《柔性桿體錨桿支護技術規(guī)范編制說明》

《柔性桿體錨桿支護技術規(guī)范》編制說明

一、標準制定的必要性

錨固技術是礦山地下工程、巖土邊坡、橋隧基礎等領域的基本支護形式，應用十分廣

泛。目前我國煤礦巷道每年掘進距離達13000km，需約2.5億套錨桿（索）支護產品。

目前煤礦巷道面臨有兩大主要的共性問題，一是開采深度大導致的巷道支護困難問題，

二是掘進速度慢導致的采掘失衡問題。隨著煤炭需求增加和淺部資源開發(fā)殆盡，煤礦開采

正以平均每年8~12m的速度向深部發(fā)展，預計未來20年內絕大部分礦井將進入到1000m深度。

隨著開采深度的增加，煤礦面臨著巷道變形嚴重、采場礦壓劇烈、動力災害頻發(fā)等突出難

題，具體表現為來壓強、變形快、圍巖破壞范圍大、頂板易失穩(wěn)垮冒，已成為制約深部開

采的瓶頸。面對深部巷道“三高一擾動”的問題，對支護提出了很高的要求，如果支護手

段不合理，巷道維護效果將會非常不理想，嚴重影響礦井的安全高效生產。采掘失衡是指

采煤速度與掘進速度不匹配，其主要原因在于掘進速度慢，而掘進過程中支護時間占到60%

以上。然而，受限于巷道的狹小空間，剛性錨桿長度有限，其基礎錨固深度普遍為

2.4~2.8m，難以錨入到深部穩(wěn)定巖層中，造成基礎承載圈層薄弱，頂板垮冒事故頻發(fā)；為

達到支護要求通常配合錨索進行聯合支護，錨索可以解決錨固深度小、強度小的問題，但

錨索安裝施工過程相對復雜，施工效率低，若使用全錨索支護往往出現掘進速度偏慢的問

題，造成礦井采掘失衡現象普遍存在。

針對現有問題制定柔性桿體錨桿支護技術規(guī)范，提出新型支護產品，旨在達到支護強

度和長度的同時不受制于巷道高度，在滿足錨固深度的同時可以實現快速安裝施工，從而

提高井下巷道支護強度來應對深部開采的趨勢，提升支護效率來解決采掘失衡的問題，釋

放掘進產能，提升經濟效益，實現煤炭的安全、高效生產。

相對于傳統(tǒng)錨桿該柔性桿體錨桿的先進性、創(chuàng)新性主要體現在以下幾點：

（1）錨桿桿體為鋼絞線，鋼絞線強度比螺紋鋼強度要高得多，因此該錨桿可適應高地

壓深井巷道支護；

（2）由于鋼絞線可彎曲，所以該錨桿的長度不受巷道的高度寬度限制，即使在較狹窄

的巷道也能安裝較長桿體的錨桿，增加了巷道圍巖的支護范圍，提高了巷道的穩(wěn)定性。

（3）桿體上部為攪拌樹脂藥卷端錨，下端采用螺紋鎖緊，安裝后能立即承載，施加預

應力，而對于自穩(wěn)能力差的頂板巖層又是非常有利和必要的；安裝施工方式與原錨桿安裝

方式相同。

（4）尾部連接裝置為外六角設計，與防扭托盤相配合起到止轉作用；托盤與球型墊能

夠調節(jié)柔性桿體錨桿與托盤之間的角度以適應圍巖表面不平或錨桿安裝孔與圍巖表面不垂

直，從而改善錨桿受力狀況。

（5）柔性桿體錨桿外露長度小，大幅度提高巷道有效高度，避免巷道的浪費，節(jié)約成

1

本。

二、標準編制原則及依據

1、按照GB/T20001.5－2017《標準編寫規(guī)則第5部分：規(guī)范標準》要求進行編寫。

2、參照相關法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過程中著重考慮了科學性、適用性和可操作性。

