程 續(xù) 張向東 葉文龍
(遼寧工程技術大學土木工程學院,遼寧 阜新 123000)
錨桿支護技術在巷道支護中已擁有100多年的發(fā)展歷程,最早是1912年在Xie in erz(Germany)上提出。我國在20世紀50年代開始使用錨桿支護技術,1978年正式推廣,20世紀90年代,我們從澳大利亞引進了更先進的技術,并進行了廣泛的推廣應用[1]。經過多年的研究與應用,錨桿支護技術得到了長足的發(fā)展,成為我國巷道支護的主要形式之一。
錨桿大體上可以分為金屬錨桿和非金屬錨桿兩類,不同類型的錨桿適用范圍和作用效果是不同的,金屬錨桿有:1)縫管式錨桿;2)漲殼錨桿;3)楔縫錨桿;4)倒楔錨桿;5)脹管式錨桿;6)中空注漿錨桿;7)復合錨固錨桿;8)樹脂錨桿;9)水泥砂漿錨桿;10)水泥錨桿。非金屬錨桿有:1)木錨桿;2)竹錨桿;3)玻璃鋼錨桿[2]。
在進行巷道開挖時,巖體的應力平衡狀態(tài)會遭到破壞,應力場重新分布,為了防止巷道發(fā)生坍塌保持其穩(wěn)定性需在掘進后進行支護。錨桿加固技術是一種柔性加固技術,其實質是通過巖石和土壤的承載力,使巖體的穩(wěn)定性得到提高。同時加固體不被破壞[3],對圍巖的作用主要是組合梁作用和擠壓加固拱作用[4]。
1)支護成本低。與傳統(tǒng)技術相比,錨桿技術在材料利用方面具有很大的優(yōu)勢,有效地減少了巷道支護材料投資和運輸,大大降低了支撐材料的成本[5]。錨桿支護不需要占用太多空間,不占用巷道的工作段,所以在開挖巷道時,隧道斷面可以適當減小,可以減少開挖工作,有效降低開挖費用[6],同時由于支護面積縮小和錨桿支護的穩(wěn)定性好使得維護成本也得以降低。
2)施工難度低。由于錨桿支護中使用的材料較少,材料運輸的工作量大大減少,施工進度明顯加快,這為加速掘進創(chuàng)造了相當便利的條件[6]。在采礦過程中,因為所用原料的減少,在支撐過程中,施工難度會降低,同時保證了采礦的安全性,顯著降低礦工的工作量。錨桿支護結構簡單,勞動強度低。它可以緊跟開挖面,為提高開挖速度提供了有力的保障[6]。
3)支護作用迅速。與傳統(tǒng)的支撐方法相比,在錨桿支護中使用的源料較少,并且可以機械化施工。在隧道開挖中,它顯著加快了運輸速度,提高了支護的效率。錨桿支護的施工工藝簡單、方便,可在掘進之后立刻進行施工,在快速掘進過程中對圍巖支護進行機械化施工是非常有利的[5]。
4)支護效果顯著。錨桿支護的支撐原理是主動支護。施工后,錨桿可以在圍巖的深部加固,它可以快速地構造一個完整的承載結構,利用周圍巖石的自身強度,達到充分施展圍巖自承載力的目的,它在巷道圍巖的安全性和穩(wěn)定性方面有著積極的作用[6]。
我國錨固技術的應用時間并不長,早在100多年前,國外就已經采用了錨桿支護技術。國內發(fā)展相對較晚,直至20世紀的中后期我國的一些礦山中才開始大量使用該項技術。與國外相比,我國的錨桿支護技術經歷了起步、攻關、消化、推廣四個階段。1)在20世紀80年代中后期,通過對煤礦錨桿的應用研究,研究了錨桿技術的基礎。2)從1991年到1995年,作為重點推廣項目進行了深入的研究,并逐步應用于各種類型的煤礦;3)1996年—1997年的引進和消化階段,引進先進技術和國外錨桿支護理論后,我國開始結合本國國情和實際工程要求進行自主研發(fā),形成了擁有自主產權的錨桿支護技術;4)從1998年到現在,錨桿技術處于推廣階段,采用錨桿支護的比例一直在上升,且已經走在了世界前列[7]。
我國在礦山開采和隧道建設工程中大量使用錨桿進行支護,錨桿技術日益成熟但仍然存在著一些亟待解決的問題。
