1 兖州矿区煤巷锚杆支护技术

    兖州矿业（集团）公司积极引进国外{zxj}的煤巷锚杆支护技术，结合兖州矿区的实际进行消化创新，逐步形成了一套完整的技术体系，即设计系统化、机具配套化、监测智能化、施工规范化、材料标准化和系列化，向“安全、快速、高效”方向发展。

    他们从2000年开始研制打直径高强度支护材料，推广应用高强全锚支护系统。锚杆屈服强度大于540MPa，破断强度大于700 MPa，延伸率大于15%，在外形结构上有利于搅拌树脂和提高锚固力。他们针对Φ15.24锚索延伸率低、直径小、不符合“三径”匹配关系的缺点，开发了Φ18高强度大直径树脂锚索，其破断力大于380kN，延伸率大于7%。对于复杂困难条件巷道变形量大、围岩破碎的地点，采用高强度注浆锚索，其破断力达到500kN以上。同时提高锚固剂、钢带和锚杆附件的强度，使其与锚杆的强度相匹配。

    为了准确及时地监测煤巷锚杆支护的信息，实现监测智能化，他们还研制了顶板离层监测系统。该系统具有多种数码显示功能，每变化2mm记录一次，能够同时监测变化的60个位移传感器的顶板离层情况，并且具有临界值报警、半双工通话功能，监测数据可通过电话线传输到地面微机，输出各种变化曲线及图表。此外，还开发了简易的ACLY-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种不同规格的巷道围岩变形仪和测力锚杆，反光膜显示，读数直观，测量精度高。他们与有关厂家合作开发大推力、大扭矩锚杆/锚索两用钻机的研制（推力>10kN、扭矩>200N.m）和大推力、大扭矩的支腿式帮锚杆钻机，大大提高了打眼速度和锚杆/锚索的预紧力。现正着手研制掘锚一体化的联合机组。

    2 神经网络在煤巷锚杆支护设计中的应用

    河南理工大学采用MATLAB的BP神经网络工具箱，建立了矿山巷道围岩主要影响因素与支护形式和支护参数之间的高度非线性BP神经网络模型。通过对算例结果的分析，验证了基于MATLAB的BP神经网络应用于矿山井下锚杆支护设计的可靠性、可行性和高效性，具有一定的推广价值。

    他们选择若干矿井巷道锚杆支护的成功实例作为学习样本，将影响锚杆支护的因素作为输入变量、支护形式和支护参数作为输出变量代入神经网络模型，通过特定的学习算法对样本进行学习，经过网络内部自适应算法不断修正网络连接权值和阈值分布来减少尝试性误差以满足要求。网络通过其连接权值和阈值的调整来记忆所学习过的样本并掌握输入变量和输出变量间的高度非线性关系，然后将巷道的输入变量代入网络，通过网络神经推理计算，与所求问题最接近的学习样本输出模式被回忆出来，从而得到巷道的锚杆支护要求。此项研究运用神经网络建立了矿山井下锚杆支护形式和支护参数设计模型，使支护形式、支护参数等与地质条件和开采技术条件间形成高度非线性映射，在较大程度上克服了以往锚杆支护设计方法的不足。

    他们利用此项课题建立的BP神经网络设计模型对潞安矿业集团公司、兖州矿业（集团）有限责任公司、平顶山煤业(集团)有限责任公司和双鸭山矿业集团有限公司集贤煤矿井下巷道进行锚杆支护设计，对网络运行结果与实际状态相比较验证了这两个模型的可行性和高效快捷性，为下一步研究其它支护方案奠定了基础。实践表明，人工神经网络具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错和抗干扰能力等优点，将其引入矿山巷道支护设计可更全面考虑影响锚杆支护参数设计的诸多因素，在输入数据不全的情况下可进行数据联想补缺，实现巷道支护的快速、准确决策。