三、項目背景及工作情況

（一）任務來源

根據《中國國際科技促進會標準化工作委員會團體標準管理辦法》的有關規(guī)定，經中

國國際科技促進會標準化工作委員會及相關專家技術審核，批準《柔性桿體錨桿支護技術

規(guī)范》團體標準制定計劃，計劃編號為：CI2023384。本標準由中國礦業(yè)大學提出，中國國

際科技促進會歸口。

根據計劃要求，本標準完成時限為6個月。

（二）標準起草單位

本標準的主要起草單位是中國礦業(yè)大學，負責標準文檔起草及相關文件的編制等。江

蘇鋒致礦業(yè)科技有限公司、雙鴨山德盟機電科技開發(fā)有限公司、徐礦集團、國家能源集團

寧夏煤業(yè)有限責任公司紅柳煤礦參與起草，負責標準中重要技術點的研究和建議，并參與

標準內容的討論。

（三）標準研制過程及相關工作計劃

1、前期準備工作

項目立項前，標準編制小組查閱、研讀相關國內外文獻，廣泛搜集錨桿支護技術相關

的材料。同時，多次與巷道支護、錨桿生產和煤礦相關行業(yè)人員進行調研、交流，廣泛征

求標準制定方面的意見和建議。

2、標準起草過程

團體標準立項通知公示后，標準編制小組首先組織了標注制定工作會議，各編寫人員

根據工作計劃分工和編寫要求開展了相關工作。在標準起草期間，編制小組主編單位及參

編單位組織了數次內部研討會和專家咨詢會，經過多次修改，于2023年10月完成了標準初

稿及編制說明的撰寫?作。

3、征求意見情況

2023年10月標準編制小組先后通過現場會議、電話、微信等多種形式征集?業(yè)專家相

關意見和建議。針對征集的意見，標準編制小組召開了研討會，將收集到的意見進行匯總

處理分析，在充分吸納合理意見的基礎上，先后修改和完成標準內容，于2023年11月根據

在各單位反饋意見基礎上，形成了標準征求意見稿并由中國國際科技促進會提交全國標準

信息平臺公示。

（四）主要試驗（或驗證）情況分析

（1）靜態(tài)拉伸試驗

2

靜態(tài)拉伸實驗采用MTS電液伺服試驗系統(tǒng)，其型號為C64.106/1000kN。如圖1所示，MTS

實驗系統(tǒng)主要包括兩個單元：控制單元和加載單元。電腦控制單元編程設定加載程序，并

通過加載單元實現柔性錨桿的拉伸實驗。本次加載采用位移加載模式，加載速率為0.2

mm/s。

圖1MTS電液伺服實驗系統(tǒng)

設置三組柔性桿體錨桿，桿體長度為600mm，兩端加持長度都為100mm，實驗結果如圖2

所示。圖中可以看，出三個錨桿樣品拉伸力變化趨勢大致相同。在似彈性階段時，三個錨

桿的斜率稍有差別，1號錨桿斜率最大，3號錨桿次之，2號錨桿最小。但在屈服強化階段時，

三個錨桿拉伸力變化曲線幾乎重合。在破壞階段，柔性錨桿也是呈分次斷裂的特征。1號、

2號、3號錨桿樣品的峰值力分別為372kN、373kN和369kN，這三個錨桿樣品峰值力的差

別在1%以內，平均為371.3kN，表明柔性桿體錨桿的力學性能非常穩(wěn)定。

3

圖2靜態(tài)拉伸試驗下柔性錨桿力學響應

1號錨桿最終位移達37mm，延伸率為9.25%；2號錨桿最終位移達36mm，延伸率為9.00%；

3號錨桿最終位移達32mm，延伸率為8.00%。三根錨桿均出現不同程度的斷裂，而不是套管

被拉出導致失效，說明套管的可靠性高，鎖緊套管與鋼絞線桿體之間存在足夠的摩擦力，

柔性桿體錨桿破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3桿體破壞形態(tài)

