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新型矿用可延伸玻璃钢锚杆的性能与应用研究：从理论到实践

一、引言

1.1研究背景与意义

煤炭作为我国重要的基础能源，在能源结构中占据着举足轻重的地位。煤矿开采过程中，巷道支护是确保安全生产、提高开采效率的关键环节。随着煤炭需求的不断增长，煤矿开采深度和强度持续增加，巷道面临着更加复杂的地质条件，如高地应力、大变形、破碎围岩等，对支护技术和材料提出了更高的要求。

传统的金属锚杆在煤矿巷道支护中应用广泛，但其在复杂地质条件下存在诸多不足。金属锚杆重量较大，在井下运输和安装过程中耗费大量人力物力，增加了工人的劳动强度和施工难度。金属锚杆耐腐蚀性能较差，在井下潮湿、富含腐蚀性介质的环境中容易生锈腐蚀，导致强度降低，缩短使用寿命，增加了巷道维护成本和安全隐患。在高瓦斯矿井中，金属锚杆与采煤设备切割时容易产生火花，存在引发瓦斯爆炸等严重事故的风险。当巷道围岩发生大变形时，金属锚杆的延伸率有限，不能有效适应围岩变形，易发生断裂失效，无法提供足够的支护阻力，导致巷道失稳。

玻璃钢锚杆作为一种新型的支护材料，近年来在煤矿巷道支护中得到了越来越多的关注和应用。玻璃钢锚杆是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体，通过一定的成型工艺制成的复合材料锚杆。它具有轻质高强、耐腐蚀、耐水性好、可设计性强、易切割等优点，能够有效克服传统金属锚杆的不足，在复杂地质条件下具有广阔的应用前景。

然而，现有的玻璃钢锚杆在延伸性能方面仍存在一定的局限性，难以满足一些特殊地质条件下巷道大变形的支护需求。因此，研究开发一种新型矿用可延伸玻璃钢锚杆具有重要的现实意义。通过对新型矿用可延伸玻璃钢锚杆的性能进行深入研究，可以为其在煤矿巷道支护中的应用提供理论依据和技术支持，提高巷道支护的安全性和可靠性，有效预防巷道失稳事故的发生，保障煤矿安全生产。新型可延伸玻璃钢锚杆的研发和应用有助于推动煤矿支护技术的创新和进步，促进煤炭行业的可持续发展，提高煤炭开采效率，降低生产成本，增强我国煤炭行业的国际竞争力。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对矿用锚杆的研究起步较早，在材料、结构和性能等方面取得了丰富的成果。在金属锚杆领域，高强度、高延伸率的锚杆不断涌现，以满足深部开采等复杂条件的需求。如澳大利亚开发的高强度合金钢锚杆，其屈服强度达到了800MPa以上，延伸率也能达到10%左右，有效提高了支护效果。

在玻璃钢锚杆研究方面，澳大利亚、瑞士、德国等国家处于领先地位。自玻璃钢材料诞生以来，这些国家便迅速将其应用于锚杆领域，并开展了深入研究。他们研制的玻璃钢锚杆大多采用拉挤和模压工艺制作，基本为全玻璃钢结构。这些锚杆在轻质高强方面表现出色，重量仅为同规格金属锚杆的1/4-1/3，抗拉强度却能达到金属锚杆的水平，有效减轻了井下运输和安装的负担。在耐腐蚀性能上，玻璃钢锚杆在井下潮湿、富含腐蚀性介质的环境中，能保持良好的性能，使用寿命比金属锚杆大幅延长。

在延伸性能研究方面，国外学者通过改进锚杆结构和材料配方来提高其延伸性能。例如，采用特殊的纤维铺层方式和弹性树脂基体，使锚杆在承受拉力时能够产生较大的弹性变形，从而实现一定程度的延伸。美国的一家研究机构研发出一种新型的可延伸玻璃钢锚杆，通过在杆体中设置特殊的变形元件，当锚杆受到拉力时，这些元件能够发生塑性变形，使锚杆的延伸率达到了20%以上，在一些软岩巷道支护中取得了较好的应用效果。在现场应用方面，国外的一些煤矿在复杂地质条件下采用了可延伸玻璃钢锚杆进行支护，通过长期监测发现，这些锚杆能够有效适应围岩的变形，保持巷道的稳定，降低了巷道的维护成本和安全风险。

1.2.2国内研究现状

我国对矿用锚杆的研究和应用也取得了显著进展。在金属锚杆方面，不断研发新型钢种和制造工艺，提高锚杆的强度和韧性。例如，首钢研发的一种新型高强度锚杆钢，通过优化化学成分和轧制工艺，使锚杆的强度和韧性得到了显著提升，在国内多个煤矿得到了广泛应用。

我国于20世纪50-60年代开始涉足玻璃钢产业，70年代开始对玻璃钢锚杆进行研究，但受当时条件限制，一直未能大规模生产和应用。近年来，随着原材料生产技术和拉挤技术的飞速发展，玻璃钢锚杆的研究取得了突破性进展。1996年，平煤集团十一矿率先开展玻璃钢锚杆的开发研究，并于2002年与中国矿业大学合作，成功研制出高效率的锚杆拉挤设备，为玻璃钢锚杆的大规模应用奠定了基础。国内研制的新型玻璃钢锚杆在结构和性能上不断优化。新型玻璃钢锚杆通常由杆体、抗扭加强筋、锚尾三部分组成，杆体中纤维方向沿杆体轴向，抗扭加强筋由浸胶纤维束在杆体周围缠绕而成，呈右旋状分布，杆体一端带有金属套管锚尾，锚尾上加工有金属套管及螺纹，这种结构使锚杆在抗剪切和抗拉方面表现优异。通过改性，玻璃钢锚杆还具备