煤礦預應力錨固技術應用現狀及趨勢

趙海平

摘要：本文在介紹預應力錨固技術的理論基礎與技術現狀的基礎上，結合具體應用實例，較全面地論述了我國煤礦預應力錨固技術的主要研究成果和最新進展，對臨界支護強度、臨界錨固長度、錨固力設計、錨桿（錨索）的類型及適應性、監測技術與安全評價等預應力錨固的關鍵技術進行了系統介紹，并對其發展方向進行了展望。

關鍵詞：煤礦；預應力錨固技術；臨界錨固；進展；關鍵技術

一、煤礦預應力錨固技術現狀

從支護材料上來看，煤礦預應力錨固技術已經全面開始升級，尤其是在深井巷道維護中，直徑21.8 mm高強度低松弛鋼絞線錨索已經完全代替了直徑15.24 mm和17.8 mm的鋼絞線錨索。從錨固方式上來看，隨著樹脂藥卷的推廣，錨固方式已經由全長錨固、端錨已經基本完全過渡為加長錨。從服務時間上來看，煤礦的開拓類巷道的服務年限較長，甚至與整個礦井的服務年限相同，但對于回采巷道而言，其服務時間較短，一般不超過4a；但由于此類巷道需要承受支承壓力的動壓作用，極易造成錨固失效，所以設計時的安全系數必須取大值。

二、煤礦預應力錨固技術應用實例

（一）深井回采巷道

隨著開采向深部發展，巷道圍巖的工程現象和礦壓顯現也隨之趨向復雜和惡化，特別是處于膨脹性巖體、泥質巖體遇水泥化等復雜條件下的巷道，礦井軟巖變形強烈，支護難度大，一方面是由于絕對深度增大，地壓升高造成的，更多是由于軟、破圍巖條件、采動影響、支護效能差及強度偏低等綜合作用的結果。深部開采中巷道圍巖控制難度增加不僅使礦井生產受到嚴重影響：巷道施工困難、持續變形、反復維護、維修成本甚至超出新掘巷道，制約了整個礦區的煤炭生產，而且還帶來相當嚴重的安全隱患，頂板事故在煤礦事故中占近40%，在深部巷道中尤為突出。

預應力錨桿作為一種有效的支護手段，其最大的特點就是盡可能少的擾動被錨固的巖體，并通過錨固措施合理地提高可利用巖體的強度，并且能在應力劇烈變化影響下保持穩定的錨固力。所以預應力錨固技術是最為高效和經濟的加固技術，得到了采礦業的高度重視，在大采高強動壓巷道中得到了迅速的發展。以“三高”錨桿為依托的現代錨桿支護設計理念，通過優化巷道圍巖應力場、強化錨桿支護承載性能、強化破裂圍巖體強度、強化圍巖承載結構極大的提高了圍巖的穩定性。并且在保證了支護效果的前提下，顯著提高了巷道掘進速度與工效。

（二）大斷面的巷道、切眼、硐室

馬頭門是立井井筒通向井下平巷的咽喉，是礦井設計中支護最為困難的地方之一，近年來馬頭門破壞事故時有發生，嚴重影響了礦井的安全生產，造成了人員傷亡和大量的經濟損失。造成馬頭門區域失穩破壞的原因是多方面的，而關鍵因素在于馬頭門區域的支護技術。馬頭門方向的變形位移在遇到馬頭門支護結構時就轉化為作用于結構上的荷載。當馬頭門支護結構的強度不足時，首先就引起支護結構的破壞。使支護對圍巖的抗力減小甚至喪失，加速了圍巖變形，從而造成剛性連結結構和井壁連鎖破壞。馬頭門后期重復維護一方面極易破壞井筒與硐室連接處巖體強度，造成井壁脫落，另一方面很影響正常生產。因此對待馬頭門支護要有足夠的支護強度。

馬頭門附近采用全斷面錨索方式加固，以錨索梁或桁架錨索的形式進行加固，配合注漿、充填噴漿以及澆筑鋼筋砼，采用錨網噴注耦合組合支護方式的有效途徑。通過合理設計支護參數，圍巖穩定性明顯增強，經實踐觀測硐室左右幫內移量、頂板下沉量、底鼓量都在容許變形范圍之內，且都已穩定。

（三）沿空掘巷巷道

綜放沿空巷道大多采用錨、索、網聯合支護技術。實踐證明，綜放沿空錨桿支護巷道時尤其對于巷道頂板來說，受采動影響，煤礦小煤柱沿空巷道圍巖必將發生大變形礦壓顯現，如其采用的是錨桿支護，則錨桿可能會承受較大的剪切變形，因而可能失去錨桿應承受拉伸應力的最佳作用功能，錨桿變形已不再是簡單的拉伸狀態，而是拉、剪、彎組合變形狀態，這種剪切變形而引起的剪切應力可能接近或超過錨桿的許用剪切應力。如果支護方位參數設計不合理，錨桿可能會受顯著剪切力作用，甚至可能會發生剪切斷裂，因而失去錨桿原有的拉緊支護功能。在這類巷道的錨桿支護設計中，應該合理選擇錨桿支護的方向，尤其是頂部錨桿的支護方向，避免錨桿發生剪切破斷，盡量發揮錨桿的最大支護效能。

（四）無煤柱煤與瓦斯共采巷道的維控

采用預應力錨固技術的回采巷道尤其適用于綜合機械化開采的快速推進，架棚支護的巷道必須提前將棚式支護的頂梁及至少回采側的棚退替換掉，否則回采時采煤機難以進行截割工作，而替棚工作會增額外的重體力工作量并存在安全隱患。

三、煤礦預應力錨固技術展望

（一）支護材料的規格和力學性能全面升級：錨桿可采用屈服強度大于800MPa的超高強5級鋼材熱軋帶肋無縱筋螺紋鋼；錨索可采用直徑27.8mm，屈服強度1860MPa型高強度低松弛鋼絞線。

（二）隨著深部軟巖支護難度的進一步增加，對工作錨固力提出更高的要求，從錨固結構來看，要求錨固結構單孔單一構件向單孔多構件轉變，即錨索束等。為了更好的支護效果，可以采用主動支護與被動支護相結合的方式，如先錨桿后架棚的高阻讓壓支護技術，或先架棚后錨固的施工安全技術，或噴漿、錨固、架棚、滯后注漿多工序的聯合支護方法，經濟有效。

（三）施工機具進一步標準化，針對底板鑿孔施工難的特點，需研制推廣特殊結構的轉機。采用大推力機具，強功率預緊機具，高強護表構件等提高錨固施工效果。

（四）實現頂板實時在線監測技術，并與物聯網傳感技術相結合的遠程監測預警技術，實現頂板動態管理，保證生產安全。

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