錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討*

和樹(shù)棟

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)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(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討*

和樹(shù)棟1,2，3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)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(fù)雜的新礦床開(kāi)發(fā)，對(duì)地下礦山巷道的支護(hù)提出了更高的要求，對(duì)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(xiàng)技術(shù)，以煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)為例，介紹了錨桿支護(hù)技術(shù)原理、國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，分析了我國(guó)目前煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)存在的主要問(wèn)題，探討了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展途徑和對(duì)策。

錨桿支護(hù)機(jī)理 支護(hù)現(xiàn)狀 改進(jìn)方法

錨桿支護(hù)是一種安全、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式，是以錨桿為主體的支護(hù)結(jié)構(gòu)的總稱，包括錨桿、錨噴、錨噴網(wǎng)等支護(hù)形式，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的主動(dòng)支護(hù)。錨桿支護(hù)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(qiáng)度共同承載引起支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)，在各工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 錨桿支護(hù)機(jī)理及特點(diǎn)

錨桿支護(hù)的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①加固拱作用,對(duì)于被縱橫交錯(cuò)的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時(shí)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(dòng)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(jiān)固穩(wěn)定的巖體上，由錨桿來(lái)承擔(dān)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(zhǎng)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(bǔ)強(qiáng)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(fù)為三向受力狀態(tài)，增大了圍巖本身的強(qiáng)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(dāng)于在該處打了點(diǎn)柱，減小了頂板跨度，增強(qiáng)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(duì)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(kuò)大，對(duì)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(hù)方式相比較，錨桿錨固技術(shù)的特點(diǎn)是：節(jié)約坑木和鋼材、降低支架成本、掘進(jìn)斷面小、巷道變形??；維護(hù)費(fèi)用低、工作安全；錨桿輕便，可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；可以減小通風(fēng)阻力；有利于一次成巷施工和加快掘進(jìn)速度、使用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)[2]。但是錨桿不能預(yù)防圍巖風(fēng)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(hù)措施，如噴漿，噴射混凝土或金屬網(wǎng)等，使其適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷史及概況

2.1 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷史及概況

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

近年來(lái)國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展很快，特別是世界主要產(chǎn)煤國(guó)家。繼幾乎全部使用錨桿支護(hù)的美國(guó)、澳大利亞之后，英國(guó)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，錨桿支護(hù)在煤礦占了主導(dǎo)地位。印度、日本、南非等國(guó)都不同程度地引進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)。德國(guó)近年來(lái)也在積極探索錨桿支護(hù)的可行性。種種跡象表明，錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟，正引領(lǐng)著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

美國(guó)在錨桿作用機(jī)理方面傾向于懸吊理論和組合梁理論，英國(guó)、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(qiáng)度、地應(yīng)力等影響的差別。美國(guó)目前應(yīng)用有2種基本設(shè)計(jì)方法：經(jīng)驗(yàn)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(cè)圍巖礦壓顯現(xiàn)及掘進(jìn)和回采期間錨桿受力特征，加之計(jì)算機(jī)模擬可能遇到的應(yīng)力場(chǎng)等手段，以進(jìn)一步提高該方法的科學(xué)性、合理性[4]。澳大利亞把該設(shè)計(jì)方法的實(shí)施分為4個(gè)步驟：①地質(zhì)力學(xué)評(píng)估；②初始設(shè)計(jì)；③現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；④信息反饋和修改、完善設(shè)計(jì)。

2.2 國(guó)內(nèi)錨桿支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀分析

我國(guó)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始試用錨桿支護(hù)技術(shù)。在50—60年代，錨桿只起單純的懸吊作用，沒(méi)有發(fā)揮出與圍巖共同承載的作用。由于盲目擴(kuò)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(duì)后續(xù)錨桿支護(hù)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(kāi)始向國(guó)外學(xué)習(xí)錨桿支護(hù)技術(shù)并推廣到煤巷支護(hù)，支護(hù)技術(shù)得到了一定發(fā)展。90年代向澳大利亞學(xué)習(xí)，引進(jìn)成套先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù)，目前已得到較廣泛的推廣和應(yīng)用[5]。

目前我國(guó)各種頂板支護(hù)技術(shù)并存，其中大多數(shù)煤礦采用的仍是錨桿支護(hù)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(hù)比例達(dá)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(jì)效益。

目前，隨著支護(hù)理論的日臻完善、技術(shù)的日漸成熟，錨桿支護(hù)技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，支護(hù)效果也能達(dá)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(gè)方面。

(1)對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)亟待提高。懸吊、組合梁、加固拱等經(jīng)典理論均是針對(duì)一般巷道提出的，還沒(méi)有能針對(duì)煤巷的特定條件定性定量地建立符合其特點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，全煤及軟巖條件下巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)更是處在起步階段。因此，現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)絕大多數(shù)是經(jīng)驗(yàn)性的，設(shè)計(jì)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(qiáng)對(duì)整體錨固結(jié)構(gòu)的研究。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量不過(guò)關(guān)，錨桿機(jī)具不配套。我國(guó)煤礦井下使用的錨桿強(qiáng)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(hù)阻力。目前各式錨桿機(jī)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(jī)組等高性能設(shè)備的研制，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)平行作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

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

3 錨桿支護(hù)技術(shù)的改進(jìn)

錨桿支護(hù)技術(shù)已基本上解決了我國(guó)絕大多數(shù)煤礦巷道的支護(hù)問(wèn)題，在理論研究、施工實(shí)踐方面均取得了諸多成果。然而，不可否認(rèn)的在理論、設(shè)計(jì)施工及配套設(shè)備上仍存在一些問(wèn)題，亟待進(jìn)一步解決。

