锚杆支护技术
锚杆支护技术
一、锚杆支护技术现状和展望
锚杆支护技术是煤矿支护技术改革的发展方向, 是煤矿继推广综合机械化采煤技术又一重大推广技术。

中国在上世纪80年代开始研究应用锚杆支护技术以来, 不论在理论上, 还是在实践应有中已取得了长足的进展, 促进了中国煤炭工业的发展。

锚杆支护是由锚固在巷道四周钻孔内的一系列杆件 ( 木质件、金属件、钢筋混凝土件和聚合物件等) 系统组成的。

这些杆件配以支撑件和背板( 也能够不用) , 靠它们的锚固力和向岩体稳定部分的悬吊作用, 防止破碎岩石冒落。

用预拉紧方法安装的锚杆, 提高了岩石分层之间的摩擦阻力, 同时将两支撑点间的岩层夹紧, 以岩梁和岩拱的形式构成承载结构。

尽管加固的岩梁比未加固的岩梁呈现出明显的稳定性, 可是仍不能准确量测出影响加固岩层稳定性单个分层缝合效果的量值。

现代锚杆支护理论认为, 岩层分层之间的摩擦作用具有重要意义, 主要有以下几个方面。

①巷道上方的松软岩层被锚杆固结到其上部坚固的岩层上, 松软有裂隙岩层的几个分层, 彼此之间被锚杆夹紧形成梁和拱形式的承载结构。

②松软不稳定的岩石分层, 彼此之间夹紧并被锚杆固结在上部坚固岩层上。

③在掘进巷道时, 被破坏的有裂缝的岩石分层被锚杆夹紧并被悬挂在自然平衡拱上。

④不稳定的有裂缝的岩层被锚杆的联接部件托住并被悬挂于自然平衡拱的拱脚。

⑤不稳定的岩石分层被锚杆夹紧并悬吊于自然平衡拱的拱脚。

在采矿实践中, 锚杆支架分单体锚杆支架和组合锚杆支架两种。

单体锚杆支架指安设在巷道中的锚杆, 彼此之间没有力学科系。

组合锚杆支架包括钢梁、钢带、角钢、槽钢等承托顶板元件, 把两个或几个锚杆联成统一的整体。

锚杆支架按用途分为临时锚杆支架和永久锚杆支架。

按作用原理分为主动锚杆和被动锚杆。

主动锚杆预先张紧装入钻孔中, 以提高抵抗被加固岩体拱曲性和分层之间相对位移的能力。

随着锚杆预应力的加大, 相应增加了岩层分层面之间的摩擦力, 提高了巷道的稳定性。

安装被动锚杆时不给杆体以预应力, 因此就比主动锚杆安装密些, 其典型的有全长锚固的螺纹锚杆、钢筋混凝土锚杆、膨胀式锚杆和玻璃钢锚杆等。

按工作特性锚杆又分为刚性延伸和有限延伸锚杆。

延伸锚杆靠套管能够伸长500~700毫米。

有限延伸锚杆与延伸锚杆不同, 只能伸长60~140毫米。

按杆体材料锚杆又分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、混凝土锚杆和树脂锚杆等。

而按杆体构造型式分为管式锚杆、杆式锚杆、钢丝绳锚杆、组合锚杆和多条杆的锚杆等。

以煤巷和半煤巷为主的采准巷道, 其断面一般为矩形、梯形或近似梯形的四边形, 不能形成近似自然冒落拱的支撑体系。

这些巷道均要受到采动影响, 巷道位置改变的余地很小, 巷道围岩强度低, 顶板岩石一般是层状特征。

以前采准巷道多采用棚子支护, 棚子支护不可能紧贴围岩, 形成等来压, 即所得的被动支护, 锚杆支护是完全不同的一种支护方式, 它利用锚固剂、
锚杆、托板及各种构件, 给围岩一定的支护强度, 与围岩应力和采动应力达到支护目的, 即所得的主动支护。

它与传统的棚式支护相比具有以下几方面的优势:
①从根本上改进了采准巷道的支护状况, 保证了安全生产。

锚杆支护能及时加固围岩, 从而减少了围岩变形, 防止顶板早期离层和断帮, 顶板下沉量和两帮位移量明显小于架棚巷道, 减少了巷道维修量。

据统计, 有些局矿使用锚杆支护后, 巷道失修率下降了50%~60%, 巷道的断面利用率提高了10%~17%。

②简化了工作面上、下顺槽的超前支护, 加快了回采过渡, 提高了工作面单产, 有利于提高效率, 增加效益, 工作面上、下巷采用棚子支护时, 必须提前进行替棚, 因采动压力的影响, 撤棚、换棚工作十分复杂, 用工多、速度慢、不安全( 瓦斯管理、顶板管理) , 严重影响工作面推进速度( 有时需用一个班从事此项工作) 。

