浅谈煤矿锚杆支护技术发展

黄延忠

[摘 要]煤层赋存条件多样、结构复杂，部分条件顶板结构异常复杂，软弱夹层和层理十分发育，稳定性很差，极易发生离层垮冒；即使在同一巷道内顶板赋存状态也是频繁变化，构造影响随处可见、随时可遇；同时煤层硬度系数普遍低于1.0，煤体松散破碎，锚固性能差，变形强烈；结构复杂，多数煤层含有硬度系数仅为0.2～0.5的软弱煤线。且目前煤矿采深普遍达到500～600 m，部分进入800 m以下，区域构造应力十分突出。

[关键词]煤矿 锚杆支护 技术发展

中图分类号：TD353.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0030-01

一、目前使用锚杆支护存在的问题

（1）锚杆使用密度很大，围岩变形仍十分剧烈，支护效果很不理想；变形量大：1000～2000mm以上；超出树脂锚固系统的极限，锚固实效，500～600mm以后的变形量失控。

（2）不能有效控制顶板离层，恶性冒顶事故时有发生。垮冒现象频繁出现，安全事故时有发生。

二、煤巷锚杆支护顶板的失稳机理

（1）复杂条件下煤巷顶板离层失稳的原因

顶板的稳定性取决于锚固区内外的离层状况。采用高强树脂锚杆后，锚固区岩体得到有效加固，能有效限制锚杆长度范围内岩体的变形，但锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一大挑战。

（2）锚杆支护的工作载荷很低

锚杆实际工作载荷可分三种情况：安装时没有初锚力，工作载荷始终为零；安装时初锚力很小，低于15 kN，工作载荷增长缓慢，稳定段载荷值较低；安装时提供超过20kN的预紧力，工作载荷增长快，稳定段载荷值高。

（3）大变形后锚固力衰减锚固实效

端锚时在围岩变形量达到100 mm时即开始失效，全长锚固时锚杆的可靠性虽大大提高，但围岩变形达到200～300 mm时锚固力也开始降低，达到500 mm时即完全丧失。

二、控制顶板离层的基本原理

（1）控制围岩弱化区的发展，消除松散变形

提供的高张拉力不仅完全克服了松动岩体的自重，并将该部岩体和更上部挤压在一起，阻止了围岩的进一步松动，消除岩体松散变形。

（2）改善锚杆受力状况，提高锚杆的支护效能

根据锚杆的实际受力状况和支护能效，在很多情况下可以适当降低锚杆规格，在某矿大量采用杆体直径φ16 mm、φ18 mm的高性能锚杆代替普通φ20 mm的高强锚杆，并取得了更好的支护效果。

（3）消弱水平应力对顶板的破坏作用

在富含软弱夹层的薄层状顶板中，由于弱面和夹层强度很低，自重应力就可导致破坏，表现为随掘随冒，高地应力区的强水平应力必然作用于更大范围内顶板岩层，产生剪切破坏，诱发顶板离层。

（4）形成预应力承载结构

高强预应力支护改善顶板的应力状态，消除顶板中部的拉应力区，同时减弱两个顶角的剪切应力集中程度。通过强化顶板弱面，消除拉伸破坏，控制围岩弱化区的发展，使锚固区载荷趋于均匀并实现连续传递，从而形成预应力承载结构。

三、两种状态下顶板离层的控制思路

（1）实体巷道顶板：控制松动变形后，强化锚固区，提高其强度，减小弯曲变形；加大锚固范围，利用锚索支护；

（2）沿空掘巷顶板：由于关键岩层的破断、回转和下沉，锚固区外必然出现离层区域。

四、设计方法

煤巷预应力支护设计方法仍然是以计算机数值模拟为基本手段开展的动态系统设计方法，但如下3点变化使得该设计更科学：1） 充分考虑水平地应力影响，因而多数条件不能简化为二维问题；2） 以锚杆预拉力为主要设计参数，这在其它设计中常常被忽视；3） 以顶板离层，而不是以围岩变形为巷道稳定性评判标准。该设计方法大大提高了支护方案的安全可靠性。相应的支护监测则以锚杆工作载荷和顶板离层为中心开展。

