锚杆支护的发展现状.docx

锚杆支护的发展现状.docx

《锚杆支护的发展现状.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锚杆支护的发展现状.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

锚杆支护的发展现状

锚杆支护的发展现状

锚杆支护技术的应用现状及发展趋势

摘要

基于国内外大量而广泛的锚杆支护技术的应用与研究，锚杆支护的优越性越来越得到认可，本文阐述了锚杆支护技术及其分类，总结了锚杆支护技术的作用原理，并对国内外锚杆支护的现状做了初步分析。

运用支护设计中常用理论及方法，对锚杆支护的优缺点进行了分析和评价，高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。

同时对实际支护工程中的某些不足进行了具体讨论，并对未来的发展趋势进行了初步分析。

关键词：

锚杆支护；支护原理；应用现状；发展趋势

一、概述

锚杆支护作为岩土工程加固的一种重要形式，由于其具有安全、高效、低成本等优点，在国际岩土工程领域得到了越来越多的应用。

1872年，英国北威尔士的煤矿加固工程中首次采用钢筋加固页岩之后，1905年美国矿山中也出现了类似的加固工程。

到了20世纪40年代，锚杆支护在地下工程中的应用在国外得到了迅猛发展。

目前，在澳大利亚和美国等国的地下工程支护中，锚杆支护已经占到了接近100％。

我国于20世纪50年代开始试用锚杆支护技术，至70年代前期还处于探索阶段，直到1978年才开始重点推广，80年代开始向英国学习锚杆支护技术后推广到煤巷支护，90年代又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。

在一些矿区的锚杆支护巷道比例达到90%以上，有些矿井甚至达到了100%，取得了较好的技术与经济效益。

国内现有楔缝、涨壳、倒楔锚杆、钢丝绳或钢筋砂浆锚杆、木锚杆、竹锚杆、内涨锚杆、管缝锚杆、树脂锚杆、水泥锚杆、爆扩锚杆、预应力注浆大锚索等十几个系列。

由于各种锚杆的构造不同，锚杆作用机理差异甚大，国内外大量工程实践证明，各种不同种类锚杆，在不同的地质条件下，有不同的“支护”效果。

国内外锚杆支护成功的经验表明，合理的锚杆支护设计及详细的监测分析，不仅可保证回采巷道的安全可靠，而且可取得显著的技术经济效益和社会效益。

二、锚杆支护技术的概念及其分类

（一）锚杆支护技术

锚杆支护技术就是在土层或岩层中钻孔，埋入锚杆后灌注水泥（或水泥砂浆、锚固剂），依靠锚固体与岩层之间的摩擦力、拉杆与锚固体的握裹力以及拉杆强度共同作用，来承受作用于支护结构上的荷载。

通过锚杆的轴向作用力，将杆体周围围岩中一定范围岩体的应力状态由单向（或双向）受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度，使压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷，使其有效地控制围岩变形。

锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下施工中均广泛采用采用的一种既安全又经济的支护方式，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。

由于锚杆支护技术具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点，在一些矿区的锚杆支护巷道比例达到90％以上，有些矿井甚至达到了100％，取得了较好的技术与经济效益。

（二）锚杆的分类

锚杆支护实质上就是把锚杆安装在巷道的围岩中，使层状的、软质的岩体以不同的形态得到加固，形成完整的支护结构，提供一定主动的支护抗力，共同阻抗其外部围岩的位移和变形，目前，国内外岩土工程中常用的锚杆主要有：

