我國煤礦錨杆技術發展現狀及改進策略

我國煤礦錨杆技術發展現狀及改進策略

導言

摘 要：我國煤礦錨杆技術經過多年的研究實踐，在施工領域取得了很大進展，現已提出多種錨杆支護理論，但其理論都不同程度存在局限性，片麵性，不合理性和不可操作性，通過“十．一五”期間煤礦企業的科技興企，科技興安戰略，提出了適合我國錨杆技術迅猛發展的對策。

一、我國煤礦錨杆支護技術的發展階段

我國煤礦錨杆支護技術的發展，總體分為三個階段：

第一階段:是新中國成立之後的十年時 間，當時主要采用的技術是機械端錨和鋼絲繩砂漿無托板錨杆，在岩石掘進巷道中取得了成功。但在破碎岩層中卻不適用，經常導致冒頂事故的發生，客觀的影響了當時技術水平的發展。

第二階段:在上世紀70年代到80年代間，當時國家的“七五”和“八五”科技攻關把錨杆支護研究定為軟岩支護方向之一。該技術被應用於山東龍口，遼寧調兵山，內蒙大雁，青海大通等多個礦區，基本解決了煤礦掘進支護中的一般問題，並且進入了以金屬網、鋼帶、錨杆配合的多元化時代，但因圍岩和錨杆體係還不能共同協調載荷，限製了錨杆技術的進一步應用。

第三階段:在“九五”期間，我國錨杆技術發展進入了高強度預應力錨杆體係新階段，錨杆技術被列為重大科技攻關項目之一，在錨杆中采用高強度超長錨杆，桁架錨杆支護，錨杆支護監測儀器，錨杆材質，液壓錨杆鑽機等多項新技術，並且引進了澳大利亞錨杆支護技術，取得了明顯的支護效果。

二、我國煤礦錨杆支護技術目前存在的問題

我國錨杆技術經過多年不懈努力研究，在技術與施工領域取得了很大進展。可是與世界主要產煤國家如美國、英國、澳大利亞等國相比較，錨杆支護技術在發展中還存在一些問題。其自身存在可靠性、安全性較差；機械用具可靠性不高，設備不配套；材料不配套、不過關；錨杆檢測儀器和檢測技術的監測手段都不完善等問題。現對我國錨杆技術發展過程中所存在的問題進行深入分析，並相應地提出優化策略，以期進一步推動我國錨杆技術的推廣和使用。

（一）錨杆支護中預應力普遍偏低

目前，我國錨杆技術已有較大發展，但對於深部及複雜困難巷道，高強度錨杆支護效果差，成本高，很難滿足巷道掘進要求。具體主要表現在以下兩個方麵：

1、在支護理論方麵，還缺乏對高應力與複雜地質環境下巷道圍岩與支護體相互作用機理係統的研究。

2、在支護材料方麵，現有錨杆與錨索支護係統的剛度與強度低，支護係統剛度小，預應力低，強度不高，抗衝擊性能差，造成錨杆拉斷或整體失效；錨索直徑小、強度低、延伸率低，與鑽孔匹配性差，經常出現錨索被拉斷或整體滑動。

因此，發展高性能高預應力錨杆支護可以解決大量的技術難題，在很大程度上可以替代目前廣泛采用的錨杆錨索組合支護，能夠及時較好的加固圍岩，提高技術含量。

（二）錨杆及其附件加工不規範

錨杆本身和螺紋部分不等強。雖然錨杆本身強度高，可在螺紋加工時采用先刨平再滾絲的加工方法，造成螺紋部分強度大打折扣，降低了錨杆整體的強度，沒有產生與杆體強度匹配的高錨固力。在監測錨杆錨固力時就曾出現過錨杆杆體與螺紋結合處的頸縮而最終斷裂的現象。

加工的托盤成品普遍粗糙，強度偏低。造成錨杆，螺帽，托盤之間的不良麵接觸，點接觸或線接觸，使錨杆的兩個減磨墊片不能發揮其最佳作用，既影響錨杆的受力平衡，不能達到錨杆的高預應力，又不能很好的顯示錨杆的安裝質量。

