深井高地应力巷道锚杆支护成套技术

1、深井高地应力巷道深井高地应力巷道锚杆支护成套技术锚杆支护成套技术煤炭科学研究总院开采研究分院煤炭科学研究总院开采研究分院20072007年年3 3月月目目 录录 一一、国内深部开采现状、国内深部开采现状 二、二、深部深部巷道支护研究现状巷道支护研究现状 三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容 四、应用与效果四、应用与效果 五、五、经济与社会效益经济与社会效益 六、主要结论与建议六、主要结论与建议一一、国内深部开采现状、国内深部开采现状q 我国煤矿开采深度以我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加，东年的速度增加，东部矿井部矿井10-25m/年。年。q 国有重点煤矿，

2、开采深度达国有重点煤矿，开采深度达10001000m m深矿井有数深矿井有数十处，最大采深超过十处，最大采深超过1 1300m300m。q 主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、徐州、淮南、长广等矿区。徐州、淮南、长广等矿区。q 19801980年平均开采深度年平均开采深度288288m m，19951995年年428.83428.83m m，20002000年以后超过了年以后超过了500500m m。一一、国内深部开采现状、国内深部开采现状q 随着煤炭科学技术进步，矿山现代化促进了生随着煤炭科学技术进步，矿山现代化促进了生产的高产高效，进一步加速矿井

3、深度的增加。产的高产高效，进一步加速矿井深度的增加。q 浅矿井数目大为减少，中深矿井数目明显增加，浅矿井数目大为减少，中深矿井数目明显增加，深矿井将成倍增加，并将出现更多的特深矿井。深矿井将成倍增加，并将出现更多的特深矿井。q 预计在未来预计在未来2020年我国很多煤矿将进入到年我国很多煤矿将进入到1000-1000-15001500m m的开采深度。的开采深度。一一、国内深部开采现状、国内深部开采现状q 高地应力：垂直应力明显增大；深部岩体形高地应力：垂直应力明显增大；深部岩体形成历史久远，构造应力场复杂，应力高。成历史久远，构造应力场复杂，应力高。q 高地温：地温梯度高地温：地温梯度30-

4、50C/km。热胀冷缩，热胀冷缩，温度变化温度变化1 产生产生0.4-0.5 MPa应力变化。应力变化。q 高岩溶水压：地应力与地温升高，岩溶水压高岩溶水压：地应力与地温升高，岩溶水压升高，矿井突水严重。升高，矿井突水严重。q 开采扰动：高地应力下，采动影响强烈，地开采扰动：高地应力下，采动影响强烈，地压大，破坏严重。压大，破坏严重。一一、国内深部开采现状、国内深部开采现状q 深部岩体的脆弱深部岩体的脆弱- -塑性转化塑性转化 在不同围压下岩石表现出不同的特性。在较在不同围压下岩石表现出不同的特性。在较 低围压低围压 下脆性，在高围压下转化为塑性。下脆性，在高围压下转化为塑性。 q 深部岩体的

5、流变特性深部岩体的流变特性 在深部高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，表在深部高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，表现为明显的流变或蠕变。现为明显的流变或蠕变。q 深部岩体的扩容特性深部岩体的扩容特性 在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，出现在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，出现新裂纹导致岩石体积增大，扩容膨胀。新裂纹导致岩石体积增大，扩容膨胀。q 矿山工程垮落、冒顶发生频率增加矿山工程垮落、冒顶发生频率增加 矿井深度增大，围岩应力高于围岩强度，增大围岩的矿井深度增大，围岩应力高于围岩强度，增大围岩的失稳性和支护难度。极易导致顶板垮落，出现事故。失稳性和支护难度。极易导致顶板

6、垮落，出现事故。q 冲击地压与煤岩突出灾害明显加剧冲击地压与煤岩突出灾害明显加剧 随着矿井深度增大，煤岩体应力加大，冲击地压发生随着矿井深度增大，煤岩体应力加大，冲击地压发生的频率、强度和规模随之增加。的频率、强度和规模随之增加。q 矿压显现强烈，巷道变形量明显增大，给矿山生产系矿压显现强烈，巷道变形量明显增大，给矿山生产系统安全运行带来严重问题统安全运行带来严重问题一一、国内深部开采现状、国内深部开采现状q 巷道围岩变形的时间效应。围岩变形量大，有明显的巷道围岩变形的时间效应。围岩变形量大，有明显的时间性。初期来压快、变形显著，不采取有效支护措施，时间性。初期来压快、变形显著，不采取有效支护