（1）木锚杆。

我国使用的木锚杆主要有普通木锚杆和压缩木锚杆两种。

（2）钢筋或螺纹钢砂浆锚杆,见图3-2-1。

此类锚杆以水泥砂桨作为锚杆杆体与围岩的粘结剂。

图3-2-1螺纹钢砂浆锚杆

（3）倒楔式金属锚杆。

这种锚杆曾是使用最为广泛的锚杆支护形式之一。

由于它加工简单，安装方便，具有一定的锚固力，因此这种锚杆至今还在使用。

见图3-2-2

（4）管缝式锚杆。

是一种全长摩擦锚固式锚杆。

这种锚杆具有安装简单、锚固可靠、初锚力大、锚固力随围岩移动而增长等特点。

见图3-2-3

（5）树脂锚杆。

用树脂作为锚杆与围岩的粘结剂，这种锚杆支护成本较高。

见图3-2-4

图3-2-4等强螺纹钢式树脂锚杆

（6）快硬膨胀水泥锚杆。

采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥加入外加剂而成，具有速凝、早强、减水、膨胀等特点。

见图3-2-5

3-2-5快硬膨胀水泥锚杆

（7）预应力锚杆。

预应力锚杆是一种采用钢制涨壳锚头预先对锚杆施加预应力的一种中空锚杆可满足设计需要施加一定预应力的支护工程。

它是由涨壳锚头、锚杆体、联接套、止浆塞、垫板、螺母组成的。

预应力锚杆见图3-2-6

（8）中空注浆锚杆。

空心锚杆的一种，多用于相对稳定完整的岩层，树脂、工程胶水、速凝水泥等锚固剂自锚杆中心注入，比普通锚杆锚固质量更好。

由于自进式中空注浆锚杆的出现，松散岩土条件下的地层也可以使用中空注浆锚杆。

中空注浆锚杆示意图见图3-2-7

图3-2-7中空注浆锚杆

（三）锚杆支护适用条件及优缺点

锚杆支护适用于不受采动影响或某些受采动影响的巷道，即可单独支护，又可以同其他支护形式相结合支护的各种巷道。

锚杆支护的优点如下：

（1）锚杆支护作为一种主动支护形式，在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论，锚杆安装以后在围岩内部对围岩进行加固，能够调动和利用围岩自身的稳定性，充分发挥围岩自身的承载能力。

所以锚杆支护有利于保护巷道围岩的稳定，改善巷道维护状况；

（2）锚杆杆体质轻，省材料，与传统的棚式支护相比，易于安装，支护成本低；

（3）锚杆支护本身占用巷道断面与传统支护形式相比少得多，传统支护中巷道掘进断面超控量约占15-20%，锚杆支护超控量只需3%以下；

（4）锚杆支护可实现机械化作业，可有效提高掘进速度，提高成巷率；

（5）锚杆支护可有效减少巷道维修工作。

锚杆支护的缺点如下：

锚杆支护作用机理及适用条件的研究尚不充分，没有一套完整的支护理论被公认，支护参数不以准确确定。

（四）锚杆支护的设计与施工

目前用于煤矿巷道支护设计的主要的锚杆支护参数设计方法有下列几种：

（1）悬吊机制及其围岩条件

（2）组合梁机制及其围岩条件

（3）三铰拱（楔固、紧固）机制及其围岩条件

（4）组合拱（均匀压缩拱）机制及其围岩条件

锚杆支护的施工：

（1）锚杆的安装

锚杆的安装施工包括钻锚杆眼和安装锚杆两道主要工序。

在锚杆安装施工之前，应该根据锚杆布置方式设计要求，用巷道中腰线标定出锚杆的眼位。

打眼时，眼位、眼深、角度都必须符合要求。

锚杆眼钻好后，就可以进行锚杆的安装工作。

（2）锚杆的检验

为了保证锚杆的安装质量，应当注意以下问题：

锚杆孔的深度要与锚杆的长度配合适当，锚杆孔过深或者过浅都会使安装垫板和螺帽产生困难。

金属楔缝式锚杆孔的深度应比锚杆短50毫米至70毫米，倒楔式锚杆孔的深度应比锚杆短100毫米至120毫米；

锚杆孔的直径与锚杆的直径应该配合适当；

安装托板时应该尽量将岩面找平，使托板和岩面全部接触，以求托板受力均匀，增强其承载能力；

螺帽要用扳手尽量拧紧，使杆体中产生较大的预应力；

锚杆质量检查。

锚杆质量检查，主要注意检查锚杆孔直径、眼深、间距、排距以及螺帽的拧紧程度和锚固力。

三、锚杆的支护原理

（一）目前，已经被广为接受的锚杆支护理论主要有如下几种：

①悬吊理论

图3-3-1锚杆悬吊作用示意图

②组合梁理论

图3-3-2锚杆组合梁理论示意图

③挤压加固拱理论

图3-3-3锚杆挤压拱理论示意图

④减跨理论

图3-3-4锚杆减跨理论示意图

⑤围岩补强加固理论

（二）近年来，又提出了新的支护理论，主要有以下几种:

①最大水平应力理论

这一理论是由澳大利亚学者盖尔提出的．该理论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，其最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.5倍，因此巷道顶板的稳定性主要受水平应力的影响．但该理论在应用中还存在着如下几个问题：

a、在支护参数的确定过程中，围岩破坏区域的位置及其大小是最重要的依据。

但此理论在判断围岩状态时，是基于围岩的水平应力最大且顶部破坏区域最大这一情况的。

显然，在实际中，这种情况是不易满足的。

b、围岩破坏区的确定相当困难。

该理论在应用时，只要求测出地应力和岩石的力学参数，但是，对这两个参数进行准确测量本身就是一个世界性难题，而这两个参数与围岩破坏区之间的关系更是难以判断。

c、除上述两个问题以外，该理论对错动及膨胀力等与锚杆直径相关的参数的确定问题，加固后锚杆支护能力的估算问题等也没有提出明确的解决方法。

②围岩强度强化理论

这一理论是由中国矿业大学矿山压力研究所提出的。

该理论认为锚杆的作用是强化围岩强度，限制围岩塑性区宽度、破碎区宽度和巷道表面位移的发展，从而起到加固的作用。

同时，此理论还为合理地确定锚杆的支护参数提供了理论依据。

但是锚杆支护参数与围岩强度之间关系的定量描述仍有待进一步研究。

③围岩松动圈理论

这一理论是由中国矿业大学针对煤矿巷道的锚喷支护首先提出的，该理论认为岩土体在开挖之后，原始的应力状态会遭到破坏，围岩会进行应力重分布。

在新的应力状态下，围岩的强度低于其所受应力的部分就会发生屈服破坏，这些破坏部分就组成了围岩松动圈。

而锚杆的作用就是限制围岩松动圈发展过程中的有害变形，使围岩仍处于稳定、不破坏的状态。

此理论中，锚杆支护参数是基于围岩松动圈的范围提出的，而松动圈范围可以用声波测试等方法进行确定。

但是，该理论没有考虑围岩与支护的相互作用问题，对围岩松动圈的确定问题也没有提出明确的解决方法。

尽管各种理论层出不从，但没有一种理论能够得到大家的一致认可，支护理论大多建立在假定的基础上，工程实际不多，没有一种完整的支护参数设计方法。

四、国内外锚杆支护技术的应用现状

（一）国外锚杆支护技术的现状

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。

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～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、英国等国家在从分考虑水平地应力作用的条件下，采用了“地质力学评估一计算机数值模拟进行初始设计一现场施工、监测一信息反馈、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。

（二）国内锚杆支护的现状

我国的锚杆支护技术研究开始于1956年，至今已有5O多年的历史。

6O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I、Ⅱ类时，可用单锚。

Ⅲ、Ⅳ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，V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，项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。

（三）国内外锚杆支护技术的对比

锚杆钻机作为锚杆支护的主要施工机具，从锚杆支护技术诞生的第一天起，锚杆钻机就成为该项技术发展的重点。

20世纪40年代，国外在锚杆支护施工中采用普通凿宕机械钻凿锚杆孔，人工安装锚杆，用扳手扮紧螺母。

到20世纪50年代初，美国、瑞典等西方国家已广泛应用伸缩式气动凿宕机钻凿顶板锚杆孔，同时，美国已研制成功钻车式锚杆钻机并在支护工程中推广使用。

20世纪50年代末，随着锚杆支护理论及设计方法的不断改善，英国等国家率先将锚杆支护技术应用十煤矿巷道支护。

为适应煤矿巷道断面积较小的特点，英国、波兰等国研制开发了单体电动回转式锚杆钻机（如:

Victor型、Burwood型）、单体液压回转式锚杆钻机。

国外60多年的锚杆钻装设备的发展历程可概况以下几个特点:

（1）国外锚杆钻机的发展始终与锚杆支护理论的不断完善与发展紧密相连，相互依存，相互促进；

（2>国外锚杆钻机的研究十分注重新材料、新工艺、新技术的应用，开发的每一代产品都能代表当时的世界领先水平；

（3）国外锚杆钻机的研究与开发十分注重国情，品种多、功能全、可靠性好、适应性强。

那么我国的发展呢？

40多年来，我国锚杆钻机从无到有，从单一品种到多品种，从单一动力到多种动力，基本形成了具有中国特色的锚杆钻机系列产品。

我国锚杆钻机的发展历程具有以下特点：

国产锚杆钻机研究开发与我国锚杆支护技术同步发展；

国内锚杆钻机的开发大部分是在引进国外产品，消化、吸收国外技术的基础上研制的；

国产锚杆钻机技术含量、新材料应用、加工工艺、可靠性都与国外同类产品有一定的差距。

五、锚杆支护技术发展趋势

（一）锚杆支护技术的改进

（1）支护材料的改进

目前使用的锚杆多为自产自销，缺乏必要的检测和监督，为此一定要严格审核锚杆的加工质量，严禁不合格的锚杆下井。

另外还要进一步改进锚杆支护材料，发展新型锚杆，实现锚杆强初撑力、急增阻、高阻力。

对于锚杆的附件，应重视W（或H型）钢带梁和减磨增压垫圈的作用，并应进一步提高锚杆托盘的质量，防止托盘损坏造成锚杆失效。

树脂锚固剂是决定锚固力的关键。

要提高树脂锚固剂的强度和刚度，以提高围岩与锚杆的粘接强度；保证锚固剂质量，超快段能够及时凝固，使锚杆能够尽早预紧，快速承载；

（2）设计方法及设计参数的优化

支护设计以往主要是依据悬吊理论、组合拱理论或挤压加固理论，采用工程类比法和计算公式法。

但由于地质条件的复杂性，就一种方法或一个公式不能给出合理的设计参数。

为解决这一难题，采用以地应力为基础的动态设计法，并在此基础上建立计算机辅助设计的专家系统。

该方法主要内容为“地质力学评估数值模拟初始设计现场监测利用反馈信息修改设计”。

现场监测非常关键，监测取得的数据是作为二次修改设计的依据，修改设计后再应用于实践。

只有经过不断地改进支护设计，才能使锚杆支护更为经济、合理。

在选定设计方法之后，还要根据不同的顶板岩性及地质构造特点，优化设计参数，为快速掘进提供技术依据；

（3）开发掘锚新机具

当前煤巷快速掘进的施工方法为：

掘进机割煤桥式胶带转载机和固定皮带机运煤敲帮问顶锚杆机打顶眼并安装、帮锚杆机打帮眼并安装，实现一次成巷，及时支护。

这种方法的主要矛盾是掘进工作面的开机率较低，一般在30%以下，支护时间过长，跟不上机掘速度，影响单进水平的提高。

因此发展掘锚联合机组，实现“掘支锚一体化”平行作业，将是加快煤巷锚杆支护单进速度的必要手段。

就目前的施工工艺而言，影响快速掘进的主要因素有两方面：

一是掘进机割煤速度；二是锚杆机打眼及安装速度。

现在使用的S100及EBJ132型掘进机功率较小，割煤速度较慢，打眼使用的MQT－50型风动锚杆钻机钻进速度慢，维修率较高。

因此，要实现快速掘进，一方面要发展应用大功率掘进机，如S200型；另一方面要研制新型锚杆钻机。

现在澳大利亚液压工程公司生产的机载锚杆机，拥有ARO4000系列顶锚杆钻机、ARO5500系列帮锚杆钻机等型号，可安装在任何型号掘进机上，以掘进机自身液压系统为动力，具有安全、高效、准确、快速、使用寿命长等优点，能够实现顶帮锚杆的快速安装。

