岩巷锚杆支护讲稿教程

1、2021-6-51 报 告 内 容 2021-6-52 1995的15% 阶段一：1995年时国内外状况 2021-6-53 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 2021-6-54 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 2021-6-55 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

2、，实现巷道施工 快速、安全、高效和掘锚协调 2021-6-56 锚杆支护的优越性 u支护理论符合现代围岩控制原理 u施工简单 u成本相对较低 u改善作业环境 u保证矿井高产高效 2021-6-57 存在的一些问题 u设计思想偏于保守，设计方法落后 u技术体系不配套 u复杂条件支护效果不甚理想 u忽视监测手段，恶性事故时有发生 u技术经济效益不显著 2021-6-58 锚杆支护的发展方向 u加快巷道掘进速度 u减少巷道支护成本 u提高锚杆支护的可靠性 方向：基于预应力的锚杆技术 2021-6-59 报 告 内 容 第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及

3、发展方向 2021-6-510 u锚杆长度和受力可确定 u跨度较大和软弱岩层厚度过大时？ 悬吊理论 经 典 理 论 2021-6-511 组合梁理论 u实质：通过锚杆将几个薄岩层锁在一起 u据材料力学计算， 解释了层状岩体锚杆支护 u但组合梁的承载能力很难确定 经 典 理 论 2021-6-512 压缩拱理论 u理论认为：安装锚杆后可形成一个承压拱 u承压拱厚度和强度？ 经 典 理 论 2021-6-513 最大水平应力理论 u巷道受地应力影响 经 典 理 论 2021-6-514 &垂直应力 (Brown & Hoek, 1978) 开 采 深 度 巷道围岩与地应力状况 2021-6-515

4、 &水平应力 水平应力与垂直应力之比 (Brown & Hoek, 1978) 开 采 深 度 埋深1000m，水平 应力与垂直应力的 比值大约为1.5-5.0 埋深1000m，水平 应力与垂直应力的 比值逐渐趋于集中， 约为0.5-2.0 2021-6-516 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 2021-6-517 u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。 u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。 围岩强度强化理论 我 们 采 用 的 理 论

5、 2021-6-518 &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 2021-6-519 2021-6-520 u锚杆的作用是约束围岩的径向膨胀和横向剪切 2021-6-521 u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： s nN m max 3 s nN mmax 3 式中：Nmax锚杆轴向力； n 锚杆数目； s 试体自由面面积。 2021-6-522 （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

6、 锚固体中锚杆布置根数； Cm 为单根锚杆提供的附加内聚力。 m nCCC 0 2021-6-523 )967. 0()2/*45tan(24 .264 . 0 )968. 0()2/45tan(289.154 . 0 * 1 1 rC rC t t （3）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） 2021-6-524 （4）锚固体的强度强化系数 cj K 1 * 1cc K 锚杆支护 强度 /MPa 单向加压平面应变加压 极限强度 /MPa 残余强度 /MPa KjKc 极限强度 /MPa 残余强度 /MPa KjKc 01.2380.06111.650.52511

7、0.061.2750.0651.031.0831.7250.58751.041.12 0.081.350.0681.091.1331.83150.6251.111.19 0.111.430.07151.1551.1921.92750.66751.1681.271 0.141.50.0751.2121.252.0750.71.2581.333 0.171.5750.0811.2721.352.170.751.3151.429 0.221.6750.0891.3531.4832.2750.821.3791.562 2021-6-525 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

8、，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。 2021-6-526 结论 u 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。 2021-6-527 报 告 内 容 第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论 2021-6-528 锚

9、杆的发展历程 第一代：机械式端头锚固锚杆。40年代开始，在 5060年代广为推广。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。 2021-6-529 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。 2021-6-530 第三代：螺纹钢树脂锚固锚杆占领市场阶段。80年 代以后，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

10、纤维 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。 2021-6-531 第四代：高性能预拉力锚杆在90年代末开始出现和应 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。 2021-6-532 u高预拉力锚杆支护 u小孔径预应力短锚索支护 u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，