1)錨桿支護理論不夠完善。目前,我國錨桿支護的計算主要還是以傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、加固拱原理計算得出,該理論最初的設計原理能滿足一般巷道支護要求,但在某些特殊的工程中無法滿足要求。
2)在研究錨桿支護理論時沒有將理論與實踐結合起來。工程設計、施工過程等對錨桿的支護效果有著很大的影響,也必須對這些方面進行研究,目前缺少對該領域的深入研究[3]。
3)監(jiān)控系統(tǒng)不夠科學和完善。監(jiān)測在工程施工中起著重大作用,可及時發(fā)現工程隱患,為技術的改進提供依據,但目前在錨桿支護領域缺少完整配套的監(jiān)測體系和設備。
經過60多年的發(fā)展,我國錨桿支護技術已經有了飛躍式的發(fā)展和巨大的成就,但仍有一些問題值得繼續(xù)深入研究:
1)加強圍巖的地質力學環(huán)境試驗和分析,包括應力分布、相互作用、圍巖的結構和圍巖的強度,對圍巖的物理力學性質還需進行深入的研究和分析[2]。
2)錨桿支護理論還需進行深入的研究。錨桿支護技術的理論有很多,但是在實際工程中這些理論的應用性較差,所以有必要加強對于錨桿支護理論的研究,同時積極同國外專家合作,吸收國外的先進理論。
3)加強錨桿防腐技術的研究。由于錨桿長期埋藏于地下,在地下環(huán)境的影響下容易產生銹蝕,為提高錨桿的使用壽命應進行錨桿防腐以及預應力錨索在沖擊、地震、變壓、凍結、高溫等特殊條件下的錨固穩(wěn)定性的研究;對現有的防腐技術進行改進,研發(fā)出新型高效的防腐技術[8]。
4)開發(fā)新的支護材料。目前我國的錨桿在生產過程中缺乏相應的檢驗和監(jiān)督。因此,必須嚴格審查錨桿生產的質量,進一步提高錨固材料的性能,研究擁有更高性能的新型錨桿[6]。研究開發(fā)新型樹脂錨固劑,提高其強度和剛度,增加圍巖與錨桿之間的粘結強度,使錨桿盡早預緊,滿足快速加載的要求[9]。
5)加強技術人員的培訓。所有的技術和設備都需要由人來操作。只有提高人的綜合素質,才能保證施工質量。所以,對我國從事錨桿支護技術的施工人員進行有效的培訓是相當重要的,這有助于我國錨桿支護技術的長遠發(fā)展。
幾十年以來,我國的錨桿支護技術在不斷發(fā)展中取得了驚人的進步,在各種工程實踐中也取得了成就,但是仍然有一些我們亟待解決的問題,諸如:錨桿支護理論不夠完善;監(jiān)控系統(tǒng)不夠科學和完善等,未來我國錨桿支護技術發(fā)展中應當重點加大對錨桿支護機理、錨桿支護監(jiān)測系統(tǒng)等方面的研究,除了改進現有技術,還應開發(fā)一些新技術,為煤礦和隧道建設提供有效的技術支持[10]。
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[3] 吳 峰.錨桿支護技術的發(fā)展與應用[J].科技創(chuàng)業(yè),2016(21):115-116.
[4] 薛鳳強.談煤礦巷道錨桿支護技術應用及發(fā)展[J].工業(yè)技術,2012(4):105.
[5] 張俊福.錨桿支護技術的發(fā)展及特點[J].山西煤炭管理干部學院學報,2013,26(3):32-33.
[6] 刁先鋒.淺議錨桿支護技術[J].機電工程技術,2015,44(7):221-222.
[7] 蔡躍章.淺談煤礦錨桿支護技術現狀與展望[J].科技與企業(yè),2014(19):107.
[8] 和樹棟.錨桿支護技術現狀及發(fā)展方向探討[J].現代礦業(yè),2015(5):149-151.
[9] 徐萬軍.淺談我國煤礦錨桿支護技術的現狀與發(fā)展[J].煤礦天地,2009(4):12-16.
[10] 吳建平.試析煤礦錨桿支護技術現狀與發(fā)展[J].科技與創(chuàng)新,2015(11):122-124.