（1）概念

煤巷高强预应力支护技术的概念：指能够在支护构件和顶板间实现明显超过松散岩体自重的预张力、形成顶板预应力承载结构，并有效控制顶板离层的高强支护技术。

（2）几项技术

传统煤巷锚杆支护中，锚杆的“三径”匹配不合理。经过大量的地面和现场试验，淘汰了φ43mm钻孔—φ18mm杆体—φ35mm树脂卷的落后的“三径”匹配模式。根据锚杆规格，推广应用科学合理的“φ28mm—φ20mm—φ25mm”、“φ27mm—φ18mm—φ23mm”、“φ30mm—φ22mm—φ25mm”等三种新“三径”匹配模式，锚固力比原来提高120～147%。

（3） 预拉力钢绞线桁架系统控制顶层垮冒的技术

针对顶板松动范围大，地质异常带等特殊地段，将处于受压状态的巷道两肩角岩体作为锚固点和支护结构的基础，通过抗剪切的预应力钢绞线传递张拉力，直接作用于顶板浅部围岩的一种支护方式，该系统结构简单，直接利用M型钢带作受力基础，并由专用机具实现初张力。

该系统作用方式较锚索有很大改进，表现如下：肩角作为锚固点的可靠性大大加强，在围岩变形过程中基本保持稳定；锚索与顶板围岩是点接触，而桁架则是拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，松散破碎的顶板岩体受力状态好。

（4）煤巷顶板的几种组合支护技术

根据不同的巷道围岩分类，顶板结构特性和复杂程度，采用不同的组合支护方式，a）预拉力锚带网支护；b） 预拉力锚带网索组合支护；c）预拉力锚带网索（桁）架组合支护。

五、几项高性能产品

提高支护产品技术性能的主要途径是研究新产品、新结构，使其适应煤巷破碎围岩条件，提高锚杆支护能效。本项研究建立了由高性能锚杆、钢绞线预拉力桁架及M型钢带等多种支护形式和结构组成的预拉力（锚杆）支护体系，实现了锚杆支护的机械安装，大大提高了锚杆支护的安全可靠性，为解决复杂困难条件下的支护问题提供新途径。

（1） 高性能（预拉力）锚杆

针对我国目前锚杆加工、使用中存在的缺陷和问题，从锚杆杆体材质及表面结构的选择、锚杆快速安装螺母的研制、丝扣加工及技术要求、提高锚杆预拉力的措施等几个方面研制新型锚杆的结构和性能，并率先提出高性能锚杆的概念，明确规范了新型锚杆的技术性能及加工要求。有6大特点：1） 采用专用规格的无纵筋左旋螺纹钢加工，其强度和延伸率符合高强度锚杆对材质的要求，杆体表面凸纹能够满足搅拌阻力和锚固要求，有效内径和螺母匹配；2） 外端滚压成圆，螺纹滚丝加工，3） 扭矩螺母实现快速机械安装； 4） 双垫片减摩结构，调整螺母和托盘接触状态，改善锚杆外端杆体受力； 5） 有醒目的标志直观显示安装施工质量；6） 螺母、托盘、钢带等附件尺寸匹配、强度相当，性能优越。

（2）钢绞线桁架连接装置

高预拉力钢绞线桁架系统是控制厚层复合顶板离层的有效手段，设计的双孔环形连接器可以十分方便地连接两根钢绞线，并实现连续传递高张拉力，施工工艺和张拉过程与小孔径预拉力锚索完全一致。

（3）M型钢带

针对国内常用的W型钢带容易撕裂和燕式异型钢带刚度小的问题研制出新型M型钢带，与国外普遍采用并在我国广泛推广的W型钢带相比，M型新型钢带具有如下几个优点：①其抗弯截面模量为W型钢带的3倍左右，因此节省钢材，价格低廉；②高翼缘形断面，抗撕裂性好，解决了W型钢带容易撕裂的问题；③两个方向的截面模量差别大，向下截面模量是向上的2.75倍，因此很容易与顶板密贴，同时向下截面模量很大，能有效控制锚杆间的围岩松动，维持顶板预应力结构效应。

参考文献：

[1] 陈炎光，陆士良，中国煤矿巷道围岩控制[M]徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[2] 钱鸣高，石平五，矿山压力与岩层控制[M]徐州：中国矿业大学出版社，2003；等.