（2）循環(huán)加卸載實驗

巷道開挖引起的應力調整必然會影響錨桿的正常工作，為了弄清楚應力的反復波動對

柔性錨桿性能帶來的影響，因此，對柔性錨桿開展了循環(huán)加卸載實驗，循環(huán)加卸載實驗同

樣采用MTS電液伺服實驗系統(tǒng)。設置編號為D-1、D-2、D-3和D-4四組柔性錨桿施加等下限等

幅加載模式，其加載模式為：柔性錨桿D1~D4拉伸力分別上升至280kN、300kN、320kN和

340kN，開始進行循環(huán)動載，幅度為200kN，下限分別為80kN、100kN、120kN和140kN，

循環(huán)次數均為50次，循環(huán)結束后繼續(xù)進行拉伸加載直至破斷。為了和無循環(huán)加載實驗作對

比，添加了單一拉伸力-位移曲線（柔性錨桿D0）。

從圖4中可以看出，柔性錨桿D1~D4峰值力分別350kN、348kN、335kN、354kN，由

此可得，與未循環(huán)加載的錨桿相比，循環(huán)后柔性錨桿的峰值力相差不大，且有了小幅提升，

表明循環(huán)載荷并不能從根本上改變錨桿內部受力狀態(tài)。加卸載幅度和上下限的漸進變化說

明決定柔性錨桿力學性能的是循環(huán)加載的上限，而卸載幅度和循環(huán)加載的下限對柔性錨桿

力學性能影響不大，進一步說明，巷道支承壓力調整和小幅沖擊擾動對柔性錨桿支護系統(tǒng)

影響相對較小。

4

圖4循環(huán)加卸載試驗下柔性錨桿力學響應

（3）耐久性加載實驗

為了研究長期載荷作用下柔性桿體錨桿的可靠性和安全性，通過錨桿（索）耐久性實

驗系統(tǒng)，測試柔性錨桿在不同工程環(huán)境下的耐久性特性。圖5（a）和（b）分別為耐久性實

驗系統(tǒng)示意圖和實際工作圖。由圖可得，耐久性實驗系統(tǒng)主要是由承載架、張拉泵站、保

壓裝置、拉力油缸、油壓監(jiān)測系統(tǒng)、油壓傳感器、截止分流閥和油管等組成，其中，系統(tǒng)

有十個拉力油缸，可對十個錨桿樣品同時進行長期加載實驗。利用張拉泵站手動對耐久性

實驗系統(tǒng)進行加壓，當油壓達到設定壓力時，依靠保壓裝置中上下鋼管面積差帶來壓強差

的因素使得承重鋼板升起實現油壓的保持；油管連通張拉泵站、保壓裝置及拉力油缸，通

過油壓傳感器將油壓信號傳輸到油壓監(jiān)測系統(tǒng)，進而對加載載荷進行實時監(jiān)測和記錄。

（a）示意圖（b）實際工作圖

圖5耐久性試驗系統(tǒng)

實驗設置柔性錨桿樣品三個，錨桿長度均為800mm，編號為A-1、A-2、A-3。將柔性錨

桿長期載荷設定為屈服載荷的50%，約為150kN。待柔性錨桿樣品安裝到承載架后，打開油

路，并用張拉泵站對實驗系統(tǒng)進行加壓，當載荷超過150kN后，停止加壓。長期加載時間

5

達到五個月后，采用MTS電液伺服試驗機對其進行靜態(tài)拉伸實驗，分析長期載荷作用下柔性

錨桿的力學特性。

采用MTS電液伺服實驗系統(tǒng)對卸載后的A組柔性錨桿進行靜態(tài)拉伸實驗，得到柔性錨桿

拉伸力-位移曲線圖。由圖4.10可得，長期載荷作用后的柔性錨桿拉伸力-位移曲線圖變得

非常平滑，說明長期載荷的作用使得桿體各股鋼絲得到充分調整與適應，受力更加均勻。

柔性錨桿A-1、A-2和A-3峰值力分別為339kN、344kN和338kN，平均為340kN，與未經過

長期加載試驗后的柔性錨桿相比降低6.2%，由此說明了長期加載對鎖緊套管與鋼絞線桿體

之間的摩擦力影響相對較小，柔性錨桿仍能保持其自身的穩(wěn)定性和力學特性。

圖6長期載荷下柔性錨桿力學響應

三種實驗條件下柔性桿體錨桿均體現出不錯的力學性能，證明了“套管加桿體”結構

的穩(wěn)定性，可以滿足煤礦巷道的支護要求，實現煤礦巷道的安全高效掘進。

（4）應用案例1-葫蘆素煤礦

葫蘆素煤礦屬于中煤集團中天合創(chuàng)能源有限責任公司下屬煤礦，位于東勝煤田呼吉爾

特礦區(qū)，地處內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內，煤礦設計年產1300萬噸，具體位置見圖7。試

