煤矿预应力锚固技术应用现状及趋势

赵海平

摘要：本文在介绍预应力锚固技术的理论基础与技术现状的基础上，结合具体应用实例，较全面地论述了我国煤矿预应力锚固技术的主要研究成果和最新进展，对临界支护强度、临界锚固长度、锚固力设计、锚杆（锚索）的类型及适应性、监测技术与安全评价等预应力锚固的关键技术进行了系统介绍，并对其发展方向进行了展望。

关键词：煤矿；预应力锚固技术；临界锚固；进展；关键技术

一、煤矿预应力锚固技术现状

从支护材料上来看，煤矿预应力锚固技术已经全面开始升级，尤其是在深井巷道维护中，直径21.8 mm高强度低松弛钢绞线锚索已经完全代替了直径15.24 mm和17.8 mm的钢绞线锚索。从锚固方式上来看，随着树脂药卷的推广，锚固方式已经由全长锚固、端锚已经基本完全过渡为加长锚。从服务时间上来看，煤矿的开拓类巷道的服务年限较长，甚至与整个矿井的服务年限相同，但对于回采巷道而言，其服务时间较短，一般不超过4a；但由于此类巷道需要承受支承压力的动压作用，极易造成锚固失效，所以设计时的安全系数必须取大值。

二、煤矿预应力锚固技术应用实例

（一）深井回采巷道

随着开采向深部发展，巷道围岩的工程现象和矿压显现也随之趋向复杂和恶化，特别是处于膨胀性岩体、泥质岩体遇水泥化等复杂条件下的巷道，矿井软岩变形强烈，支护难度大，一方面是由于绝对深度增大，地压升高造成的，更多是由于软、破围岩条件、采动影响、支护效能差及强度偏低等综合作用的结果。深部开采中巷道围岩控制难度增加不仅使矿井生产受到严重影响：巷道施工困难、持续变形、反复维护、维修成本甚至超出新掘巷道，制约了整个矿区的煤炭生产，而且还带来相当严重的安全隐患，顶板事故在煤矿事故中占近40%，在深部巷道中尤为突出。

预应力锚杆作为一种有效的支护手段，其最大的特点就是尽可能少的扰动被锚固的岩体，并通过锚固措施合理地提高可利用岩体的强度，并且能在应力剧烈变化影响下保持稳定的锚固力。所以预应力锚固技术是最为高效和经济的加固技术，得到了采矿业的高度重视，在大采高强动压巷道中得到了迅速的发展。以“三高”锚杆为依托的现代锚杆支护设计理念，通过优化巷道围岩应力场、强化锚杆支护承载性能、强化破裂围岩体强度、强化围岩承载结构极大的提高了围岩的稳定性。并且在保证了支护效果的前提下，显著提高了巷道掘进速度与工效。

（二）大断面的巷道、切眼、硐室

马头门是立井井筒通向井下平巷的咽喉，是矿井设计中支护最为困难的地方之一，近年来马头门破坏事故时有发生，严重影响了矿井的安全生产，造成了人员伤亡和大量的经济损失。造成马头门区域失稳破坏的原因是多方面的，而关键因素在于马头门区域的支护技术。马头门方向的变形位移在遇到马头门支护结构时就转化为作用于结构上的荷载。当马头门支护结构的强度不足时，首先就引起支护结构的破坏。使支护对围岩的抗力减小甚至丧失，加速了围岩变形，从而造成刚性连结结构和井壁连锁破坏。马头门后期重复维护一方面极易破坏井筒与硐室连接处岩体强度，造成井壁脱落，另一方面很影响正常生产。因此对待马头门支护要有足够的支护强度。

马头门附近采用全断面锚索方式加固，以锚索梁或桁架锚索的形式进行加固，配合注浆、充填喷浆以及浇筑钢筋砼，采用锚网喷注耦合组合支护方式的有效途径。通过合理设计支护参数，围岩稳定性明显增强，经实践观测硐室左右帮内移量、顶板下沉量、底鼓量都在容许变形范围之内，且都已稳定。

（三）沿空掘巷巷道

综放沿空巷道大多采用锚、索、网联合支护技术。实践证明，综放沿空锚杆支护巷道时尤其对于巷道顶板来说，受采动影响，煤矿小煤柱沿空巷道围岩必将发生大变形矿压显现，如其采用的是锚杆支护，则锚杆可能会承受较大的剪切变形，因而可能失去锚杆应承受拉伸应力的最佳作用功能，锚杆变形已不再是简单的拉伸状态，而是拉、剪、弯组合变形状态，这种剪切变形而引起的剪切应力可能接近或超过锚杆的许用剪切应力。如果支护方位参数设计不合理，锚杆可能会受显著剪切力作用，甚至可能会发生剪切断裂，因而失去锚杆原有的拉紧支护功能。在这类巷道的锚杆支护设计中，应该合理选择锚杆支护的方向，尤其是顶部锚杆的支护方向，避免锚杆发生剪切破断，尽量发挥锚杆的最大支护效能。

（四）无煤柱煤与瓦斯共采巷道的维控

采用预应力锚固技术的回采巷道尤其适用于综合机械化开采的快速推进，架棚支护的巷道必须提前将棚式支護的顶梁及至少回采侧的棚退替换掉，否则回采时采煤机难以进行截割工作，而替棚工作会增额外的重体力工作量并存在安全隐患。

三、煤矿预应力锚固技术展望

（一）支护材料的规格和力学性能全面升级：锚杆可采用屈服强度大于800MPa的超高强5级钢材热轧带肋无纵筋螺纹钢；锚索可采用直径27.8mm，屈服强度1860MPa型高强度低松弛钢绞线。

（二）随着深部软岩支护难度的进一步增加，对工作锚固力提出更高的要求，从锚固结构来看，要求锚固结构单孔单一构件向单孔多构件转变，即锚索束等。为了更好的支护效果，可以采用主动支护与被动支护相结合的方式，如先锚杆后架棚的高阻让压支护技术，或先架棚后锚固的施工安全技术，或喷浆、锚固、架棚、滞后注浆多工序的联合支护方法，经济有效。

（三）施工机具进一步标准化，针对底板凿孔施工难的特点，需研制推广特殊结构的转机。采用大推力机具，强功率预紧机具，高强护表构件等提高锚固施工效果。

（四）实现顶板实时在线监测技术，并与物联网传感技术相结合的远程监测预警技术，实现顶板动态管理，保证生产安全。

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