煤巷锚杆支护技术的研究及应用设计专题

煤巷锚杆支护技术的研究及应用摘 要：随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所剩无几，因而需要有新的巷道支护理论与技术来指导巷道维护，确保煤炭的安全生产1。由于锚杆支护经济效益显著，劳动强度低，对破碎岩体的加固效果好，因而成为煤巷支护改革的发展方向，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一3。关键词：锚杆支护；支护理论；煤巷1 引言随着矿井产量和效率的不断提高，要求的巷道断面越来越大，成巷速度越来越快，传统的棚式支护越来越不能满足生产需要。近年来，煤巷锚杆支护技术发展极为迅速。与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度。更重要的是，锚杆支护大大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一16。从1996年开始，我国在引进、吸收、消化国外先进技术经验的基础上，结合我国煤矿具体情况，经过大规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套装备和技术。放顶煤工作面沿底板掘进的顶煤巷道锚杆支护技术、冲击地压及破碎顶板锚杆支护技术等重点项目的顺利完成，成功地解决了困难回采巷道支护问题，显著扩大了锚杆支护的使用范围。例如，邢台矿区采用高强度锚杆支护系统和小孔径锚索支护技术，有效地控制了顶煤巷道和复合顶板巷道围岩的强烈变形，保持了巷道的稳定性，取得了显著的技术经济效益；兖州矿区采用高强度锚杆支护系统成功地解决了顶煤巷道支护难题，不仅支护效果好，技术经济效益显著，而且解决了以前采用棚式支架出现的煤层自燃等问题；新汶矿区冲击地压和破碎顶板条件下的巷道维护十分困难，采用高强度锚杆支护后，巷道围岩的强烈变形得到有效控制，稳定性得到可靠保证，而且显著降低了巷道支护和维修费用。1998年以来，煤巷锚杆支护技术又有了新的发展。例如，潞安常村煤矿采用新型的小孔径树脂注浆联合锚固预应力锚索和高强度锚杆组合支护系统，成功地支护加固了多条大断面、围岩松软破碎、受地质构造和小煤柱影响的困难巷道，在没有影响矿井正常生产的条件下，保证了巷道安全状况，同时节约了大量支护费用；西山矿区在原有锚杆支护技术的基础上，又与科研院所合作进行了全面、系统的开发研究，形成了西山矿区煤巷锚杆支护成套技术，解决了复合顶板巷道、近距离煤层巷道等多个支护难题，每年节约上千万元的支护费用；阳泉矿区集中精力进行了综采放顶煤回采巷道锚杆支护技术攻关，不仅圆满解决了顶煤巷道支护难题，而且取消或简化了工作面超前支护和端头支护，显著提高了采煤工作面的推进速度；兖州矿区采用高强度锚杆与锚索成功地支护了综采放顶煤沿空掘巷支护难题，进一步扩大了锚杆支护技术的使用范围。锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向17。2 国内外煤巷锚杆支护研究现状2.1国外锚杆支护研究现状自从19世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆支护方法逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域，此后锚杆支护技术得以改进和提高，锚杆支护理论也不断得到完善和发展。1912年，德国谢列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道的围岩控制。20世纪40年代以后，锚杆支护技术发展迅速，现已成为世界主要产煤国家煤矿的主要支护形式。美国、澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道全部采用锚杆支护，处于世界领先水平。欧洲一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷道维护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护。英国是锚杆支护发展最快的国家之一，在20世纪八十年代以前，英国煤矿90%以上都采用金属支架支护，由于回采工作面单产及效率低下，支护成本过高，造成严重亏损。1987年英国从澳大利亚引进了锚杆支护技术以后，煤巷锚杆支护得到了迅猛发展，1994年在巷道支护中的比重已达到80%以上。澳大利亚是世界主要产煤国之一，煤炭储量极为丰富，位居美国、中国之后排世界第三位。其中使用最多的是树脂锚杆，占锚杆使用量的98%。澳大利亚主要推广全长树脂锚杆，其锚杆强度较高，并且锚杆参数设计方法有独到之处，将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各部分作为一个系统工程进行考察，使他们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护设计的系统设计方法15。总结国外的锚杆发展经验，主要有以下几个特点：1）发展适合本国巷道围岩地质及生产条件的锚杆类型。美国主要以树脂锚杆、机械及摩擦式锚杆作为主要的适用类型。澳大利亚及英国则以全长树脂锚杆作为主要发展方向，德国除了发展树脂锚杆外，还大力发展可伸长锚杆。