我國煤礦錨桿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進策略

導(dǎo)言

摘 要：我國煤礦錨桿技術(shù)經(jīng)過多年的研究實踐，在施工領(lǐng)域取得了很大進展，現(xiàn)已提出多種錨桿支護理論，但其理論都不同程度存在局限性，片面性，不合理性和不可操作性，通過“十．一五”期間煤礦企業(yè)的科技興企，科技興安戰(zhàn)略，提出了適合我國錨桿技術(shù)迅猛發(fā)展的對策。

一、我國煤礦錨桿支護技術(shù)的發(fā)展階段

           我國煤礦錨桿支護技術(shù)的發(fā)展，總體分為三個階段：

          第一階段:是新中國成立之后的十年時                間，當(dāng)時主要采用的技術(shù)是機械端錨和鋼絲繩砂漿無托板錨桿，在巖石掘進巷道中取得了成功。但在破碎巖層中卻不適用，經(jīng)常導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生，客觀的影響了當(dāng)時技術(shù)水平的發(fā)展。

           第二階段:在上世紀70年代到80年代間，當(dāng)時國家的“七五”和“八五”科技攻關(guān)把錨桿支護研究定為軟巖支護方向之一。該技術(shù)被應(yīng)用于山東龍口，遼寧調(diào)兵山，內(nèi)蒙大雁，青海大通等多個礦區(qū)，基本解決了煤礦掘進支護中的一般問題，并且進入了以金屬網(wǎng)、鋼帶、錨桿配合的多元化時代，但因圍巖和錨桿體系還不能共同協(xié)調(diào)載荷，限制了錨桿技術(shù)的進一步應(yīng)用。

           第三階段:在“九五”期間，我國錨桿技術(shù)發(fā)展進入了高強度預(yù)應(yīng)力錨桿體系新階段，錨桿技術(shù)被列為重大科技攻關(guān)項目之一，在錨桿中采用高強度超長錨桿，桁架錨桿支護，錨桿支護監(jiān)測儀器，錨桿材質(zhì)，液壓錨桿鉆機等多項新技術(shù)，并且引進了澳大利亞錨桿支護技術(shù)，取得了明顯的支護效果。

二、我國煤礦錨桿支護技術(shù)目前存在的問題

            我國錨桿技術(shù)經(jīng)過多年不懈努力研究，在技術(shù)與施工領(lǐng)域取得了很大進展。可是與世界主要產(chǎn)煤國家如美國、英國、澳大利亞等國相比較，錨桿支護技術(shù)在發(fā)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(shè)備不配套；材料不配套、不過關(guān)；錨桿檢測儀器和檢測技術(shù)的監(jiān)測手段都不完善等問題?，F(xiàn)對我國錨桿技術(shù)發(fā)展過程中所存在的問題進行深入分析，并相應(yīng)地提出優(yōu)化策略，以期進一步推動我國錨桿技術(shù)的推廣和使用。

（一）錨桿支護中預(yù)應(yīng)力普遍偏低

           目前，我國錨桿技術(shù)已有較大發(fā)展，但對于深部及復(fù)雜困難巷道，高強度錨桿支護效果差，成本高，很難滿足巷道掘進要求。具體主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

            1、在支護理論方面，還缺乏對高應(yīng)力與復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下巷道圍巖與支護體相互作用機理系統(tǒng)的研究。

            2、在支護材料方面，現(xiàn)有錨桿與錨索支護系統(tǒng)的剛度與強度低，支護系統(tǒng)剛度小，預(yù)應(yīng)力低，強度不高，抗沖擊性能差，造成錨桿拉斷或整體失效；錨索直徑小、強度低、延伸率低，與鉆孔匹配性差，經(jīng)常出現(xiàn)錨索被拉斷或整體滑動。

           因此，發(fā)展高性能高預(yù)應(yīng)力錨桿支護可以解決大量的技術(shù)難題，在很大程度上可以替代目前廣泛采用的錨桿錨索組合支護，能夠及時較好的加固圍巖，提高技術(shù)含量。

（二）錨桿及其附件加工不規(guī)范

           錨桿本身和螺紋部分不等強。雖然錨桿本身強度高，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，降低了錨桿整體的強度，沒有產(chǎn)生與桿體強度匹配的高錨固力。在監(jiān)測錨桿錨固力時就曾出現(xiàn)過錨桿桿體與螺紋結(jié)合處的頸縮而最終斷裂的現(xiàn)象。

           加工的托盤成品普遍粗糙，強度偏低。造成錨桿，螺帽，托盤之間的不良面接觸，點接觸或線接觸，使錨桿的兩個減磨墊片不能發(fā)揮其最佳作用，既影響錨桿的受力平衡，不能達到錨桿的高預(yù)應(yīng)力，又不能很好的顯示錨桿的安裝質(zhì)量。