驗巷為葫蘆素煤礦21205運輸巷，21205運輸巷沿煤層底板掘進，巷道高度為3200mm，頂板

留設0.5m厚的頂煤，因此，該巷屬于典型煤巖復合頂板巷道。21205運輸巷是矩形斷面巷

道，巷道斷面為5400×3200mm。

6

圖7葫蘆素煤礦地理位置

巷道采用錨桿錨索組合支護，每排布置6根錨桿，規(guī)格為Ф20×2200mm，間排距為900

×1000mm；每排布置3根錨索，規(guī)格為Ф17.8×6200mm，間排距為1500×3000mm。高密

度的錨桿錨索支護操作復雜，需要人工反復操作，自動化程度低，制約了支護效率。頂板

和兩幫具體支護參數見圖8。

錨索Ф17.8mm

L=6200mm排距3000mm

15001500

螺紋鋼錨桿Ф20mm

L=2200mm排距1000mm

250700110013001100700250

3

1

0

1

0

0

0巷道

3

2

0

1

0

1

0

0

7

0

0

5400

圖8巷道原支護方案

原支護方案下組合支護密度高，每排布置6根錨桿、布置3根錨索。高密度的錨桿錨索

支護操作復雜，需要人工反復操作，自動化程度低，同時錨索的張拉過程時間較長，制約

7

了支護效率。

另一方面，掘進裝備效能未充分釋放。巷道采用山特維克MB670型掘錨機進行施工，如

圖9所示，施工頂板錨桿的機載鉆機有4臺，而頂板布置6根錨桿和3根錨索，施工時總有鉆

機處于閑置狀態(tài)，未能充分發(fā)揮掘錨機效能。

圖9山特維克MB670型掘錨機

采用十字斷面法在21205運輸巷布置表面位移測站，觀測原有支護巷道頂板下沉量和兩

幫收斂量，監(jiān)測結果如圖10所示。

圖10原支護方案下巷道表面位移監(jiān)測結果

由圖可知，隨著與掘進工作面距離不斷增加，頂板下沉量和兩幫收斂量均呈先急劇增

加、后緩慢增加最終趨向于穩(wěn)定的特征，頂板和兩幫最終位移量分別達到92mm和180mm。

同時煤幫出現大面積片裂破壞，造成巷道跨度增大，加劇了頂板的下沉，說明原支護方案

對巷道維控的效果并不理想。

為提高支護效率和巷道維控效果，基于跨界長錨固技術，使用柔性桿體錨桿設計21205

8

運輸巷長錨固支護方案，頂板采用Ф21.8×4000mm單一跨界錨索支護，每排垂直布置4根，

間距不等，排距為1500mm。頂板和兩幫具體支護參數見圖11。

柔性桿體錨索Ф21.8mm

L=4000mm排距1500mm

螺紋鋼錨桿Ф20mm

650105719861057650

L=2200mm排距1500mm

8

0

4

0

0

0巷道

8

3

0

2

0

0

0

8

0

0

5400

圖11巷道新支護方案

新支護方案將錨桿錨索組合支護變更為單一化柔性錨桿支護，每三米減少了10根錨桿

與3根錨索。同時根據掘錨機的鉆機位置設置柔性桿體錨桿間距，實現鉆機利用率的最大化。

新型支護方案在21205運輸巷共推廣應用1105m，平均日掘進28.5m，按照每月正常工作時

間28天計算，平均月掘進798m，比礦方原有掘進速度（500m/月）提高了59.6%。

同樣采用十字斷面法在21205運輸巷新支護方案下布置4個表面位移測站，觀測原有支

護巷道頂板下沉量和兩幫收斂量，監(jiān)測結果如圖12所示。監(jiān)測結果顯示，最終穩(wěn)定后頂板

下沉量為12~20mm，兩幫收斂量為16~44mm。頂板厚承載圈層明顯抑制巷道變形，并緩解

了頂板對煤幫的壓力，大范圍片幫問題也得到控制。