俄罗斯则是多种类型兼用。2）国外锚杆日益朝着高强度及超高强度的方向发展。其主要有两种发展途径：一是研制强度较高和具有较好延伸率的锚杆材料。二是继续加大锚杆直径。3）继续完善锚杆施工配套机具也是促进各国锚杆技术发展的重要原因。掘锚一体机的发展为巷道掘进和锚杆施工创造了极为有利的条件。4）建立一套适合自身条件的锚杆支护设计方法。目前，新奥法、收敛约束法在国际上较为流行，澳大利亚、英国等国家在充分考虑水平地应力作用的条件下，采用了“地质力学评估-计算机数值模拟进行初始设计-现场施工、监测-信息反馈、修改完善设计”的设计方法。5）完善锚杆支护监测系统。锚杆支护是一种隐蔽性很强的工具，只有完善锚杆支护监测系统才能保证锚杆支护巷道的安全可靠性。2.2国内锚杆支护研究现状我国的锚杆支护技术研究开始于1956年，至今已有50多年的历史。60年代锚杆支护开始进入采区，由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论及支护工具不够完善，因而发展较慢。1995年国有重点煤矿当年新掘进巷道中锚杆支护所占比重为28.19%，其中岩巷占57.2%，半煤巷中占30.07%，煤巷中占15.15%。我国的煤巷锚杆支护在发展工程中取得了以下宝贵的经验及成果：1）锚杆研制方面积累了丰富的经验。能采用多种材料制作各种形式的适用于不同条件的锚杆。目前能够生产出木锚杆、竹锚杆等，为扩大锚杆的应用范围提供了必要的基础。2）研究出了适用于不同围岩条件的锚固方式，如端头锚固、全长锚固等。3）能够根据不同的巷道类型采用不同的锚杆支护形式。当围岩稳定性类别为、类时，可用单锚。、类时采用组合锚杆，包括锚网梁组合支护和桁架锚杆组合支护等。类巷道可采用联合支护，也可试验高强、超高强锚杆支护系统。4）锚杆施工机具不断改进。机械化施工是提高锚杆支护效果和普及应用程度的重要因素之一，是提高施工速度、保证工程质量、减轻劳动强度以及改善劳动条件等有效途径，因此，锚杆机具的改进一直受到重视，高新科技不断得到应用。5）锚杆监测技术得到了完善，顶板离层指示仪能够测定锚杆锚固范围以及离层情况，锚杆拉力计、托盘式压力盒、传感器以及空芯锚杆等可对锚杆锚固力及轴向力进行测量，为巷道锚杆支护设计提供了直接的依据。2.3我国煤巷锚杆支护技术的发展过程锚杆支护是我国煤巷支护技术改革的发展方向。实际应用表明，与传统的支护方式相比，锚杆支护在改善支护效果、降低支护成本、加快成巷速度、减轻劳动强度、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维护工艺等方面的优越性十分突出，是煤矿发展高产高效生产必不可少的配套技术13。我国煤巷锚杆支护技术发展大体上经历了四个阶段：（1）80年代中后期的起步阶段；（2）19911995年的攻关阶段；（3）19961997年的引进和消化阶段；（4）1998年至今的推广和提高阶段。第一阶段，主要进行一些基础性的研究和试验，煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区，如徐州、新汶、淮南、西山等。第二阶段，煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关，取得了一大批科研成果，锚杆支护应用范围明显扩大。第三阶段，引进国外技术，推动我国煤巷锚杆支护技术的发展和提高。在引进、吸收和消化的基础上，结合我国具体情况，集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势，经过两年大规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术。第四阶段，国内各大矿区广泛推广应用，取得了显著的技术经济效益。煤巷锚杆支护的比例已达到20%以上，少数矿区已超过50%，全国每年约有260 km 的煤巷采用锚杆支护。2.4我国煤巷锚杆支护技术的基本特点煤巷锚杆作为一项技术上先进、经济上合理的巷道支护技术，近几年来在我国煤矿中得到广泛应用，并取得了极其显著的技术经济效益。据不完全统计，1995年国有重点煤矿当年新掘煤巷中锚杆支护比重仅为15.15%，而且主要使用在围岩条件比较简单的、类回采巷道，到1998年煤巷锚杆支护比重达到20%以上，而且逐渐推广应用到围岩条件复杂的、类巷道，有些矿区已经在破碎围岩、全煤巷道以及深部沿空巷道等，复杂条件下的类巷道中，试验成功了锚杆支护技术14。煤巷锚杆支护属于“主动”支护方式，有利于加固和提高围岩强度，保持巷道围岩的长期稳定。与棚式支架相比，锚杆支护可以节约大量钢材，降低支护成本；减少了由于支护材料运输和装卸支架的大量工作量，特别是减少了工作面上下出口处支架更替和超前维护工序，减轻了工人劳动强度，改善了作业环境，为回采工作面快速安全推进和实现高产高效创造了有利条件12。纵观我国煤巷锚杆支护技术的发展现状，具有以下显著特点。1）先进科学的锚杆支护设计方法在借鉴国外经验的基础上，结合我国的具体情况，以地应力现场实测值为基础，总结研究出“地质力学评估初始设计现场监测信息反馈修改设计”的动态设计方法，开发了一套集地质力学参数处理、有限差分数值模拟分析、利用现场监测信息修改初始设计于一体的煤巷锚杆支护计算机辅助设计软件，使锚杆参数设计科学合理，工程技术人员操作方便。