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煤巷锚杆支护技术发展状况及锚杆支护理论中国矿业大学主要参考书基本内容一锚网支护的技术经济优越性二国内外煤巷锚杆支护技术发展概状及比较二煤巷锚杆支护理论一锚杆支护的技术经济优越性锚杆支护技术是我国煤矿继综采技术之后的第二次重大技术革命，已成为建设“高产高效”矿井所必须的三大支撑技术。经济上：初期投入低、直接成本低技术上：（1）由被动支护变为主动支护（2）劳动强度低、施工方便（3）辅助运输简单（4）工作面超前维护简单煤矿顶板控制及巷道支护在煤矿生产中占有极其重要的位置，对矿井生产、安全、经济效益极为重要全国每年掘进煤巷15000多公里，构成运输、通风、排水、行人等煤矿主要生产系统和通道；巷道成本约占吨煤直接生产成本的1/3；巷道支护状况从根本上制约着矿井的机械化程度和回采效率；因支护原因产生的顶板事故占矿井生产事故的20%以上；棚式支护和锚杆支护的对比棚式支护：严重制约着矿井的高效生产和安全被动支护，不能及时对顶板起作用不适应采动影响，支架变形、损坏严重变形量达到500~2000mm以上，不能保证必需的空间与综掘机不配套，掘进速度慢，劳动强度大端头处理难度大，速度慢，严重阻碍综采面推进锚杆支护：保障高产高效主动加固，充分利用围岩自身的稳定性和强度根本消除棚式支护空顶产生的瓦斯积聚、煤层自燃等隐患巷道变形量仅为同类条件棚式支护的1/2左右支护成本节约1/3以上与综机配套组成掘、支、运机械化作业线，单进大幅提高端头处理简单，能保障大功率设备正常工作，工作面快速推进，单产显著提高因此，锚杆支护比棚式支护具有显著的综合效益和技术优势，是国内外公认的煤巷支护技术发展方向。随着瓦斯治理技术的进步，三软煤层条件下矿井机械化程度不断提高，设备的大型化要求巷道断面越来越大，只有锚杆支护才能适应和满足这一要求。在巷道支护中，锚杆支护与传统棚式支护相比，具有显著技术、经济优越性。这主要表现在以下几个方面：（1）锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体；（2）棚式支护属于“被动”支护，支护初期基本上不具有支护阻力，只是在围岩变形后，随着围岩变形的增加，支架支护阻力随之增加。锚杆支护属于“主动”支护，锚杆安装后，锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力，且随围岩变形支护阻力不断增加；（3）与棚式支护相比，锚杆支护更有利于改善巷道的维护状况，保持巷道围岩的长期稳定，在相同的生产地质条件下，锚杆支护巷道的围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上；（4）锚杆支护可以节约大量钢材，减少支护材料的运输和装卸支架工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；（5）由于锚杆支护巷道围岩稳定性好，巷道服务期间基本不需要维修，因而能够保持两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；（6）锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。随着锚杆支护技术不断发展与完善，目前已逐渐成为煤巷的一种主要支护形式。一些主要产煤国家，如美国、英国及澳大利亚等，其煤巷锚杆支护比例已达到80％以上。我国自80年代后期开展煤巷锚杆支护技术以来，经过十多年的努力，使该项技术逐渐为人们所接受。特别是90年代以来，煤巷锚杆支护技术在我国得到迅速发展，有些矿区煤巷锚杆支护比例已经达到80％以上，取得了很好的技术经济效果。二国内外煤巷锚杆支护技术发展概状及比较１．国外锚杆支护的发展概状2．我国锚杆支护的发展概状3．国内外煤巷锚杆支护技术比较１．国外锚杆支护的发展概状40年代在国外得到了迅速发展，主要历程：1945～1950：机械式锚杆的研究与应用1950～1960：采矿业广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究1960～1970：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命，树脂锚杆在矿山得到应用1970～1980：发明管缝式锚杆、水力账管式锚杆并应用，研究锚杆新的设计方法，长锚索产生1980～1990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进美国美国是世界第二大煤炭生产国（仅次于中国），但按连续采煤机和顶板锚杆机的数量来分析，它的煤矿机械化程度最高。