7、措施，极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳定后，围岩还以极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳定后，围岩还以一定速度长期处于流变状态。一定速度长期处于流变状态。q 巷道围岩变形的空间效应。巷道来压方向多表现为四巷道围岩变形的空间效应。巷道来压方向多表现为四周来压。不仅顶板、两帮发生显著变形和破坏，底板也周来压。不仅顶板、两帮发生显著变形和破坏，底板也出现强烈变形和破坏，如不对底板采取有效控制措施，出现强烈变形和破坏，如不对底板采取有效控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China Coal Research Ins

8、titute二、深部二、深部巷道支护研究现状巷道支护研究现状 （一）（一） 深部深部巷道变形特点巷道变形特点 q 巷道围岩变形的易受扰动性。围岩变形对应力的变化巷道围岩变形的易受扰动性。围岩变形对应力的变化非常敏感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采动影非常敏感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩的稳定性与响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩的稳定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。q 巷道围岩变形的冲击性。在有冲击倾向的巷道中，围巷道围岩变形的冲击性。在有冲击倾向的巷道中，围岩变形有时并不是连续的、逐渐变

9、化的，而是突然剧烈岩变形有时并不是连续的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的冲击性。增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的冲击性。煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China Coal Research Institute二、深部二、深部巷道支护研究现状巷道支护研究现状 （一）（一） 深部深部巷道变形特点巷道变形特点 q新奥法支护理论新奥法支护理论煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用光面爆破；早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密光面爆破；早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自

10、承能贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。q联合支护理论联合支护理论煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China Coal Research Institute二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （二）（二） 深部深部巷道支护理论巷道支护理论 对深部巷道，只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，对深部巷道，只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。但随着要先柔后刚，先

11、让后抗，柔让适度，稳定支护。但随着巷道条件变差，该理论受到挑战，有些巷道采用联合支巷道条件变差，该理论受到挑战，有些巷道采用联合支护并不有效，多次维修，围岩变形一直不能稳定。护并不有效，多次维修，围岩变形一直不能稳定。q 二次支护理论二次支护理论 对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在保对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力；在合证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力；在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （二）（二） 深部深部巷道支护

12、理论巷道支护理论 煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China Coal Research Instituteq 锚杆锚喷支护锚杆锚喷支护 锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。但必须选择合理的支护形式与参数，才能取得较好效果。但必须选择合理的支护形式与参数，才能取得较好效果。q U U型钢可缩性支架型钢可缩性支架 U U型钢具有较好的断面形状和几何参数，型钢搭接后型钢具有较好的断面形状和几何参数，型钢搭接后易于收缩，支架设计合理，使用正确，能获得较好的力易于收缩，支架设计合理，使用正确，能获得较好的力学性能。支架结构分不封闭和封闭。但学性能。支

13、架结构分不封闭和封闭。但U U型钢支架毕竟是型钢支架毕竟是一种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难。一种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难。煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China Coal Research Institute二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （三）（三） 深部深部巷道支护技术巷道支护技术 q 注浆加固注浆加固 注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强度，注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强度，增加自身承载能力。水泥增加自身承载能力。水泥水玻璃、高分子材料。注浆水玻璃、高分子材料。注浆加固适于破碎围岩，且与其它支护方法联合使用。加固

14、适于破碎围岩，且与其它支护方法联合使用。q 联合支护联合支护 两种或两种以上支护方式联合支护。如能充分发挥每两种或两种以上支护方式联合支护。如能充分发挥每种支护方式性能，优势互补，有更好支护效果和更广的种支护方式性能，优势互补，有更好支护效果和更广的适用范围。锚喷适用范围。锚喷+ +注浆，锚喷注浆，锚喷+ +U U型钢支架，型钢支架，U U型钢支架型钢支架+ +注注浆，锚喷浆，锚喷+ +注浆注浆+ +U U型钢支架。适用范围广，但费用高，支型钢支架。适用范围广，但费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破。护形式选择不匹配时，往往造成各个击破。煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China C

15、oal Research Institute二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （三）（三） 深部深部巷道支护技术巷道支护技术 q 卸压技术卸压技术 将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是深部巷道围岩变形控巷道周边的高应力向深部转移，是深部巷道围岩变形控制的另一个途径。制的另一个途径。 在应力降低区布置巷道是首选方法，人工卸压法（切在应力降低区布置巷道是首选方法，人工卸压法（切缝、钻孔、爆破、掘卸压巷等），由于种种原因，目前缝、钻孔、爆破、掘卸压巷等），由于种种原因，目前还没有推广，仅作为一种辅助

