锚杆支护及发展——李学华PPT课件

李学华江苏徐州中国矿业大学能源学院,锚杆支护技术及发展,01.06.2020,.,2,前言1：持久的热点技术问题,煤矿安全生产的重大支撑技术科技含量快速提高，依赖经验的成分减少条件复杂多样，发展很不均衡推广空间大，技术经济效益可观,01.06.2020,.,3,承载能力低，被动支护事故多：冒顶、瓦斯超限、漏风吨煤成本高煤巷难维护，岩巷比重大难以实现矿井高产高效巷道变形、损坏、不通畅，采面推进慢,前言2：架棚支护的缺点,01.06.2020,.,4,降低了巷道支护成本保障了高产高效工作面的快速推进支护原理更先进锚杆支护的适应性更强提高了巷道断面利用率减轻了工人劳动强度,前言3：锚杆支护的优越性,01.06.2020,.,5,前言4：体系的组成,01.06.2020,.,6,报告内容,第一部分：现状、问题及发展方向第二部分：锚杆支护理论第三部分：预拉力支护体系第四部分：支护设计与监测第五部分：工程应用,01.06.2020,.,7,1：现状（两个阶段）,阶段一：1995年以前阶段二：2001年时,01.06.2020,.,8,阶段一：1995年时国内外状况,01.06.2020,.,9,01.06.2020,.,10,国外均使用在煤质中硬以上我国煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下的锚杆支护正在进行试验性研究，近几年取得较大突破,使用条件的差别,01.06.2020,.,11,设计上，以巷道围岩地质力学评估为基础掘锚一体化或性能良好的单体锚杆钻机高强度、超高强度锚杆产品可靠的监测手段科学管理，严格质量监测，形成科学的锚杆支护技术体系,国外高比例的经验,01.06.2020,.,12,锚杆支护比重约25%巷道面貌根本改观扩大使用范围、类推广，、类试验成功原因：理论、设计方法、工艺取得了突破,阶段二：2001年时,01.06.2020,.,13,形成以实测地应力为基础的的动态设计方法包括锚杆材料、附件、锚固剂、W钢带和网、“三径合理匹配”、可切割帮锚杆的锚杆支护系统技术性能良好的单体风动锚杆钻机,国内取得成功的原因,01.06.2020,.,14,小孔径预应力锚索加强支护的技术重视锚杆支护巷道安全监测重视复杂、困难条件下锚杆支护技术研究在机掘、炮掘的不同条件下，实现巷道施工快速、安全、高效和掘锚协调,01.06.2020,.,15,2：现存体系存在的一些问题,设计思想偏于保守，设计方法落后技术体系不配套复杂条件支护效果不甚理想忽视监测手段，恶性事故时有发生，安全性没根本解决技术经济效益不显著,01.06.2020,.,16,3：煤巷锚杆支护的发展方向,加快巷道掘进速度减少巷道支护成本提高锚杆支护的可靠性,方向：基于预应力的锚杆技术,01.06.2020,.,17,锚杆长度和受力可确定跨度较大和软弱岩层厚度过大时？,1：悬吊理论,01.06.2020,.,18,实质：通过锚杆将几个薄岩层锁在一起据材料力学计算，解释了层状岩体锚杆支护但组合梁的承载能力很难确定,2：组合梁理论,01.06.2020,.,19,3：压缩拱理论,理论认为：安装锚杆后可形成一个承压拱承压拱厚度和强度？,01.06.2020,.,20,4：最大水平应力理论,01.06.2020,.,21,锚杆的作用：约束围岩的径向膨胀和横向剪切,01.06.2020,.,22,江苏徐州中国矿业大学侯朝炯河南焦作河南理工大学勾攀峰,5：围岩强度强化理论,01.06.2020,.,23,我国大中型煤矿软岩巷道及煤巷所占比重约80%，每年掘进量高达1万余公里。此类巷道围岩松软破碎，受采动强烈影响，围岩破碎区、塑性区很大，围岩变形量高100余mm，数百mm，甚至1000余mm。,理论的目的和意义,01.06.2020,.,24,此类巷道锚杆支护发展缓慢，1995年比重占15.15%，目前约30%。发展缓慢的原因理论和技术不完善，包括：,（1）破碎围岩的锚杆支护理论；（2）锚杆支护设计方法；（3）施工工艺及技术,01.06.2020,.,25,理论提出的背景,传统的悬吊、组合梁、组合拱理论及计算是针对弹性状态的完整岩体；研究锚杆支护对围岩E、C、的改善也限于岩体破碎前的弹性状态；煤巷围岩松软破碎，采动应力高；围岩塑性区、破碎区范围大，此时，岩体处于峰后强度、残余强度状态；处于峰后强度和残余强度的破碎岩体，锚杆支护能否起作用？作用机理是什么？