（三）錨桿施工機具發(fā)展落后

           雖然我國電動、風(fēng)動、液壓錨桿鉆機都在使用，但性能結(jié)構(gòu)不盡合理，零部件質(zhì)量和整機性能都需進一步提高。錨桿機的型號開發(fā)了40多種，但適于井下巷道且可靠性較好的只有3-4種產(chǎn)品。隨著開采巷道加深，巷道壓力也在不斷增大，對錨桿支護提出了新的考驗。對于高性能高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護是解決深部巷道支護的最好方法，現(xiàn)在我國錨桿機的輸出扭矩數(shù)值遠不能滿足高預(yù)應(yīng)力錨桿一次性快速安裝的需求。為了解決工作中的實際問題，應(yīng)探索研究新的錨桿鉆眼設(shè)備，其主要技術(shù)要求是適用性強，鉆眼速度快，推力大，輸出扭矩大，使用壽命長等特點。

（四）發(fā)展新型掘錨機具

           對于效率方面，發(fā)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面：一是掘進機割煤速度的快慢，二是錨桿機打眼安裝速度的快慢。這種方法的主要矛盾是掘進工作面的開機率較低，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(fā)展掘錨聯(lián)合機組，實現(xiàn)“掘支錨一體化”平行作業(yè)，將是加快煤巷錨桿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）錨桿監(jiān)測儀器與監(jiān)測技術(shù)不健全

          錨桿支護監(jiān)測技術(shù)及設(shè)計方法的研究是錨桿支護實施于井下后，要進行綜合監(jiān)測，以驗證初始設(shè)計的合理性和可靠性，并為修正初始設(shè)計提供依據(jù)。我國十分重視錨桿支護的監(jiān)測工作，先后研制出了一些監(jiān)測與檢測儀器，但性能不高，功能不全，還未形成系列配套的綜合檢測技術(shù)。因此，進一步加強這方面的研究工作，將為我國煤礦錨桿支護技術(shù)的發(fā)展提供安全保障。

三、我國煤礦錨桿支護技術(shù)的改進策略

為了有效地改進錨桿支護技術(shù)情況，提高煤巖巷錨桿支護的技術(shù)水平，提出以下改進方法。

（一）發(fā)展全預(yù)應(yīng)力金屬錨桿

           全預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿機械錨固裝置結(jié)構(gòu)。全預(yù)應(yīng)力金屬錨桿結(jié)構(gòu)的桿身由螺紋鋼制作，桿身的頭部有螺紋，用螺母配合托盤緊固，其特征是桿身的尾部加工螺紋，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(nèi)螺紋的圓臺形錨芯，錨芯上有銷孔，插上限位銷，用以限定錨芯與桿尾的初裝位置。桿體頭部加工螺紋，用螺母和托盤緊固，螺母采用鑄造六方形大螺母，保證與托盤接觸面積大。使用時通過轉(zhuǎn)動設(shè)備轉(zhuǎn)動桿體前進，直至錨芯到達眼底后，錨芯頂住眼底不再轉(zhuǎn)動，而桿體繼續(xù)向錨芯旋進，將限位銷破壞后，脹殼即套在錨芯外面，使脹殼槽縫脹開，倒刺與鉆孔壁擠緊，之后再上托盤，用六方大螺母進行緊固，使錨桿產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。而且在緊固過程中，錨尾繼續(xù)向錨芯旋進，在錨桿全長形成可達20-100kn 的預(yù)緊力。此種方法對改變預(yù)應(yīng)力有很大作用。（圖略）

（二）新型異型錨桿托盤的設(shè)計及其應(yīng)用

            新型異型錨桿托盤的設(shè)計和使用。設(shè)計的新型異型錨桿托盤選用A3鋼板，鋼板厚度為10mm，托盤高度為36mm，面積為0.01m2。其加工方法為：利用企業(yè)自行改制的100t壓力機作為動力源，先將標(biāo)準的異型錨桿鋼模固定在壓力機的活塞柱上，將標(biāo)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復(fù)擠壓達到產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)范及技術(shù)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(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，使用新型異型錨桿托盤后，該位置的錨桿受力狀態(tài)得到了明顯改善，錨桿托盤與頂板圍巖能夠緊貼；沒有出現(xiàn)錨桿彎曲及絲扣損壞的現(xiàn)象，該范圍頂板也未出現(xiàn)變形破壞的現(xiàn)象?，F(xiàn)場對該新型異型錨桿托盤進行的拉拔力試驗表明，當(dāng)拉拔力達到10t以上時，新型異型錨桿托盤未出現(xiàn)變形或損壞的現(xiàn)象。實踐證明，所研制的新型異型錨桿托盤不論在承載強度上還是受力結(jié)構(gòu)上都能與傾斜錨桿達到理想的匹配效果。    新異型錨桿托盤示意圖      傾斜巷道錨桿支護與其配套異型托盤支護效果圖