16、方法局部采用。还没有推广，仅作为一种辅助方法局部采用。 高强度锚杆、锚索支护已得到大面积应用高强度锚杆、锚索支护已得到大面积应用, ,成为我国煤成为我国煤矿巷道首选的、主要的支护方式。矿巷道首选的、主要的支护方式。煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院China Coal Research Institute二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （三）（三） 深部深部巷道支护技术巷道支护技术 二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （四）（四） 新汶深部新汶深部巷道支护状况巷道支护状况q 新汶平均采深新汶平均采深1000m1000m，我国采深最大矿区之一，集中采，我国采深最大矿

17、区之一，集中采深大、构造复杂、灾害性多重条件，支护极困难。深大、构造复杂、灾害性多重条件，支护极困难。q 不断开发应用支护新技术、新设备、新材料，大力推不断开发应用支护新技术、新设备、新材料，大力推广锚杆支护，完成了多项支护重大科研项目，推动新广锚杆支护，完成了多项支护重大科研项目，推动新汶矿区锚杆支护技术发展。汶矿区锚杆支护技术发展。q 目前，锚杆支护率达到目前，锚杆支护率达到97.1597.15，其中煤巷，其中煤巷96.796.7，岩，岩巷巷98.398.3。二、二、 深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （四）（四） 新汶深部新汶深部巷道支护状况巷道支护状况 随着开采深度的增加，出现

18、以下问题：随着开采深度的增加，出现以下问题：q 深部巷道围岩破坏机理没能得到很好的解决，特定条深部巷道围岩破坏机理没能得到很好的解决，特定条件下围岩运动规律还需进一步研究。件下围岩运动规律还需进一步研究。q 研究形成的锚网喷二次支护理论受到了挑战，深部动研究形成的锚网喷二次支护理论受到了挑战，深部动压影响区、构造压力带、软岩破碎带，采用二次支护压影响区、构造压力带、软岩破碎带，采用二次支护后仍出现变形破坏等问题。后仍出现变形破坏等问题。q 深部岩石巷道底鼓，采动影响煤巷支护，冲击地压煤深部岩石巷道底鼓，采动影响煤巷支护，冲击地压煤层顺槽支护没有得到很好解决。层顺槽支护没有得到很好解决。二、二、

19、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （四）（四） 新汶深部新汶深部巷道支护状况巷道支护状况q 没有形成一套锚杆支护计算机辅助动态设计系统。采没有形成一套锚杆支护计算机辅助动态设计系统。采用工程类比法，巷道支护形式及参数不能根据现场的用工程类比法，巷道支护形式及参数不能根据现场的条件变化科学的进行支护设计。条件变化科学的进行支护设计。q 支护材料及机具不能适应深部困难条件，现在普遍采支护材料及机具不能适应深部困难条件，现在普遍采用的全螺纹锚杆，螺距大，预紧力低。用的全螺纹锚杆，螺距大，预紧力低。q 未形成巷道支护合理性评价系统，不能适时评价合理未形成巷道支护合理性评价系统，不能适时评价合理

20、支护的方式及参数，达到支护效果最佳、成本最低化支护的方式及参数，达到支护效果最佳、成本最低化程度，不能适应煤炭生产降低成本提高安全、经济效程度，不能适应煤炭生产降低成本提高安全、经济效益的要求。益的要求。二、二、深井巷道支护研究现状深井巷道支护研究现状 （四）（四） 新汶深部新汶深部巷道支护状况巷道支护状况针对新汶千米深井高地应力巷道支护难题，全面系统研针对新汶千米深井高地应力巷道支护难题，全面系统研究试验，形成深部巷道支护理论与成套技术。究试验，形成深部巷道支护理论与成套技术。q 提出深部巷道围岩控制理论、设计方法，开发设计提出深部巷道围岩控制理论、设计方法，开发设计软件，解决支护设计难题；

