我国煤矿锚杆技术发展现状及改进策略

我国煤矿锚杆技术发展现状及改进策略

导言

摘 要：我国煤矿锚杆技术经过多年的研究实践，在施工领域取得了很大进展，现已提出多种锚杆支护理论，但其理论都不同程度存在局限性，片面性，不合理性和不可操作性，通过“十．一五”期间煤矿企业的科技兴企，科技兴安战略，提出了适合我国锚杆技术迅猛发展的对策。

一、我国煤矿锚杆支护技术的发展阶段

           我国煤矿锚杆支护技术的发展，总体分为三个阶段：

          第一阶段:是新中国成立之后的十年时                间，当时主要采用的技术是机械端锚和钢丝绳砂浆无托板锚杆，在岩石掘进巷道中取得了成功。但在破碎岩层中却不适用，经常导致冒顶事故的发生，客观的影响了当时技术水平的发展。

           第二阶段:在上世纪70年代到80年代间，当时国家的“七五”和“八五”科技攻关把锚杆支护研究定为软岩支护方向之一。该技术被应用于山东龙口，辽宁调兵山，内蒙大雁，青海大通等多个矿区，基本解决了煤矿掘进支护中的一般问题，并且进入了以金属网、钢带、锚杆配合的多元化时代，但因围岩和锚杆体系还不能共同协调载荷，限制了锚杆技术的进一步应用。

           第三阶段:在“九五”期间，我国锚杆技术发展进入了高强度预应力锚杆体系新阶段，锚杆技术被列为重大科技攻关项目之一，在锚杆中采用高强度超长锚杆，桁架锚杆支护，锚杆支护监测仪器，锚杆材质，液压锚杆钻机等多项新技术，并且引进了澳大利亚锚杆支护技术，取得了明显的支护效果。

二、我国煤矿锚杆支护技术目前存在的问题

            我国锚杆技术经过多年不懈努力研究，在技术与施工领域取得了很大进展。可是与世界主要产煤国家如美国、英国、澳大利亚等国相比较，锚杆支护技术在发展中还存在一些问题。其自身存在可靠性、安全性较差；机械用具可靠性不高，设备不配套；材料不配套、不过关；锚杆检测仪器和检测技术的监测手段都不完善等问题。现对我国锚杆技术发展过程中所存在的问题进行深入分析，并相应地提出优化策略，以期进一步推动我国锚杆技术的推广和使用。

（一）锚杆支护中预应力普遍偏低

           目前，我国锚杆技术已有较大发展，但对于深部及复杂困难巷道，高强度锚杆支护效果差，成本高，很难满足巷道掘进要求。具体主要表现在以下两个方面：

            1、在支护理论方面，还缺乏对高应力与复杂地质环境下巷道围岩与支护体相互作用机理系统的研究。

            2、在支护材料方面，现有锚杆与锚索支护系统的刚度与强度低，支护系统刚度小，预应力低，强度不高，抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效；锚索直径小、强度低、延伸率低，与钻孔匹配性差，经常出现锚索被拉断或整体滑动。

           因此，发展高性能高预应力锚杆支护可以解决大量的技术难题，在很大程度上可以替代目前广泛采用的锚杆锚索组合支护，能够及时较好的加固围岩，提高技术含量。

（二）锚杆及其附件加工不规范

           锚杆本身和螺纹部分不等强。虽然锚杆本身强度高，可在螺纹加工时采用先刨平再滚丝的加工方法，造成螺纹部分强度大打折扣，降低了锚杆整体的强度，没有产生与杆体强度匹配的高锚固力。在监测锚杆锚固力时就曾出现过锚杆杆体与螺纹结合处的颈缩而最终断裂的现象。

           加工的托盘成品普遍粗糙，强度偏低。造成锚杆，螺帽，托盘之间的不良面接触，点接触或线接触，使锚杆的两个减磨垫片不能发挥其最佳作用，既影响锚杆的受力平衡，不能达到锚杆的高预应力，又不能很好的显示锚杆的安装质量。