,01.06.2020,.,26,围岩强度强化理论的主要内容,巷道围岩分区,（a）严格的分区（b）近似的分区,01.06.2020,.,27,煤巷围岩塑性区分布,01.06.2020,.,28,锚杆布置在破碎围岩中,01.06.2020,.,29,物理模拟试验,锚固分离体原型从巷道一侧或顶板取出，尺寸2m2m2m，如图。模型几何相似比1/10，容重相似比0.75，锚固试体尺寸为2m2m2m，平面应变加载，并留设一自由面（巷道表面）。,01.06.2020,.,30,研究结果分析,（1）锚杆轴向锚固强度沿锚杆轴向对锚固体施加一主应力：,式中：Nmax锚杆轴向力；n锚杆数目；s试体自由面面积。,01.06.2020,.,31,（2）锚杆横向锚固强度提高了破裂面上的锚固体的抗剪强度，即增加了锚固体的等效内聚力C：,式中：C0无锚杆时岩体的内聚力；n锚固体中锚杆布置根数；Cm为单根锚杆提供的附加内聚力。,01.06.2020,.,32,（3）锚固体破坏前的C、值,01.06.2020,.,33,（4）锚固体破坏后的C*、*值,01.06.2020,.,34,（5）锚固体强度,锚固体应力应变曲线图（曲线上数字为锚杆支护强度t）,01.06.2020,.,35,（6）锚固体的强度强化系数,01.06.2020,.,36,不同加压条件下锚杆支护强度与强化系数的关系曲线,(a)单向加压(b)平面应变加压,01.06.2020,.,37,围岩强度强化的理论分析,无限长圆形巷道围岩均质，处于均匀应力场中，锚杆均匀布置，引入从物理模拟得到的锚固体的全应力应变曲线，可得到锚杆布置在围岩破碎区、塑性区条件下的围岩破碎区、塑性区、弹性区的应力、位移和各区宽度。,01.06.2020,.,38,巷道围岩塑性区宽度、表面位移计算结果（孙村矿）,01.06.2020,.,39,锚杆支护强度对破碎区、塑性区及巷道表面变形的影响,由图表可见，随着锚杆支护强度的提高，围岩强度得到强化，塑性区宽度、破碎区宽度和巷道表面位移减少，围岩强度强化到一定程度，巷道围岩就能够保持稳定。,01.06.2020,.,40,结论,锚杆支护作用的实质就是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固岩体的力学参数，提高锚固岩体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化。充分发挥围岩的自承能力。,01.06.2020,.,41,6：预应力支护理论,01.06.2020,.,42,垂直应力,(Brown&Hoek,1978),开采深度,岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。,01.06.2020,.,43,水平应力,水平应力与垂直应力之比,(Brown&Hoek,1978),开采深度,01.06.2020,.,44,开采深度,平均水平应力与垂直应力之比,我国地应力测量结果,01.06.2020,.,45,地层应力状态,01.06.2020,.,46,最大水平应力与方向与巷道轴向平行,01.06.2020,.,47,01.06.2020,.,48,最大水平应力与方向与巷道轴向斜交,01.06.2020,.,49,01.06.2020,.,50,最大水平应力与方向与巷道轴向垂直,01.06.2020,.,51,01.06.2020,.,52,现有的传统锚杆支护理论很少考虑水平地应力对巷道稳定性的影响水平地应力是客观存在的垂向应力水平应力回归三向应力,重新认识地应力,01.06.2020,.,53,美国人最先重视高预拉力支护技术美国A.WahabKhair（1992）观测了高水平地应力对巷道顶板产生的离层及剪切破坏，并提出了采用预拉力桁架控制巷道顶板的措施。,预拉力思想的发展,01.06.2020,.,54,美国J.Stankus（1994、1997）和SongGuo（郭颂，1997、1998）系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，并率先在锚杆支护设计中考虑锚杆预拉力的影响。中国学者朱浮声（1993）、郑雨天（1995）的研究表明：当锚杆预拉力达到6070kN时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量。,01.06.2020,.,55,水平应力超过顶板水平方向的强度时，将破坏顶板（剪切破坏和拉破坏），层状顶板出现离层现象。