锚杆支护技术现状及发展方向探讨*

和树栋

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司；

3.贵州安和矿业科技工程股份有限公司)

锚杆支护技术现状及发展方向探讨*

和树栋1,2，3

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司；

3.贵州安和矿业科技工程股份有限公司)

随着矿山生产采深加大，以及地质条件复杂的新矿床开发，对地下矿山巷道的支护提出了更高的要求，对岩土锚固技术的新探索显得极为迫切。为了更好地了解该项技术，以煤矿锚杆支护技术为例，介绍了锚杆支护技术原理、国内外技术现状，分析了我国目前煤巷锚杆支护技术存在的主要问题，探讨了锚杆支护技术的发展途径和对策。

锚杆支护机理 支护现状 改进方法

锚杆支护是一种安全、经济的支护方式，是以锚杆为主体的支护结构的总称，包括锚杆、锚喷、锚喷网等支护形式，是一种结构简单的主动支护。锚杆支护主要依赖锚固体与土之间的摩擦力，拉杆与锚固体的握裹力以及拉杆强度共同承载引起支护结构变形、破坏的荷载，最终保持围岩的稳定、完整，使围岩变形处于可控的安全范围之内，借助围岩自身的支撑作用，把围岩从荷载变为承载体。锚杆支护结构简单、施工方便、适应性强，在各工程领域广泛应用。

1 锚杆支护机理及特点

锚杆支护的作用机理主要体现在以下几个方面：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，就能在围岩周边一定厚度的范围内形成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;②悬吊作用,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;③组合梁作用,在层状岩层的巷道顶板中锚入一系列的锚杆，将锚杆长度以内的薄层岩石锚成岩石组合梁，提高其承载能力;④围岩补强作用,巷道周围安设锚杆后，靠近巷道周边的岩石则由二向受力状态恢复为三向受力状态，增大了围岩本身的强度，增加了岩石弱面的剪断阻力，使围岩不易破坏和失稳;⑤减小跨度作用,巷道顶板打了锚杆，相当于在该处打了点柱，减小了顶板跨度，增强了顶板岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏;⑥挤压连结作用,锚杆对岩石施加预应力，以平衡岩石内所产生的张拉应力，阻止裂隙的继续扩大，对于松散岩石能起到挤压连结的加固作用[1]。

与传统支护方式相比较，锚杆锚固技术的特点是：节约坑木和钢材、降低支架成本、掘进断面小、巷道变形小；维护费用低、工作安全；锚杆轻便，可以减轻工人的劳动强度；可以减小通风阻力；有利于一次成巷施工和加快掘进速度、使用范围广，适应性强[2]。但是锚杆不能预防围岩风化，不能完全防止锚杆与锚杆之间裂隙岩石的剥落。因此，应配合其他支护措施，如喷浆，喷射混凝土或金属网等，使其适用范围进一步扩大。

2 国内外锚杆支护技术的发展历史及概况

2.1 国外锚杆支护技术的发展历史及概况

锚杆支护技术至今已有100多a的历史，1872年英国露天矿首次应用锚杆进行边坡加固，1912年德国谢列兹矿最先在井下对巷道进行锚固。随之锚固技术逐步地应用到了各个工程领域，不仅仅限于一些产煤国家，也深入到了铁路、公路、冶金、建筑等工程中[3]。

近年来国外锚杆支护技术发展很快，特别是世界主要产煤国家。继几乎全部使用锚杆支护的美国、澳大利亚之后，英国经过几年的发展，锚杆支护在煤矿占了主导地位。印度、日本、南非等国都不同程度地引进锚杆支护技术。德国近年来也在积极探索锚杆支护的可行性。种种迹象表明，锚杆支护技术已经越来越成熟，正引领着支护技术的发展。

美国在锚杆作用机理方面倾向于悬吊理论和组合梁理论，英国、澳大利亚更倾向于加固拱理论。两者之所以不同，其原因在于巷道所处埋深、岩层强度、地应力等影响的差别。美国目前应用有2种基本设计方法：经验法和理论法。现在多数采用2种方法的结合，并借助于监测围岩矿压显现及掘进和回采期间锚杆受力特征，加之计算机模拟可能遇到的应力场等手段，以进一步提高该方法的科学性、合理性[4]。澳大利亚把该设计方法的实施分为4个步骤：①地质力学评估；②初始设计；③现场监测；④信息反馈和修改、完善设计。