11、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 锚杆支护体系的选择 2021-6-533 高预拉力锚杆 l成套使用 l部件强度相匹配 l螺纹段采用低强度损失、无 强度损失或增强加工 l容易实现高预拉力 l满足钻机连续一体化安装 l金属网、钢带及钢筋梯配套 2021-6-534 表面积不同 表面结构不同 螺纹钢锚杆表面结构优化 2021-6-535 低阻高粘型单向左旋无纵筋螺纹钢杆体 2021-6-536 新型高预拉力锚杆 2021-6-537 几种扭矩螺母 2021-6-538 各种垫圈 2021-6-539 几种配套的新型托盘 2021-6-5

12、40 u防止巷道顶板的漏冒和两帮煤体的片帮 u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 u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 2021-6-541 小孔径预应力短锚索 u孔径：国外大（50-55mm），我们使用28mm u钻机：国外为锚索钻机 ，我们用锚杆钻机 u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 u钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长 u专用设备施加预拉力，预拉力大小随意可调 2021-6-542 锚索材料及性能 2

13、021-6-543 小孔径锚索作用原理 2021-6-544 锚索存在的缺陷 u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 u锚索和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力 u外端头受力不良，与围岩点接触，顶板强化效果不明显 u内锚固端的三径匹配不合理，锚固性能不可靠 u锚索难以从根本上控制顶板的离层 2021-6-545 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 2021-6-546 高预拉力钢绞线桁架系统 顶板受压区顶板受压区 顶板桁架 有效阻止顶板垮冒 2021-6-547 桁

14、架系统的应用 与锚索支护所用材料、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 2021-6-548 M型钢带的特点 u不对称抗弯性能，容易与围岩密贴 u刚度大，强度高，不容易撕裂 u断面利用率高、节省钢材、价格低廉 2021-6-549 2021-6-550 2021-6-551 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 2021-6-552 “三径”合理匹配 从锚固力及锚固成本

15、分析 杆体结构 锚固剂环形厚度（mm） 合理值最佳值 左旋螺纹钢41056 建筑螺纹钢61278 2021-6-553 树脂技术 p 油基树脂 n收缩性 n搅拌要求高 n成本高 p水基树脂 n中性或略具膨胀性 n1：1配比，易均匀搅拌 n成本低 2021-6-554 2021-6-555 报 告 内 容 第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：预应力锚杆支护体系 2021-6-556 常用设计方法 u经验类比法

16、：分类科学性、合理性和准确性 u系统设计法：计算的实质和电算方法 u理论计算法：简化的程度、科学性、必要性 2021-6-557 煤巷锚杆支护设计新方法 地应力测试 根据反馈信息修改、完善设计 现场施工及监测 计算机初始设计地质力学评估 2021-6-558 1回风下山回风下山 与其它巷道关与其它巷道关 系示意图系示意图 2021-6-559 围岩物理力学性质围岩物理力学性质 岩石名称 参数 铝质泥岩粉砂岩灰色泥岩 容重/ g/cm32.62.62.54 比重/ g/cm32.72.712.71 孔隙率/3.814.026.21 单轴抗压强度/MPa30.531.4214.8 单轴抗拉强度/M

17、Pa0.980.910.9 内摩擦角/32.334.134.1 凝聚力/MPa7.845.483.55 变形模量/GPa8.538.45.51 泊松比0.3580.320.31 2021-6-560 u天然状态下，砂岩、泥岩和铝质泥岩在单向加载条 件下，破坏时的应力分别为30MPa、14MPa和28MPa 左右，强度较低。 u吸水饱和状态下，强度更低，其强度分别为14MPa、 5MPa和6MPa左右。 特点一：属软岩巷道 2021-6-561 岩样主体 成分均为高岭 石、石英、有 部分伊利石和 伊蒙混层，有 少量的菱铁矿、 黄铁矿等矿物。 特点二：围岩均为弱膨胀性 序号成份82煤底板砂岩82煤

