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国外锚杆支护技术发展现状

      在一百多年前,国外一些矿山就开始应用锚杆支护。如英国在1872年就采用过金属锚杆,美国1900年使用过木锚杆。地下工程中大量采用锚杆支护是在20世纪40年代末期。锚杆支护在煤矿、非煤矿山、隧道及其它岩土工程中得到迅速发展,成为一种极具发展前景的支护方式。从锚杆支护型式的发展过程可分为以下几个阶段:
       (1) 1950-1960年,锚杆型式主要是机械端部锚固锚杆,分楔缝式、倒楔式、涨壳式等。这类锚杆锚固力低、在不同岩层中的锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差,不宜在松软破碎的岩层中使用。由于这些弊端,导致了英国、法国等国家在使用锚杆支护过程中出现过反复。如英国煤矿在1957年使用了50万根锚杆,法国煤矿用量也较大,但到六十年代初,锚杆用量大幅度降低。
       (2) 1960-1970年,树脂锚杆研制成功,并得到推广应用。1958年德国开始研制树脂锚杆,经过一年多的实验室试验,埃森采矿研究中心制作了第一批药卷式树脂锚固剂,于1959年在煤矿井下进行试验,1961年取得成功,之后在世界主要采煤国家逐步得到发展。树脂锚杆的初期为端部树脂锚固,锚杆孔径较大(38-45mm)。以后发展到小孔径(22-30mm)全长锚固树脂锚杆,这种锚杆锚固力大、可靠性高、适应性强,极大地促进了树脂锚杆的发展与广泛应用。
       (3) 1970-1980年,研制出管缝式锚杆、胀管式锚杆等全长锚固锚杆,并在井下得到应用。但是管缝式锚杆、胀管式锚杆在井下容易锈蚀,锚固力受钢材质量、围岩性质、钻孔直径等因素影响较大,施工工艺比较复杂,只能在适宜的条件下使用。
       (4) 1980-1990年,锚杆支护型式更加多样化,混合锚固锚杆、钢带式组合锚杆、桁架锚杆,以及可拉伸锚杆、锚注锚杆等特种锚杆,锚索加固技术得到应用。树脂锚杆材料得到进一步改进与提高。
       (5) 90年代以来,高强度树脂锚固锚杆以其优越的锚固效果和简便的施工工艺,逐步取代了其它类型的锚杆,成为锚杆支护的主导型式。锚索加固技术得到大面积推广应用。
        澳大利亚、美国等国的煤层地质条件比较简单,埋藏浅,护巷煤柱宽度大,而且大力推广应用锚杆支护,技术比较先进,煤矿巷道锚杆支护所占的比重几乎达到100%。实际上,在这两个国家,如果一个矿区煤层顶板不适合采用锚杆支护,那么便认为开采这样的煤层在经济上是不合理的。
        澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系,煤矿巷道几乎全部采用W钢带树脂全长锚固组合锚杆支护。尽管其巷道断面比较大,但支护效果良好。对于复合顶板、破碎顶板,以及巷道交叉点、大断面硐室等难维护的条件,还采用锚索注浆进行补强加固,控制围岩的强烈变形。美国煤矿巷道锚杆消耗量很大,锚杆种类也比较多,有涨壳式锚杆、树脂锚杆、混合锚固锚杆,组合件有钢带和桁架。具体应用时,根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。
        欧洲一些主要产煤国家,过去一直主要采用金属支架支护巷道。但随着巷道支护难度加大和支护成本增高,将巷道支护方式转向了锚杆支护,积极开展了锚杆支护技术的研究、试验与推广应用。
       英国曾是欧洲主要产煤国中采用金属支架支护的典型代表。1987年以前,英国煤矿巷道支护90%以上采用金属支架,导致巷道支护效果差、成本高,回采工作面产量与效益低,亏损严重。由于国际市场的激烈竞争,英国煤炭工业面临严重的危机。在这种情况下,英国果断地把采用锚杆支护取代传统的金属支架支护作为提高其煤炭工业竞争力的三大策略之一。
       于1987年从澳大利亚引进了先进的锚杆支护技术,彻底扭转了过去被动的局面,锚杆支护技术得到迅速发展。到1990年,英国煤巷锚杆支护所占比例便从八十年代中期几乎为零增长到50%,1994年达到80%,1997年达到90%。英国煤矿通过采用锚杆支护技术取得了显著的技术经济效益(表1.1)。
       巷道支护费用和吨煤成本显著降低,回采工作面产量、全员效率大幅度提高,事故率明显下降,巷道安全状况得到保证。一些濒临倒闭的矿井也因此获得了新生。在英国,锚杆支护技术被看成是煤矿巷道支护技术的一次变革,而且还没有那次技术变革能像锚杆支护这样在短时间内给煤矿带来如此巨大的效益。
        表1.1 英国煤巷采用锚杆支护所取得的效益

年份 1984年 1994年
回采工作面平均单产,t/天 500 4500
平均全员效率,t/天·人 3 13.5
平均吨煤成本,英镑/t 70 35
煤巷平均成巷速度,m/周 44 >100
巷道支护费用比较,% 100 50
事故率比较,% 100 10
       德国使用U型钢支架最早,技术成熟、先进,使用量大。无论是永久巷道还是回采巷道大多采用U型钢可缩性支架。但是从20世纪80年代以来,随着矿井开采深度和开采强度增加,重型采掘设备的采用,要求巷道断面越来越大,导致巷道围岩变形加剧,支护困难。
       为了解决巷道支护难题,不得不增加型钢重量、减小支架棚距,致使巷道支护费用增高,而且带来施工、运输等一系列问题。尽管如此,巷道支护状况并没有得到根本改观,为此,开展了锚杆支护技术的研究与试验。锚杆支护在鲁尔矿区试验成功后得到推广应用,现已应用于埋深千米的深井巷道中,取得较好的支护效果。
       其他国家煤巷锚杆支护技术的发展也很迅速。如法国到1986年锚杆支护比重已占到50%。俄罗斯研制了多种类型的锚杆,在全国第一大矿区—库兹巴斯矿区锚杆支护所占比重已达50%以上。

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