高强锚注支护技术

1、 巷道支护应了解地应力、围岩的性质和锚杆/锚索的锚固性能。 地应力：作用在巷道围岩上的载荷，是巷道变形破坏的力源。 围岩：既是我们支护的对象，又是锚固体来承载。锚杆/锚索：是支护或加固围岩的一种构件。 对这三方面了解的越充分，支护设计就越合理，技术管理就越完善。在煤矿井下存在三维应力状态，在三个方向上的最大主应力V由上覆岩层自重引起的，大小(YH)在水平面上存在两个主应力：H1最大水平应力H2最大水平应力地应力可以通过应力解除法、水压致裂法进行测试。 我们公司在兖矿集团进行50多点的原岩应力测量。兖州矿区原岩应力分布规律兖州矿区原岩应力分布规律（1 1）最大水平主应力为最）最大水平主应力为最小

2、水平主应力的小水平主应力的2.172.17倍，倍，（2 2）垂直应力随深度成线）垂直应力随深度成线性增长，其值与按上覆岩层容性增长，其值与按上覆岩层容重和埋深计算出的垂直应力略重和埋深计算出的垂直应力略小；小；（3 3）最大水平主应力普遍）最大水平主应力普遍大于垂直应力大于垂直应力; ;2200应 力 （ MPa）深 度 （ m ）46810121416182040060080022242628最 大 水 平 主 应 力 S (垂 直 应 力 )v最 小 水 平 主 应 力 我们公司也在一矿北风井也进行了三个点的原岩应力测试。测点1（MPa）3（MPa）v（MPa）1/v1/3轨道上山30.8

3、722.1224.471.261.40外水仓36.3114.0121.301.702.59回风上山39.0212.8325.731.523.04 最大水平应力1明显大于垂直应力v，1/v =1.261.70，且地应力场呈现1v3的应力关系，说明水平应力比垂直应力对巷道稳定性的影响要大，地应力场中水平应力占优势地位，为典型的构造应力场。巷道开挖后改变了围岩的原岩应力状态，引起应力的重新分布.垂直应力向两帮转移，形成垂直应力在两帮集中；水平应力向顶、底板中转移，形成水平应力在顶底板集中的现象。垂直应力的影响主要显现于两帮煤体，而水平应力的影响则主要显现于顶、底板岩层。水平应力水平应力 垂直应力垂直

4、应力 为了研究巷道顶板的稳定性，澳大利亚联邦科学院与SCT公司对巷道掘进期间的顶板内的垂直应力进行了监测。 监测地点在（Moranbah North Mine）北莫兰巴矿104工作面运输巷。巷道埋藏深度220m，巷道宽度5.2m，高度3.2m 煤层厚度5.5m，巷道沿煤层底板掘进。在地点1顶板的不同高度安设了4个地应力监测传感器，在地点2安设了两个地应力传感器，用于监测在巷道开挖后，顶板内顶应力的变化情况。在监测之前，在地点1对煤层和顶板砂岩进行了原岩地应力测量。可以看到在煤层中。可以看到在煤层中的地应力非常小，据他们分析，主要是因为煤层中含有气体和水的流失，造成煤层中的应力下降，煤层中的垂直

5、应力仅为1.3 Mpa.顶煤中垂直应力的变化，每30分钟读一次数，记录垂直应力随巷道开挖的变化。巷道开挖后，在顶板砂岩内垂直应力的变化。在巷道顶板高5.3m，泥岩中安装的地应力传感器应力的变化： 1. 在掘进工作面的前方7-8m时，垂直应力随着推进逐步减少，2. 在巷道开挖后，垂直应力急剧下降。3.5m以后水平应力有所恢复。高水平应力作用下的巷道典型破坏模式当集中的水平应力引起下部岩层破坏时，水平应力向深部转移1破碎区；2松动区；3塑性区；4弹性区掘进方向最大水平应力集中掘进方向a) 巷道状况好b) 巷道状况差c) 巷道左侧发生变形最大水平最大水平主应力最大水平主应力掘进方向应力集中掘进方向d

6、) 巷道右侧发生变形主应力主应力主应力最大水平最大水平主应力最大水平应力理论：1巷道开挖后引起应力重新分布，垂直应力向两帮转移，水平应力向顶、底板转移，因而垂直应力的影响主要显现于两帮，而水平应力的影响则主要显现于顶、底板岩层；2、方向呈正交关系的最大水平主应力分量hmax和最小水平主应力分量hmin在量值上通常相差较大。这使得水平应力对巷道顶、底板影响具有明显的方向性；3、当巷道轴向与最大水平主应力平行时，受水平应力影响最小，对顶底板的稳定最有利；4、当巷道轴向与最大水平主应力垂直时，受水平应力影响最大，对顶底板的稳定最为不利；5、与最大水平主应力方向成一定角度斜交的巷道，巷道一侧出现应力集