（三）锚杆施工机具发展落后

           虽然我国电动、风动、液压锚杆钻机都在使用，但性能结构不尽合理，零部件质量和整机性能都需进一步提高。锚杆机的型号开发了40多种，但适于井下巷道且可靠性较好的只有3-4种产品。随着开采巷道加深，巷道压力也在不断增大，对锚杆支护提出了新的考验。对于高性能高预应力的锚杆支护是解决深部巷道支护的最好方法，现在我国锚杆机的输出扭矩数值远不能满足高预应力锚杆一次性快速安装的需求。为了解决工作中的实际问题，应探索研究新的锚杆钻眼设备，其主要技术要求是适用性强，钻眼速度快，推力大，输出扭矩大，使用寿命长等特点。

（四）发展新型掘锚机具

           对于效率方面，发展掘锚新机具也是一个提高的方法。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的快慢，二是锚杆机打眼安装速度的快慢。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有效手段。它将是我国煤巷快速掘进方向的又一提高。

（五）锚杆监测仪器与监测技术不健全

          锚杆支护监测技术及设计方法的研究是锚杆支护实施于井下后，要进行综合监测，以验证初始设计的合理性和可靠性，并为修正初始设计提供依据。我国十分重视锚杆支护的监测工作，先后研制出了一些监测与检测仪器，但性能不高，功能不全，还未形成系列配套的综合检测技术。因此，进一步加强这方面的研究工作，将为我国煤矿锚杆支护技术的发展提供安全保障。

三、我国煤矿锚杆支护技术的改进策略

为了有效地改进锚杆支护技术情况，提高煤岩巷锚杆支护的技术水平，提出以下改进方法。

（一）发展全预应力金属锚杆

           全预应力螺纹钢锚杆机械锚固装置结构。全预应力金属锚杆结构的杆身由螺纹钢制作，杆身的头部有螺纹，用螺母配合托盘紧固，其特征是杆身的尾部加工螺纹，依次装配上限位螺母，套上带有倒刺和槽缝的胀壳，装配上带有内螺纹的圆台形锚芯，锚芯上有销孔，插上限位销，用以限定锚芯与杆尾的初装位置。杆体头部加工螺纹，用螺母和托盘紧固，螺母采用铸造六方形大螺母，保证与托盘接触面积大。使用时通过转动设备转动杆体前进，直至锚芯到达眼底后，锚芯顶住眼底不再转动，而杆体继续向锚芯旋进，将限位销破坏后，胀壳即套在锚芯外面，使胀壳槽缝胀开，倒刺与钻孔壁挤紧，之后再上托盘，用六方大螺母进行紧固，使锚杆产生预应力。而且在紧固过程中，锚尾继续向锚芯旋进，在锚杆全长形成可达20-100kn 的预紧力。此种方法对改变预应力有很大作用。（图略）

（二）新型异型锚杆托盘的设计及其应用

            新型异型锚杆托盘的设计和使用。设计的新型异型锚杆托盘选用A3钢板，钢板厚度为10mm，托盘高度为36mm，面积为0.01m2。其加工方法为：利用企业自行改制的100t压力机作为动力源，先将标准的异型锚杆钢模固定在压力机的活塞柱上，将标准尺寸的A3钢板固定在压力机的底板上，通过压力机对钢板的反复挤压达到产品的设计规范及技术要求。在某井下靠近巷道高帮肩窝处的顶部为期2个月的现场观测发现，使用新型异型锚杆托盘后，该位置的锚杆受力状态得到了明显改善，锚杆托盘与顶板围岩能够紧贴；没有出现锚杆弯曲及丝扣损坏的现象，该范围顶板也未出现变形破坏的现象。现场对该新型异型锚杆托盘进行的拉拔力试验表明，当拉拔力达到10t以上时，新型异型锚杆托盘未出现变形或损坏的现象。实践证明，所研制的新型异型锚杆托盘不论在承载强度上还是受力结构上都能与倾斜锚杆达到理想的匹配效果。    新异型锚杆托盘示意图      倾斜巷道锚杆支护与其配套异型托盘支护效果图

