控制技术--锚杆

1、2022-5-181指能够在支护构件和顶板间实现明显超过松散岩体自重的预张力、形成顶板预应力承载结构，并有效控制顶板离层的高强支护技术这是有别于低强度低初锚力的锚杆支护阶段和高强度低初锚力的锚杆支护阶段的一个相对的阶段性概念，是锚杆类支护技术发展的一个新阶段。 低强度低初锚力的锚杆支护阶段 高强度低初锚力的锚杆支护阶段高强度高预拉力的锚杆支护新阶段u长期以来极易离层破碎型顶板控制理论未能突破，没有长期以来极易离层破碎型顶板控制理论未能突破，没有找到有效的支护技术和方法；找到有效的支护技术和方法；u回采工作面两巷有效断面不足设计断面的回采工作面两巷有效断面不足设计断面的1/3，造成通风，造成通风

2、阻力高、巷道煤层自燃防火、矿井瓦斯治理和安全工作十阻力高、巷道煤层自燃防火、矿井瓦斯治理和安全工作十分被动；分被动；u被动的棚式支护造成巷道顶板安全状况差，顶板事故频被动的棚式支护造成巷道顶板安全状况差，顶板事故频繁发生，事故发生起数约占煤矿事故的繁发生，事故发生起数约占煤矿事故的50%；u在根本上制约着煤矿采掘运整体技术水平的提高，导致在根本上制约着煤矿采掘运整体技术水平的提高，导致矿井机械化水平低，安全状况差，综合效益低。矿井机械化水平低，安全状况差，综合效益低。2022-5-183传统的机械式点锚固锚杆传统的机械式点锚固锚杆 高强树脂锚杆高强树脂锚杆 19451950：机械式锚杆的研究与

3、应用。 19501960：采矿业广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究。 50506060年代，机械点锚固锚杆使年代，机械点锚固锚杆使用局限使锚杆支护出现徘徊，用局限使锚杆支护出现徘徊， 19601970： 发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命，树脂锚杆在矿山得到应用。随后树脂全长锚随后树脂全长锚固锚杆的发明应用使它成为固锚杆的发明应用使它成为8080年代以后的主要支护年代以后的主要支护形式。形式。 19701980：发明管缝式锚杆、水力账管式锚杆并应用，研究锚杆新的设计方法，长锚索产生。 19801990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。l

4、锚固技术取得突破锚固技术取得突破锚杆支护材料强度迅速提高锚杆支护材料强度迅速提高2022-5-18420世纪世纪80年代我国煤巷锚杆支护技术取得快速发展年代我国煤巷锚杆支护技术取得快速发展l8080年代末期，引进澳大利亚锚杆支护技术年代末期，引进澳大利亚锚杆支护技术主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形系统工程进行考察

5、，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统的设计方法。成了锚杆支护系统的设计方法。l9090年代中期，中等稳定以上条件树脂锚杆研制成功并大年代中期，中等稳定以上条件树脂锚杆研制成功并大范围推广应用范围推广应用l9090年代中期，受美国锚杆支护技术影响年代中期，受美国锚杆支护技术影响高强度高强度高预拉力高预拉力大排间距大排间距支护领域的专业化、产业化支护领域的专业化、产业化2022-5-185l不重视锚杆加工锚杆加工粗糙、结构单一、规格单一、品种单一；没有统一的标准，不规范。在锚杆产品加工方面没有形成产业化、系列化、多样化，不能满足煤矿锚网支护日益发展的需要。这是制约煤矿锚杆支护技术发展的根

6、本原因之一。l掘、支、运不配套，巷道掘进速度较慢，工效低常常低于架棚巷道速度，制约了锚杆支护技术的进一步发展。l机具不能满足特殊条件的施工要求l困难的地质条件下支护效果仍不甚理想2022-5-186l已解决的问题已解决的问题 支护系统的强度问题 锚杆与围岩的锚固技术 形成了理论到实践的相对完整的技术体系存在的一些问题存在的一些问题l设计思想偏于保守l复杂条件支护效果不甚理想l恶性事故时有发生，安全可靠性没有根本解决技术经济效益不显著2022-5-187安全可靠性问题安全可靠性问题l锚固技术取得突破锚固技术取得突破l锚杆支护材料强度迅速提高锚杆支护材料强度迅速提高l顶板的稳定问题仍很突出顶板的稳

