淺談煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)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(nèi)蒙古、新疆等偏北或西北地區(qū)，但這些區(qū)域內(nèi)多數(shù)煤礦存在地質(zhì)條件較復(fù)雜的問題，也就給巷道和采場支護(hù)帶來不同程度的影響。此外，進(jìn)入“十二五”計劃以來，出于建立資源節(jié)約型和環(huán)境保護(hù)型社會的政治目標(biāo)，國家宏觀調(diào)整了煤炭剛性需求政策，使得煤炭行業(yè)提前進(jìn)入嚴(yán)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(yīng)做出相應(yīng)的政策調(diào)整，尤其是成本控制方面。在新的形勢下，研究錨桿支護(hù)技術(shù)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(hù)成效，而且能為煤炭控制成本做出卓越貢獻(xiàn)，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(chǎn)必不少的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)繼續(xù)加強錨桿支護(hù)研發(fā)力度。本文主要討論錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望。
　　1 錨桿技術(shù)的發(fā)展
　　1.1 國外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
　　自上個世紀(jì)40年代開始，西歐一些發(fā)達(dá)國家先后將錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于水利、交通等工程應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多次艱苦探索與經(jīng)驗總結(jié)，該技術(shù)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(shù)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(hù)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(hù)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(shù)的第一次翻新革命，從此樹脂錨桿在巷道支護(hù)中占據(jù)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(shè)計方案促進(jìn)了長錨桿的產(chǎn)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(jìn)。
　　1.2 國內(nèi)錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
　　我國錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展較晚，20世紀(jì)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(hù)方式。相對于國外，我國錨桿支護(hù)技術(shù)大體經(jīng)歷了起步、攻關(guān)、引進(jìn)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(chǔ)性研究，分析了其在煤礦中的適用情形；（2）1991～1995年的攻關(guān)階段，將錨桿支護(hù)確定為煤礦重點研發(fā)方向，并逐步推廣應(yīng)用于各種井型的礦井；（3）1996～1997年的引進(jìn)和消化階段，在引進(jìn)國外錨桿支護(hù)先進(jìn)技術(shù)與理論后，我國開展了針對國內(nèi)現(xiàn)狀的大規(guī)模試驗研究，從此擁有自主產(chǎn)權(quán)的成套錨桿技術(shù)在我國初步形成；（4）1998年至今的推廣提高階段，錨桿支護(hù)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(hù)，但仍落后于國外先進(jìn)水平，因此有廣闊的發(fā)展空間。
　　2 錨桿支護(hù)機理
　　錨桿支護(hù)的具體過程可簡述為：在掘進(jìn)巷道內(nèi)，基于圍巖性質(zhì)分析與施工設(shè)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(hù)方法，它是通過錨桿作用將巷道圍巖串成一個整體結(jié)構(gòu)，來改變圍巖的力學(xué)性質(zhì)和提高巷道的穩(wěn)定性，因此為一種主動支護(hù)方式。自錨桿支護(hù)理論相繼提出以來，錨桿支護(hù)體系逐漸完善，并來斷被運用于工程實踐中，根據(jù)實踐經(jīng)驗，錨桿支護(hù)機理可總結(jié)為：①懸吊作用。巷道開挖破壞了圍巖的平衡結(jié)構(gòu)，此時應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(nèi)層穩(wěn)定巖層上，從而達(dá)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(jié)構(gòu)作為整體存在，層間不易發(fā)生錯動，僅在應(yīng)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(guān)于量化工作還是難以確認(rèn)，也沒有相關(guān)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(nèi)形成一個不進(jìn)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(dāng)于在該處打上了點柱，因此就相當(dāng)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(hù)參數(shù)設(shè)計的方法。
　　3 錨桿巷道錨桿支護(hù)設(shè)計
　　目前的巷道錨桿支護(hù)設(shè)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(shè)計法），包含簡單的經(jīng)驗公式進(jìn)行設(shè)計；②理論計算法，通過實測圍巖力學(xué)參數(shù)，按錨桿支護(hù)理論進(jìn)行力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計錨桿支護(hù)參數(shù)的一種設(shè)計方法；③以計算機數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的設(shè)計方法；④監(jiān)測法，實質(zhì)上就是新奧法。在我國巷道錨桿支護(hù)設(shè)計中，第一類方法（工程類比法）應(yīng)用最為廣泛，包括基于圍巖松動圈理論的巷道支護(hù)設(shè)計建設(shè)和基于巷道圍巖穩(wěn)定性的錨桿支護(hù)設(shè)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(shù)值模擬法）是借助數(shù)字模擬軟件模擬巷道在特定邊界條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況的一種重要手段，它使得錨桿支護(hù)設(shè)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(hù)手段來控制圍巖變形和松弛。
　　結(jié)語
　　雖然錨桿支護(hù)技術(shù)在煤礦得到了廣泛的應(yīng)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(hù)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(hù)理論得以迅速發(fā)展。（2）錨桿支護(hù)作用機理的深入研究。雖然目前已有許多支護(hù)理論，但是煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變，現(xiàn)有的支護(hù)理論仍然不夠系統(tǒng)全面，還需要進(jìn)行深入細(xì)致研究。（3）錨固體變形機理及結(jié)構(gòu)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(hù)整體結(jié)構(gòu)形式，還應(yīng)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(jié)構(gòu)的性能特點及其適應(yīng)性。（4）加強對巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試儀器的開發(fā)。合理的巷道支護(hù)方式，離不開對巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的了解，缺乏了這些參數(shù)，支護(hù)設(shè)計的合理性和可靠性就難以保證，故應(yīng)該加強對此類儀器的研究與開發(fā)，使得巷道支護(hù)的參數(shù)有更精確的數(shù)據(jù)可以參考。