淺談煤礦錨桿支護技術現(xiàn)狀與展望

引言
　　我國已探明的煤炭資源儲備豐富，集中分布在兩淮、山西、陜西、內蒙古、新疆等偏北或西北地區(qū)，但這些區(qū)域內多數煤礦存在地質條件較復雜的問題，也就給巷道和采場支護帶來不同程度的影響。此外，進入“十二五”計劃以來，出于建立資源節(jié)約型和環(huán)境保護型社會的政治目標，國家宏觀調整了煤炭剛性需求政策，使得煤炭行業(yè)提前進入嚴峻考驗與挑戰(zhàn)并存的局面。因此，煤炭企業(yè)為了發(fā)展需要也應做出相應的政策調整，尤其是成本控制方面。在新的形勢下，研究錨桿支護技術仍然具有實用價值，在某些情況下，它不僅能夠明顯改善巷道支護成效，而且能為煤炭控制成本做出卓越貢獻，同時還能降低工人勞動強度并提高工作效率，是現(xiàn)代化礦井高效和節(jié)約生產必不少的關鍵技術之一，應繼續(xù)加強錨桿支護研發(fā)力度。本文主要討論錨桿支護技術的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望。
　　1 錨桿技術的發(fā)展
　　1.1 國外錨桿支護技術發(fā)展現(xiàn)狀
　　自上個世紀40年代開始，西歐一些發(fā)達國家先后將錨桿支護技術應用于水利、交通等工程應用領域。經過多次艱苦探索與經驗總結，該技術得到飛速發(fā)展，并逐漸在煤炭地下開采中開枝散葉。國外錨桿技術的發(fā)展歷程大致分為五個階段，大約以10年作為一個發(fā)展周期。（1）1945～1950年，機械式錨桿橫空出世，但存在錨固力低、支護剛度弱的缺點；（2）1950～1960年，機械式錨桿被廣泛運用于采礦業(yè)，針對該階段錨桿支護存在的缺陷人們開始著手新型錨桿的系統(tǒng)研究；（3）1960～1970年，樹脂藥卷的引入促成了錨桿技術的第一次翻新革命，從此樹脂錨桿在巷道支護中占據了一席之地；（4）1970～1980年，管縫式錨桿和水力賬管式錨桿相繼出現(xiàn)，新的錨桿設計方案促進了長錨桿的產生；（5）1980～1990年，發(fā)明了混合錨頭錨桿、組合錨桿、桁架錨桿及各種特種錨桿，樹脂錨固材料得到不斷改進。
　　1.2 國內錨桿支護技術發(fā)展現(xiàn)狀
　　我國錨桿支護技術發(fā)展較晚，20世紀中后期某些礦山才開始在煤巖巷和采區(qū)中使用錨桿支護方式。相對于國外，我國錨桿支護技術大體經歷了起步、攻關、引進消化和推廣提高四個階段。（1）80年代中后期的起步階段，我國開展了錨桿的基礎性研究，分析了其在煤礦中的適用情形；（2）1991～1995年的攻關階段，將錨桿支護確定為煤礦重點研發(fā)方向，并逐步推廣應用于各種井型的礦井；（3）1996～1997年的引進和消化階段，在引進國外錨桿支護先進技術與理論后，我國開展了針對國內現(xiàn)狀的大規(guī)模試驗研究，從此擁有自主產權的成套錨桿技術在我國初步形成；（4）1998年至今的推廣提高階段，錨桿支護比例有上升趨勢，且對于滿足其適用條件的巷道全部用錨桿支護，但仍落后于國外先進水平，因此有廣闊的發(fā)展空間。
　　2 錨桿支護機理