7、定问题仍很突出锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一大挑战，必须围绕确保大大减缓顶板离临的一大挑战，必须围绕确保大大减缓顶板离层或根本消除离层这一中心开展控制理论和技层或根本消除离层这一中心开展控制理论和技术研究，才可能取得突破。术研究，才可能取得突破。煤巷锚杆支护巷道冒顶事故时有发生 2022-5-188l采用高强度、超高强度材料制造锚杆，加工精细，将锚杆作为产品、实现了产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的系列化产品。l形成一整套比较科学的设计方法l有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘进机或性能良好的单体锚杆钻机，满足

8、施工要求，并能实现快速掘进。l采用可靠的监测手段。l坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支护技术体系。2022-5-189q混凝土建筑材料的发展历史q素混凝土钢筋混凝土预应力钢筋混凝土l回采面支护的演进 木点柱金属摩擦支柱单体支柱（液压支架）l预应力技术的应用 梁板结构预应力平板结构2022-5-1810l安全安全：安全可靠性要求更高，：安全可靠性要求更高，“零死亡率零死亡率”是研是研究锚杆支护技术的首要目标。究锚杆支护技术的首要目标。l快速快速：成巷速度必须与快速推进的现代化长壁综：成巷速度必须与快速推进的现代化长壁综采相适应。采相适应。l高效高效：在服务期间不进行任何

9、翻修即能满足长壁：在服务期间不进行任何翻修即能满足长壁面生产所需的有效断面，并努力简化回采动压影面生产所需的有效断面，并努力简化回采动压影响期间的超前加强支护，最终取消加强支护。响期间的超前加强支护，最终取消加强支护。l 锚杆支护的效益更多地表现在对采煤的贡锚杆支护的效益更多地表现在对采煤的贡献上。献上。“安全安全”和和“支护效果支护效果”已经取代已经取代“支护支护成本成本”成为支护技术先进性和支护设计的出发点成为支护技术先进性和支护设计的出发点和评价标准。和评价标准。 目前主导的锚杆支护技术（主要是目前主导的锚杆支护技术（主要是“九五九五”期间完成的煤巷高强螺纹钢树脂锚杆成套技术）期间完成的

10、煤巷高强螺纹钢树脂锚杆成套技术）不能满足上述目标不能满足上述目标。 2022-5-1811l高强锚杆支护体系：两高两低 高强度、高粘结力、 低初锚力（工作阻力）、低可靠性l高强预应力支护体系：四高一大 高强度、高粘结力、高预拉力（工作阻力）、高可靠性、大间排距2022-5-1812 高性能（预拉力）锚杆支护 小孔径预拉力短锚索支护 钢绞线预拉力桁架支护 M型钢带组合支护2022-5-1813问题：锚杆应该具有那些性能？实际受力状况？过去主要围绕强度开展研究; 现在进一步围绕锚杆的承载性能开展研究l更全面理解强度的内含:抗拉强度 抗剪强度 系统强度l锚固性能：三径匹配l结构和安装性能:实现预拉力

11、承载性能：理论支护强度、实际支护能力、有效支护强度、初始支护强度2022-5-1814指杆体材质符合高强度、延伸率要求、外形符合锚固要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现预拉力的新型锚杆；为强调预拉力的作用，这种锚杆又称高性能（预拉力）锚杆。按钢材屈服强度s大小进行的锚杆分类：s 340 MPa，为普通锚杆；340 MPa s 600 MPa，为高强锚杆；s 600 MPa，为超高强锚杆。2022-5-1815高性能（预拉力）锚杆高性能（预拉力）锚杆特征特征1）锚杆杆体表面结构优化，实现高粘低阻2）杆体强度和延伸率符合要求3）外端螺纹部采用无强度损失或增强加工