21、软件，解决支护设计难题；q 开发新型支护材料与机具，保证支护质量与速度开发新型支护材料与机具，保证支护质量与速度 q 提出巷道围岩变形提出巷道围岩变形( (离层离层) )安全评价指标，保证安全安全评价指标，保证安全q 有效解决矿区深部、高地应力与复杂地质条件巷道有效解决矿区深部、高地应力与复杂地质条件巷道 支护问题，为采煤工作面快速推进创造有利条件。支护问题，为采煤工作面快速推进创造有利条件。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容q 巷道围岩地质力学测试与评估巷道围岩地质力学测试与评估q 深井高地应力巷道锚杆支护理论深井高地应力巷道锚杆支护理论q 深部巷道锚杆支护设计

22、方法与软件深部巷道锚杆支护设计方法与软件q 高预应力强力锚杆支护材料高预应力强力锚杆支护材料q 深部巷道井下试验研究深部巷道井下试验研究q 巷道围岩离层安全评价方法巷道围岩离层安全评价方法三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）深部（一）深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试q 巷道围岩特性三要素；巷道围岩特性三要素；q 地质力学测试的重要性和必要性；地质力学测试的重要性和必要性；q 测试内容测试内容w 地应力测量地应力测量w 井下巷道围岩强度测试井下巷道围岩强度测试w 围岩结构观察围岩结构观察 三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内

23、容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试地应力测量：地应力测量：SYY-56型小孔型小孔径水压致裂地应力测量装置径水压致裂地应力测量装置q小直径，小直径，56mmq 无需钻取岩芯无需钻取岩芯q 测量工序简单测量工序简单q 速度快，大面积测量；速度快，大面积测量；q 测量深度大（测量深度大（30m）三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试围岩强度围岩强度测试：小孔径巷道测试：小孔径巷道围围岩强度测试装置岩强度测试装置q 原位测量，钻孔直径原位测量，钻孔直径5656mmmm，深度深度3030m

24、 m；q 强度值更接近岩体；强度值更接近岩体；q 可测软弱破碎岩层强度；可测软弱破碎岩层强度；q 简单、快速、方便。简单、快速、方便。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试围岩结构观察：围岩结构观察：FS75FS75 2020光光导纤维钻孔窥视仪导纤维钻孔窥视仪 q 窥视钻孔最小直径窥视钻孔最小直径25mm25mm；q 窥视钻孔长度窥视钻孔长度6m6m；q 窥视仪光源矿灯；窥视仪光源矿灯；q 便携式、快速。便携式、快速。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围

25、岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试华 丰基 线华丰矿华丰矿-1100-1100大巷地应力测量曲线大巷地应力测量曲线 三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试序序号号巷道名称巷道名称埋深埋深/m垂直应力垂直应力/MPa最大水平主最大水平主应力应力/MPa最小水平主最小水平主应力应力/MPa最大水平主最大水平主应力方向应力方向1协庄协庄1202西回风巷西回风巷79020.9432.3916.56N33.5E2协庄协庄1202东运输巷东运输巷115030.4834.617.89N12.5E3协庄协庄-850二采区轨道

26、下山二采区轨道下山107128.3839.7720.64N39.7E4华丰华丰-1100大巷大巷122032.3342.122.8N3E5华丰华丰-1010水平大巷水平大巷113029.9533.1519.1N31.5E6华丰华丰-920水平煤仓石门水平煤仓石门104027.6631.3516.2N23.5W7潘西潘西7192主巷主巷1号机窝号机窝96425.5525.6512.23N32.3E8潘西潘西7192主巷主巷3号机窝号机窝96725.6321.4210.87N43.5E9潘西潘西435运巷临时变电所运巷临时变电所96125.4720.0610.12N25.9E三、深井巷道锚杆支护成

27、套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试q 深部两种地应力场：深部两种地应力场：uHVh，7个测站，协庄个测站，协庄3个、华丰个、华丰3个测站，潘西个测站，潘西1个测站。个测站。H/V=1.004-1.55uVHh，2个测站，潘西矿，个测站，潘西矿，V/H =1.20-1.27u新汶深部地应力在协庄、华丰主要以水平应力为主，新汶深部地应力在协庄、华丰主要以水平应力为主，潘西垂直应力为主。最大水平主应力方向集中潘西垂直应力为主。最大水平主应力方向集中N3 E N43.5 Wq 潘西矿采深浅，地应力最小；协庄和华丰矿地应力较潘西矿采深浅