美国840个井工矿几乎全部采用连续采煤机采煤、机械化运煤（梭车批量运输或带式连续输送）方式和顶板锚杆机支护设备。美国一半多的煤炭产量来自房柱式开采工作面，许多房柱式开采系统采用位置变换方法（placechangemethods）。采用位置变换法时，连续采煤机在煤巷中掘进，当超过最后一排顶板锚杆15m时（操作人员在安全位置使用无线电遥控设备操纵连续采煤机），连续采煤机被开进另一条煤巷，此时使用一台移动式锚杆机在15m长的煤巷顶板上安装锚杆。在美国，即使是长壁工作面也采用多巷掘进系统，但在欧洲一般采用单巷掘进系统。这是美国大量采用移动式锚杆机的原因。美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家(1912年)，依据其得天独厚的地质条件及先进的科技、经济实力，在锚杆支护技术方面一直处于世界领先水平，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在8000万根以上，约25000km的煤巷使用锚杆支护。在加强锚杆安装作业安全的同时，美国重点注意提高锚杆安装的速度和质量。世界上以锚杆作为唯一巷道支护方式的国家产业化作为一门技术，而非材料消耗、废品利用–锚杆种类比较多，有涨壳式、树脂式、复合锚杆等，组合件有钢带和桁架。多样化、多系列，以适应各种不同的条件锚杆设计、制造、服务一体化高新技术用于锚杆设计美国锚杆支护的精髓：两高一大：高预拉力、高强度、大间排距美国英国英格兰剩下的17座井工矿和苏格兰的Castlebridge煤矿均采用顶板锚杆作为长壁工作面的主要支护方式。英国几乎不采用房柱式开采方式，由于开采深度大，长壁工作面采用单巷掘进，各工作面之间留有足够宽的煤柱。开采深度在700～1200m的煤巷的顶板锚杆安装密度比较大，一般每掘进2.4m安装7～12根顶板锚杆，沿每侧煤壁每隔1.8m安装2～3根锚杆。英国80年代以前使用锚杆支护技术效果并不好；80年代中后期引进澳大利亚锚杆技术开始重新发展锚杆支护技术，使用比重达到80%。英国基本承袭了澳大利亚的整套锚杆技术。1952年大规模使用机械式锚杆，但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆–到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术–1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。–现在英国进一步表明：不能使用锚杆支护的煤层就没有开采价值澳大利亚主要推广全长树脂锚固锚杆、玻璃钢锚杆；澳大利亚的51座井工矿中，有34座至少拥有1个长壁工作面。长壁工作面采用双巷掘进系统。长壁工作面采区煤巷掘进速度滞后是影响澳大利亚煤炭工业发展的一个主要因素。每掘进1m煤巷，安装6根顶板锚杆和2根煤壁锚杆，每班安装锚杆100～120根。根据不同地质条件，安装锚杆的根数也会变化。目前一些煤矿采用了安设有锚杆机的连续采煤机，但由于锚杆安装速度跟不上工作面回采速度，一些煤矿逐渐采用了位置变换开采法。澳大利亚主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。澳大利亚锚杆支护率１００％。德国自1932年发明Ｕ型钢支架以来，主要采用Ｕ型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上；自80年代以来，由于采深加大，Ｕ型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护；80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功；南非一般地讲，南非大部分井工矿煤层是硬砂岩顶板，开采条件良好。南非57个井工矿均采用了不同的顶板锚杆安装形式，由于地质条件良好，锚杆安装作业并不构成采煤作业的“瓶颈”。为了阻止顶板岩层的局部冒落，一些煤矿安装了严格的顶板岩层监控系统。大部分煤矿采用了房柱式开采方式，长壁工作面所占的比重不足10%。俄罗斯俄罗斯煤炭工业正在发生重大改革和重组，一些亏损的煤矿被迫关闭。俄罗斯目前约有200座井工矿，全部采用单巷长壁开采系统。