2）高强度组合式锚杆支护体系表2.1 高强锚杆实测力学性能指标锚杆类别直 径屈服载荷极限载荷延伸率（mm）（kN）（kN）（%）高 强1892.2137.020.720114.0171.021.322141.0215.823.3超 高 强18175.0206.017.020206.0257.017.022254.0314.017.7煤巷锚杆支护与传统的岩巷锚喷支护体系有着本质的不同，近几年来之所以煤巷锚杆支护技术取得成功，就是因为对传统的岩巷锚喷支护技术进行了彻底的改革。煤巷锚杆支护技术的主要特点是全长锚固的大杆径、高强度组合式锚杆支护体系。高强度锚杆杆体系列见表2.1。由表2.1可见，超高强度的直径22 mm锚杆杆体的破断强度可达314 kN。使用高强度螺纹钢锚杆杆体，配合不同凝胶时间的系列化树脂锚固剂（表2.2），可以实现锚杆杆体的全长锚固或加强锚固，使锚杆的锚固强度达到或超过锚杆杆体的极限强度，提高对巷道围岩的加固效果。表2.2 常用树脂锚固剂技术特征树脂型号特 性凝胶时间（min）搅拌时间（s）CK超 快0.51.01015K快 速1.02.51520Z中 速362530M慢 速153030煤巷锚杆支护技术的另一特点是采用锚梁、锚网、锚背网、锚梁网等组合形式，把单一的锚杆组合成整体结构，形成空间力系，对围岩起到有效的整体加固作用。3）基本配套的锚杆支护机具随着煤巷锚杆支护技术的不断发展，与之相配套的锚杆钻孔、安装机具也得到了改进和完善。目前通用的单体锚杆钻机有风动钻机、液压钻机和电动钻机，在不同条件下可以选择不同类型的锚杆钻机。从澳大利亚进口的风动锚杆钻机结构先进、系统效率高、输出功率大，材质好、重量轻、寿命长，能满足煤矿生产的使用要求，但其价格昂贵，服务和配件供应跟不上而逐渐在市场上失去优势。目前在国内市场上销量大、使用效果好的有石家庄煤矿机械厂生产的MFC型风动锚杆钻机和煤科总院上海分院研制成功的MFT-3000型风动锚杆钻机，其主要技术参数如表2.3所示。表2.3 MFT-3000型风动锚杆钻机技术参数型 号输出功率额定转速最大转矩额定转矩转机重量转机高度（kW）（r/min）（Nm）（Nm）（kg）（mm）MFT-3002423501506037110032004）可靠实用的安全监测手段锚杆支护属于隐蔽性工程，设计不合理或者施工质量不合要求，常常会造成顶板离层冒落，而且顶板冒落之前征兆不明显，具有突发性，因此危害性十分严重。为了确保锚杆支护巷道围岩的长期稳定，以及进一步分析研究锚杆对顶板岩层的有效控制作用，需要及时地对锚杆受力状况与顶板动态进行监测。在煤巷锚杆支护技术发展过程中，也相应地开发研究了可靠实用的安全监测手段。按照不同用途可分为3类：第一类是用于监测锚杆性能及安设质量的锚杆拉力计；第二类是用于测量锚杆受力状态的锚杆测力计；第三类是用于测量围岩位移及离层状况的顶板离层指示仪和多点位移计。在煤巷锚杆支护中采用这些安全监测手段，对锚杆安装施工质量及巷道围岩动态进行监测，及时掌握巷道顶板下沉及离层状况，发现异常及时采取处理措施，确保了锚杆支护效果及安全可靠性。5）煤巷锚杆支护技术的改进途径（1）提高锚杆初锚力是改善锚杆支护效果的重要途径。据有关资料介绍，国外煤巷锚杆初锚力高达100 kN以上（为锚杆极限载荷的50%以上），而我国煤巷锚杆螺母多为人工操作，一般初锚力为30 kN以下（为锚杆极限载荷的20%左右）。由于初锚力过小，对围岩的加固效果降低，不利于巷道围岩的长期稳定。（2）采用小孔径锚索是加强锚固效果的有效措施。在顶板岩层比较破碎的条件下，必须采用小孔径锚索技术，对顶板岩层进行有效加固，保持顶板岩层的长期稳定。我国研制成功的小孔径树脂锚固的锚索技术已经在很多矿区得到广泛采用，对破碎顶板加固效果显著。（3）加强巷道煤帮支护是维持巷道围岩稳定的重要环节。煤巷两帮煤体一般比较松散破碎，如果两帮支护不力，常引起两帮煤体松动片落，使悬顶面积扩大，最终导致顶板的破坏甚至冒落。因此，必须采取强有力的措施加强对巷道煤帮的支护，采用强力锚杆，配合网、梁形成有机的整体支护是非常有效的护帮措施。在采煤机切割的一侧煤帮最好采用可切割的锚杆（如玻璃钢锚杆），但锚杆的极限锚固力必须达到50 kN以上。（4）开发推广高强锚杆是改善煤巷锚杆支护效果的有效方法。一般地螺纹钢锚杆加工时采用先车后滚丝的工艺，螺纹处的杆体强度损失20%左右。使用这类锚杆支护顶板，当巷道顶板受动压或冲击地压影响时，往往在螺纹部位突然断裂而使锚杆体失效。因此，应采取措施提高螺纹部位的强度，使锚杆在整体上具有等强性，就可以充分发挥锚杆的整体支护作用，提高锚杆对顶板的支护效果。（5）加强顶板动态检测监控是确保煤巷锚杆支护安全，改善锚杆支护效果的重要手段。根据国外经验要制定相应的检测监控规范，对锚杆支护状态下的巷道顶板进行有效监控，及时提供巷道围岩变形数据，一方面可以分析围岩动态，发现异常及时采取加强支护措施；另一方面应及时反馈信息，修改初始设计参数，使巷道锚杆支护参数选择更加科学合理。3 煤巷锚杆支护技术3.1锚杆支护理论锚杆支护与传统的支护形式有着本质的区别，它是一种积极主动的支护式。其实质是把支护与围岩看作一个整体，利用围岩自身的相互作用能力承受上部压力，为支护提供及时的支护抗力，使围岩由双向应力状态转化为三向应力状态。锚杆支护提高并加固了围岩的强度，使围岩的应力圆直径减少，使围岩的稳定性和自承能力提高。