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在一百多年前,國(guó)外一些礦山就開始應(yīng)用錨桿支護(hù)。如英國(guó)在1872年就采用過金屬錨桿,美國(guó)1900年使用過木錨桿。地下工程中大量采用錨桿支護(hù)是在20世紀(jì)40年代末期。錨桿支護(hù)在煤礦、非煤礦山、隧道及其它巖土工程中得到迅速發(fā)展,成為一種極具發(fā)展前景的支護(hù)方式。從錨桿支護(hù)型式的發(fā)展過程可分為以下幾個(gè)階段:
(1) 1950-1960年,錨桿型式主要是機(jī)械端部錨固錨桿,分楔縫式、倒楔式、漲殼式等。這類錨桿錨固力低、在不同巖層中的錨固力變化大、支護(hù)剛度小、可靠性差,不宜在松軟破碎的巖層中使用。由于這些弊端,導(dǎo)致了英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家在使用錨桿支護(hù)過程中出現(xiàn)過反復(fù)。如英國(guó)煤礦在1957年使用了50萬根錨桿,法國(guó)煤礦用量也較大,但到六十年代初,錨桿用量大幅度降低。
(2) 1960-1970年,樹脂錨桿研制成功,并得到推廣應(yīng)用。1958年德國(guó)開始研制樹脂錨桿,經(jīng)過一年多的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),埃森采礦研究中心制作了第一批藥卷式樹脂錨固劑,于1959年在煤礦井下進(jìn)行試驗(yàn),1961年取得成功,之后在世界主要采煤國(guó)家逐步得到發(fā)展。樹脂錨桿的初期為端部樹脂錨固,錨桿孔徑較大(38-45mm)。以后發(fā)展到小孔徑(22-30mm)全長(zhǎng)錨固樹脂錨桿,這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng),極大地促進(jìn)了樹脂錨桿的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。
(3) 1970-1980年,研制出管縫式錨桿、脹管式錨桿等全長(zhǎng)錨固錨桿,并在井下得到應(yīng)用。但是管縫式錨桿、脹管式錨桿在井下容易銹蝕,錨固力受鋼材質(zhì)量、圍巖性質(zhì)、鉆孔直徑等因素影響較大,施工工藝比較復(fù)雜,只能在適宜的條件下使用。
(4) 1980-1990年,錨桿支護(hù)型式更加多樣化,混合錨固錨桿、鋼帶式組合錨桿、桁架錨桿,以及可拉伸錨桿、錨注錨桿等特種錨桿,錨索加固技術(shù)得到應(yīng)用。樹脂錨桿材料得到進(jìn)一步改進(jìn)與提高。
(5) 90年代以來,高強(qiáng)度樹脂錨固錨桿以其優(yōu)越的錨固效果和簡(jiǎn)便的施工工藝,逐步取代了其它類型的錨桿,成為錨桿支護(hù)的主導(dǎo)型式。錨索加固技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用。
澳大利亞、美國(guó)等國(guó)的煤層地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單,埋藏淺,護(hù)巷煤柱寬度大,而且大力推廣應(yīng)用錨桿支護(hù),技術(shù)比較先進(jìn),煤礦巷道錨桿支護(hù)所占的比重幾乎達(dá)到100%。實(shí)際上,在這兩個(gè)國(guó)家,如果一個(gè)礦區(qū)煤層頂板不適合采用錨桿支護(hù),那么便認(rèn)為開采這樣的煤層在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。
澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)形成比較完整的體系,煤礦巷道幾乎全部采用W鋼帶樹脂全長(zhǎng)錨固組合錨桿支護(hù)。盡管其巷道斷面比較大,但支護(hù)效果良好。對(duì)于復(fù)合頂板、破碎頂板,以及巷道交叉點(diǎn)、大斷面硐室等難維護(hù)的條件,還采用錨索注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,控制圍巖的強(qiáng)烈變形。美國(guó)煤礦巷道錨桿消耗量很大,錨桿種類也比較多,有漲殼式錨桿、樹脂錨桿、混合錨固錨桿,組合件有鋼帶和桁架。具體應(yīng)用時(shí),根據(jù)巖層條件選擇不同的支護(hù)方式和參數(shù)。