西伯利亚库兹巴斯矿区的一些煤矿采用顶板锚杆（点固锚杆或点固树脂锚杆）支护形式，锚杆长度1.6～1.8m，承载能力6～8t。随着经验的积累，这种支护系统将不断得到完善。但由于缺乏资金，对现代化锚杆支护设备的维护和改进工作进展非常缓慢。波兰尽管波兰是世界第4大井工矿煤炭生产国（年产量约120Mt，位居中国、美国和俄罗斯之后），但是波兰没有一个煤矿将锚杆支护用作永久顶板支护技术。所有井工矿采用被动受力的钢型（U型钢）支架。随着高产高效长壁工作面的采用，工作面端头的U型钢支架的缓慢拆除速度和缓慢、昂贵的采区煤巷掘进速度严重阻碍了工作面的回采速度。由于缺乏操作经验、作业标准和地质条件差（尽管其它国家在相同地质条件下取得了锚杆支护作业的成功），波兰向锚杆支护技术的转变过程最缓慢。为了获得最大的煤炭回采率，采区巷道需要重复使用，这导致了顶板支护条件恶劣，不利于巷道快速掘进和工作面快速回采。印度印度井工矿年产煤炭80Mt，其中90%来自非机械化和半机械化（钻眼、爆破和采用侧卸式装载机装载）房柱式开采工作面。大多数井工矿采用锚杆支护方式，采用点固锚杆或承载能力为6～8t的水泥锚杆。近几年一些井工矿对连续采煤机和全部机械化房柱式开采系统很感兴趣，同时全脂锚杆也将得到使用。２．我国煤巷锚杆发展概状作为世界上最大的井工矿煤炭生产国，中国采用了各种各样的顶板支护技术，从梯形支架到U型钢支架、钢梁，现在大多数主要煤矿采用了锚杆支护技术。全部机械化顶板锚杆安装技术（采用位置变换系统并使用移动式锚杆机）在神华集团得到了使用。目前中国有9台移动式锚杆安装机，预计将来会逐渐增加。中国大部分煤矿使用手持钻机安装锚杆。1956年我国煤矿开始使用锚杆，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在较稳定的岩石巷道中，80年代末期，开始引进澳大利亚技术，树脂锚杆研制成功并推广应用，煤巷锚杆进入发展的快车道，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类巷道锚杆支护很快取得成功，Ⅳ、Ⅴ类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推广应用力度进一步加强。但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂，我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类回采巷道，而且要使用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下，所以总体使用比重较低，各地区发展很不平衡。经过“九五”攻关，我国煤矿巷道锚杆支护已基本形成系统并相对成熟，使用范围也从煤巷扩大到岩巷、各类硐室、大跨度切眼等特殊地下工程，目前已成为煤炭企业建设高产高效矿井的支撑技术和自主推广应用的主导支护技术，对煤炭企业产生了十分积极和深远的影响。在一般条件下，特别是实体煤巷道，基本上都有把握控制巷道的变形。对于沿空巷道，目前我们也有了新的解决办法。进展历程：50年代首先用在岩巷，60年代进采区，发展缓慢八五、九五煤炭部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行了攻关，特别是96-97年引进澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局现场演示，树脂锚杆研制成功并推广应用研制开发了价廉物美的快硬水泥锚杆引进管缝式锚杆技术并推广应用开始研究“三小”锚杆技术试验成功了几种可拉伸锚杆各种组合锚杆锚索和桁架开始试用３国内外煤巷锚杆支护技术比较a)锚杆钻机的发展代表着锚杆技术的发展：国际锚杆钻机市场上锚杆钻机可分为三类：（1）手持式钻机，如gophers、wombats和superoo钻机。（2）移动式钻机。这种钻机采用履带或橡胶轮，可安装1台、2台、3台或4台钻机。（3）机载钻机，即钻机被固定在连续采煤机和巷道掘进机上。久益采矿设备公司（JoyMiningMachinery）研制了一种移动式顶板锚杆钻车——JOY型多钻机平台操作锚杆钻车。该钻车已在澳大利亚和美国的煤矿创造了顶板锚杆钻进的新纪录。多钻机锚杆钻机结构图b)煤层赋存地质条件的差异美、澳等国先天的优越条件－我国煤层赋存的复杂条件c)煤矿作业人员素质的巨大差异美国：８０％以上具有大专以上学历我国：８００万煤矿职工中具有中转及以上学历者