煤巷锚杆支护技术研究

何力强

摘要：煤巷锚杆支护技术的发展方向是采用强度更高性能更好的锚杆产品，以更大的间排距完成支护目标，减少锚杆用量并以更快的掘进速度完成施工，同时保证更好的安全可靠性，因而应加强对锚杆支护系统性的认识，在解决问题中深化研究，进一步揭示锚杆作用的实质和机理，指导实践；研发更高性能的锚杆产品及相关加工技术，使支护形式多样化，把握技术发展的方向；进一步规范施工技术，消除隐蔽工程，加强安全可靠性研究，强化施工现场管理。

关键词：煤巷锚杆锚索支护技术

0 引言

煤巷树脂锚杆是指对岩层及煤层起锚固作用、维护围岩稳定的杆状结构物及附件，其种类和结构繁杂多样，但各矿井一般都将其作为简单材料，分散加工，规模小质量不稳定，使用效果差，根本原因在于对锚杆加工要求和结构必须具备的基本性能不清楚。随着这一技术的推广应用和普及，客观上要求提高锚杆整体性能及加工精度，特别是困难复杂条件下应用该项技术对锚杆的性能提出了更高的要求，把锚杆作为一种简单的支护材料已不适应全面推广这一新技术的要求，必须使锚杆加工系列化、规范化、标准化，只有高性能的成套锚杆才可能满足地质条件复杂多变的需求。

1 高性能(预拉力)锚杆支护

锚杆结构和加工性能如何规范是十分重要的技术问题，针对目前锚杆加工、使用中存在的缺陷和问题，笔者提出高性能锚杆的概念，它是指杆体材质符合高强度、延伸率要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现预拉力的新型锚杆。

目前煤巷推广使用的一种高性能锚杆有如下特点：①采用20MnSi无纵筋左旋螺纹钢加工，其强度和延伸率都符合高强度锚杆对材质的要求，材质优良，取材方便，杆体表面凸纹能够满足搅拌阻力和锚固要求，不必二次加工；②外端螺纹部采用低强度损失加工新工艺，螺母、托盘、钢带等附件尺寸匹配、强度相当；③双重减摩措施，保证实现预拉力(初锚力)，并调整锚杆外端受力；④扭矩螺母实现快速机械安装结构；⑤有醒目的标志直观显示安装施工质量。⑥配套的新型附件性能优越，包括顶板用M型钢带和帮用的Ⅱ型轻型带钢，前者是针对W型钢带易撕裂、抗弯模量小的缺陷，经过断面形状优化产生的高翼缘结构；后者是针对钢筋梯子梁焊点不牢，整体性差，与围岩接触困难的缺陷而开发出来的，用料省，整体力学性能好，它们都属于更新换代产品，有多种规格和多个系列。为了强调预拉力的作用，这种锚杆又称高性能预拉力锚杆。

2 小孔径预应力锚索

小孔径预应力锚索由预应力高强度钢绞线、专用托盘、锁具和锚固剂组成，其中钢绞线内锚固段需安设毛刺和挡环，以满足搅拌树脂和锚固要求。

2.1 锚索主要在复杂困难条件下作为加强支护用。与高性能锚杆支护相比，该种支护方式具有如下优点：①钻眼施工机具、锚固材料及搅拌方式沿用树脂锚杆相关技术，较传统的锚索大大简化了施工难度；②钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长，锚固深度大大提高，可以将6.0～9.0m以内的下部不稳定岩层锚固到上部稳定的岩层中，而目前的锚杆长度难以超过巷道高度；③专用设备施加预应力，预紧力大小随意可调，可以及时主动支护围岩，而锚杆预拉力受钻机扭矩限制，目前不超过20～30kN。

2.2 锚杆和锚索联合支护解决了大量的煤巷支护技术难题，已作为经验在现场推广应用，并成为解决复杂条件的基本形式。但从使用效果看，尚存在一些问题：①由于外端头受力不良，实测钢绞线破断力一般在200kN左右，强度区别不明显；②钢绞线延伸率仅有3.5％，抗变形性能差，和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力；过高的预拉力必将进一步加剧锚杆和锚索的不同步承载现象，导致各个击破。③与围岩点接触，软弱岩体受点载荷时，顶板强化效果不明显。

3 钢绞线预应力桁架

顶板的离层破坏从根本上讲是层状顶板的不协调变形，在相同或相近的受力状态下，下位岩体常常表现出更大的弯曲变形，即离层。控制离层或从根本上消除离层的最直接最有效手段是在高预拉力锚杆支护的基础上，进一步强化低位岩体的力学性能，改善其受力状态，美国开发的高预拉力钢绞线桁架系统，将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和支护结构的基础，通过高强度的预应力钢绞线传递张拉力，直接作用于顶板浅部围岩，它大大简化了普通锚杆桁架所必须的复杂结构，并由专用机具实现初张力。该种支护形式可以在顶板未出现离层时强化顶板，减少变形；出现离层时，形成可靠的兜护效应，阻止巷道顶板冒漏，确保巷道的安全使用。

钢绞线预应力桁架与锚索支护所用材料和施工机具工艺十分接近，由预应力高强度钢绞线、锁具和锚固剂组成，另需配置专用桁架连接器，施加预拉力的机具和锚索通用。但作用方式较锚索有很大改进：①内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，而锚索内锚固点在巷道正上方，可能随顶板垮落而失效；②与围岩的作用特点和效果不同，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，松散破碎顶板受力状态好；同时桁架施加的水平预紧力可以改善顶板的应力状态，在巷道顶板内产生一对对称弯矩，消除了由于顶板弯曲而产生的拉应力区，完全变为压应力状态，使巷道顶板产生向上的垂直位移，使顶板的下沉量被抵消，因而可以消除离层，这对改善顶板的稳定性有着重要的作用。③钢绞线抗剪性能强，能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；④受力随顶板岩体弯曲，两帮锚固点内移，能形成闭锁结构，受力增加较慢，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；⑤锚固深度一般不需超过3.0～4.0m，施工方便。

因此，钢绞线桁架系统能够解决厚层复合破碎顶板(不稳定层厚累计超过5.0m)、高水平地应力、松散煤层顶板等条件下的支护难题，弥补锚索支护的不足，该种支护方式在大排距(超过两排锚杆)下可以防止顶板垮落，加密排距(小于两排锚杆)可以进一步控制变形。

4 组合支护

两种以上的主动式支护方式的联合即组合支护，常见的是预拉力锚杆和预拉力锚索的组合支护，已有大量的工程实践；高性能预拉力锚杆和钢绞线预应力桁架的联合支护国内刚开始试用，在高地应力厚层复合顶板条件下控制巷道变形和防止顶板离层方面已较锚杆锚索组合支护显示巨大的优越性。组合支护的关键是同步承载和刚度匹配问题，应该指出的是锚索的使用是有误区的，部分设计锚索初张力不低于100～120kN，使围岩初期的变形压力完全集在锚索钢绞线上，不能和锚杆支护有机组合，起不到联合支护的作用。按目前的技术水平，高性能锚杆预拉力仅不超过20～30kN，因而锚索和桁架的预拉力一般不应超过60～80kN，才能形成同步承载。

5 结束语

由以上分析可见，煤巷锚杆主动支护体系包括三种基本形式，他们的共同点是都具有预拉力，在施工安装完成后即和围岩产生一个显著的相互作用力，这里锚杆是支护系统的主要构件和基础，因此把它称之为预拉力(锚杆)支护体系，这是真正意义上的主动支护体系，它解决的很多复杂的支护问题是其它锚杆支护技术所无法完成的。