28、，地应力最小；协庄和华丰矿地应力较大，最大水平主应力达大，最大水平主应力达42.1MPa（华丰矿（华丰矿-1100大巷）。大巷）。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试协庄矿协庄矿12021202W W回风巷顶板围岩强度回风巷顶板围岩强度华丰矿华丰矿-1100-1100大巷顶板岩层强度大巷顶板岩层强度 潘 西 矿潘 西 矿 71927192主巷主巷1 1 号 机 窝号 机 窝顶板岩层顶板岩层强度强度三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩

29、地质力学测试q 煤层：协庄矿抗压强度煤层：协庄矿抗压强度11.218.2 MPa；华丰矿；华丰矿10.813.4 MPa，最小，最小4.5MPa，最大，最大15.8MPa；潘西矿；潘西矿抗压强度抗压强度8.210.5 MPa，最小，最小6.5MPa，最大，最大12.6MPa。煤的强度煤帮较小，随帮孔深度增加，强度增加。煤煤的强度煤帮较小，随帮孔深度增加，强度增加。煤层强度对比，潘西矿煤层强度相对较低，华丰煤矿中层强度对比，潘西矿煤层强度相对较低，华丰煤矿中等，协庄煤矿较高，总的强度属中等偏低。等，协庄煤矿较高，总的强度属中等偏低。q 直接顶：各矿相差较大。强度最大潘西矿，直接顶：各矿相差较大。

30、强度最大潘西矿，60MPa以以上；其次华丰矿，上；其次华丰矿，50MPa以上，个别以上，个别30MPa；较差协；较差协庄矿，强度一般在庄矿，强度一般在35MPa左右。左右。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（一）（一）深部深部巷道围岩地质力学测试巷道围岩地质力学测试华丰矿华丰矿-1100-1100大巷顶板钻孔窥视结果大巷顶板钻孔窥视结果协庄矿协庄矿1202W1202W回风巷顶板钻孔窥视结果回风巷顶板钻孔窥视结果顶板内节理裂隙比较发育，岩层间都有不同程度的离顶板内节理裂隙比较发育，岩层间都有不同程度的离层现象发生，而且离层和破坏有向深部发展的趋势层现象发生，而且离层

31、和破坏有向深部发展的趋势q 以锚杆锚索为基本支护的巷道支护方式已得到大面积以锚杆锚索为基本支护的巷道支护方式已得到大面积应用应用, ,成为首选的支护方式（成为首选的支护方式（60%60%）；）；q 超千米深部巷道仍选超千米深部巷道仍选锚杆支护；锚杆支护；q 传统二次支护理论（先柔后刚、先让后抗）的背景传统二次支护理论（先柔后刚、先让后抗）的背景q 现有锚杆支护存在的问题现有锚杆支护存在的问题q 能否实现能否实现超千米深部巷道一次支护超千米深部巷道一次支护q 怎样才能实现一次支护，关键因素是什么。怎样才能实现一次支护，关键因素是什么。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内

32、容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论q 锚杆可减小锚固区煤岩体的强度、弹性模量、凝聚力锚杆可减小锚固区煤岩体的强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数的降低。和内摩擦角等力学参数的降低。 n 高强度锚杆提供围压高强度锚杆提供围压0.25-0.40MPa，因围压增加的煤因围压增加的煤岩体强度为岩体强度为1-2MPa。锚杆支护在岩石破坏前对其强度影锚杆支护在岩石破坏前对其强度影响不大。响不大。n 锚杆主要作用是改善发生塑性变形和破坏的煤岩体力锚杆主要作用是改善发生塑性变形和破坏的煤岩体力学性质，减小其屈服后强度的降低，改变屈服后煤岩变学性质，减小其屈服后强度的降

33、低，改变屈服后煤岩变形特性，使破坏变得比较平缓。形特性，使破坏变得比较平缓。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论q 锚杆对节理、层理、裂隙不连续面本质作用：通过锚锚杆对节理、层理、裂隙不连续面本质作用：通过锚杆提供轴向力与切向力，减小不连续面抗剪强度的降低杆提供轴向力与切向力，减小不连续面抗剪强度的降低，阻止离层与滑动。尽量保持节理煤岩体的原有强度、，阻止离层与滑动。尽量保持节理煤岩体的原有强度、完整性。完整性。q 锚杆给围岩施加压应力，改善围岩应力状态。对于受锚杆给围岩施加压应力，改善围岩应力状态

34、。对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力。能力。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二） 高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论新汶多种锚杆新汶多种锚杆, ,巷道支护效果差，锚杆作用没充分发挥：巷道支护效果差，锚杆作用没充分发挥：q 锚杆预应力小，仍