锚杆预拉力大小对顶板稳定性具有决定性的作用。当预拉力大到一定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除。,预应力理论的观点,01.06.2020,.,56,高预拉力锚杆旨在建立预应力顶板，预应力顶板的存在在一定程度上保护着顶板使其免受水平应力的破坏，使顶板岩层处于横向压缩的状态,以克服高水平应力对顶板稳定性的影响。当顶板整体性好时，形成预应力板，可采用大间排距支护。顶板破碎时，形成预应力梁，采用小间排距。,01.06.2020,.,57,在预应力顶板的条件下，垂直压力被转移到巷道两侧煤体纵深，巷道两侧附近煤体的压力减少，片帮现象缓和。锚杆支护原则是“先控顶，后护帮”。预应力结构的形成是有条件的，预拉力是关键。在水平应力大的条件下，锚杆的作用在于给顶板及时提供很高的预应力以形成预应力顶板，预应力顶板形成了一个压力自撑结构。,01.06.2020,.,58,01.06.2020,.,59,引导该技术所涉及的各个方面：（1）重视锚杆材质及结构研究（2）围岩施工安装机械设备的开发提出方向（3）形成支护材料加工的专业化公司（4）包含了一个技术体系所要求的各个方面,预拉力是个新观念,01.06.2020,.,60,第一代：机械式端头锚固锚杆。40年代开始，在5060年代推广。分为楔缝式、涨壳式、倒楔式等，其特点为锚固力低、系统刚度小、可靠性差，受岩性影响大，其技术特征客观上导致了使用的局限性。,1：锚杆的发展,01.06.2020,.,61,第二代：各种全锚锚杆提出。7080年代各种新型锚杆相继问世，如砂浆锚杆、树脂锚杆、管缝式锚杆、水胀锚杆等，它们的特点为全长锚固、锚固力大、可靠性高，适应性强。,01.06.2020,.,62,第三代：螺纹钢树脂锚固锚杆占领市场阶段。80年代后，树脂锚杆以其优越的锚固性能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场。此外各种适应特殊要求的锚杆得到发展，如适应可切割要求的玻璃钢锚杆、塑料锚杆，适应软岩大变形要求的等塑性锚杆，适应大跨度的桁架和锚索等。,01.06.2020,.,63,第四代：高性能预拉力锚杆在90年代末开始应用，并初步显示出巨大的生命力。将锚杆加工作为一门技术，而非材料消耗、废品利用，形成了锚杆产品的多样化、多系列，并实现了产业化，以适应各种不同的条件；锚杆设计、制造、服务一体化；将高新技术用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计。,01.06.2020,.,64,2：美国锚杆支护的宝贵经验,重视锚杆加工技术和结构性能研究，形成多样化、多系列的支护产品锚杆设计、制造、服务一体化、专业化高新技术用于锚杆设计、监测、施工、监测、信息反馈等,01.06.2020,.,65,高预拉力锚杆支护小孔径预应力短锚索支护钢绞线预拉力桁架支护共同点：在施工安装完成后，支护构件和围岩产生一个显著的作用力，即预拉力通过调整锚杆预拉力的大小是目前改善锚杆支护效果、扩大锚杆间排距的最经济、有效的方法,3：锚杆支护体系的选择,01.06.2020,.,66,高预拉力锚杆,成套使用部件强度相匹配螺纹段采用低强度损失、无强度损失或增强加工容易实现高预拉力满足钻机连续一体化安装金属网、钢带及钢筋梯配套,01.06.2020,.,67,表面积不同表面结构不同,螺纹钢锚杆表面结构优化,01.06.2020,.,68,低阻高粘型左旋无纵筋螺纹钢杆体,01.06.2020,.,69,新型柔性锚杆,01.06.2020,.,70,销钉式预拉力锚杆,01.06.2020,.,71,几种扭矩螺母,01.06.2020,.,72,几种典型的高性能预拉力锚杆,01.06.2020,.,73,几种配套的新型托盘,01.06.2020,.,74,01.06.2020,.,75,小孔径预拉力短锚索,钻眼机具、锚固材料及搅拌沿用树脂锚杆相关技术，较传统的锚索大大简化了施工难度。钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长；锚固深度大大提高。专用设备施加预拉力，预紧力大小随意可调。,01.06.2020,.,76,小孔径锚索作用原理,01.06.2020,.,77,国内外首创28mm小孔径锚索技术,孔径：国外大（50-55mm），我们使用28mm钻机：国外为锚索钻机，我们用锚杆钻机锚固方式和承载时间：国外用水泥浆，24小时后承载。