锚杆支护通过有限制的变形、位移和一定范围的塑性区，调整围岩应力分布和支护抗力的大小，从而达到支护的技术经济合理化。而传统支护形式则是用承载结构支承地层压力，是一种消极的、被动的支护形式，围岩的位移小而支护材料承受的压力大。这就要求所用的支护材料强度高，当承载压力过大时易造成支护的破损而失去支护作用。完善的锚杆支护理论是正确设计锚杆支护参数的基础，随着煤巷锚杆支护技术在我国的应用，近年来，锚杆支护理论研究有了进一步的发展，基于高预应力锚杆的应用，本文提出了基于高水平地应力的“刚性”梁理论及基于高垂直地应力的“刚性”墙理论。3.1.1现有锚杆支护理论1）悬吊理论悬吊理论对锚杆支护机理作出了最朴素的解释：锚杆的作用在于将下位松软岩层或破碎岩层悬吊于上位坚硬岩层。对于在巷道顶板一定范围内存在坚硬岩层时，采用悬吊理论进行锚杆支护设计是完全可行的，也是最简单、最经济的方法9。2）组合梁理论组合梁理论是从经典的材料力学中借用而来的。在美国七十年代无拉力全长胶结锚杆盛行时，组合梁理论被广泛用来解释锚杆的支护机理，其主要要点是：锚杆将各个薄的岩石分层贯穿在一起形成一个厚的组合梁，薄的岩石分层能独立抗拒的拉应力较小，而厚的组合梁抗拉强度大大提高9。在锚杆与岩石层面横交处，锚杆与胶结物一起共同阻止岩层沿层理面的水平错动。材料力学中的组合梁理论本身不考虑水平侧压的影响，而只考虑垂直载荷。3）组合拱理论组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，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，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应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（亦称组合拱或压缩拱），这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷9。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理，在岩石或煤层拱形巷道中可以作为锚杆支护参数的设计依据。4）围岩松动圈支护理论围岩松动圈理论认为：（1）地应力与围岩相互作用会产生围岩松动圈；（2）松动圈形成过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象，松动圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难。（3）依据松动圈的大小采用不同的原理设计锚杆支护。小松动圈（040 cm）采用喷射混凝土支护即可；中松动圈（40150 cm）采用悬吊理论设计锚杆支护；大松动圈（150 cm）采用组合拱原理设计锚杆支护参数。巷道支护围岩松动圈分类见表3.1。由于围岩松动圈是随着时间、巷道支护形式及支护强度的变化而变化，并且在同一断面上由于岩性的差异，围岩松动圈的大小也是不一样的。所以，在复杂条件下围岩松动圈理论（如煤巷、软岩巷道）并没有得到应用。松动圈支护理论对于锚杆支护的指导作用主要在于确定普通锚杆（如普通圆钢锚杆、水泥药卷锚杆等等）的适用条件和范围4。表3.1 巷道支护围岩松动圈分类表围岩类别分类名称围岩松动圈Lp（cm）支护机理及方式备注小松动圈稳定围岩040喷混凝土支护围岩整体性好，不易风化的可不支护中松动圈较稳定围岩40100锚杆悬吊理论喷层局部支护-一般围岩100150锚杆悬吊理论喷层局部支护刚性支护有局部破坏大松动圈一般不稳定围岩（软岩）150200锚杆组合拱理论喷层金属网局部支护刚性支护大面积破坏，采用可缩性支护不稳定围岩（较软围岩）200300锚杆组合拱理论喷层金属网局部支护围岩变形有稳定期极不稳定围岩（极软围岩）300待定围岩变形一般在支护下无稳定期5）最大水平地应力理论自从八十年代以来，水平应力对巷道稳定性的影响已经引起了人们的普遍关注。澳大利亚W.Gale博士，通过数值模拟分析及现场观测，得到了水平应力对巷道稳定性的最基本的认识：巷道轴向与最大主应力方向平行时，巷道受水平应力的影响最小；二者垂直时，巷道受水平应力的影响最大；二者呈一定夹角时，巷道其中一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低，因而顶底板的变形会偏向巷道的某一侧2。并提出在最大水平地应力的作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具有强度大、刚度大、抗剪切阻力大的特点才能起到约束围岩变形的作用。所以，澳大利亚锚杆支护特别强调锚杆高强及全长胶结。3.1.2锚杆支护新理论根据垂直地应力与水平地应力的关系，可以将地层的应力状态分为四种情况：即 高水平应力状态： 低水平应力状态： 正常水平应力状态： 静水应力状态：相同的岩体，在不同的应力状态及开挖环境下所表现出的力学响应是不相同的，所以，锚杆支护参数的设计必须根据不同的地应力特征而选择不同的锚杆支护理论。1）基于高水平地应力状态的“刚性”梁理论近几十年来，美国、澳大利亚、英国等国家的地应力观测结果表明：水平最大应力通常是垂直应力的1.252.5倍，水平应力的大小、方向主要取决于地球板块之间的运动，而与垂直应力没有直接关系。