35、属被动支护，不能控制围岩早期离层，锚杆预应力小，仍属被动支护，不能控制围岩早期离层，围岩强度和整体性明显降低，出现较大变形；围岩强度和整体性明显降低，出现较大变形；q 右旋螺纹钢锚杆，锚固剂充填不密实，影响锚固效果。右旋螺纹钢锚杆，锚固剂充填不密实，影响锚固效果。q 锚杆被拉断或剪断，锚杆强度偏低；锚杆被拉断或剪断，锚杆强度偏低；q 右旋螺纹钢锚杆螺母为铸造件，出现右旋螺纹钢锚杆螺母为铸造件，出现“退帽退帽”现象；现象；q 锚杆托梁、托盘强度不够。构件被剪断、拉穿；锚杆托梁、托盘强度不够。构件被剪断、拉穿；q 护表构件（钢带、金属网等）力学性能与锚杆强度匹配护表构件（钢带、金属网等）力学性能与

36、锚杆强度匹配性差，锚杆、锚索之间的围岩鼓出、变形大。性差，锚杆、锚索之间的围岩鼓出、变形大。 支护效果差，二次与多次支护的主要原因是支护系统的支护效果差，二次与多次支护的主要原因是支护系统的刚度低，被动支护。刚度低，被动支护。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论q理论分析、数值模拟与井下试验得出，提高锚理论分析、数值模拟与井下试验得出，提高锚杆支护系统的刚度非常重要。杆支护系统的刚度非常重要。q提高支护刚度的途径主要有两方面：一是给锚提高支护刚度的途径主要有两方面：一是给锚杆施加较大的预应力，并通过

37、托板、钢带等构杆施加较大的预应力，并通过托板、钢带等构件实现预应力扩散；二是采用加长锚固或全长件实现预应力扩散；二是采用加长锚固或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能及时抑制离层与错动的产生。及时抑制离层与错动的产生。q特别是锚杆预应力支护系统中起关键性作用。特别是锚杆预应力支护系统中起关键性作用。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论q 巷道开掘后，受掘进面支撑，变形很小。安装锚杆控制巷道开掘后，受掘进面支撑，变形很小。安装锚杆控制浅部离层滑动。安装越

38、及时，预应力越大，锚固范围内浅部离层滑动。安装越及时，预应力越大，锚固范围内岩层整体刚度越高，岩层处于压缩状态，不发生离层和岩层整体刚度越高，岩层处于压缩状态，不发生离层和弯曲等有害变形，完整性和整体强度得到保持。弯曲等有害变形，完整性和整体强度得到保持。q 没有预应力，只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，没有预应力，只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，显然不能控制在这以前顶板岩层的离层和错动，导致顶显然不能控制在这以前顶板岩层的离层和错动，导致顶板从浅部向深部逐渐离层、破坏，失去完整性与稳定性。板从浅部向深部逐渐离层、破坏，失去完整性与稳定性。q 通过大幅度提高锚杆支护系统刚度与强度，特

39、别是预应通过大幅度提高锚杆支护系统刚度与强度，特别是预应力，可以有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一力，可以有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次有效支护。次有效支护。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论-50002000-50000-50000-50000-20000-30000-10000-5000-10000-5000-10000-100000-5000-5000-5000-500002000200002000200000000000YXZXYZSZZ(Pa)500020000-500

40、0-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10预紧力预紧力20kN20kN-500010000-10000-200000-280000-70000-120000-60000-40000-1200000-10000-80000-40000-80000-120000-80000-60000-60000-70000-40000-60000-60000-40000-60000-80000-80000-80000-20000-20000-40000-70000-60000-7000

41、0-60000-60000-10000-20000-40000-40000-20000-20000-20000-1000000-100005000-50000-50005000-500010000-5000-5000-5000-50000500050000-5000-50005000000000YXZXYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-40000-45000-50000-70000-80000-200000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10预紧力预紧力100kN100kN三、深井巷道锚杆支护成套

42、技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论不同锚杆间距的应力分布不同锚杆间距的应力分布三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论无钢带无钢带有钢带有钢带YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-26000

43、0-280000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-900

44、00-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-260000-280000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、

45、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论锚索周围应力分布锚索周围应力分布000000500001000020000-5000-5000-500010000500000100002000020000100002000010000-10000-1000020000-30000-40000-40000-20000-30000-40000-40000-40000-20000-30000-5000-30000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-40000-40000-50000-10000-30000-