　　錨桿支護的具體過程可簡述為：在掘進巷道內，基于圍巖性質分析與施工設計，保持合理間距向巷道斷面打鉆，然后鉚入錨桿并注漿加固，以提高圍巖承載強度。錨桿不同于過去傳統(tǒng)的被動支護方法，它是通過錨桿作用將巷道圍巖串成一個整體結構，來改變圍巖的力學性質和提高巷道的穩(wěn)定性，因此為一種主動支護方式。自錨桿支護理論相繼提出以來，錨桿支護體系逐漸完善，并來斷被運用于工程實踐中，根據實踐經驗，錨桿支護機理可總結為：①懸吊作用。巷道開挖破壞了圍巖的平衡結構，此時應力重新分布，且巷道表面礦壓顯現(xiàn)最為突出。由于上覆巖層一般為沉積巖，表現(xiàn)為層次結構，錨桿的懸吊作用是將松動圈外圍失穩(wěn)巖層通過錨固力懸吊在內層穩(wěn)定巖層上，從而達到提高圍巖穩(wěn)定性的目的；②組合梁作用。上述懸吊作用在解釋非穩(wěn)定巖層現(xiàn)象時具有一定局限性，組合梁作用是對懸吊作用的補充，適用于厚度較薄的由連續(xù)多分層組成的圍巖，多分層通過錨桿作用，形成具有一定抗剪能力的巖石板梁，這種結構作為整體存在，層間不易發(fā)生錯動，僅在應力狀態(tài)下發(fā)生整體變形，因此提高了圍巖的穩(wěn)定性。在組合梁理論中，錨桿錨固力和圍巖強度是主要影響因素，但關于量化工作還是難以確認，也沒有相關資料作為證明或參考，例如巖層沿巷道縱向有裂縫時梁的連續(xù)性問題和梁的抗彎強度問題；③擠壓加固拱作用。在塊狀圍巖中，錨桿可將巷道周圍的危石彼此擠緊，對巖石起到擠壓加固作用，在圍巖周邊一定厚度的范圍內形成一個不進能維持自身穩(wěn)定，而且能阻止其上部圍巖松動和變形的加固拱，從而能保持巷道的穩(wěn)定性；④減少跨度的作用。巷道頂板打上錨桿，相當于在該處打上了點柱，因此就相當于把巷道頂板巖石懸露的跨度縮小了，從而提高了頂板巖層的抗彎曲能力，維持了頂板穩(wěn)定。這就是錨桿的減跨作用，這套理論實際上來源于錨桿的懸吊作用，但它同樣未能提供用于錨桿支護參數設計的方法。
　　3 錨桿巷道錨桿支護設計
　　目前的巷道錨桿支護設計方法基本上可歸納為四大類：①工程類比法（包括專家系統(tǒng)設計法），包含簡單的經驗公式進行設計；②理論計算法，通過實測圍巖力學參數，按錨桿支護理論進行力學分析，在此基礎上設計錨桿支護參數的一種設計方法；③以計算機數值模擬為基礎的設計方法；④監(jiān)測法，實質上就是新奧法。在我國巷道錨桿支護設計中，第一類方法（工程類比法）應用最為廣泛，包括基于圍巖松動圈理論的巷道支護設計建設和基于巷道圍巖穩(wěn)定性的錨桿支護設計方法；第二類方法（理論計算法）包括懸吊理論法、冒落拱理論法、組合梁理論法、組合拱理論法等；第三類方法（數值模擬法）是借助數字模擬軟件模擬巷道在特定邊界條件下的應力應變分布情況的一種重要手段，它使得錨桿支護設計更加合理可靠。新奧法則是基于圍巖自承能力分析，采用錨桿和噴射混凝土等支護手段來控制圍巖變形和松弛。
　　結語
　　雖然錨桿支護技術在煤礦得到了廣泛的應用，但是依然存在一些問題需要深入研究。
　?。?）巷道礦山壓力理論的深入研究。錨桿支護理論與巷道礦山壓力理論密不可分，目前的巷道礦山壓力理論可在一定的條件下解決實際問題。但它們只能夠定性的解釋問題，不能定量，不夠精確，在未來的發(fā)展中，這兩種理論必然會逐步精確化，使得錨桿支護理論得以迅速發(fā)展。（2）錨桿支護作用機理的深入研究。雖然目前已有許多支護理論，但是煤礦地質條件復雜多變，現(xiàn)有的支護理論仍然不夠系統(tǒng)全面，還需要進行深入細致研究。（3）錨固體變形機理及結構特性研究。目前對錨固體的研究還不是很多，為了探索適合惡劣條件下巷道圍巖控制的錨桿支護整體結構形式，還應該研究不同形式錨固體的變性特性及適用范圍，不同形式的錨固結構的性能特點及其適應性。（4）加強對巷道圍巖地質力學測試儀器的開發(fā)。合理的巷道支護方式，離不開對巷道圍巖地質力學參數的了解，缺乏了這些參數，支護設計的合理性和可靠性就難以保證，故應該加強對此類儀器的研究與開發(fā)，使得巷道支護的參數有更精確的數據可以參考。