随着浅部资源的减少和匮乏，我国煤炭开采逐步转向深部，开采深度以每年8～12m的速度增加，未来十年我国煤矿深部开采的问题将越来越突出。从煤矿井下的实际情况来看，深井巷道变形剧烈、维护困难、支架折损严重、返修率高、维护费用成倍增加，安全状况恶化等。近年来，随着一大批大型国有老矿井向1000m左右深度延伸，对深部岩巷围岩稳定与支护中涉及的理论与关键技术的研究显得尤为迫切，高强度锚杆索支护在浅部矿井巷道支护中效果好，但在深部矿井高地压巷道出现一系列问题：锚杆预应力过低、强度不足、抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效；锚索直径小、强度低、延伸率低，与钻孔匹配性差，出现锚索拉断或整体滑动；钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉断，护顶效果差；锚杆、锚索强度和刚度偏低，单位面积锚杆数多，间排距小，支护密度大，严重影响巷道掘进速度，造成采掘接续紧张，这些现象严重影响锚杆支护效果和安全程度。

 

　　针对这些问题开展研究，我们提出高性能锚杆的概念，它是指杆体材质符合高强度、延伸率及锚固要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现预拉力的新型锚杆。

 

 

　　高性能预拉力锚杆研制方法及特点如下：

 

　　 ①采用20MnSi无纵筋左旋螺纹钢加工，其强度和延伸率都符合高强度锚杆对材质的要求，材质优良，取材方便，杆体表面凸纹能够满足搅拌阻力和锚固要求，不必二次加工；

 

　　②外端螺纹部采用低强度损失加工新工艺，螺母、托盘、钢带等附件尺寸匹配、强度相当；

 

　　③双重减摩措施，保证实现预拉力（初锚力），并调整锚杆外端受力；

 

　　④扭矩螺母实现快速机械安装；

 

　　⑤有醒目的标志直观显示安装施工质量；

 

　　⑥配套的新型附件性能优越，包括顶板用M型钢带和帮用的Π型轻型带钢，前者是针对W型钢带易撕裂、抗弯模量小的缺陷，经过断面形状优化产生的高翼缘结构；后者是针对钢筋梯子梁焊点不牢，整体性差，与围岩接触困难的缺陷而开发出来的，用料省，整体力学性能好，它们都属于更新换代产品，有多种规格和多个系列。

 

 

　　对于锚杆杆体而言，要求对树脂搅拌后，必须充填密实，才能使锚杆杆体与树脂的握裹力、孔壁与树脂之间的粘结力达到最大，产生非常大的锚固力。由于普通的螺纹钢锚杆为表面两边带纵筋、右旋螺纹的杆体，在搅拌树脂时，主要带来如下问题：

 

　　①由于两纵筋的存在，减小了孔壁与锚杆杆体的有效间隙，增大了搅拌时的阻力，实践证明，带有纵筋的螺纹钢杆体搅拌时的扭矩大于80～100N·m。另外，由于两纵筋比螺纹高，降低了杆体与孔壁之间树脂的密实程度。

 

　　②右旋螺纹在旋转时，会产生将树脂从孔内旋出的力量（搅拌树脂时，锚杆钻机为右旋），不利于锚固剂的充填密实，降低了锚固剂的锚固程度。

 

　　针对普通螺纹钢杆体存在的缺陷，将锚杆杆体直接加工成单向无纵筋左旋螺纹钢，使螺纹方向与搅拌树脂时的方向相反。这样，在搅拌树脂时，左旋螺纹会对树脂产生向孔内的推力，增加树脂的密实程度，增大锚杆的锚固力。

 

　　不同锚杆杆体的锚固力试验结果如图所示，实验中所采用的螺纹钢锚杆杆体直径均为20mm，锚固段长度为300mm。根据试验结果，双向有纵筋普通螺纹钢锚杆锚固力平均为46.3kN，单向无纵筋右旋螺纹钢锚杆锚固力为48.7kN，单向无纵筋左旋锚杆锚固力91.3kN。由此可以看出，单向无纵筋左旋螺纹钢锚杆，在使用过程中，可以充分搅拌树脂，并增大了树脂的密实程度，减少了树脂固化后的收缩量，增大了锚杆的锚固力。从试验数据中可以看出，单向左旋无纵筋螺纹钢锚杆比双向有纵筋普通螺纹钢锚杆的锚固力提高了94%，达到了非常好的锚固效果。

 

　　单向左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体有如下几个几何参数：横肋宽度、横肋高度、间距、螺旋角等，它们都影响搅拌阻力和粘结能力，通过优化断面形状和横肋几何参数，可以实现低阻高粘的性能。

 

　　由于钢与钢之间的摩擦系数无法改变，所以，影响锚杆预拉力的因素主要有两个：拧紧力矩M，这主要取决于安装机具的输出力矩；螺纹力矩基本上是固定不变的，锚杆预拉力主要取决于螺母与托盘之间的摩擦阻力。

 

　　（1）提高安装机具的扭紧力矩M

 

　　安装机具输出拧紧力矩的大小是决定锚杆预拉力的关键。目前，国外先进的采煤国家，如美国、澳大利亚等，普遍采用掘锚联合机组进行巷道掘进和安装锚杆，获得锚杆高预拉力的措施是：第一，锚杆台车的安装顶推力很大，能够达到445kN的安装顶推力，安装顶推力能够对巷道顶板提供一个很高的压紧力，该力在锚杆安装以后便由锚杆通过托盘保持住。第二，安装锚杆时，输出的拧紧力矩非常大，可以达到542N·M。如此可以保证锚杆预拉力可以达到其杆体屈服强度的70%。现在，我国锚杆打眼和安装普遍采用单体锚杆钻机，这种锚杆钻机的输出扭矩一般在100～140N·M之间，顶推力不超过10kN，难以满足提高锚杆预拉力的要求。采用高扭矩的冲击式风扳机可以提高锚杆预拉力，如山东济南交通学校机械厂生产的BK-20型风扳机，其输出扭矩可以达到490N·m，但机械性能不稳定，应用受到限制。

 

　　（2）采取减摩措施

 

　　施加预拉力到一定值后，螺母与托盘之间的摩擦阻力已经非常大，使锚杆钻机的扭矩大部分消耗在摩擦力上，无法使扭矩转化为杆体上的预拉力，要满足设计的预拉力的要求，必需在螺母与托盘之间加上“润滑”装置，减少摩擦阻力。经试验，在螺母与托盘之间加上一个金属垫圈和一个塑料垫圈，可以极大地减少摩擦阻力，达到“润滑”的目的。

 

 

　　随着我国浅部资源的减少和匮乏，煤炭开采逐步转向深部。经探明，我国煤炭埋深在-600m以下和-1000m以下的储量约占总储量的73%和53%，东部煤炭资源埋深在1000～2000m的储量占2000m以浅总储量的83%，同时，我国金属矿产开发也在向深部发展，其中，金川镍矿、红透山铜矿等开采深度都已达到了1000m以下。可以预计，再过一、二十年，现有的许多煤矿和新近开发的矿井都会进入深部开采，研究深部开采理论和技术已势在必行。合理的锚杆支护设计、锚杆结构和加工性能等不仅可保证回采巷道的安全可靠，而且可取得显著的技术经济效益和社会效益。