7、中，而另一侧应力释放，从而使巷道顶底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。沿空巷道顶板岩层应力传感器应力传感器应力传感器应力传感器L1L2L3L4在我国工作面存在一条沿空掘巷，与采空区存在3-7m的煤柱，将巷道布置在低应力区。巷道的应力环境是怎样的？我们可以通过实测可以测量三维应力分布。东滩煤矿4307综放工作面沿空巷道次生应力观测43 07轨道巷4511.4m28.35MPa13.62MPa10.27MPa5.7m采空区实体煤4m宽煤柱5556YMHI 3ANZI18.46MPa32.28MPa7.8m5.7mANZI45.08MPa粉砂岩煤层2.7m煤上16.7MPa9.33MPaANZI330

8、垂直应力分布图01020304005101520距采空区的距离（m）垂直应力（MPa）3m宽小煤柱4m宽小煤柱8.72MPa31.9MPa27.97MPa12.49MPa东滩煤矿沿空巷道所处的应力环境分析工作面推进地应力的变化监测点距工作面的距离（m）-505101520020406080100120140160180 垂直应力（M Pa）HI1HI2HI343 07轨道巷采空区实体煤4m宽煤柱监测传感器HI2粉砂岩煤层2.7m煤上监测传感器HI3监测传感器HI1工作面推进水平应力的变化实测最大水平主应力与最小水平主应力的大小和方向实测最大水平主应力与最小水平主应力的大小和方向主应力主应力实测

9、（实测（MPaMPa）倾角（向下为倾角（向下为正）正）方位角方位角1 110.6710.672.32.3126.4126.42 26.526.5237.437.4134.2134.23 34.854.853.83.841.341.3v v7.117.11工 作 面 回 采 过 程 中 次 生 应 力 监 测 频 度5 0 m回 采 方 向 与 右 侧 对 称左 侧 观 测 方 式安 装 位 置应 力 监 测 仪每 2 m观 测 一 次- 2 0 m0 m2 0 m观 测 一 次每 2 m观 测 一 次每 5 m回 采 方 向1 5 0 m观 测 一 次每 1 0 m观 测 一 次每 2 0 m

10、壁3 0 0 m工长作面为了监测工作面回采在煤柱内的应力变化情况，我们安设了四个地应力监测传感器。在工作面前方117m，垂直应力几乎没有变化，接近实测垂直应力7.1MPa。当工作面推进到离测区布置70m时，垂直应力开始增加。 煤层开采相邻煤柱(煤体）垂直应力的升高，增加的支承压力的大致等于： （0.6-0.7）H2/2煤柱内水平主应力实际变化曲线113岩石的性质:岩石的强度在单向受力、双向受力及三向受力状态是不同的；岩石的强度随着围岩的升高而升高。岩石的强度随着围压的提高而提高，岩石的残余强度也随着围压的提高而提高。 锚杆支护的目的之一就是提高对围岩的围岩，就等于提高围岩的强度。 试样的直径（

11、m)岩石的强度（MPa)试样的强度随着试样的直径增大而减小。 岩体的强度与试样的强度相差很大； 试样的强度分散性很大。 在利用实验室数据时，应合理取值。 锚杆锚索主要两个作用： 一是对围岩提供约束，限制或阻止所支护范围内/外的围岩发生位移或破坏，保持围岩的整体性。 二是向围岩施加围压，提高锚固体的强度。锚杆在轴向上通过杆体、锚固剂、孔壁岩石之间的结合约束围岩离层或位移。巷道围岩发生位移，锚杆受力的特性，叫做锚杆的载荷传递特性。 锚杆的载荷传递特向包括两方面的内容，一是将围岩发生位移所产生的载荷传递给锚杆；二是将不稳定的围岩传递到稳定的围岩中。 影响锚杆载荷特性的因素有：1. 锚杆的强度与外形；

12、2.锚固材料的强度与特性；3.三径匹配；4.围岩的强度及钻孔表面的粗糙度。 研究锚杆的锚固性能在现场通过短锚固拉拔试验的方法。 在实验室采用拉拔或对杆体压出进行试验。澳大利亚卧龙岗大学对该国所使用的锚杆，在实验室进行了短锚固试验。肋间距37.5mm拉拔力最大试件类型试件类型螺纹形态螺纹形态直径直径/mm螺距螺距/mm肋宽肋宽/mm肋高肋高/mm试件试件1梯形螺纹24.72031.5试件试件2梯形螺纹24.72531.5试件试件3梯形螺纹24.73031.5试件试件4光面25.0 试件试件5梯形螺纹25.01051.5试件试件6波形螺纹25.012.76.351.5我们对中空注浆锚杆的外形也进行

13、测试。试件类型试件类型 螺纹形态螺纹形态 直径直径/mm 螺距螺距/mm拉拔力拉拔力 KN试件试件1梯形螺纹 24.72084试件试件2梯形螺纹 24.72596试件试件3梯形螺纹 24.73082试件试件4光面25.0 18 试件试件5梯形螺纹 25.01040试件试件6波形螺纹 25.012.76.3主要影响因素主要影响因素（1）少放树脂（少放树脂（2）搅拌不充分或过搅，（）搅拌不充分或过搅，（3）产生手套）产生手套效应效应 （4）树脂流失到围岩裂隙中。）树脂流失到围岩裂隙中。在澳大利亚近三分之一未达到设计的锚固长度。在澳大利亚近三分之一未达到设计的锚固长度。手套效应。树脂流失：钻孔内存在