我国一些矿区的地应力测试结果表明，大部分矿区的地应力是以水平地应力为主的，如金川，大同、邢台、峰峰、鹤壁、新汶、兖州等等。所以，在这种情况下水平地应力才是控制巷道稳定性的主要因素，煤巷锚杆支护的理论与设计方法必须充分考虑水平地应力的影响。在美国，由于使用无拉力全长胶结锚杆的巷道冒顶现象仍然不断发生，于是人们试图从改变锚杆结构入手解决巷道冒顶问题，其中最重要的一点就是使用抗摩擦塑料垫圈。这一改进使得实现顶板锚杆高预拉力成为可能，美国矿山巷道锚杆的预应力一般为10 kN左右，可以达到锚杆杆体本身屈服强度的50%75%。实践证明，在美国，高预拉力锚杆的使用提高了复杂顶板条件下的顶板稳定性，大大降低了冒顶事故。尽管高预拉力锚杆在美国使用已有相当一段历史并取得极佳的技术经济效果，但直至几年前人们对其作用机理还缺乏认识，特别是还没有一个科学的设计依据去确定锚杆参数。美国J.Stankus和SongGuo系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，但可以通过提高巷道顶板锚杆预应力，将水平地应力的消极影响变为积极的作用，从而极大地提高巷道的稳定性，并开始在锚杆支护设计中考虑锚杆预应力的影响。中国学者朱浮声、郑雨天的研究表明：当锚杆预应力达到6070 kN时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，并可以加大锚杆的间排距。基于大量采用高预拉力锚杆的成功实践经验，作者提出了关于基于高水平地应力的锚杆“刚性”梁支护理论。2）基于垂直地应力的锚杆支护理论“刚性”墙理论长期以来，人们普遍认为水平地应力一般小于垂直地应力，并把垂直地应力作为控制巷道围岩稳定性的主要因素。事实上，我国一些矿区或者同一矿区的不同深度的地层应力是以垂直地应力为主的，如新汶矿务局的华丰煤矿。基于对高预拉力锚杆作用的认识，作者提出了基于垂直地应力的锚杆支护理论“刚性”墙理论，其基本内容如下：（1）在垂直地应力的作用下，巷道两帮成为薄弱环节，所以两帮锚杆预拉力（或称初撑力）的大小对整个巷道的稳定性具有至关重要的作用。当预拉力大到一定程度时，使巷道两帮形成“刚性”墙，提高了巷道两帮的刚度与承载能力，“刚性”墙的存在形成了垂直地应力的转移“通道”，使巷道顶板成为一个免压区，保护巷道顶板不受垂直压力的破坏，如图3.1。图3.1 垂直地应力在巷道两帮形成的应力“通道”（2）在垂直应力占主导地位的情况下，与高水平地应力的情况下“先控顶，后护帮”的支护理念相比，当垂直地应力成为控制巷道稳定性的关键因素时，巷道的支护原则是“先护帮，后控顶”。（3）“刚性”墙的存在，降低了巷道顶板的有效跨度，从而提高了巷道顶板的承载能力，减少了巷道顶板离层冒顶的可能性。3）基于低水平地应力的“冒落”拱或组合拱理论由于高地应力引起的严重工程问题已引起地下采矿工作者的重视，高地应力问题及其对地下工程稳定性的影响已有深入的研究，但由此对地应力的评价也会引起一些误解，认为地应力越低越好，而实际上，巷道围岩受压破坏仅是岩石的一种破坏形式，沿结构面的剪切滑移及张拉破坏也是其重要的破坏形式。在低水平地应力状态下，松散结构或碎裂结构岩体在巷道开挖过程中就容易引起冒顶，所以，在这种情况下，采用锚杆支护往往在施工过程中就非常困难，此时需要采用“冒落”拱理论或组合拱理论进行锚杆支护参数设计，可参阅有关文献。即使可以采用锚杆支护，在煤巷支护中亦应该采用小断面，以利于组合拱的形成。3.2锚杆支护作用机理锚杆支护作用机理研究的目的是弄清锚杆（锚索）与围岩之间的相互作用关系，为锚杆支护设计提供理论基础。传统的悬吊、组合梁、加固拱等锚杆支护理论在生产实践中起到积极的作用，但具有一定的局限性。本文在井下实测、数值计算等研究成果的基础上，深入研究了锚杆支护作用机理，有以下认识11：1）锚杆可不同程度地提高锚固区煤岩体强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学参数。但对于中等强度以上岩石，锚杆对岩石破坏前的强度和变形影响不大；对于强度较低的煤体，锚杆在煤体破坏前对其强度有比较明显的影响。锚杆的主要作用是改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性质，显著提高其屈服后的强度，改变屈服后煤岩变形特性。2）锚杆对节理、层理、裂隙等不连续面的本质作用在于：通过锚杆提供的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面产生离层与滑动。通过提高结构面的强度，提高节理煤岩体的整体强度、完整性与稳定性。3）通过锚杆给围岩施加一定的压应力，可以改善围岩应力状态。对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力。4）锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，避免围岩有害变形的出现，提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。为此，应采用高强度、高刚度锚杆组合支护系统。高强度要求锚杆具有较大的破断力，高刚度要求锚杆具有较大的预紧力并实施加长或全长锚固，组合支护要求采用钢带、金属网等护表构件。