歐洲一些主要產(chǎn)煤國(guó)家,過去一直主要采用金屬支架支護(hù)巷道。但隨著巷道支護(hù)難度加大和支護(hù)成本增高,將巷道支護(hù)方式轉(zhuǎn)向了錨桿支護(hù),積極開展了錨桿支護(hù)技術(shù)的研究、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用。
英國(guó)曾是歐洲主要產(chǎn)煤國(guó)中采用金屬支架支護(hù)的典型代表。1987年以前,英國(guó)煤礦巷道支護(hù)90%以上采用金屬支架,導(dǎo)致巷道支護(hù)效果差、成本高,回采工作面產(chǎn)量與效益低,虧損嚴(yán)重。由于國(guó)際市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng),英國(guó)煤炭工業(yè)面臨嚴(yán)重的危機(jī)。在這種情況下,英國(guó)果斷地把采用錨桿支護(hù)取代傳統(tǒng)的金屬支架支護(hù)作為提高其煤炭工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的三大策略之一。
于1987年從澳大利亞引進(jìn)了先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù),徹底扭轉(zhuǎn)了過去被動(dòng)的局面,錨桿支護(hù)技術(shù)得到迅速發(fā)展。到1990年,英國(guó)煤巷錨桿支護(hù)所占比例便從八十年代中期幾乎為零增長(zhǎng)到50%,1994年達(dá)到80%,1997年達(dá)到90%。英國(guó)煤礦通過采用錨桿支護(hù)技術(shù)取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益(表1.1)。
巷道支護(hù)費(fèi)用和噸煤成本顯著降低,回采工作面產(chǎn)量、全員效率大幅度提高,事故率明顯下降,巷道安全狀況得到保證。一些瀕臨倒閉的礦井也因此獲得了新生。在英國(guó),錨桿支護(hù)技術(shù)被看成是煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的一次變革,而且還沒有那次技術(shù)變革能像錨桿支護(hù)這樣在短時(shí)間內(nèi)給煤礦帶來如此巨大的效益。
表1.1 英國(guó)煤巷采用錨桿支護(hù)所取得的效益
年份 | 1984年 | 1994年 |
回采工作面平均單產(chǎn),t/天 | 500 | 4500 |
平均全員效率,t/天·人 | 3 | 13.5 |
平均噸煤成本,英鎊/t | 70 | 35 |
煤巷平均成巷速度,m/周 | 44 | >100 |
巷道支護(hù)費(fèi)用比較,% | 100 | 50 |
事故率比較,% | 100 | 10 |
德國(guó)使用U型鋼支架最早,技術(shù)成熟、先進(jìn),使用量大。無論是永久巷道還是回采巷道大多采用U型鋼可縮性支架。但是從20世紀(jì)80年代以來,隨著礦井開采深度和開采強(qiáng)度增加,重型采掘設(shè)備的采用,要求巷道斷面越來越大,導(dǎo)致巷道圍巖變形加劇,支護(hù)困難。
為了解決巷道支護(hù)難題,不得不增加型鋼重量、減小支架棚距,致使巷道支護(hù)費(fèi)用增高,而且?guī)硎┕ぁ⑦\(yùn)輸?shù)纫幌盗袉栴}。盡管如此,巷道支護(hù)狀況并沒有得到根本改觀,為此,開展了錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與試驗(yàn)。錨桿支護(hù)在魯爾礦區(qū)試驗(yàn)成功后得到推廣應(yīng)用,現(xiàn)已應(yīng)用于埋深千米的深井巷道中,取得較好的支護(hù)效果。
其他國(guó)家煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展也很迅速。如法國(guó)到1986年錨桿支護(hù)比重已占到50%。俄羅斯研制了多種類型的錨桿,在全國(guó)第一大礦區(qū)—庫(kù)茲巴斯礦區(qū)錨桿支護(hù)所占比重已達(dá)50%以上。
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