（三）改進錨桿施工施工機具

          傳統(tǒng)掘進工藝中，采用YT-24型風(fēng)鉆打頂板錨桿眼，采用ZMS60型風(fēng)煤鉆打幫錨桿眼，風(fēng)動錨桿安裝器攪拌安裝錨桿，人力扳手預(yù)緊。根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，在頂板為砂巖的情況下，應(yīng)用MYT-120型液壓錨桿鉆機進行頂板錨桿眼的鉆孔、頂板錨桿的攪拌安裝；在頂板為頁巖時，采用MQT-120型風(fēng)動錨桿鉆機進行頂板錨桿眼的鉆孔、頂板錨桿的攪拌安裝。緊固螺母采用風(fēng)炮。在煤巷、 半煤巷，幫部則采用7665型風(fēng)鉆鉆孔，采用防突鉆機攪拌安裝錨桿，緊固螺母采用2600型氣動扳手。同時，錨桿使用機械安裝，安裝可靠性高，避免了人工操作的隨意性，保證了安裝質(zhì)量。避免了過去錨桿使用扳手人工緊固時隨意性強，難以保證足夠的預(yù)緊力等問題。    

（四）新型掘錨機的研制及應(yīng)用

           工作原理和主要結(jié)構(gòu)：掘錨機的主體采用掘進機成熟的功能和結(jié)構(gòu)，改進處將截割部和液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化，以適應(yīng)鉆錨機構(gòu)的聯(lián)接和驅(qū)動。鉆錨機構(gòu)為全液壓驅(qū)動，由各自獨立的左右頂錨桿機構(gòu)，左右?guī)湾^桿機構(gòu)共四個鉆臂和支架組成，四個鉆臂聯(lián)接在機架上，機架再與掘進機截割部聯(lián)接，掘進機割煤時，鉆錨機構(gòu)由油缸拉回布置在截割部的兩側(cè)和上部。進行鉆錨作業(yè)時，截割頭落地，鉆錨機構(gòu)由油缸推出騎坐在截割部的左右。左右頂錨桿機構(gòu)通過各種油缸來調(diào)整姿態(tài)，找準錨桿孔的位置。錨桿機由液壓馬達驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)鉆孔，推進油缸和倍速機構(gòu)推動錨桿機沿滑道行進，實現(xiàn)鉆錨作業(yè)。左右?guī)湾^桿機構(gòu)通過上下油缸來調(diào)整姿態(tài)，找準錨桿孔的位置，作業(yè)方式與頂錨桿機構(gòu)相同。

掘錨機

（五）錨桿支護工程監(jiān)測技術(shù)

          錨桿支護構(gòu)件受力的監(jiān)測。煤炭科學(xué)研究總院開采所為配合煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展，研制了多種錨桿支護質(zhì)量檢測及安全監(jiān)測儀器。這些儀器達到了進口產(chǎn)品的水平。用于安全監(jiān)測儀器主要有，GYS-300型錨桿測力計、CM-200型測力錨桿等。監(jiān)測錨桿受力的儀器主要有測力錨桿和錨桿測力計。   

1、錨桿測力計

           錨桿測力計用于監(jiān)測錨桿在工作狀態(tài)下對巖壁的承托載荷，安設(shè)在錨桿托盤與巖壁之間，主要用于端頭錨固錨桿和錨索的受力監(jiān)測。錨桿測力計分電阻應(yīng)變式、鋼弦式、液壓枕式等多種形式。一般來說，電阻應(yīng)變式精度高，鋼弦式測力計信號穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集傳輸可實現(xiàn)自動化，液壓枕式測力計顯示直觀，使用方便。開采所最新研制了GYS-300型錨索測力計，該儀器針對煤巷錨索的特點設(shè)計，采用橋式剛體結(jié)構(gòu)，電阻應(yīng)變式原理，測量精度高，穩(wěn)定性好。主要用于監(jiān)測錨索工作阻力，也可用于錨桿受力測量。該儀器量程300KN，精度0.5%。

  

2、研制測力錨桿

           CM-200型測力錨桿是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的測量錨桿，作為普通錨桿安裝在巷道中，但其桿體上各段的受力可以隨時測取。測力錨桿根據(jù)電阻應(yīng)變原理制成，主要由桿體、保護接頭和YJK4500型多通道靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等部分組成。桿體選用特種高強度錨桿，在桿體兩側(cè)縱向全長開槽，槽內(nèi)埋植12片（6對）應(yīng)變片，測力錨桿受力后，桿體上各測點應(yīng)變發(fā)生變化，應(yīng)變增量的大小與該測點的應(yīng)力成正比。由靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測出應(yīng)變增量，應(yīng)變增量乘以標(biāo)定系數(shù)L，即為該點此次測量的應(yīng)力值。每對應(yīng)變片的應(yīng)力值對應(yīng)相加取平均值，即可得出各測點位置的平均應(yīng)力，再乘以桿體橫斷面積，即為該段桿體所受軸向力。該儀器量程200KN，分辨率0.01KN，精度+-2%。

四、結(jié) 束 語

          隨著科技發(fā)展，錨桿產(chǎn)品已經(jīng)進入了精細化管理的生產(chǎn)及錨桿支護檢測技術(shù)的完善之中，人們對錨桿支護作用機理認識的進一步深化，錨桿支護必將成為煤企支護的主要掘進方式。錨桿支護技術(shù)看是一項貌似簡單，實則復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響支護效果與成敗的因素很多發(fā)展，只要我們認真對待，注重研究，錨桿支護將會迎來更加迅速發(fā)展的時期。