应尽量一次支护有效控制围岩变形，避免二次支护和巷道维修。5）钢带可扩大锚杆作用范围，使载荷趋于均匀，共同形成组合支护系统，提高整体支护能力。对巷道表面提供支护，改善顶板应力状态，减少岩层弯曲引起的拉伸破坏。6）锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键承载层相连，充分调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载，提高支护系统的整体稳定性。3.3锚杆支护设计方法现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验和围岩分类的经验设计法，基于某种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而设计效果不够理想。在多年锚杆支护实践经验基础上，根据煤巷特点，借鉴国外先进技术经验，我国提出了锚杆支护设计的动态信息法6。3.3.1动态信息设计法简介动态信息设计法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法包括五部分：试验点调查和地质力学评估；初始设计；井下监测；信息反馈和修正初始设计；日常监测10。其中，试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容，在此基础上进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用数值计算和经验法相结合的方法进行，根据巷道生产条件、技术要求及实测数据确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井下，进行详细的围岩位移和锚杆受力监测。根据监测结果验证或修正初始设计。正常施工后还要进行日常监测，保证巷道安全。3.3.2试验点调查和地质力学评估试验点调查和地质力学评估是在现场进行巷道围岩地质力学测试基础上进行的，包括以下几方面：1）巷道围岩岩性和强度：煤层厚度、倾角、抗压强度、节理、裂隙分布情况；巷道顶底板岩层分布，岩层强度；2）地质构造和围岩结构：巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，对巷道的影响程度；围岩中不连续面的分布状况，如分层厚度和节理裂隙间距大小，不连续面的力学特性等；3）地应力：包括垂直和两个水平主应力，其中最大水平主应力的方向和划测锚杆支护设计尤为重要；4）环境影响：水文地质条件，涌水量，水对围岩强度的影响，瓦斯涌出量大小，岩石的风化性质等；5）粘结强度测试：采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度，该测试工作必须在井下施工之前进行完毕；测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷，分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行三组拉拔试验，粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。3.3.3初始设计如果原巷道断面不适合锚杆支护，必须重新设计。断面设计除考虑锚杆支护效果外，还应考虑运输设备尺寸、通风条件、巷道变形预留量等因素。锚杆支护初始设计采用数值计算方法。效果较好的软件有有限差分软件FLAC和离散单元法软件UDEC。设计步骤如下：根据巷道围岩条件建立合理的数值计算模型；分析巷道围岩变形和破坏的特征；分析锚杆支护各个参数对巷道围岩变形和破坏的影响，进行参数敏感性分析，包括锚杆长度、直径，锚杆间排距等；确定出技术和经济上最优的锚杆支护方案，即为初始设计。图3.2、图3.3、图3.4是潞安五阳煤矿一煤顶巷道锚杆支护数值计算结果。分析这些曲线就可得出合理的支护方案。锚杆支护初始设计采用数值计算方法，显著提高了设结果的全面性、合理性、可靠性和可视性。图3.2 锚杆根数与顶板下沉量的关系图3.3 锚杆直径与顶板下沉量的关系图3.4 锚杆排距与顶板下沉量的关系3.3.4井下监测初始设计实施于井下后，必须进行全面系统的监测，这也是动态信息法中的一项主要内容。监测的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。井下监测主要有以下几方面内容：1）围岩位移：包括巷道表面位移（包括顶底板相对移近量，顶板下沉量，底鼓量，两帮相对移近量，帮位移量等）和巷道顶板离层及深部位移（包括锚固区内离层值和锚固区外离层值，巷道围岩深部位移指围岩不同深度的位移值）；2）锚杆受力：对于全长锚固锚杆，测量沿锚杆方向上的受力分布；对于端锚锚杆，可在孔口测量锚杆的工作阻力。3.3.5信息反馈和修正初始设计根据井下监测信息验证和修改初始设计，使其趋于更加合理。例如，当锚固范围内的离层值大于设计值时，说明锚杆支护强度偏小，应加密或加粗锚杆；当锚固区外围岩离层值较大时，表明锚杆长度偏小，应适当增加锚杆长度或补打锚索。3.4锚杆支护监测技术矿压监测是锚杆支护成套技术的一项重要内容。锚杆支护实施于井下，应对围岩变形状况、锚杆（索）受力分布和大小进行全方位监测，以获得支护体和围岩的位移和应力信息，从而判断锚杆支护初始的合理性和可靠性、巷道围岩的稳定程度和安全性进而根据监测信息修改初始设计，使其逐步趋于合理。