我们用树脂锚，5-10分钟承载。,01.06.2020,.,78,锚索材料及性能,01.06.2020,.,79,锚索存在的缺陷,和20mm的20MnSi螺纹钢锚杆强度区别不明显；锚索常出现破断、抽冒现象锚索和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力外端头受力不良，与围岩点接触，顶板强化效果不明显内锚固端的三径匹配不合理，锚固性能不可靠锚索难以从根本上控制顶板的离层,01.06.2020,.,80,关于锚索的几个问题,锚索的作用？锚索的长度？锚索的张拉力？,“广义悬吊”作用与锚索的延伸率相适应根据围岩变形大小选择,01.06.2020,.,81,高预拉力钢绞线桁架系统,顶板桁架有效阻止顶板垮冒,01.06.2020,.,82,桁架系统的应用,与锚索支护用材料、施工机具和工艺十分接近能够解决厚层复合破碎顶板（不稳定层厚累计超过5.0m）、高水平地应力、松散煤层顶板等条件下的支护难题，弥补锚索支护的不足用在煤帮可有效控制两帮的相对移近,01.06.2020,.,83,M型钢带的特点,不对称抗弯性能，容易与围岩密贴刚度大，强度高，不容易撕裂断面利用率高、节省钢材、价格低廉,01.06.2020,.,84,01.06.2020,.,85,型钢带在井下的使用,01.06.2020,.,86,锚固剂的选择高性能锚杆的锚固方式“三径”匹配关系是指锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷直径三者的匹配关系,锚杆锚固参数,01.06.2020,.,87,树脂锚固剂价格比国外低40%，能达到国际同类产品水平,01.06.2020,.,88,树脂药卷主要技术指标的测试结果,01.06.2020,.,89,“三径”合理匹配,从锚固力及锚固成本分析,01.06.2020,.,90,树脂技术,油基树脂收缩性搅拌要求高成本高,水基树脂中性或略具膨胀性1：1配比，易均匀搅拌成本低,01.06.2020,.,91,防止巷道顶板的漏冒和两帮煤体的片帮通过托板将其所承担的载荷有效地传递到锚杆上，并能协调锚杆的受力，发挥锚杆的整体支护作用。有效的提高锚杆锚固范围内围岩的连续性，这对提高锚杆支护体系的整体支护强度是十分有益的。,配套的金属网、钢带及钢筋梯,01.06.2020,.,92,01.06.2020,.,93,01.06.2020,.,94,01.06.2020,.,95,1：常用的设计方法,经验类比法：围岩分类科学性、合理性和准确性系统设计法：计算的实质和电算方法理论计算法：简化认识的程度及科学性，简化的必要性？,01.06.2020,.,96,能否简化为二维问题、三维问题需要设计的参数问题锚杆支护巷道稳定性判别标准问题锚杆支护参数的快速设计问题,2:支护设计的关键,01.06.2020,.,97,3：煤巷锚杆支护需要设计的参数,锚杆预拉力锚杆间距、排距锚杆的长度锚杆的直径锚固方式,01.06.2020,.,98,4：煤巷锚杆支护设计新方法,01.06.2020,.,99,地应力测试,01.06.2020,.,100,原岩应力的大小和方向巷道3倍宽度范围内围岩赋存状态的详细描述该范围内围岩的物理力学性质描述巷道受构造及采动影响的剧烈程度及范围,地质力学评估,01.06.2020,.,101,初步确定锚杆支护参数，如巷道断面、锚杆材质、锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷大小、锚固方式及长度、预拉力等建立模型，根据锚杆布置密度、长度、锚杆间排距等参数确定锚杆布置方案，用数值分析不同方案巷道围岩的稳定性综合分析，选取较好的方案进行现场施工,锚杆支护的初始设计,01.06.2020,.,102,将初步设计方案应用到现场进行施工，并建立适当的测站进行观测观测内容包括：巷道表面位移、巷道围岩较深部变形、巷道顶板的离层状况、锚杆全长范围的受力情况、锚杆的拉拔试验和锚杆的工作阻力,现场施工与监测,01.06.2020,.,103,锚杆支护监测的必要性,锚杆支护不是万能的，在一些情况下，单纯采用锚杆支护是不安全的，甚至是不可能成功的！