    3 综放全煤平巷锚杆支护模拟试验研究

    中国矿业大学根据“巷道围岩松动圈支护理论”，以兖州矿区南屯煤矿3上煤层综放工作面全煤平巷围岩条件为基础，对不同动压系数、侧压系数、锚杆支护参数条件下，锚杆支护巷道围岩应力分布、围岩变形及巷道破坏规律进行了模拟试验，对于综放全煤巷道锚网支护设计和应用具有指导意义。

    试验采用真三轴平面应变试验台，分上下、左右、前后6面加载。模拟巷道表面位移及围岩内部应力值，通过位移传感器和微型压力传感器随着加载的过程同步采集，巷道表面的位移由电阻式位移计来量测，围岩深部的最终位移则通过测量绘制在模型表面网格线的变形获得。

    此项研究的结论如下：①矩形巷道顶板中存在着卸压区，卸压区的形成是开巷以后应力转移与集中和巷道顶板在外力作用下发生破坏的必然结果，其大小与侧压的关系密切，侧压大卸压区小，反之亦然。②巷道表面的变形是两帮大于顶底，巷道内部两帮破坏严重，巷角受力较大且薄弱，说明帮、角是矩形巷道支护的重点，特别是顶帮斜锚杆的设置对于防止切顶是必不可少的。③不对称压力作用下的矩形锚网支护巷道松动圈近似椭圆形，长轴垂直于{zd0}的主应力方向。④松动圈理论是综放全煤巷道支护设计的有效方法，根据该理论设计的支护参数在动压参数达到6以上时仍然能够很好地维护巷道的稳定性，而且简单易行。在组合拱厚度相近的条件下，“短密锚杆”比“长疏锚杆”能够更好地控制围岩的变形，但是从技术进步和提高施工速度方面来考虑，锚杆的间排距为2.0m×0.8m是比较好的选择。⑤对大于1.5m的大松动圈围岩来说，金属网对维持巷道的稳定性和提高质量是必不可少的，在可能的条件下应当选用刚度和强度更大的冷拔钢筋网。

    4 应用松动圈理论进行全煤巷锚杆支护

    山东省煤炭科学研究所在研究全煤巷道稳定性和全煤巷道锚杆支护设计原则的基础上，对兖州矿业（集团）公司南屯煤矿和济宁二号煤矿应用松动圈理论进行了全煤巷锚杆支护，取得了很好的技术经济效益。

    南屯煤矿和济宁二号煤矿开采3层煤采用放顶煤采煤法，工作面巷道属于全煤巷道，原先的设计为矿工钢架棚支护，通过对巷道围岩松动圈的观测研究，开展了锚杆支护试验。巷道围岩松动圈的测试采用BA-II型围岩松动圈测试仪和瑞利波探测仪。测试结果表明：南屯煤矿13上04工作面下顺槽巷道的围岩松动圈属于中松动圈，可以按照悬吊理论设计锚杆支护参数；济宁二号煤矿2301工作面运输巷道属于大松动圈，按照组合拱理论设计锚杆支护参数。为了检测锚杆支护的质量和控制围岩的效果，他们还进行了矿压观测，观测内容主要是巷道收敛变形、锚杆受力、拉拔试验等。研究表明，传统的工字钢架棚支护是被动支护，而全煤巷道锚杆支护是主动支护，锚杆支护比工字钢架棚支护控制围岩的效果好。济宁二号煤矿采用工字钢架棚支护的时候顶底板累计移近量为60～100mm、两帮累计移近量为70～150mm，采用锚杆支护时分别减少为11mm和12.5mm，超前支承压力影响范围也由48m缩小到15m。

    此项研究认为：①全煤巷道的顶煤厚度和强度是影响巷道稳定性的关键因素。②锚杆支护的悬吊作用、组合拱作用是同时存在与相互影响的，悬吊作用对中小松动圈巷道处于主要地位；对于大松动圈，巷道顶板大范围不存在稳定岩层，组合拱作用处于主要地位。③全煤巷道受到采面的动压影响，但是动压作用范围不大、时间不长，支护设计应当根据巷道受到静压作用时巷道松动圈的大小来确定巷道的支护形式和支护参数。