它将是我国煤巷快速掘进的又一发展方向；

（4）增大安装预紧力

根据锚杆组合梁作用原理，较大的安装预紧力可在顶板内形成强度较大的组合岩梁，增强顶板岩梁的整体抗弯能力。

一般来讲，安装预紧力与安装扭矩呈线性比例关系，增大安装扭矩便可获得较大的安装预紧力。

这样可在顶板内快速形成强度较大的组合岩梁，增强顶板的整体强度；

（5）锚杆联合支护

稳定的围岩采用单一的锚杆支护是可行的，但是在受到动压影响，处于软岩层中，围岩容易变形、地层压力大的不稳定围岩，则必须采用不同的锚杆联合支护。

对于不稳定或极不稳定巷道，这类巷道的特点是围岩破坏范围和变形量大，除锚杆支护配锚梁网组合支护外，还应采取加长锚杆长度、缩小锚杆间排距、顶板注浆、锚索加固等特殊手段加强支护。

另外，在大跨度的交岔点、硐室、切眼和地质构造破碎带，单纯的锚杆支护不足以维护工程稳定，还须用上述手段辅助加强支护。

如果这些问题得以解决，就可以把锚杆支护作为唯一的顶板支护方式，实现巷道支护锚杆化，进一步提高巷道的掘进速度；

（6）二次支护

在施工设计时，考虑到围岩的自身承载能力，以现场监测数据为指导，增大锚杆间排距，先布置低密度锚杆，后路及时进行二次支护，与迎头支护平行作业，使支护强度达到最终支护密度。

具体施工时，还要确定二次支护距离迎头的距离。

二次支护可采用小孔径锚索或柔性锚杆，以弥补一般锚杆支护的不足，锚固到深层坚硬岩层，增强支护的可靠性。

（二）锚杆支护技术的发展趋势

1）进一步完善锚杆支护理论和技术。

锚杆支护有诸多种理论，但这些理论与实际应用技术的发展适应性较差。

所以有必要在进一步深入研究巷道围岩矿压显现规律的基础上，探索锚杆支护理论。

完善煤巷锚杆支护理论，提高煤巷锚杆形式和参数选择的科学性、实用性是促进采准巷道锚杆技术发展的一个重要因素。

为此，我们要学习先进国家的煤巷锚杆支护的工程监控设计方法，消化吸收国外先进的锚杆支护理论和设计方法，结合我国具体情况，建立适合我国由地质调查——初始设计——工程监测——修改设计的设计方法，从而提高煤巷锚杆支护设计方法的科学性、实用性；

2）随着地理信息系统及全球定位系统在锚杆监测中的广泛应用，锚杆监测正在朝着自动化、全天候、实时动态的方向发展。

这不仅大大地促进了预测技术的发展，也使锚杆支护设计过程更加合理；

3）工程经验是工程人员最宝贵的设计“资料”，但其主观性太强，很难保证精确度；现场监测能获得最准确的数据，但其具有滞后性；理论计算由于具有天然的半经验性及理论假设的不合理性等缺陷而受到了极大地应用限制。

所以，将工程经验、现场监测和理论计算相结合的综合研究方法，已经成为发展趋势；

参考文献

[1]东兆星,吴士良.井巷工程[M].徐州:

中国矿业大学出版社,2004

[2]《煤巷锚杆支护施工指南》薛顺勋宋广太等编，1999年11月第1版

[3]《煤矿巷道锚杆支护技术》袁和生主编，1997年09月第1版

[4]《深埋煤矿巷道锚杆支护设计探讨》王博，工业安全与环保2011年08期

[5]《煤矿深部掘进锚杆支护技术应用》李德进，山东煤炭科技2011年02期

[6]《巷道锚杆支护机理分析》郭乐乐，山东焦煤科技2011年05期

[7]《煤巷锚杆支护的实践与认识》李学民，王振波，煤矿现代化2011年01期

[8]张吉春，《煤矿开采技术》，北京：

中国矿业大学出版社，2010-02-01