（a）1號測站（b）2號測站

9

（c）3號測站（d）4號測站

圖12新支護方案下巷道表面位移監(jiān)測結果

使用柔性桿體錨桿支護下的巷道不僅掘進速度得到到了提升，同時對巷道實現較好的

支護效果，掘進速度提高了59.6%，頂板下沉量和幫部變形量分別減少了82.6%和83.3%。巷

道現場實照如圖13所示，巷道頂板表面非常完整，巷道幫部也僅在割煤時出現了輕微片幫。

（a）頂板（b）煤幫

圖13巷道現場實照

（5）應用案例2-新安煤礦

新安煤礦屬于徐州礦務集團有限公司下屬煤礦，位于中國甘肅省平涼市，該礦年產煤

炭120萬噸，具體位置見圖14。本次開展試驗的地點為3205工作面材料巷，該巷掘進的煤層

為3號煤層，煤層平均埋深為800m，平均厚度為2.92m，傾角為3~16°。

10

圖14新安煤礦地理位置

3205工作面材料巷斷面設計為三心拱斷面：巷道寬度為5.0m，巷高3.2m，拱高1.25m，

直墻高1.95m，巷道斷面面積14.7m2。煤層頂板以泥巖與煤層多層復合為主，各分層強度較

低，并且容易被風化；底板以砂質泥巖、泥巖為主。

3205工作面材料巷原方案采用錨索-網-梁聯合支護。頂板及兩幫肩窩采用Φ18.9×

4300mm錨索進行支護，垂直于頂板輪廓線布置，間排距為800×800mm，每排9根；幫部采用

Φ22×2500mm螺紋鋼錨桿進行支護，垂直于巷幫布置，每排4根；兩幫底角采用Φ18.9×

4300mm錨索進行支護，傾斜向下45°布置，每排2根；頂板加強支護：采用Φ18.9×6300mm

錨索進行支護，間排距為1600×1600mm，每排3根。具體支護參數如圖15所示。

Φ18.9mm×6300mm錨索

0

0

3

6

0

0

Φ錨索3

18.9mm×4300mm4

Φ22mm×2500mm螺紋鋼錨桿

3

2

0

25001

0

9

5

05000

4

錨索3

Φ18.9mm×4300mm0

0

11

圖15巷道原支護方案

采用十字斷面法在3205工作面材料巷布置表面位移測站，觀測原有支護巷道頂板下沉

量和兩幫收斂量，掘進工作面進尺120m后頂板下沉量和兩幫收斂量分別為277mm和118mm，

監(jiān)測結果如圖16所示。

圖16原支護方案下巷道表面位移監(jiān)測結果

為提高支護效率和巷道維控效果，基于跨界長錨固技術，使用柔性桿體錨桿設計3205

材料巷長錨固支護方案，頂板一級柔性錨桿規(guī)格為Φ22×3600mm，間排距為800×800mm，

每排7根布置。頂板二級普通錨索規(guī)格為Φ21.6×5600mm，排距為800mm，同一排兩根錨索

間距為2400mm。頂板和兩幫具體支護參數見圖17。

圖17巷道新支護方案

在新支護方案起始位置15m布置表面位移測站A，35m布置表面位移測站B，監(jiān)測結果見

圖18。從圖中可以看出，隨著距掘進工作面距離越遠，頂板下沉量和兩幫收斂量呈現出先

急劇增加后緩慢增加最終趨向穩(wěn)定的特征。測站A最終頂板下沉量和兩幫收斂量位移量分別

12

為105mm和44mm。測站B最終頂板下沉量和兩幫收斂量位移量分別為92mm和42mm。在距掘進

工作面40m范圍內，頂板下沉相對劇烈，下沉量分別占最終變形量的74%和64%。而兩幫變形

劇烈范圍是在距掘進工作面20m內，收斂量分別占最終變形量的36%和38%。與原支護方案相

比，新方案將頂板變形減少了64%，兩幫變形減少了63%。

綜上分析，在新支護方案下，頂板和兩幫變形量顯著減小，可以較好地控制巷道變形。

（a）測站A