，支護效果也能達到了安全生產(chǎn)的要求。但與采煤技術(shù)的發(fā)展仍然存有不小的差距，其主要原因有以下幾個方面。

(1)對錨桿支護機理的認識亟待提高。懸吊、組合梁、加固拱等經(jīng)典理論均是針對一般巷道提出的，還沒有能針對煤巷的特定條件定性定量地建立符合其特點的設(shè)計方法，全煤及軟巖條件下巷道圍巖支護設(shè)計更是處在起步階段。因此，現(xiàn)行的技術(shù)標準絕大多數(shù)是經(jīng)驗性的，設(shè)計和施工中存在盲目性。所以有必要研究巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的重要性，加強對整體錨固結(jié)構(gòu)的研究。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，錨桿機具不配套。我國煤礦井下使用的錨桿強度、延伸率均偏低，不能適應(yīng)巷道圍巖的變形，更談不上為巷道提供可靠的支護阻力。目前各式錨桿機具均有應(yīng)用，但性能、結(jié)構(gòu)均存在有瑕疵，產(chǎn)品質(zhì)量和整體性能都有待完善與提高。此外還需注重掘錨聯(lián)合機組等高性能設(shè)備的研制，爭取早日實現(xiàn)掘進、支護平行作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

(3)監(jiān)測儀器與技術(shù)有待提高。為做好錨桿支護的監(jiān)測工作，我國先后研制出了錨固力測定儀、超聲波圍巖裂縫探測儀等設(shè)備，但還未形成配套的綜合檢測技術(shù)。盡管監(jiān)測工作已有所開展，但施工和管理人員對監(jiān)測的認識不足，缺少正確的指導方法，其所起的反饋和指導作用難以發(fā)揮[6]。

3 錨桿支護技術(shù)的改進

錨桿支護技術(shù)已基本上解決了我國絕大多數(shù)煤礦巷道的支護問題，在理論研究、施工實踐方面均取得了諸多成果。然而，不可否認的在理論、設(shè)計施工及配套設(shè)備上仍存在一些問題，亟待進一步解決。

(1)支護機理的深入研究?，F(xiàn)行的錨桿支護的諸多理論與實際應(yīng)用的發(fā)展適應(yīng)性較差，所以要深入研究圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，探索、完善煤巷錨桿支護理論，科學、合理、安全、高效地選擇錨桿支護形式和參數(shù)，建立起適合我國國情的由地質(zhì)勘察—初步設(shè)計—現(xiàn)場實際監(jiān)測—優(yōu)化設(shè)計所組成的設(shè)計方法[7]。

(2)監(jiān)測技術(shù)及設(shè)計方法的研究。新的巷道支護監(jiān)測技術(shù)應(yīng)做到在不破壞圍巖及支護結(jié)構(gòu)的前提下，快速實現(xiàn)對圍巖支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、離層以及破壞狀態(tài)等信息的收集、分析，為優(yōu)化支護設(shè)計提供科學依據(jù)，為進一步認清錨桿作用機理創(chuàng)造條件，并建立起完善實用的錨桿支護設(shè)計體系。

(3)支護材料的改善。目前我國使用的錨桿在其生產(chǎn)過程中缺少相應(yīng)的檢測、監(jiān)督，為此對以后錨桿的生產(chǎn)質(zhì)量一定要嚴格審核，還要進一步改進錨桿材料，研究具有強初撐力、急增阻的新式錨桿。研究開發(fā)新的樹脂錨固劑以提高其強度和剛度，增加圍巖與錨桿的粘接強度，使錨桿能夠做到盡早預(yù)緊，滿足快速承載的要求[8]。

(4)研究開發(fā)掘進、錨固新設(shè)備。影響快速掘進的主要因素有掘進機割煤速度、錨桿機打眼及安裝速度。掘進工作面的開機率較低，支護時間過長等因素直接影響掘進效率的提高。為此，要發(fā)展掘錨聯(lián)合機組，實現(xiàn)“掘進、支護一體化”的目標，一方面要借鑒國外經(jīng)驗，大力發(fā)展應(yīng)用大功率掘進機，另一方面要改革創(chuàng)新，集中精力研發(fā)新型錨桿鉆機。