（三）錨杆施工機具發展落後

雖然我國電動、風動、液壓錨杆鑽機都在使用，但性能結構不盡合理，零部件質量和整機性能都需進一步提高。錨杆機的型號開發了40多種，但適於井下巷道且可靠性較好的隻有3-4種產品。隨著開采巷道加深，巷道壓力也在不斷增大，對錨杆支護提出了新的考驗。對於高性能高預應力的錨杆支護是解決深部巷道支護的最好方法，現在我國錨杆機的輸出扭矩數值遠不能滿足高預應力錨杆一次性快速安裝的需求。為了解決工作中的實際問題，應探索研究新的錨杆鑽眼設備，其主要技術要求是適用性強，鑽眼速度快，推力大，輸出扭矩大，使用壽命長等特點。

（四）發展新型掘錨機具

對於效率方麵，發展掘錨新機具也是一個提高的方法。就目前的施工工藝而言，影響快速掘進的主要因素有兩方麵：一是掘進機割煤速度的快慢，二是錨杆機打眼安裝速度的快慢。這種方法的主要矛盾是掘進工作麵的開機率較低，一般在30％以下，支護時間過長，跟不上機掘速度，影響單進水平的提高。因此發展掘錨聯合機組，實現“掘支錨一體化”平行作業，將是加快煤巷錨杆支護單進速度的有效手段。它將是我國煤巷快速掘進方向的又一提高。

（五）錨杆監測儀器與監測技術不健全

錨杆支護監測技術及設計方法的研究是錨杆支護實施於井下後，要進行綜合監測，以驗證初始設計的合理性和可靠性，並為修正初始設計提供依據。我國十分重視錨杆支護的監測工作，先後研製出了一些監測與檢測儀器，但性能不高，功能不全，還未形成係列配套的綜合檢測技術。因此，進一步加強這方麵的研究工作，將為我國煤礦錨杆支護技術的發展提供安全保障。

三、我國煤礦錨杆支護技術的改進策略

為了有效地改進錨杆支護技術情況，提高煤岩巷錨杆支護的技術水平，提出以下改進方法。

（一）發展全預應力金屬錨杆

全預應力螺紋鋼錨杆機械錨固裝置結構。全預應力金屬錨杆結構的杆身由螺紋鋼製作，杆身的頭部有螺紋，用螺母配合托盤緊固，其特征是杆身的尾部加工螺紋，依次裝配上限位螺母，套上帶有倒刺和槽縫的脹殼，裝配上帶有內螺紋的圓台形錨芯，錨芯上有銷孔，插上限位銷，用以限定錨芯與杆尾的初裝位置。杆體頭部加工螺紋，用螺母和托盤緊固，螺母采用鑄造六方形大螺母，保證與托盤接觸麵積大。使用時通過轉動設備轉動杆體前進，直至錨芯到達眼底後，錨芯頂住眼底不再轉動，而杆體繼續向錨芯旋進，將限位銷破壞後，脹殼即套在錨芯外麵，使脹殼槽縫脹開，倒刺與鑽孔壁擠緊，之後再上托盤，用六方大螺母進行緊固，使錨杆產生預應力。而且在緊固過程中，錨尾繼續向錨芯旋進，在錨杆全長形成可達20-100kn 的預緊力。此種方法對改變預應力有很大作用。（圖略）

（二）新型異型錨杆托盤的設計及其應用

新型異型錨杆托盤的設計和使用。設計的新型異型錨杆托盤選用A3鋼板，鋼板厚度為10mm，托盤高度為36mm，麵積為0.01m2。其加工方法為：利用企業自行改製的100t壓力機作為動力源，先將標準的異型錨杆鋼模固定在壓力機的活塞柱上，將標準尺寸的A3鋼板固定在壓力機的底板上，通過壓力機對鋼板的反複擠壓達到產品的設計規範及技術要求。在某井下靠近巷道高幫肩窩處的頂部為期2個月的現場觀測發現，使用新型異型錨杆托盤後，該位置的錨杆受力狀態得到了明顯改善，錨杆托盤與頂板圍岩能夠緊貼；沒有出現錨杆彎曲及絲扣損壞的現象，該範圍頂板也未出現變形破壞的現象。現場對該新型異型錨杆托盤進行的拉拔力試驗表明，當拉拔力達到10t以上時，新型異型錨杆托盤未出現變形或損壞的現象。實踐證明，所研製的新型異型錨杆托盤不論在承載強度上還是受力結構上都能與傾斜錨杆達到理想的匹配效果。 新異型錨杆托盤示意圖 傾斜巷道錨杆支護與其配套異型托盤支護效果圖