18、底板铝质泥岩82煤底板泥岩 1高岭石K647172 2伊利石I1252 3伊蒙混层I/M432 4石英Q161720 5长石F/ 6方解石C0.5/0.5 7白云石D/ 8黄铁矿P12/ 9菱铁矿S112 10其它O余量余量余量 2021-6-562 样 品 中 的 伊样 品 中 的 伊 利石衍射峰宽化利石衍射峰宽化 且较低矮，表明且较低矮，表明 其结晶状态较差；其结晶状态较差； 样品中的伊蒙混样品中的伊蒙混 层衍射峰与伊利层衍射峰与伊利 石峰相连，表明石峰相连，表明 混层中的伊利石混层中的伊利石 较多，蒙脱石较较多，蒙脱石较 少。少。 特点二：围岩均为弱膨胀性 3 5101520253035

19、404550556065 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 O KK O KI/MI K K K SK K K K K K K C Q K K Q Q Q Q Q Q Q Q K Q K K: 高 岭 石 （多） Q: 石 英 （多） I: 伊 利 石 I/M: 伊 蒙 混层 C: 方解 石 （少 ） S: 菱 铁 矿 O: 其 它 （少 ） 衍 射 角 度 (单位: 度 ) 衍 射 强 度 (单位: 每 秒 脉 冲 数) 2021-6-563 特点三：结构特点 82煤底板砂岩 中，局部粗大矿物 分布较集中，局部 粗大晶粒密实嵌布， 结构较致

20、密。 2021-6-564 特点三：结构特点 82煤底板泥岩 中片状矿物排布较 整齐，中孔及小孔 多平行分布，孔间 连通较差。 2021-6-565 特点三：结构特点 82煤底板铝质 泥岩中粗大孔隙局 部较密集，中等粒 径晶粒分布较均匀。 2021-6-566 特点四：受断层破碎带影响 2021-6-567 u数值模拟模型建立 特点五：上部煤层开采对巷道的影响 2021-6-568 u巷道处于上部煤层开采后的高应力区中 2021-6-569 u巷道处于上部煤层开采后的高应力区中 2021-6-570 u巷道处于上部煤层开采后的高应力区中 2021-6-571 巷道围岩变形特点模拟 特点1 20

21、21-6-572 巷道围岩变形特点模拟 特点2 2021-6-573 巷道维护的技术途径 u采用光面爆破技术严格控制巷道成型 u及时喷浆以封闭围岩 u高预紧力锚杆支护技术是基础 u锚杆布置必须有针对性 u锚注加固技术控制围岩破碎巷道 u考虑必要的卸压支护技术。 2021-6-574 方案一：单一锚杆支护 2021-6-575 方案二：“锚杆锚索”方 案 2021-6-576 方案三：“锚杆注浆”方 案 其一，提高岩体强度 其二，形成承载结构 其三，改善赋存环境 u巷道注浆加固机理 2021-6-577 浆液的凝胶时间适当可调，以控制浆液的流动范围； 浆材的结石体最终强度高； 浆液结石率高，与煤

22、具有良好的粘附性； 浆液流动性好，配比易调； 浆液具有足够的稳定性； 浆材成本低廉，无毒无味。 u注浆加固材料选择的原则 2021-6-578 u注浆加固技术方案 2021-6-579 注浆加固时机 注浆孔深及间排距 注浆压力 注浆量 u注浆参数的确定 2021-6-580 u主要技术方案 注浆锚杆间距为1.5m，除下底角注浆孔外，其余孔均垂直巷 道岩面布置，注浆孔深度2.0m。 根据锚杆排距和注浆孔排距不同，设计如下方案： 第一种注浆技术方案：锚杆排距为和注浆锚杆排距均为1.2m， 间隔布置。 第二种注浆技术方案：锚杆排距为800mm，注浆锚杆排距为 1.6m，两排锚杆布置一排注浆孔。 20

23、21-6-581 u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！ u锚杆支护是一项隐蔽性工程 u支护材料本身存在的缺陷 支护质量监测 2021-6-582 u巷道表面位移 u巷道围岩较深部变形 u巷道顶板的离层状况 u锚杆全长范围的受力情况 u锚杆的拉拔试验和锚杆的工作阻力 u监测内容 2021-6-583 u离层指示仪 2021-6-584 u液压枕 2021-6-585 u深部多点位移计 2021-6-586 u光导纤维钻孔窥视仪 2021-6-587 u 信息反馈及修改完善设计 2021-6-588 2021-6-589 报 告 内 容 第一部分：