锚杆支护是一项隐蔽性工程支护材料本身存在的缺陷,01.06.2020,.,104,锚杆支护制造质量控制,杆体（材质）强度检验镦头强度检验连接件强度检验系统强度检验锚杆及托盘、钢带能力核定,01.06.2020,.,105,井下施工质量控制,预拉力检验（扭矩/拉力比检验）锚固力破坏性检验顶板光纤窥镜分析钻孔质量检验树脂检验,01.06.2020,.,106,安全监测技术,表面位移、离层仪、锚杆测力计、多点位移计等常规观测6米可弯曲光导纤维岩层窥视仪红外线钻孔探测摄像仪GK-701声波多点位移计,01.06.2020,.,107,01.06.2020,.,108,01.06.2020,.,109,01.06.2020,.,110,光导纤维钻孔窥视仪,01.06.2020,.,111,01.06.2020,.,112,01.06.2020,.,113,01.06.2020,.,114,01.06.2020,.,115,几个指标：巷道稳定性锚杆工况,信息反馈及修改完善设计,1、顶板锚固区内离层2、顶板锚固区外离层3、两帮的相对移近量4、端锚锚杆的锚固力5、测力锚杆的失效点数,01.06.2020,.,116,01.06.2020,.,117,及时对现场监测到的数据进行分析整理，与初步设计中得到的估算数据进行对比分析如果两者存在较大差距时应修改初步设计，调整锚杆支护参数，形成最终设计,01.06.2020,.,118,如何应用新型锚杆支护技术？重视产品加工，采用正规合格产品把握锚杆的工况，以实现高预拉力为中心注意积累，结合经验开展科学设计,01.06.2020,.,119,示例1：兴隆庄5318综放沿空巷道,原支护状况及存在的问题,煤层厚度8.28m，倾角37，单轴抗压强度1020MPa，煤层节理裂隙发育。巷道沿煤层底板掘进，顶煤厚5.0m以上。巷道埋深500m。试验巷道长度1510m。,01.06.2020,.,120,原支护状况及存在的问题,工字钢对焊棚支护是一种被动支护；掘进冒顶严重、巷道变形大；施工困难，劳动强度大；辅助运输复杂，安全性差；支护成本高；工作面端头维护工作量大。,01.06.2020,.,121,理论观点1：,大结构：包括顶煤、直接顶、老顶及其上载荷岩层的结构小结构：巷道锚杆组合支护与锚固体,01.06.2020,.,122,01.06.2020,.,123,01.06.2020,.,124,理论观点2：,大结构在上工作面回采、掘巷及本工作面回采时均不会发生失稳现象，为巷道采用锚杆支护提供了先决的外部条件。但大结构的回转下沉运动将会引起巷道围岩大变形的发生。在大变形前提下，巷道稳定性主要取决于巷道围岩采用锚杆支护时形成的小结构的稳定性。,01.06.2020,.,125,预拉力,锚杆支护中的三个关键问题,提高预紧力可以有效控制巷道变形，并可以加大锚杆的间排距,01.06.2020,.,126,锚杆支护强度存在的问题：锚杆材质多为Q235的圆钢，其s240MPa，延伸率25%锚杆的直径较小，破断载荷在50100kN之间锚固长度达不到要求锚杆的辅助支护措施不配套,锚杆合理的支护强度,01.06.2020,.,127,01.06.2020,.,128,加强支护形式及技术,顶板锚杆的长度不够顶板煤体普遍较为松软，锚杆的锚固性能得不到有效保证当巷道两帮的支护强度不够时，将使两帮向巷道内挤入，煤帮发生较大的下沉，这将影响到顶板的稳定性,01.06.2020,.,129,影响小结构稳定的关键问题,窄煤柱的合理设计（1）原则：锚杆安设基础、有利的应力环境、良好锚固性能、巷道围岩变形、煤损小的原则（2）方法：理论计算法、数值分析、工程实践法顶板煤体的合理支护重视实体煤帮的支护问题重视巷道帮角的加固,01.06.2020,.,130,煤柱合理宽度留设,01.06.2020,.,131,煤柱合理宽度留设,01.06.2020,.,132,断面：宽度44.5m，高度2.8-3.1m；煤柱尺寸：3.5m；顶板：5根202500mm螺纹钢锚杆，铺菱形网和带钢；两帮：202200mm螺纹钢锚杆，沿空5根，实体4根；锚固方式：顶板及两帮中均采用加长锚固方式，药卷长度1000mm。,巷道支护设计,01.06.2020,.,133,实施效果,01.06.2020,.,134,01.06.2020,.,135,工作面前方500m处支护效果实照图,01.06.2020,.,136,工作面前方150m处支护效果实照图,01.06.2020,.,137,工作面前方40-30m处支护效果实照图,01.06.2020,.,138,工作面