（三）改进锚杆施工施工机具

          传统掘进工艺中，采用YT-24型风钻打顶板锚杆眼，采用ZMS60型风煤钻打帮锚杆眼，风动锚杆安装器搅拌安装锚杆，人力扳手预紧。根据现场围岩情况，在顶板为砂岩的情况下，应用MYT-120型液压锚杆钻机进行顶板锚杆眼的钻孔、顶板锚杆的搅拌安装；在顶板为页岩时，采用MQT-120型风动锚杆钻机进行顶板锚杆眼的钻孔、顶板锚杆的搅拌安装。紧固螺母采用风炮。在煤巷、 半煤巷，帮部则采用7665型风钻钻孔，采用防突钻机搅拌安装锚杆，紧固螺母采用2600型气动扳手。同时，锚杆使用机械安装，安装可靠性高，避免了人工操作的随意性，保证了安装质量。避免了过去锚杆使用扳手人工紧固时随意性强，难以保证足够的预紧力等问题。    

（四）新型掘锚机的研制及应用

           工作原理和主要结构：掘锚机的主体采用掘进机成熟的功能和结构，改进处将截割部和液压系统进行了优化，以适应钻锚机构的联接和驱动。钻锚机构为全液压驱动，由各自独立的左右顶锚杆机构，左右帮锚杆机构共四个钻臂和支架组成，四个钻臂联接在机架上，机架再与掘进机截割部联接，掘进机割煤时，钻锚机构由油缸拉回布置在截割部的两侧和上部。进行钻锚作业时，截割头落地，钻锚机构由油缸推出骑坐在截割部的左右。左右顶锚杆机构通过各种油缸来调整姿态，找准锚杆孔的位置。锚杆机由液压马达驱动，旋转钻孔，推进油缸和倍速机构推动锚杆机沿滑道行进，实现钻锚作业。左右帮锚杆机构通过上下油缸来调整姿态，找准锚杆孔的位置，作业方式与顶锚杆机构相同。

掘锚机

（五）锚杆支护工程监测技术

          锚杆支护构件受力的监测。煤炭科学研究总院开采所为配合煤巷锚杆支护技术发展，研制了多种锚杆支护质量检测及安全监测仪器。这些仪器达到了进口产品的水平。用于安全监测仪器主要有，GYS-300型锚杆测力计、CM-200型测力锚杆等。监测锚杆受力的仪器主要有测力锚杆和锚杆测力计。   

1、锚杆测力计

           锚杆测力计用于监测锚杆在工作状态下对岩壁的承托载荷，安设在锚杆托盘与岩壁之间，主要用于端头锚固锚杆和锚索的受力监测。锚杆测力计分电阻应变式、钢弦式、液压枕式等多种形式。一般来说，电阻应变式精度高，钢弦式测力计信号稳定，数据采集传输可实现自动化，液压枕式测力计显示直观，使用方便。开采所最新研制了GYS-300型锚索测力计，该仪器针对煤巷锚索的特点设计，采用桥式刚体结构，电阻应变式原理，测量精度高，稳定性好。主要用于监测锚索工作阻力，也可用于锚杆受力测量。该仪器量程300KN，精度0.5%。

  

2、研制测力锚杆

           CM-200型测力锚杆是一种具有特殊结构的测量锚杆，作为普通锚杆安装在巷道中，但其杆体上各段的受力可以随时测取。测力锚杆根据电阻应变原理制成，主要由杆体、保护接头和YJK4500型多通道静态电阻应变仪等部分组成。杆体选用特种高强度锚杆，在杆体两侧纵向全长开槽，槽内埋植12片（6对）应变片，测力锚杆受力后，杆体上各测点应变发生变化，应变增量的大小与该测点的应力成正比。由静态电阻应变仪测出应变增量，应变增量乘以标定系数L，即为该点此次测量的应力值。每对应变片的应力值对应相加取平均值，即可得出各测点位置的平均应力，再乘以杆体横断面积，即为该段杆体所受轴向力。该仪器量程200KN，分辨率0.01KN，精度+-2%。

四、结 束 语

          随着科技发展，锚杆产品已经进入了精细化管理的生产及锚杆支护检测技术的完善之中，人们对锚杆支护作用机理认识的进一步深化，锚杆支护必将成为煤企支护的主要掘进方式。锚杆支护技术看是一项貌似简单，实则复杂的系统工程，影响支护效果与成败的因素很多发展，只要我们认真对待，注重研究，锚杆支护将会迎来更加迅速发展的时期。