(1)支護(hù)機(jī)理的深入研究?，F(xiàn)行的錨桿支護(hù)的諸多理論與實(shí)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(hù)理論，科學(xué)、合理、安全、高效地選擇錨桿支護(hù)形式和參數(shù)，建立起適合我國(guó)國(guó)情的由地質(zhì)勘察—初步設(shè)計(jì)—現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)—優(yōu)化設(shè)計(jì)所組成的設(shè)計(jì)方法[7]。

(2)監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法的研究。新的巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)做到在不破壞圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的前提下，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖支護(hù)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(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為進(jìn)一步認(rèn)清錨桿作用機(jī)理創(chuàng)造條件，并建立起完善實(shí)用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)體系。

(3)支護(hù)材料的改善。目前我國(guó)使用的錨桿在其生產(chǎn)過(guò)程中缺少相應(yīng)的檢測(cè)、監(jiān)督，為此對(duì)以后錨桿的生產(chǎn)質(zhì)量一定要嚴(yán)格審核，還要進(jìn)一步改進(jìn)錨桿材料，研究具有強(qiáng)初撐力、急增阻的新式錨桿。研究開(kāi)發(fā)新的樹(shù)脂錨固劑以提高其強(qiáng)度和剛度，增加圍巖與錨桿的粘接強(qiáng)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(kāi)發(fā)掘進(jìn)、錨固新設(shè)備。影響快速掘進(jìn)的主要因素有掘進(jìn)機(jī)割煤速度、錨桿機(jī)打眼及安裝速度。掘進(jìn)工作面的開(kāi)機(jī)率較低，支護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素直接影響掘進(jìn)效率的提高。為此，要發(fā)展掘錨聯(lián)合機(jī)組，實(shí)現(xiàn)“掘進(jìn)、支護(hù)一體化”的目標(biāo)，一方面要借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展應(yīng)用大功率掘進(jìn)機(jī)，另一方面要改革創(chuàng)新，集中精力研發(fā)新型錨桿鉆機(jī)。

(5)支護(hù)形式多樣化。我國(guó)煤礦軟巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且煤礦開(kāi)采迅速向深部轉(zhuǎn)移，高應(yīng)力、強(qiáng)膨脹以及節(jié)理化復(fù)合巖體均已出現(xiàn)，對(duì)這類大變形巷道的支護(hù)形式有待進(jìn)一步研究，以求支護(hù)形式的多樣化，做到對(duì)癥下藥。對(duì)于不穩(wěn)定巷道，在常規(guī)支護(hù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采取一些補(bǔ)強(qiáng)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(diǎn)、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(bǔ)強(qiáng)措施會(huì)取得較好的支護(hù)效果[9]。

(6)加強(qiáng)綜合檢測(cè)。錨桿在井下安裝之后，要對(duì)巷道圍巖變形、錨固力進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，這也是對(duì)初始設(shè)計(jì)的合理性和可靠性的校正。當(dāng)前煤礦井下常見(jiàn)的支護(hù)監(jiān)測(cè)有：巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)(分為巷道表面位移觀測(cè)、頂板離層觀測(cè)、圍巖深部位移觀測(cè))、錨桿錨固力監(jiān)測(cè)(對(duì)錨桿的工作狀態(tài)和安裝質(zhì)量檢查)。

(7)加強(qiáng)施工管理與員工培訓(xùn)?，F(xiàn)行的煤礦井下支護(hù)設(shè)備中錨桿、錨固劑、錨桿鉆裝機(jī)具、監(jiān)測(cè)儀器儀表等，都需要技術(shù)素質(zhì)較高的人員來(lái)完成操作。而我國(guó)煤礦施工隊(duì)伍的現(xiàn)狀是：人員素質(zhì)參差不齊，監(jiān)督管理得不到實(shí)際落實(shí)，盲目追求效益、忽視操作規(guī)程等。由于錨桿支護(hù)的技術(shù)性、操作性較強(qiáng)，完成質(zhì)量需要有科學(xué)的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工、精確的監(jiān)測(cè)來(lái)保證。為此，重視和加強(qiáng)錨桿支護(hù)技術(shù)人員和施工工人的技術(shù)培訓(xùn)和崗位訓(xùn)練顯得尤為必要。

錨桿支護(hù)應(yīng)嚴(yán)格要求按要求施工、加強(qiáng)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(jiān)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(zé)任、設(shè)備維修、質(zhì)量驗(yàn)收、物品出入管理等，以實(shí)際行動(dòng)確保煤礦井下安全生產(chǎn)，維護(hù)好安全生產(chǎn)的大局[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)推廣應(yīng)用的深入，錨桿支護(hù)應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到受動(dòng)壓影響的回采巷道、破碎或復(fù)合頂板巷道、軟巖巷道及大斷面硐室和工作面開(kāi)切眼錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)施工方便、效率高，且施工成本低，支護(hù)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(huì)隨著其技術(shù)水平的提高而不斷地?cái)U(kuò)大和發(fā)展。此外，還應(yīng)進(jìn)一步研究完善我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)理論，充分發(fā)揮其科學(xué)性、實(shí)用性的特點(diǎn)充分發(fā)揮，更好的為煤礦乃至社會(huì)各行各業(yè)服務(wù)。

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*中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金(編號(hào)：2013ZD002)；中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自立科研開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)：2012ZDXM10)。

2014-11-25)

和樹(shù)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(hào)。