24、现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测第四部分：支护设计与监测第四部分：支护设计与监测 2021-6-590 2 第一类，围岩软弱型高应力巷道，即软岩巷道 2 第二类，采动影响型高应力巷道，即动压巷道 2 第三类，深井高应力巷道，即深井巷道 高应力巷道类型 2021-6-591 矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破 碎区范围很大，蠕变严重，岩石峰后状态和性质、 长时强度

25、发生变化等特点。这些特点造成巷道维 护困难、维护费用高，影响生产等一系列问题。 高应力巷道特点 2021-6-592 降低围岩应力、提高围岩强度和合理支护技术是 控制巷道围岩变形、保持围岩稳定性的三大主要 技术途径 对于高应力巷道来说，相对降低围岩应力以达到 保护巷道的方法是控制巷道围岩变形的根本 因此，从控制应力的角度出发提出“巷道围岩应 力转移理论与技术”的研究问题 解决的手段 2021-6-593 顶板掘巷的应力转移原理 2021-6-594 2021-6-595 底板掘巷的应力转移原理 2021-6-596 u胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面平面位置对照图 2021-6-5

26、97 2021-6-598 u垂直应力的转移效果 硐室受采动影响期时间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主要硐室周边的 垂直应力最大为40 MPa左右。 采用应力转移技术后，主要硐室周边的垂直应力降低为7.5 MPa左右。效果十 分明显。 2021-6-599 u垂直位移的控制效果 硐室受采动影响期时间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主硐室顶板下沉 量可达193.4 mm，底鼓量达158.8 mm。 采用应力转移技术后，主硐室基本无底鼓。效果显著。 2021-6-5100 u工业性试验方案 2021-6-5101 u上行开采的应力转移原理与技术 2021-6-5102 底角松动爆破与注浆加固 2

27、021-6-5103 2021-6-5104 掘进头超前钻孔应力转移 2021-6-5105 开槽孔 2021-6-5106 松动爆破 2021-6-5107 巷道一侧或两侧布置巷峒 巷道一侧布置巷硐后效果示意图巷道一侧布置巷硐后效果示意图 2021-6-5108 报 告 内 容 第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测第四部分：支护设计与监测第四部分：支护设计与监测

28、 第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 2021-6-5109 u 重视产品加工，采用正规合格产品 u 把握锚杆的工况，以实现高预拉力为中心 u 注意积累，结合经验开展科学设计 如何应用新型锚杆支护技术？ 2021-6-5110 基本条件 u煤层厚度8.28m，倾角37，单轴抗压强度 1020MPa，煤层节理裂隙发育。 u巷道沿煤层底板掘进，顶煤厚5.0m以上。 u巷道埋深500m。 u试验巷道长度1510m。 2021-6-5111 原支护状况及存在的问题 u工字钢对焊棚支护是一种被动支护； u掘进冒顶严重、巷道变形大；

29、 u施工困难，劳动强度大； u辅助运输复杂，安全性差； u支护成本高； u工作面端头维护工作量大。 2021-6-5112 理论观点1： u大结构：包括顶煤、直接顶、老顶及其上载荷 岩层的结构 u小结构：巷道锚杆组合支护与锚固体 2021-6-5113 2021-6-5114 2021-6-5115 理论观点2： u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。 u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。 2021-6-5116 u 预拉力

30、 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 2021-6-5117 锚杆支护强度存在的问题： 支护强度在0.10.15MPa之间，实际上在0.05MPa左 右，原因主要在于以下几个方面： 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 u 锚杆合理的支护强度 2021-6-5118 2021-6-5119 u 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

31、道内挤入，煤帮发生较大的下沉，这将影响到顶板的 稳定性 2021-6-5120 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 2021-6-5121 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，铺设菱形金 属网和带钢； 两帮：202200mm螺纹钢锚杆，沿空侧5根，实 体煤侧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 2021-6-5122 实施效果 2021-6-5123 2021-6-5124 工作面前方500m处支护效果实照图 2021-6-5125 工作面前方150m处支护效果实照图 2021-6-5126 工作面前方40-30m处支护效果实照图 2021-6-512