    5 利用松动圈进行回采巷道锚杆支护改革

    山东省煤炭科学研究所对莱芜市辛庄煤矿的巷道围岩松动圈进行了测试，利用测试结果提出了新的锚杆支护方案，在3197工作面轨道顺槽进行试验并且取得了成功。

    辛庄煤矿工作面的回采巷道沿着煤层的底板掘进，采用快硬水泥锚杆支护，杆体为Φ14mm×1400mm的圆钢，1卷快硬水泥药卷锚固，锚杆布置垂直于巷道的表面，锚杆的间排距均为800mm×800mm，每排顶板布置3根锚杆、上帮3根锚杆、下帮2根锚杆，使用木垫板和铁托盘。由于煤层的倾角比较大，又没有使用金属网，所以上帮锚杆之间的煤体受到采动的影响容易松动冒落，使得托盘悬空，锚杆便失去了支护的作用；而且，锚杆之间缺乏联系，整体性差，不利于巷道顶板发挥{zd0}的自承能力。

    此项研究系采用BA-II型围岩松动圈测试仪在3195工作面轨道顺槽和1918运输副巷进行的，各个巷道分别进行了4个测区的观测，每个测区分为上帮2个钻孔、下帮1个钻孔进行。现场观测的结果表明，松动圈的{zd0}值和最小值分别为1150mm、1200mm和950mm、900mm。测试是在巷道未受到动压影响下进行的。因此，在支护设计的时候如果不考虑工作面超前维护巷道长期的流变特性，按照松动圈1200mm进行支护设计是合理的。巷道采用锚杆支护，杆体为Φ14mm×1700mm的金属圆钢，每孔使用1卷快硬水泥药卷，锚杆的间排距为800mm×700mm。考虑到上帮的煤体受到采动的影响容易片帮脱落，在巷道的上帮每一排的上半部分加装规格为100mm×2000mm的钢筋梯，中间每隔200mm用钢筋焊接隔开，木托盘的长轴沿着巷道的走向布置。采用新的支护方案以后，巷道顶板及两帮的整体性与稳定性都比较好，顶板平均下沉155mm，两帮相对移近量平均为170mm，巷道断面的平均收缩率仅为7%，不仅保证了巷道锚固的安全性，还减小了巷道通风的阻力。

    6 基于地应力测试的孤岛综放面巷道锚杆支护

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿针对23下03孤岛综放工作面地质条件复杂的特点，以地应力实测分析为基础，采用信息反馈设计法来进行该综放工作面巷道的锚杆支护设计。

    济宁二号煤矿23下03孤岛综放工作面巷道所处的条件具有以下特点：深部开采，地压大；孤岛工作面两侧均为留小煤柱沿空掘巷；地质构造复杂，岩性和煤层厚度变化大；底板松软，具有膨胀性；工作面产量高，设备体积大，对巷道断面和支护状况要求高。

    他们采取以对地应力场、巷道矿压显现以及锚杆承载工况进行实测与观测为基础，辅以计算机数值模拟的系统性锚杆支护设计方法，采用高强度全长锚固锚杆+紧跟掘进迎头安装锚索+钢带的支护方式以后，轨道顺槽在回采期间未经过任何维修，运输顺槽仅经过简单的卧底维修就可以满足生产要求。对按初始设计方案支护的巷道开展系统性观测的结果表明，与相邻的23下02综放工作面沿空巷道采用普通的Φ20mm×2200mm20MnSi锚杆短锚相比，改善了巷道支护效果，为回采工作面快速推进创造了条件。

    这个矿的实践表明：由于相邻采空区产生的应力释放，沿空巷道顶板中的水平应力偏低，因此很容易发生下沉，即顶板的变形必然会明显大于相同岩层条件下的实体煤巷；巷道帮锚杆采用加长锚固或者全长锚固使得锚杆的作用力分布在很大的范围内，而不会象端锚锚杆那样出现拉应力集中，从而可以避免形成连续的拉伸破裂带，因此该矿23下03孤岛工作面巷道宜采用全长锚固锚杆；沿空侧小煤柱变形大于实体煤侧，巷道断面平均收缩率为25%，试验巷道经受住了工作面回采动压影响的考验，满足了生产的要求。