井下监测一般分为综合监测和日常监测，前者用于验证和修改初始设计，后者保证巷道的安全状况。近年来，针对煤巷锚杆支护特点开发子多种性能优越的测试仪器，有些仪器已广泛使用于井下巷道，获得了宝贵数据。锚杆支护综合监测内容如表3.2所列。表3.2 巷道综合监测内容序 号项 目内 容1巷道表面位移巷道顶底板、两帮相对移进量，顶板下沉量，底鼓量2顶板离层锚固区内外顶板岩层位移3锚杆受力全锚锚杆受力分布，端锚锚杆受力4锚索受力顶板锚索受力5巷道断面收缩率及破坏状况统计统计锚杆支护巷道断面收缩率及破坏状况3.4.1巷道表面位移巷道表面位移是最基本的监测内容。一般采用十字布点法安设表面位移监测断面，在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向安装测点；采用测枪、收敛计和测尺等工具测读顶底板移近量，两帮移近量，顶板下沉和帮位移量7。3.4.2顶板离层采用顶板离层指示仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值。我国多家单位开发研制了顶板离层指示仪。这种仪器的主要特点是结构简单，测读方便，显示直观。离层指示仪的结构和安装如图3.5所示，主要由基点锚头、测绳、套管、外测筒与内测筒组成。其主要技术特征是：测量方式，反光彩色显示与测尺读数；测量点数2个；最大量程200 mm；读值精度1 mm。井下安装时，深基点锚头应固定在稳定岩层内，浅基点固定在锚杆端部位置。当锚杆锚固范围内有离层时，顶板（套管）沿外侧筒向下移动，移动量由测筒标尺指示；当锚固范围外顶板离层时，外测筒与顶板相对位置不变，但沿内测筒向下滑动，表明顶板有离层，离层量由内测筒标尺指示；当锚杆锚固范围内、外都有离层时，内外测筒分别有离层显示，其示值之和为总离层值。图3.5 DY-3型顶板离层指示仪结构与安装1基点锚头；2测绳；3套筒；4外测筒；5内测箱；6顶板3.4.3锚杆（索）受力锚杆受力监测有两种形式，一种是测量端部锚固锚杆（索）工作阻力的锚杆测力计，如KS型锚杆测力计、M90A型锚杆测力计、YGS200300型锚杆测力计等。另一种是测量加长锚固、全长锚固锚杆受力分布的测力锚杆。我国科研院所和大专院校已经研制出数种测力锚杆，该仪器主要包括测力锚杆、静态电阻应变仪与转换开关。在井下使用时，它同普遍锚杆一样，安设在需要测量的普通锚杆的设计位置上（图3.6）。每次测量时，将测力锚杆与防爆静态电阻应变仪连接，读出不同位置应变片的应变值。锚杆支护正常施工后，还要进行日常监测，确保巷道的安全状态。顶板离层指示仪除作综合监测外，还用作日常监测。巷道每隔25 m30 m，安设一个顶板离层指示仪。在距掘进工作面30 m内，观测离层值。30 m以外，除非离层松动仍有明显增长的趋势，一般可停止测读具体数据，改为观察两个刻度坠的颜色。应随时注意观察离层仪，以便及早发现异常现象，确保安全。图3.6 CM200型测力锚杆安装和测量示意图1测力锚杆；2普通锚杆；3静态电阻应变仪；4多通道转换开关；5安装搅拌接头3.5特种锚杆与锚索支护技术对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室，它们共同的特点是围岩自稳时间短、变形强烈，仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的支护效果，而且支护和维修费用极高，影响矿井的正常生产。为此，开发研制了一系列对付这些困难工程的支护技术。3.5.1特种锚杆1）注浆锚杆锚杆与注浆都是地下巷道工程围岩加固的基本形式。如果利用锚杆兼作注浆管对巷道围岩进行注浆，一方面可加固巷道周边的破裂岩体，提高围岩的自承能力；另一方面，可改善破裂岩体的结构及其力学性能，为锚杆提供可锚的物质基础，最大限度地发挥锚杆的锚固作用5。所以，如何把锚杆支护与注浆加固有机地结合起来，取得巷道围岩加固的最佳效果，一直是人们所努力的目标。前苏联、德国等在20世纪80年代就采用空心圆管作为锚杆对围岩实施注浆，国内有些单位也开发了注浆锚杆。图3.7是一种内锚外注式锚杆。该锚杆分为三个部分，每段有一挡环隔开。（1）锚固段，可增大端头锚固力；（2）注浆段，布有出浆孔若干，作为注浆时出浆用；（3）封孔段，锚杆的注浆封孔采用橡胶圈（或软木塞、或快速凝结剂）配合喷射混凝土来实现。在支护初期，该锚杆为端锚（或近似全长锚固）锚杆，可作为普通锚杆使用。锚杆锚固以后，在锚杆端头套上楔形环状软木塞或橡胶圈，再上托盘，最后拧紧螺母，软木塞或橡胶圈在挡环和托盘的挤压下与钻孔孔壁压紧，起到封孔作用，最后喷射混凝土，增加封孔的效果及支护效果，使封孔问题变得非常简单。当巷道变形量达到一定数值时，即在巷道周边形成一定的松动破裂范围时，再对巷道围岩实施注浆，既能使巷道围岩得到充分卸压，又使注浆变得容易，达到最佳的支护效果。同时，安装锚杆与注浆分为两个工序进行，互不干扰，不影响巷道的掘进速度。图3.7 内锚外注式注浆锚杆1喷层；2螺母；3托板；4环状塞；5挡环；6杆体；7出浆孔；8锚固剂2）自钻注浆锚杆和接长锚杆在德国和英国等国家，开发了自钻注浆锚杆，它将钻孔、注浆和锚固三个功能集于一体。