46、2000000-50000-30000-5000-200000-2000000-20000-100000-200000-100000-20000-2000000YXZXYZSZZ(Pa)50000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论-5000-5000-2

47、0000-5000-5000-40000-3000010000-50000-100005000-50005000-30000-60000-20000-25000-80000-80000-50000-60000-25000-100000-80000-50000-1000000-60000-10000-80000-2000-40000-50000-40000-100000-40000-10000-50000-80000-50000-40000-30000-5000-60000-60000-60000-25000-50000-5000-10000-25000-20000-5000-30000-300

48、00-10000-25000-25000-25000-10000-25000-30000-25000-10000-5000-10000-25000-30000-25000-10000-20000-10000-10000-5000-2000-5000-5000-5000-2000-2000050000-5000-20005000100005000100005000-200050000000YXZXYZSZZ(Pa)0-2000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000-600

49、000-700000-800000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10锚索周围应力分布锚索周围应力分布三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论新汶深部巷道高预应力、强力锚杆支护理论：新汶深部巷道高预应力、强力锚杆支护理论：q 锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，尽量使围岩处于受压状态，纹产生等扩容变形与破坏，尽量使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，最大限度

50、地保持抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，最大限度地保持锚固区围岩完整性，减小锚固区围岩整体强度的降低。锚固区围岩完整性，减小锚固区围岩整体强度的降低。q 在锚固区形成刚度大的次生承载结构，阻止锚固区外岩在锚固区形成刚度大的次生承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论q 锚杆支护刚度十分重要，预应力起决定性作用。根据巷锚杆支护刚度十分重要，预应力起决定性作用。根据巷道条件确定合理预应力是支护设计

51、的关键。较高预应力道条件确定合理预应力是支护设计的关键。较高预应力要求锚杆具有较高强度。要求锚杆具有较高强度。q 锚杆预应力扩散同样重要。单根锚杆预应力作用范围有锚杆预应力扩散同样重要。单根锚杆预应力作用范围有限，必须通过托板、钢带和金属网等构件将预应力扩散限，必须通过托板、钢带和金属网等构件将预应力扩散到离锚杆更远围岩中。到离锚杆更远围岩中。q 钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。的作用。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（二）（二）高预应力强力锚杆一次支护理论高预应力强力锚杆一次支护理论次生承

52、载层q 锚索作用：一将锚杆形锚索作用：一将锚杆形成的次生承载结构与深部成的次生承载结构与深部围岩相连，二是挤紧和压围岩相连，二是挤紧和压密岩层层理节理，增加不密岩层层理节理，增加不连续面抗剪力，提高围岩连续面抗剪力，提高围岩的整体强度。的整体强度。q 新汶深部巷道采用高预新汶深部巷道采用高预应力强力锚杆支护，尽量应力强力锚杆支护，尽量实现一次支护有效控制围实现一次支护有效控制围岩变形，避免二次支护。岩变形，避免二次支护。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法q 确定支护形式与参数的原则确定支护形式与参数的原则u一次支

53、护原则一次支护原则 u高预应力与预应力扩散原则高预应力与预应力扩散原则u“三高一低三高一低”原则：高强度、高刚度、高可靠性，低密度。原则：高强度、高刚度、高可靠性，低密度。u临界支护刚度和强度原则，不能低于临界值；临界支护刚度和强度原则，不能低于临界值；u 相互匹配原则；相互匹配原则； u 可操作性原则；可操作性原则；u 经济合理原则经济合理原则三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法动态信息设计法动态信息设计法q 地质力学评估；地质力学评估；q 初始设计；初始设计；q 井下监测和信息反馈；井下监测和信息反馈；q 修正

54、初始设计；修正初始设计；q 日常监测（顶板离层锚杆受力）日常监测（顶板离层锚杆受力）三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法初始设计初始设计q 采用大型数值计算软件采用大型数值计算软件FLAC、UDECq 多方案比较，得最优初始设计多方案比较，得最优初始设计q 合理性，合理反映围岩支护关系合理性，合理反映围岩支护关系q 全面性，更多地考虑影响因素全面性，更多地考虑影响因素q 快速性，进行多方案快速比较快速性，进行多方案快速比较q 可视性，结果以优越图形显示可视性，结果以优越图形显示三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深