12、新工艺4）增加减摩和调节锚杆外端受力的附件5）快速机械安装结构6）锚杆系统强度及附件几何尺寸配套7）有醒目的标志直观显示安装施工质量实现了锚杆安装的机械化、连续化；实现了锚杆安装的机械化、连续化；保证了保证了2030kN以上的预拉力；以上的预拉力；控制了顶板的松脱垮冒，控制了顶板的松脱垮冒，初始支护强度达到初始支护强度达到3045kN/m2。高性能预拉力锚杆支护技术高性能预拉力锚杆支护技术本项目尾部等强加工本项目尾部等强加工扭矩螺母扭矩螺母杆体外型结构优化杆体外型结构优化原尾部损伤加工原尾部损伤加工高性能托盘高性能托盘l锚杆杆体强度高、钢材的屈服强度应在300MPa以上，延伸率应不低于15%；

13、l结构上容易实现锚杆的快速安装、容易实现锚杆高预拉力的要求；l锚杆、托盘、钢带三者的承载能力匹配，并与锚固强度适应；l锚杆、托盘、钢带加工规范、系统，产品实现系列化、规范化、产业化；l安装质量显性化。2022-5-1818下节下节 镦头镦头110022351101100 30金属垫圈金属垫圈 上节上节塑料垫圈塑料垫圈定位销钉定位销钉两节式预拉力锚杆两节式预拉力锚杆下节下节两节式加长预拉力锚杆的结构两节式加长预拉力锚杆的结构2022-5-1819对比项目 普通锚杆 预拉力等强锚杆锚杆破断力 100 120锚杆可延伸量 10mm 大于200mm材料成本 100 83锚杆井下断裂 有 很少国际相关技

14、术 有 无机械安装性能 无 有 安全标志 有 2022-5-18202022-5-1821u1）及时主动高阻加固，支护效果明显；u2）锚杆钻机连续一体化安装，施工规范，安装质量有保证，安全可靠性高；u3）大间排距控制围岩变形，省时省力省 钱；u4）系列化产品能够满足多种条件要求，使用范围广。可以在很大程度上替代普通锚杆（索）组合支护。2022-5-1822破碎顶板施工时：超前预拉力锚杆可用于控破碎顶板施工时：超前预拉力锚杆可用于控制顶板垮冒制顶板垮冒离层破碎型煤巷顶板的自稳时间极短，常常随综掘机割煤出现垮冒，顶板稳定性极差，影响锚杆支护的实施，甚至无法正常安装。在单排循环的基础上，割煤前，超前

15、斜角施工预拉力锚杆，通过大扭矩钻机的安装，在两排钢带之间安装34根高性能锚杆，可以很好地稳定住顶板松动岩层，锚杆规格一般采用M161800 mm。 通过多层易离层岩体的整体锚固，消弱层状顶板沿弱面通过多层易离层岩体的整体锚固，消弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒。的渐次离层和垮冒。u机械张拉实现高预拉力；机械张拉实现高预拉力；u预拉力范围预拉力范围50150kN；u提出了低张、短锚、适提出了低张、短锚、适当滞后的锚索使用原则；当滞后的锚索使用原则； u开发了几种新的组合锚开发了几种新的组合锚索结构；索结构；u预拉力锚索梁技术预拉力锚索梁技术u双斜拉锚索技术双斜拉锚索技术u帮部锚索加固技术帮部锚索

16、加固技术2022-5-1824l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；l钢绞线和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力；l外端头受力不良，与围岩点接触，顶板强化效果不明显。l内锚固端的三径匹配不合理，锚固性能不可靠；l锚索难以从根本上控制顶板的离层。2022-5-1825 概念：将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点，专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧，并传递张拉力，实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固；它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锁具和锚固剂组成。肩角稳定区肩角稳定区肩角稳定区肩角稳定区高预拉力钢绞线桁架支护技术高预拉力钢绞线桁架支护

17、技术u机械张拉实现高预拉力；机械张拉实现高预拉力；u预拉力范围预拉力范围5050150150kNkN；u抗剪切破坏能力强；抗剪切破坏能力强；u结构稳定可靠，防止顶板结构稳定可靠，防止顶板垮冒，确保顶板安全；垮冒，确保顶板安全；u结构简单，安装方便。结构简单，安装方便。u国内首次研制和使用国内首次研制和使用 以巷道肩角稳定区域岩石作为内锚固支撑点，通过桁架以巷道肩角稳定区域岩石作为内锚固支撑点，通过桁架连接装置将两根钢绞线对拉，形成可靠的护顶结构，控制连接装置将两根钢绞线对拉，形成可靠的护顶结构，控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。2022-5-1827l