（三）改進錨杆施工施工機具

傳統掘進工藝中，采用YT-24型風鑽打頂板錨杆眼，采用ZMS60型風煤鑽打幫錨杆眼，風動錨杆安裝器攪拌安裝錨杆，人力扳手預緊。根據現場圍岩情況，在頂板為砂岩的情況下，應用MYT-120型液壓錨杆鑽機進行頂板錨杆眼的鑽孔、頂板錨杆的攪拌安裝；在頂板為頁岩時，采用MQT-120型風動錨杆鑽機進行頂板錨杆眼的鑽孔、頂板錨杆的攪拌安裝。緊固螺母采用風炮。在煤巷、 半煤巷，幫部則采用7665型風鑽鑽孔，采用防突鑽機攪拌安裝錨杆，緊固螺母采用2600型氣動扳手。同時，錨杆使用機械安裝，安裝可靠性高，避免了人工操作的隨意性，保證了安裝質量。避免了過去錨杆使用扳手人工緊固時隨意性強，難以保證足夠的預緊力等問題。

（四）新型掘錨機的研製及應用

工作原理和主要結構：掘錨機的主體采用掘進機成熟的功能和結構，改進處將截割部和液壓係統進行了優化，以適應鑽錨機構的聯接和驅動。鑽錨機構為全液壓驅動，由各自獨立的左右頂錨杆機構，左右幫錨杆機構共四個鑽臂和支架組成，四個鑽臂聯接在機架上，機架再與掘進機截割部聯接，掘進機割煤時，鑽錨機構由油缸拉回布置在截割部的兩側和上部。進行鑽錨作業時，截割頭落地，鑽錨機構由油缸推出騎坐在截割部的左右。左右頂錨杆機構通過各種油缸來調整姿態，找準錨杆孔的位置。錨杆機由液壓馬達驅動，旋轉鑽孔，推進油缸和倍速機構推動錨杆機沿滑道行進，實現鑽錨作業。左右幫錨杆機構通過上下油缸來調整姿態，找準錨杆孔的位置，作業方式與頂錨杆機構相同。

掘錨機

（五）錨杆支護工程監測技術

錨杆支護構件受力的監測。煤炭科學研究總院開采所為配合煤巷錨杆支護技術發展，研製了多種錨杆支護質量檢測及安全監測儀器。這些儀器達到了進口產品的水平。用於安全監測儀器主要有，GYS-300型錨杆測力計、CM-200型測力錨杆等。監測錨杆受力的儀器主要有測力錨杆和錨杆測力計。

1、錨杆測力計

錨杆測力計用於監測錨杆在工作狀態下對岩壁的承托載荷，安設在錨杆托盤與岩壁之間，主要用於端頭錨固錨杆和錨索的受力監測。錨杆測力計分電阻應變式、鋼弦式、液壓枕式等多種形式。一般來說，電阻應變式精度高，鋼弦式測力計信號穩定，數據采集傳輸可實現自動化，液壓枕式測力計顯示直觀，使用方便。開采所最新研製了GYS-300型錨索測力計，該儀器針對煤巷錨索的特點設計，采用橋式剛體結構，電阻應變式原理，測量精度高，穩定性好。主要用於監測錨索工作阻力，也可用於錨杆受力測量。該儀器量程300KN，精度0.5%。

2、研製測力錨杆

CM-200型測力錨杆是一種具有特殊結構的測量錨杆，作為普通錨杆安裝在巷道中，但其杆體上各段的受力可以隨時測取。測力錨杆根據電阻應變原理製成，主要由杆體、保護接頭和YJK4500型多通道靜態電阻應變儀等部分組成。杆體選用特種高強度錨杆，在杆體兩側縱向全長開槽，槽內埋植12片（6對）應變片，測力錨杆受力後，杆體上各測點應變發生變化，應變增量的大小與該測點的應力成正比。由靜態電阻應變儀測出應變增量，應變增量乘以標定係數L，即為該點此次測量的應力值。每對應變片的應力值對應相加取平均值，即可得出各測點位置的平均應力，再乘以杆體橫斷麵積，即為該段杆體所受軸向力。該儀器量程200KN，分辨率0.01KN，精度+-2%。

四、結 束 語

隨著科技發展，錨杆產品已經進入了精細化管理的生產及錨杆支護檢測技術的完善之中，人們對錨杆支護作用機理認識的進一步深化，錨杆支護必將成為煤企支護的主要掘進方式。錨杆支護技術看是一項貌似簡單，實則複雜的係統工程，影響支護效果與成敗的因素很多發展，隻要我們認真對待，注重研究，錨杆支護將會迎來更加迅速發展的時期。