采用锚杆支护能够有效减少回采超前压力对巷道的破坏, 省掉替棚子序, 提高工作面推进速度。

③减轻了工人的劳动强度, 减少了支护物料的运输。

采用锚杆支护后, 不需要运输大量的支护钢材和其它辅助材料, 改进了上、下顺槽工作环境, 从根本上减轻了工人的劳动强度, 解放了生产力, 加快了循环进度。

④大幅度节约了支护材料, 降低了支护成本, 有利于节约自然资源, 改进生态环境。

实践资料显示, 中国锚杆支护使用得好的煤矿与棚子支护相比较, 工作面同等提高了40%~60%, 巷道失修率下降了50%~60%, 巷道掘进的支护成本下降25%~40%, 掘进速度提高了10%~20%, 巷道断面利用率提高了15%, 通风阻力下降了10%, 支护材料的运输量下降了60%~70%。

因此锚杆支护已经成为
煤矿最主要的支护方式。

锚杆支护虽具有很大的发展潜力, 但由于种种历史原因, 还存在许多问题。

①发展不平衡。

由于技术观念、地质条件等因素, 锚杆支护在各地的推广使用差异很大, 北方80%以上, 南方只有50%左右, 公司各矿高的达70%以上, 低的只有30%, 特别是巷修只有30%左右。

②技术和生产结合不紧密。

各矿还没有形成切合本矿实际的锚杆支护规
范。

③施工人员素质不高, 运成施工质量达不到设计要求。

④锚杆支护机具、材料和监测仪器仪表还需进一步完善、配套。

二、锚杆作用原理
巷道支护的基本目的在于缓和与减少围岩的移动, 使巷道断面不致于过分缩小, 同时防止已离散和破坏的围岩垮塌, 在服务期内保持巷道的稳定。

为使巷道稳定, 人们能够提供的支护力是有限的。

在开掘巷道以后形成的”支护—围岩”力学平衡系统中, 围岩一般承受着大部分岩层压力, 而支护仅仅承受其中一小部分。

巷道支护的基本原理是普通支护和围攻岩共同承载, 并尽量促使岩层形成承载结构。

实践中, 人们一方面不断研究提高支护构件的支护力和性能, 另一方面, 总是设法提高围岩的承载能力, 使支护承担的载荷最小, 从而减小支护力, 降低支护成本。

由于地质条件的复杂性和研究手段的局限性, 锚杆支护理论至今尚不成熟, 还不能单独依靠那些理论为锚杆支护做出比较准确的设计。

锚杆支护的发展可分为四个阶段: 50年代, 开始试用锚杆支护; 60年代,
在岩巷中试用喷浆支护, 后发展为喷混凝土支护; 70年代, 试用和推广光面爆破及锚杆、网、喷射混凝土支护; 80年代采用工程量测, 试用新奥法, 结合煤矿特点, 初步形成一套完善的设计、施工、动态管理方法。

锚杆支护技术的发展冲破了传统的支撑概念, 形成了充分发挥围岩本身自支承作用, 使围岩和支护共同作用的现代支护理论。

支护理论的发展, 大致经历了以下几个阶段: 20年代以前, 发表了许多地压假说, 其共同特点是把围岩作为不变载荷, 而支护被看作承受载荷的结构, 即所得的古典压力理论。

60年代以前, 把岩体视作松散体, 认为作用在支护结构上的荷载是围岩垮落拱内的松动岩体重量, 即松散体理论。

60年代发展起来的支护和围岩共同作用的现代支护理论。

锚杆支护是以维护和利用围岩的自承能力为基点, 及时地进行支护, 控制围岩的变形和松弛, 使围岩成为支护体系的组成部分。

锚杆支护经过锚入围岩内部的杆体, 改变围岩本身的力学状态, 在巷道周围形成一个整体而又稳定的承载环( 带) , 和围岩共同作用, 达到维护巷道的目的。

喷混凝土支护能起到及时封闭围岩、充填围岩的裂隙和支撑结构的作用, 可有效的控制围岩变形和破坏, 提高围岩强度, 使围岩保持原有的稳定性和强度。

因此, 锚喷支护属于积极主动加固围岩的加固型支护系统。

锚杆支护的作用原理主要有几种:
①加固拱作用。

对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩, 如果
及时用锚杆加固, 就能提高岩体结构弱面的抗剪强度, 在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不但能维持自身稳定, 而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱, 从而保持巷道的稳定。

在弹性体内以锚杆的锚头和拧紧部为顶点, 形成算盘珠或分布的锥形体压缩带, 如将锚杆以适当间距排列, 使相邻锚杆的锥形带( 图中网线部分) , 即岩石加固拱, 它使巷道围岩由”载荷”变成了”承载结构”。

锚杆加固拱作用
②悬吊作用。

悬吊作用是指锚杆把将要冒落的软弱岩层或危岩悬吊于上部坚固稳定的岩体上, 由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量。

悬吊软弱层状顶板悬吊危岩
上图表的煤层巷道的直接顶板一般比较软弱, 且不厚, 很容易离层冒落, 它上面的老顶则比较坚固, 这样, 锚杆能够经过直接顶板达到老顶, 把直接顶锚固在老顶上, 锚杆的这种作用就象是”钉钉子”, 把容易冒落的顶板”钉牢”在老顶上。

③组合梁作用。

在层状岩层的巷道顶板中, 经过锚入一系列的锚杆, 将锚杆长度以内的薄层岩石锚成岩石组合梁, 从而提高其承载能力。