18、钻眼施工机具、锚固材料及搅拌方式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；l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；l专用设备施加预拉力，预紧力大小随意可调。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。2022-5-1828l内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，水平预紧力可以改善顶板的应力状态，可以消除离层。l桁架是通过拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，加固效果好；l钢绞线抗剪性能强，能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；2022-5-1829l受力随顶板岩体弯曲，

19、两帮锚固点内移，能形成闭锁结构，受力增加较慢，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；l锚固深度一般不需超过3.0-4.0m，施工方便。在大排距（超过两排锚杆）下可以防止顶板垮落，加密排距（小于两排锚杆）可以进一步控制变形。顶板受压区顶板受压区顶板受压区顶板受压区2022-5-18312022-5-1832M型钢带及井下应用型钢带及井下应用型钢带及井下应用型钢带及井下应用2022-5-1834进一步细化锚杆钻孔、杆体、树脂卷三种直径的合理匹配技术，解决松散煤体的锚固技术根据锚杆规格，推广应用科学合理的“28mm20mm25mm”、“27mm18mm23mm”、“30mm2

20、2mm25mm” 等三种新“三径”匹配模式，锚固力比原来提高120147%。 2022-5-1835l 油基树脂收缩性搅拌要求高成本高l水基树脂中性或略具膨胀性1：1配比，易均匀搅拌成本低2022-5-1836l树脂锚固技术l注浆锚固 松散煤层钻孔成形不宜控制l钻锚注技术 中空螺纹管l锚注技术l注浆锚索l机械锚固2022-5-1837其它锚固形式其它锚固形式2022-5-18384.三维锚索 可在巷道煤岩表面主动形成径向、切向、轴向三个方向的预应力，增强煤岩的整体抗压强度，缩短围岩达到平衡状态的时间，并使两锚索之间中部的表面岩体成为受压应力区，即主动将岩体应力曲线上移，使岩体整体支承结构不受破

21、坏，从而提高巷道煤岩的整体稳定性和承载能力，从而控制巷道煤岩移动，合理支护巷道。 2022-5-1839 三维锚索的支护机理：在围岩表面主动形成若干个具有X 、Y、Z三个反向应力的支护体，把围岩支撑压力分解到各个单元支护体上，在围岩表面主动形成一个三维支护体系，增强围岩表面整体应力强度，在围岩表面及时形成高强应力环 ，与围岩共同形成组合拱结构，使围岩提早达到一个动态的应力平衡状态。 2022-5-1840 图2 三维锚索布置示意图 2022-5-1841图图7 64圆柱型四孔双向对拉锁具锁紧（现场实拍）圆柱型四孔双向对拉锁具锁紧（现场实拍）2022-5-1842图 10 支护效果图（现场实拍）

22、2022-5-1843图12 三维锚索支护示意图（现场实拍）2022-5-1844l5060年代，年代，机械式点锚固锚杆支护阶段机械式点锚固锚杆支护阶段：u “四低一小四低一小” ：低强度、低粘结力、低初锚力：低强度、低粘结力、低初锚力(工作阻工作阻力力)、低可靠性；使用范围很小、低可靠性；使用范围很小u8090年代，年代，高强螺纹钢树脂锚杆支护阶段高强螺纹钢树脂锚杆支护阶段：u “两高两低两高两低”：高强度、高粘结力、高强度、高粘结力、 低初锚力低初锚力(工作阻力工作阻力)、低可靠性；使用范围受限制低可靠性；使用范围受限制u90年代中后期开始，年代中后期开始，高强预应力支护阶段（本项成果）高强预应力支护阶段（本项成果）：u “四高一大四高一大”：高强度、高粘结力、高预拉力高强度、高粘结力、高预拉力(工作阻力工作阻力)、高可靠性；实现了大间排距支护，使用范围进一步拓展高可靠性；实现了大间排距支护，使用范围进一步拓展煤巷支护技术的阶段性突破煤巷支护技术的阶段性突破强度强度粘结粘结力力初锚力初锚力(工工作阻力作阻力)可靠可靠性性使用使用范围范围技术特征5060年代：年代：机械点锚固锚杆技术机械点锚固锚杆技术低低低低很小四低一小四低一小8090年代末：年代末