    7 完善全螺纹锚杆支护技术提高煤巷支护质量

    随着兖州矿业（集团）公司东滩煤矿沿空掘进和3下煤顶空掘进巷道逐渐增多，帮部煤体破碎、成型较差，煤体向巷中移近现象明显，使用左旋无纵肋锚杆支护时普遍存在煤体片落导致锚杆失效的情况，不仅巷道修复加固工作量大，而且存在安全隐患。他们通过应用和完善全螺纹锚杆支护技术，解决了帮部锚杆支护失效、支护成本高和单进水平低等问题。

    全螺纹锚杆是一种新型锚杆，采用与精轧螺纹钢筋外形非常接近的无纵肋螺旋钢筋制作，钢筋上面的两个横肋呈螺旋形分布，可旋入螺母。同其它类型的锚杆相比有以下特点：杆体不需二次加工紧固螺纹，确保杆体全长等强，无薄弱截面，克服了常规锚杆受帮部侧压力时产生应力集中而断裂的缺点；杆体采用热轧全长连续螺纹，生产工艺简单，成本较低；松软破碎岩层支护时可随时进行二次紧固，不会因煤体破碎而出现普通锚杆受杆体头部螺纹长度限制而出现的托盘悬空不贴煤壁现象；根据现场需要xx常方便任意截取不同长度杆体，并可满足端锚、加长锚及全长锚固形式需要。

    使用中也对其自身存在问题进行了完善：锁紧螺母由普通铸造改为精铸，提高了螺母质量，有效解决了螺母与杆体间隙大的问题，并将螺母长度由35mm增到55mm，加大锚杆与螺母有效紧固长度，杜绝了因退丝导致锚杆支护失效现象；锚杆预紧工具由30型风动扳机改为50型大功率扳机，并在锚杆打注后及时紧固，锚杆预紧力由100N·m增大到200N·m，确保锚杆支护有效承载性能；改进施工工艺，科学分析“三径”间隙使其达到{zj0}匹配状态，多次现场锚固力检测均在15t以上，提高了锚杆施工质量；充分利用现场工时，提高帮部支护的时效性，在帮部压力释放前及时支护破碎区域，并一次性到位，减少煤壁片落的机会。

    8 深井全煤巷道沿空掘巷锚杆支护

    煤炭科学研究总院北京开采研究所和兖州矿业（集团）公司东滩煤矿共同开发研究的“东滩矿深井全煤巷道沿空掘巷锚杆支护”工艺，解决了这个煤矿深部高地应力煤巷的支护问题，达到了国际先进水平。

    此项课题是兖州矿业（集团）有限责任公司的重点研究项目之一，总投资502万元，历时将近两年。在这项课题的研究过程中，他们主要是运用了锚固平衡拱的原理，采用数值分析法确定煤柱的尺寸和初始的支护设计，并且吸收了现有煤巷锚杆支护的研究成果，结合深井高地应力综采放顶煤工作面顺槽的矿压显示特点，在采深大、有较强冲击倾向的放顶煤沿空巷道中采用了锚杆支护。

    在东滩煤矿的井下实验和工程监测表明，该研究项目提出的沿空巷道变形与煤柱尺寸具有重要的指导意义，可以有效地避免掘进时的冒顶现象，提高了煤柱一帮的整体性，xx了片帮、垮帮现象，为减少巷道的漏风和防止采空区的发火创造了安全条件。同时，锚杆支护在沿空巷道中的应用，还大幅度地降低了支护的成本，减轻了工人的劳动强度，提高了回采工作面的单产。另外，采用小直径的树脂锚索还加强了对煤层的控制，有效地保证了巷道的安全使用，缩短了超前支护的距离，极大地降低了巷道的破坏程度。