(5)支護形式多樣化。我國煤礦軟巖地質(zhì)條件復雜多變，且煤礦開采迅速向深部轉(zhuǎn)移，高應(yīng)力、強膨脹以及節(jié)理化復合巖體均已出現(xiàn)，對這類大變形巷道的支護形式有待進一步研究，以求支護形式的多樣化，做到對癥下藥。對于不穩(wěn)定巷道，在常規(guī)支護的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采取一些補強措施，如縮小間排距、加大打入巖層的深度、錨索配合加固等手段。在交岔點、硐室、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶等一些跨度較大的地帶，輔助以上補強措施會取得較好的支護效果[9]。

(6)加強綜合檢測。錨桿在井下安裝之后，要對巷道圍巖變形、錨固力進行綜合監(jiān)測，用實際數(shù)據(jù)對初始設(shè)計進行修正，這也是對初始設(shè)計的合理性和可靠性的校正。當前煤礦井下常見的支護監(jiān)測有：巷道圍巖變形監(jiān)測(分為巷道表面位移觀測、頂板離層觀測、圍巖深部位移觀測)、錨桿錨固力監(jiān)測(對錨桿的工作狀態(tài)和安裝質(zhì)量檢查)。

(7)加強施工管理與員工培訓?，F(xiàn)行的煤礦井下支護設(shè)備中錨桿、錨固劑、錨桿鉆裝機具、監(jiān)測儀器儀表等，都需要技術(shù)素質(zhì)較高的人員來完成操作。而我國煤礦施工隊伍的現(xiàn)狀是：人員素質(zhì)參差不齊，監(jiān)督管理得不到實際落實，盲目追求效益、忽視操作規(guī)程等。由于錨桿支護的技術(shù)性、操作性較強，完成質(zhì)量需要有科學的設(shè)計、嚴格的施工、精確的監(jiān)測來保證。為此，重視和加強錨桿支護技術(shù)人員和施工工人的技術(shù)培訓和崗位訓練顯得尤為必要。

錨桿支護應(yīng)嚴格要求按要求施工、加強工程質(zhì)量監(jiān)督。施工組織采用“主要工種和輔助工種混搭，協(xié)同作業(yè)的形式”；在技術(shù)操作方面，要始終堅持遵守操作規(guī)程，切忌疏忽大意，杜絕一切違章作業(yè)；在施工管理方面，必須做到一次成巷，不留尾巷。建立健全各種規(guī)章制度，包括崗位責任、設(shè)備維修、質(zhì)量驗收、物品出入管理等，以實際行動確保煤礦井下安全生產(chǎn)，維護好安全生產(chǎn)的大局[10]。

4 結(jié) 語

隨著我國煤礦錨桿支護推廣應(yīng)用的深入，錨桿支護應(yīng)用范圍已擴展到受動壓影響的回采巷道、破碎或復合頂板巷道、軟巖巷道及大斷面硐室和工作面開切眼錨桿支護。錨桿支護施工方便、效率高，且施工成本低，支護效果好，且技術(shù)還有許多提升的空間，在巖土工程中的應(yīng)用范圍和地位也會隨著其技術(shù)水平的提高而不斷地擴大和發(fā)展。此外，還應(yīng)進一步研究完善我國煤巷錨桿支護理論，充分發(fā)揮其科學性、實用性的特點充分發(fā)揮，更好的為煤礦乃至社會各行各業(yè)服務(wù)。

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[10] 張 茂.錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析[J].太原科技,2005(3):60-61.

*中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金(編號：2013ZD002)；中煤科工集團重慶研究院有限公司自立科研開發(fā)項目(編號：2012ZDXM10)。

2014-11-25)

和樹棟(1989—)，男，助理工程師，碩士，400037 重慶市沙坪壩區(qū)上橋三村55號。