55、井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法强力锚杆支护强力锚杆支护 普通锚杆支护（岩巷）普通锚杆支护（岩巷）三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法强力锚杆支护强力锚杆支护 普通锚杆支护（煤巷）普通锚杆支护（煤巷）三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法5m5m煤柱煤柱 15m15m煤柱（煤巷）煤柱（煤巷）三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道

56、支护设计方法q 预应力预应力-锚杆关键参数，对支护效果起决定性作用。锚杆关键参数，对支护效果起决定性作用。q 很多矿区没有认识到预应力重要性，且施工机具不能很多矿区没有认识到预应力重要性，且施工机具不能提供较大预应力，预应力普遍低，一般预紧力矩为提供较大预应力，预应力普遍低，一般预紧力矩为100-150N.m，预应力为，预应力为15-20kN，被动支护。，被动支护。q 预应力设计原则是控制围岩不发生明显的离层和滑动。预应力设计原则是控制围岩不发生明显的离层和滑动。如果选择合理的预应力值，能够实现。如果选择合理的预应力值，能够实现。q 根据我国巷道条件，确定锚杆预应力为杆体屈服载荷根据我国巷道条

57、件，确定锚杆预应力为杆体屈服载荷的的30-50%。对于。对于HRB600、直径、直径25mm的强力锚杆，预的强力锚杆，预应力的取值范围为应力的取值范围为90-150kN。q 锚杆直径、长度越大，杆体材质强度越高，要求的预锚杆直径、长度越大，杆体材质强度越高，要求的预应力越高。应力越高。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法q预紧力与螺母安装扭矩之间的关系预紧力与螺母安装扭矩之间的关系 P0=kMq预紧力与螺母扭矩成正比，同时取决于系数预紧力与螺母扭矩成正比，同时取决于系数k。q影响影响k值的关键因素：值的关键因素：u

58、螺母与螺纹段间摩擦系数，越大，螺母与螺纹段间摩擦系数，越大，k值越小；值越小；u螺母、垫圈端面间摩擦系数，越小，螺母、垫圈端面间摩擦系数，越小，k值越大；值越大；u锚杆直径，锚杆越粗，锚杆直径，锚杆越粗，k值越小。值越小。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法提高预应力途径：提高螺母扭矩提高预应力途径：提高螺母扭矩M；提高转换系数；提高转换系数k。q 提高螺母安装扭矩提高螺母安装扭矩Mu螺母安装扭矩由锚杆机具输出扭矩决定，影响预紧力螺母安装扭矩由锚杆机具输出扭矩决定，影响预紧力关键因素。关键因素。u美国等采用锚杆台车

59、、掘锚机组。钻机扭矩大，美国等采用锚杆台车、掘锚机组。钻机扭矩大，400-500Nm，保证锚杆高预紧力。，保证锚杆高预紧力。u国内采用单体锚杆钻机，输出扭矩国内采用单体锚杆钻机，输出扭矩100-150N.m，顶推，顶推力力10kN，无法实现锚杆高预紧力。，无法实现锚杆高预紧力。u采用专门高扭矩螺母拧紧设备，但增加一道工序；引采用专门高扭矩螺母拧紧设备，但增加一道工序；引进、开发锚杆台车和掘锚联合机组。进、开发锚杆台车和掘锚联合机组。三、深井巷道锚杆支护成套技术内容三、深井巷道锚杆支护成套技术内容（三）深部巷道支护设计方法（三）深部巷道支护设计方法q 提高预紧力与螺母扭矩的转换系数提高预紧力与螺

60、母扭矩的转换系数k ku降低螺母与锚杆螺纹段间摩擦系数；降低螺母与锚杆螺纹段间摩擦系数； 提高螺纹加工精度等级，减少摩擦阻力和摩擦扭矩；提高螺纹加工精度等级，减少摩擦阻力和摩擦扭矩；采用油脂对螺纹部进行润滑，减少摩擦阻力。采用油脂对螺纹部进行润滑，减少摩擦阻力。u减小螺母、垫圈端面间摩擦系数。减小螺母、垫圈端面间摩擦系数。 采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托盘之间的摩擦采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托盘之间的摩擦阻力和摩擦扭矩。在螺母与托板之间加金属垫圈和塑阻力和摩擦扭矩。在螺母与托板之间加金属垫圈和塑料垫圈，可减少摩擦阻力，而且塑料减摩垫圈的材质料垫圈，可减少摩擦阻力，而且塑料减摩垫圈的材