    专家们指出：该项研究成果一年即可以为东滩煤矿新增产值4122万元，增加利税1331万元，而且对兖州矿区及全国深井全煤巷道锚杆支护的推广应用起到了示范的作用。

     9 基于地应力测试的孤岛综放面巷道锚杆支护

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿针对23下03孤岛综放工作面地质条件复杂的特点，以地应力实测分析为基础，采用信息反馈设计法进行了巷道锚杆支护设计。现场观测表明，巷道支护效果良好，确保了工作面的安全高效开采。

    23下03孤岛综放工作面位于二采区的中部，东西长1350m，南北长185m。该面煤层赋存稳定，结构简单。煤层顶板东部为灰白色的砂岩，岩性坚硬；西部有一层厚0.5m的泥岩伪顶和厚5.5m的粉砂岩直接顶。该工作面平均埋藏深度为547.4m，属于深部开采。他们通过建立计算机数值计算模型，采用FLAC软件对几种可行的支护方案进行了模拟，确定出{zy}的支护方案。

    轨道顺槽开口于23下02运输顺槽，通过2#联络巷、二采轨道上山和北翼轨道大巷沟通，布置在3下煤层中。顺槽断面为4.3m×3.2m的矩形，采用锚网梁加锚索联合支护。顶板锚杆Φ22×2400mm，帮锚杆Φ22×1800mm，均为全长锚固树脂锚杆，间排距800mm×800mm；锚索Φ15.24×800mm，每排2根，排距为2400mm；顶网为8#铁丝经纬网，帮网为123铁丝菱形网。巷道沿空侧喷C20混凝土。运输顺槽开口于北翼胶带大巷，布置在3下煤层中，通过23下04运输顺槽与二采管子道沟通。顺槽断面尺寸、方式、锚杆规格及支护布置形式均与轨道顺槽相同。

    实践表明：巷道帮锚杆采用加长锚固或者全长锚固，使得锚杆的作用力分布在很大的范围上，而不会象端锚锚杆那样出现拉应力集中，从而可以避免形成连续的拉伸破裂带；沿空侧小煤柱变形大于实体煤侧，巷道断面平均收缩率位5%，试验巷道经受住了工作面回采动压影响的考验。

    10 困难条件下的煤巷锚杆控顶技术

    兖州矿业（集团）公司南屯煤矿研究出了一整套在困难条件下的煤层巷道锚杆支护控顶技术，其中包括设计与检测、确定顶板动态检测警戒线、利用检测数据及时修改支护设计和采取适当的补救措施等，工程实践表明锚杆支护下的IV、V类煤层巷道稳定性好于架棚支护。

    在南屯煤矿的回采巷道中，部分巷道的煤岩体强度比较低，采准巷道的围岩稳定性比较差，窄煤柱护巷沿空掘巷多，应力测试表明井田{zd0}水平主应力与自重应力的比值为1.8，煤系地层存在着比较大的水平构造应力。他们遵循初始设计—现场检测—修改设计的技术途径开展了此项课题的研究，尤其是应用顶板表面位移值修改设计和应用顶板离层观测数值改善顶板支护。顶板下沉量是衡量锚杆支护巷道顶板稳定状况的重要依据之一。研究表明：当顶板的下沉量达到或者超过了掘进巷道10d或者50d以内的顶板允许下沉量、在回采期前的顶板下沉量预计将达到最终允许下沉量的70%、用回归分析法计算出巷道服务期内的顶板下沉量达到最终允许下沉量的90%时，就应当考虑修改锚杆的初始设计或者采取补救措施。

    由于这个矿综采巷道的设计宽度为一定值，故使用了3种规格的锚杆和2种规格的W钢带。当锚杆支护巷道的顶板位移值超过了规定的指标以后，修改设计的时候首先要考虑改变锚杆的布置密度，然后再考虑改变所用锚杆的规格（长度、杆径）。顶板离层观测值的应用可以分为两种情况：一种是如果锚固层内的顶板离层值超过最终顶板允许下沉量，则表明锚杆的密度不够，应当缩小锚杆的间排距或者提高锚固力；另一种是锚固范围以外的离层超过了临界值，则表明锚杆的长度不够，应当加大长度、增加锚索或者采取支撑式支护。