2.2 国内锚杆支护技术的现状分析

我国于20世纪50年代开始试用锚杆支护技术。在50—60年代，锚杆只起单纯的悬吊作用，没有发挥出与围岩共同承载的作用。由于盲目扩大此类锚杆的应用范围，致使部分井巷失修，应用后存在有潜在的隐患，对后续锚杆支护技术的发展有一定的限制。到70年代前期仍处于探索阶段，80年代开始向国外学习锚杆支护技术并推广到煤巷支护，支护技术得到了一定发展。90年代向澳大利亚学习，引进成套先进的锚杆支护技术，目前已得到较广泛的推广和应用[5]。

目前我国各种顶板支护技术并存，其中大多数煤矿采用的仍是锚杆支护技术。在一些矿区该技术应用范围很广，有些矿井巷道的锚杆支护比例达到90%以上。随着该技术的日渐完善，多数矿井受益于此，均取得了较好的技术与经济效益。

目前，随着支护理论的日臻完善、技术的日渐成熟，锚杆支护技术取得了长足发展，支护效果也能达到了安全生产的要求。但与采煤技术的发展仍然存有不小的差距，其主要原因有以下几个方面。

(1)对锚杆支护机理的认识亟待提高。悬吊、组合梁、加固拱等经典理论均是针对一般巷道提出的，还没有能针对煤巷的特定条件定性定量地建立符合其特点的设计方法，全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计更是处在起步阶段。因此，现行的技术标准绝大多数是经验性的，设计和施工中存在盲目性。所以有必要研究巷道围岩矿压显现规律的重要性，加强对整体锚固结构的研究。

(2)产品质量不过关，锚杆机具不配套。我国煤矿井下使用的锚杆强度、延伸率均偏低，不能适应巷道围岩的变形，更谈不上为巷道提供可靠的支护阻力。目前各式锚杆机具均有应用，但性能、结构均存在有瑕疵，产品质量和整体性能都有待完善与提高。此外还需注重掘锚联合机组等高性能设备的研制，争取早日实现掘进、支护平行作业，提高生产效率。

(3)监测仪器与技术有待提高。为做好锚杆支护的监测工作，我国先后研制出了锚固力测定仪、超声波围岩裂缝探测仪等设备，但还未形成配套的综合检测技术。尽管监测工作已有所开展，但施工和管理人员对监测的认识不足，缺少正确的指导方法，其所起的反馈和指导作用难以发挥[6]。

3 锚杆支护技术的改进

锚杆支护技术已基本上解决了我国绝大多数煤矿巷道的支护问题，在理论研究、施工实践方面均取得了诸多成果。然而，不可否认的在理论、设计施工及配套设备上仍存在一些问题，亟待进一步解决。

(1)支护机理的深入研究。现行的锚杆支护的诸多理论与实际应用的发展适应性较差，所以要深入研究围岩矿压显现规律，探索、完善煤巷锚杆支护理论，科学、合理、安全、高效地选择锚杆支护形式和参数，建立起适合我国国情的由地质勘察—初步设计—现场实际监测—优化设计所组成的设计方法[7]。

(2)监测技术及设计方法的研究。新的巷道支护监测技术应做到在不破坏围岩及支护结构的前提下，快速实现对围岩支护结构的应力、离层以及破坏状态等信息的收集、分析，为优化支护设计提供科学依据，为进一步认清锚杆作用机理创造条件，并建立起完善实用的锚杆支护设计体系。

(3)支护材料的改善。目前我国使用的锚杆在其生产过程中缺少相应的检测、监督，为此对以后锚杆的生产质量一定要严格审核，还要进一步改进锚杆材料，研究具有强初撑力、急增阻的新式锚杆。研究开发新的树脂锚固剂以提高其强度和刚度，增加围岩与锚杆的粘接强度，使锚杆能够做到尽早预紧，满足快速承载的要求[8]。

(4)研究开发掘进、锚固新设备。影响快速掘进的主要因素有掘进机割煤速度、锚杆机打眼及安装速度。掘进工作面的开机率较低，支护时间过长等因素直接影响掘进效率的提高。为此，要发展掘锚联合机组，实现“掘进、支护一体化”的目标，一方面要借鉴国外经验，大力发展应用大功率掘进机，另一方面要改革创新，集中精力研发新型锚杆钻机。