14、大量的裂隙、弱面。假如 锚杆机的推力10kN,推进直径22的锚杆，将生产多大的压力？如果用60MP a与10MPa的材料进行锚固，其锚固力相差1倍。锚固材料的强度影响树脂锚固质量的另一个主要原因是人为因素： 1. 少放树脂； 2.钻孔打深；3.搅拌时间不够或过搅拌；4.使用过期或变质的锚固剂； 5.机具的扭矩或推力达不到要求等。 澳大利亚SCT公司在现场直径22mm的锚杆，在钻孔直径25mm、27mm、29mm和31mm四种钻孔中进行了短锚固拉拔试验。得出了不同的拉拔力。在25mm的钻孔中拉拔力为120kN .而在31mm的钻孔中平均为60KN。拉拔力降低了一倍。 卧龙岗大学阿吉兹教授在试验室

15、也进行了短锚固拉拔试验，他得出的试验结果与SCT公司的现场略有不同。但杆体与钻孔直径之差为4-6mm为最大。 锚杆对围岩的横向约束作用 当岩层沿层面或节理裂隙发生错动时对锚杆杆体以及锚固剂产生剪切应力，锚杆以及锚固剂则以反作用力的形式对岩层的错动产生约束。阻挡岩层的水平移动。 2、支护机理-锚固性能一般钢材的抗剪为抗拉强度的60%。如果施加预应力后其抗剪强度降低。澳大利亚DSI 公司对钢绞线在不同的预紧力的条件下进行了剪切试验。 端锚与全长锚固：1. 全长锚固比端锚的载荷传递特性要高。全长锚固锚杆对锚固范围内的围岩都受到约束，可有效限制围岩离层，保证顶板岩层的整体稳定。而端头锚固对两端之间围岩

16、发生离层提供的约束要小得多，难以保证围岩的稳定。2. 全长锚固比端锚抗剪能力要高。3. 锚秆的全长锚固要比端锚支护的刚性要高。限制围岩变形。锚杆全长锚固时，通过锚固剂使锚杆全长范围内的杆体与围岩粘结紧密，因而在锚固范围内任一点发生离层和变形时都能有效地提供锚固力。4. 全长锚固支护的可靠性高。端锚锚杆的工作阻力只作用在两端，锚杆托盘的受力较大，极易引起孔口破裂、岩层被“压酥”而破坏，产生卸载；而全长锚固锚杆的轴力在锚杆中部最大，孔口较小，因而对孔口附近顶板的稳定有利。端锚0.5mm的变形提供2.5吨的约束力全锚0.5mm的变形提供15吨的约束力假如22x2400的锚杆端锚600mm，外露100

17、mm，未锚固段1600mm。当发生0.5mm离层时，锚杆的拉力F=.s=E.S=E.L/L.S1600mm 光面钢丝破断载荷为75.08kN;5根 螺旋类钢丝的抗拉强度为67.12kN.(4根） 锚索的的破断力为680KN; 锚索的抗剪力为448kN 对锚索进行注浆，然后进行抗剪试验。 未注浆为抗剪力448kN, 注无机材料为800kN,注有机材料772KN55索体Cable索体Locker锁顶板Grouts 浆液 谢桥煤矿锚注钻孔窥视结果 注浆后取出岩芯注浆改变了巷道围岩的注浆改变了巷道围岩的力学性质力学性质：1.1.提高巷道围岩的强度提高巷道围岩的强度和整体性。和整体性。2.2.网络骨架作

18、用网络骨架作用3.3.粘结补强作用粘结补强作用4.4.高压注浆的压密作用高压注浆的压密作用注浆提高巷道围岩的内聚力C和内摩擦角。巷道支护的基本原则 1.巷道开挖后，应及时向巷道围岩施加围压（3）将巷道围岩由双向受力转化为三向受力，提高巷道围岩的强度。具体措施：提高锚杆/锚索的预紧力和钢带及网的护表构件的刚度等 2. 保持巷道围岩的整体性并对巷道围岩进行有效的约束，限制巷道围岩的离层和位移。有效措施：高强全锚支护。 3. 改善围岩的性质，最大发挥围岩的承载作用，达到巷道的长期稳定.最有效的措施：注浆加固煤巷锚杆支护动态反馈设计法 声波探头多点位移计2.支护机理位移 (mm)顶板高度 (mm)砂岩7317回风巷顶 板多点 位移计 观测结果 (巷道中 线位置 )迎头距离 粉砂 岩煤粉砂 岩煤通过测量煤巷锚杆支护巷道围岩的破坏范围及大小，确定锚杆/锚索的支护参数 声波探头多点位移计观测可得到以下信息： 岩层移动的程度；岩层发生移动的位置；顶板破坏高度或称岩层软化高度；巷道两帮的破坏区深度。是否打锚索? 测力锚杆轴向载荷分布轴向应变 测力锚杆观测结果 日常监测顶板离层指示仪的安设 顶板离层与时间的关系轨道顺