    11 螺旋锚杆在沿空煤巷支护的应用

    兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿通过对沿空煤巷顺槽上覆岩层结构矿压变形规律及螺旋锚杆支护技术的理论分析，并经过现场实际观测对比，找出了对综放工作面巷道沿空侧采用螺旋锚杆的新型支护措施，取得了较好的技术效果和经济效果。

    螺旋锚杆对沿空侧煤柱厚度的留设要求一般在3.0～3.5m。为此，他们在使用前根据本矿工程围岩的实际状况确定了合理的孔径差值。一般情况下，在煤体中的径差为10～15mm，在锚杆不产生位移的情况下可使锚固力达到100kN以上。如果锚杆产生位移，随着位移的增加其锚固力亦会继续增大，直至锚杆杆体被拉断为止。但是，径差又不能过大，否则锚杆难以安装。假如径差过小，锚杆对围岩将不产生锚固力。

    螺旋锚杆的安装工艺流程如下：打锚杆孔→挂梯网→安装锚杆。安装机具可使用风动扳手，其冲击回转扭矩不得小于1400N?m。安装方法：在被加固的岩体中打好小于锚杆外径的钻孔，将锚杆锚固端置于钻孔口处，通过回转接头将锚杆于安装机具连接好，开动安装机具，锚杆即被旋入岩体中。为了便于井下锚固力的测试工作，要求每生产500套锚杆时，必须加工3～5根在杆体回转接头一端滚丝成扣的可做锚固力试验的锚杆。使用MLX系列螺旋锚杆比使用树脂锚杆可节约资金9.8元/根。螺旋锚杆的{zd0}特点是可以进行回收，如果按照可回收率30%计算，每万吨煤炭即可节省成本5.288万元。行家们指出：此项成果表明：在沿空煤巷采用螺旋锚杆加固技术可以有效地解决端头锚固作用差的问题，控制了沿空侧一帮的位移变形，是目前控制综放沿空巷道剧烈变形的较为合理的支护形式。

    12 煤巷新型锚杆系统研制成功

     兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿在对锚杆系统作用机理研究试验的基础上，开发出了一种新型的锚杆系统，通过在特厚煤层中的实际应用，充分证实了其先进性和广阔的推广前景。

    此项成果包括以下几个方面的内容：

    ①锚杆表面结构优化。我国使用的树脂锚杆杆体大都为双向两筋螺纹钢或者无纵筋右旋螺纹钢，前者的杆体纵筋旋转半径大于螺纹钢部分，后者在杆体旋转的时候容易将树脂胶体带向锚杆孔浅部，均不利于锚固剂的充填密实。针对上述缺陷，他们专门轧制了单向无纵筋左旋螺纹钢来制作锚杆杆体。左旋的螺纹与锚杆注入时的旋转方向相反，搅拌树脂药卷时螺纹对药卷产生强大的压力，呈波状的锚固剂可以充填孔中的裂隙及排除孔中的污水，从而增加锚固剂与杆体之间的握裹力以及锚固剂与岩体之间的粘结力。

    ②等强锚杆加工新工艺。常用的锚杆杆体直径一般都大于螺纹段，利用局部热处理技术提高螺纹段的强度或者采用变截面等强技术，存在着材料脆性增加、延伸率降低等不足。为此，他们开创了液压无热处理技术，使得锚杆的破坏部位从螺纹段转移到杆体段，破断强度提高了约24%。

    ③带钢截面形状及球形螺母配合优化。通过浇铸具有延展性材质钢坯，再轧制出燕式异形钢带，集工字钢、W型钢带结构性能于一体，重量却比两者减轻了85%和40%。这种钢带制作的锚板基本上保持了工字钢原有的强度，还省去了托盘，降低了成本，简化了工序。此外，他们还将螺母改变成球形，与钢带上的冠状孔相配合，在锚杆产生倾斜或者锚固煤体有位移的情况时，便可以通过螺母与钢带锚板之间的位移调整来xx应力集中。

    ④超速易装高强树脂锚固剂。30秒以内即可以实现高强度凝固，具有较高的拉拔力。