(5)支护形式多样化。我国煤矿软岩地质条件复杂多变，且煤矿开采迅速向深部转移，高应力、强膨胀以及节理化复合岩体均已出现，对这类大变形巷道的支护形式有待进一步研究，以求支护形式的多样化，做到对症下药。对于不稳定巷道，在常规支护的基础上，还应采取一些补强措施，如缩小间排距、加大打入岩层的深度、锚索配合加固等手段。在交岔点、硐室、地质构造破碎带等一些跨度较大的地带，辅助以上补强措施会取得较好的支护效果[9]。

(6)加强综合检测。锚杆在井下安装之后，要对巷道围岩变形、锚固力进行综合监测，用实际数据对初始设计进行修正，这也是对初始设计的合理性和可靠性的校正。当前煤矿井下常见的支护监测有：巷道围岩变形监测(分为巷道表面位移观测、顶板离层观测、围岩深部位移观测)、锚杆锚固力监测(对锚杆的工作状态和安装质量检查)。

(7)加强施工管理与员工培训。现行的煤矿井下支护设备中锚杆、锚固剂、锚杆钻装机具、监测仪器仪表等，都需要技术素质较高的人员来完成操作。而我国煤矿施工队伍的现状是：人员素质参差不齐，监督管理得不到实际落实，盲目追求效益、忽视操作规程等。由于锚杆支护的技术性、操作性较强，完成质量需要有科学的设计、严格的施工、精确的监测来保证。为此，重视和加强锚杆支护技术人员和施工工人的技术培训和岗位训练显得尤为必要。

锚杆支护应严格要求按要求施工、加强工程质量监督。施工组织采用“主要工种和辅助工种混搭，协同作业的形式”；在技术操作方面，要始终坚持遵守操作规程，切忌疏忽大意，杜绝一切违章作业；在施工管理方面，必须做到一次成巷，不留尾巷。建立健全各种规章制度，包括岗位责任、设备维修、质量验收、物品出入管理等，以实际行动确保煤矿井下安全生产，维护好安全生产的大局[10]。

4 结 语

随着我国煤矿锚杆支护推广应用的深入，锚杆支护应用范围已扩展到受动压影响的回采巷道、破碎或复合顶板巷道、软岩巷道及大断面硐室和工作面开切眼锚杆支护。锚杆支护施工方便、效率高，且施工成本低，支护效果好，且技术还有许多提升的空间，在岩土工程中的应用范围和地位也会随着其技术水平的提高而不断地扩大和发展。此外，还应进一步研究完善我国煤巷锚杆支护理论，充分发挥其科学性、实用性的特点充分发挥，更好的为煤矿乃至社会各行各业服务。

[1] 刘玉泉,韩宝东,韩德军.锚杆支护理论浅析[J].煤炭技术,2003,22(12):19-20.

[2] 石 让,赵成斌.巷道支护现状及发展方向[J].同煤科技,2000,12(4):5-8.

[3] 肖同强,柏建彪,杨 峰.高预紧力锚杆支护理论与技术发展现状[J].煤炭技术,2011,30(2):79-81.

[4] 李段瑞，才志平,邹 正,等.井巷支护技术发展与现状[J].矿山机械,2009,37(8):1-3.

[5] 江 波.锚杆支护理论与发展现状[J].山西建筑,2007,33(21):101-102.

[6] 段瑞才.锚杆支护理论浅析[J].科技咨询,2007(17):55-56.

[7] 康红普.煤矿深部巷道锚杆支护理论与技术研究新进展[J].煤矿支护,2007(2):1-8.

[8] 徐万军.浅谈我国煤矿锚杆支护技术的现状与发展[J].煤矿天地,2009(4):12-16.

[9] 李英杰,兰永伟.锚杆支护技术的发展及应用[J].煤炭技术,2007,26(8):67-69.

[10] 张 茂.锚杆支护技术的应用现状和前景分析[J].太原科技,2005(3):60-61.

*中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金(编号：2013ZD002)；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目(编号：2012ZDXM10)。

2014-11-25)

和树栋(1989—)，男，助理工程师，硕士，400037 重庆市沙坪坝区上桥三村55号。