在井下使用时，第一步，该锚杆用作钻杆，锚杆杆体头部配一钻头，尾部用连接器与钻机连接；第二步，锚杆用作注浆管，钻机连接套由注浆连接套代替，锚杆就像传统的注浆管一样，将树脂、水泥浆等送人钻孔中，实施全长或加长锚固。德国生产的自钻注浆锚杆，杆体由高质量无缝钢管制成，左旋螺纹热轧于整个杆体，保证力的可靠传递。在施工的每个环节，都可方便、快速地将其他部件拧在杆体螺纹上，同时采用连接套，可将几根杆体连接在一起。自钻注浆锚杆的其他部件还有钻机连接套、注浆连接套、堵浆器、托盘、螺母和硬质合金钻头等。该种锚杆的应用范围为：在没有固结的岩石中，或在岩石异常破碎的断层泥中，打稳定的钻孔非常困难。在这种条件下，先钻孔后安装锚杆是不可能的。一旦钻杆抽出，钻孔就会塌落。采用这种锚杆，由于锚杆即为钻杆，所以没有必要先钻一稳定的钻孔。这种锚杆也非常适合软岩巷道底鼓的治理。接长锚杆采用连接套将两根或多根锚杆杆体连接在一体，以增大锚杆长度。常用锚杆的长度一般小于2.5 m。单根锚杆太长，加工、运输和井下施工都很不方便，在巷道断面比较小的情况下尤为突出。接长锚杆的关键部件是连接套，一方面要求它的强度应与杆体匹配，另一方面其直径不能太大，否则要求钻孔直径大，对锚杆锚固不利。接长锚杆在英国、德国和我国的一些矿区得到应用，在顶煤巷道、复合和破碎顶板巷道等围岩破坏范围较大的条件下，取得较好的支护效果。3.5.2小孔径树脂锚索锚索由索体、锚具和托板等组成。索体一般用具有一定弯曲柔性的钢绞线制成。其特点是锚固深度大、承载能力高、可施加较大的预紧力，因而可获得比较理想的支护效果，是目前最可靠、最有效的一种手段8。其加固范围、支护强度、可靠性是普通锚杆支护所无法比拟的。传统的注浆锚固锚索支护一般适合于煤矿井下大断面硐室和巷道的补强和加固。锚索钻孔和吨位一般较大，采用水泥注浆锚固。这种锚索的技术参数和施工工艺无法满足回采巷道的要求。针对这一情况，我国开发了适合在煤巷掘进期间按正规循环施工的新型小孔径树脂锚固预应力锚索加固技术。其最大特点是采用树脂药卷锚固，通过专用装置可以像安装普通树脂锚杆那样用锚索搅拌树脂药卷对锚索锚固端进行加长锚固，其安装孔径仅为28 mm，用普通单体锚杆机即可完成打孔、安装。与传统锚索相比，小孔径树脂锚索有以下特点：1）直接用锚索搅拌树脂药卷进行锚固，安装工序十分简单，而且采用小孔径，因而施工速度大幅度提高。2）采用单体锚杆钻机就可以施工，设备少，而且显著降低了工人的劳动强度。3）树脂锚固剂固化速度快，由水泥浆锚固时的3 d7 d降低到仅为10 min，因而锚索能及时、主动承载。小孔径锚索主要用在破碎、复合顶板回采巷道，放顶煤开采沿煤层底板掘进的煤顶巷道地应力回采巷道，以及大跨度开切眼和巷道交叉点。其主要技术参数为：钻孔直径28 mm；锚索直径15.24 mm；最大锚固力260 kN；预紧力120230 kN。4 煤巷锚杆支护技术的应用4.1煤巷锚杆支护技术在徐庄煤矿的应用徐庄煤矿是一个年设计能力90万t，实际生产能力120万t的大型矿井，主采7#煤层，煤厚5 m左右，采煤方法为综采放顶煤一次采全厚开采、高档普采等，综采面运输平巷宽4 m，高3 m，回风平巷宽3.5 m，高2.53 m，开切眼宽67 m，高2.8 m，均属大断面回采巷道。以往为架棚支护，这种方式维护巷道带来了很多问题，制约了徐庄矿实现高产高效集约化生产以及进一步降低生产成本。从80年代开始试验煤巷锚杆支护技术，陆续采用过倒楔式锚杆、钢丝绳锚杆、管缝式锚杆等。从1997年开始在采区准备巷道及工作面回采推广使用树脂锚杆支护技术，经过三年的不断摸索、总结，已形成了一套适合井下地质条件的锚网支护的参数设计。实践表明，煤巷锚杆支护具有控制巷道围岩变形效果好、机械化程度高、施工速度快、辅助运输量小、上下出口维护简单，安全可靠、经济合理的优点，由于新的锚杆支护及小孔径预应力锚索支护、锚杆支护施工机具等不断开发应用，使徐庄矿煤巷锚杆支护得到了迅速发展。徐庄煤矿7174工作面锚网支护的推广应用，为以后回采巷道锚杆支护提供了技术基础，现已基本形成一整套的锚杆支护体系。三年煤巷锚网支护巷道达18000 m，节约支护费用100万余元，同时也大大降低了巷道维护费用，经济和安全效益显著。4.1.1巷道支护设计与施工组织以7174工作面锚网支护的实施情况进行系统介绍与分析。1）地质概况7174工作面煤层结构简单，煤厚平均5.73 m，煤层倾角平均为19，埋深平均412.5 m，煤层坚固性系数=1.5；直接顶为砂质泥岩，局部为泥岩，平均厚度8.4 m，=34，裂隙发育；老顶为灰白色细砂岩，以石英为主，硅质胶结，裂隙发育，水平层理，=46。根据资料分析，工作面有5条正断层，走向均为北东向，落差在1.73.5 m。2）围岩分类与计算取值依据确定采用以下七个影响巷道围岩稳定性的参数：（1）围岩强度指标(顶板强度，煤层强度，底板强度)。根据煤岩试样物理力学性质测试结果整理出巷道围岩强度的指标，见表4.1。（2）直接顶初次垮落步距。根据工作面具体条件和生产技术条件来确定初次垮落步距：7174运巷初次垮落步距为15 m。（3）巷道埋深。7174运巷埋深为397.92437.16 m，取值412.54 m。（4）直接顶厚度与采高比。可以从地质柱状图中直接量取直接顶厚度。直接顶是直接位于煤层之上，强度小于6080 kN，一般随回采冒落的岩层。当N4时，取N=4，N值无量纲。7174运巷本次取值为N=3。（5）巷道煤柱宽度。护巷煤柱宽度是指顺槽一侧的实际煤柱宽度，单位为m。当巷道两侧为实煤体