第二讲 岩石巷道的锚喷支护

1、井巷设计优化与施工新技术井巷设计优化与施工新技术第二讲第二讲 岩石巷道的锚喷支护岩石巷道的锚喷支护湖湖 南南 工工 程程 学学 院院 曾曾 宪宪 桃桃（博士、教授、博士生导师）（博士、教授、博士生导师）二零一零年八月二零一零年八月 井巷维护目的在于保证井巷稳定性井巷维护目的在于保证井巷稳定性 前提是经济合理，稳定与经济兼顾，不可偏废前提是经济合理，稳定与经济兼顾，不可偏废 围岩应力超过围岩强度时，井巷处于不稳定状态围岩应力超过围岩强度时，井巷处于不稳定状态 当围岩应力恰等于围岩强度时，井巷处于极限平衡状态当围岩应力恰等于围岩强度时，井巷处于极限平衡状态 当围岩应力小于围岩强度时，井巷才得以稳定

2、当围岩应力小于围岩强度时，井巷才得以稳定 提高围岩强度，降低围岩应力提高围岩强度，降低围岩应力v围岩岩性、井巷位置、所处深度、巷道轴线围岩岩性、井巷位置、所处深度、巷道轴线方位、断面形状尺寸、掘进破岩方法、掘进方位、断面形状尺寸、掘进破岩方法、掘进时间、掘进方案、巷道布置与采动影响、以时间、掘进方案、巷道布置与采动影响、以及支护类型与特征等。及支护类型与特征等。v在以上因素中，巷道断面形状尺寸、掘进方在以上因素中，巷道断面形状尺寸、掘进方案方法、巷道布置和支护类型与特性等，有案方法、巷道布置和支护类型与特性等，有很广泛的选择调节余地。很广泛的选择调节余地。 将井巷置于最坚硬的岩层中将井巷置于最

3、坚硬的岩层中 选择井巷位置选择井巷位置 调整岩性以提高或降低围岩强度调整岩性以提高或降低围岩强度 调整与相邻巷道或采场的距离调整与相邻巷道或采场的距离 调整和采空区的相对关系调整和采空区的相对关系 巷道轴线方向巷道轴线方向 断面形状与轴比断面形状与轴比(跨高比跨高比) 断面尺寸断面尺寸 掘进破岩方法掘进破岩方法 掘进时间与沿空护巷掘进时间与沿空护巷 选择合理的支护方式选择合理的支护方式v锚喷支护锚喷支护锚杆与喷锚杆与喷(射射)混凝土联合支护混凝土联合支护v锚杆和喷混凝土都可独立使用锚杆和喷混凝土都可独立使用v联合应用，支护效果更加完善联合应用，支护效果更加完善v锚杆的最大特点是置入围岩内部，锚

4、杆的最大特点是置入围岩内部，发挥其自身支护作用发挥其自身支护作用v锚杆的支护效果良好，且用料省锚杆的支护效果良好，且用料省v同样支护效果条件下，锚杆的用钢量只有同样支护效果条件下，锚杆的用钢量只有U型钢支架的型钢支架的112115结构类型v国内外锚杆的构造类型不下数十种国内外锚杆的构造类型不下数十种v最常用的有：最常用的有：倒楔式钢锚杆、钢丝绳或钢筋砂浆锚倒楔式钢锚杆、钢丝绳或钢筋砂浆锚 杆、木锚杆、树脂锚杆、竹锚杆等杆、木锚杆、树脂锚杆、竹锚杆等v最近发展的有：最近发展的有：快凝水泥砂浆锚杆快凝水泥砂浆锚杆 膨胀水泥砂浆锚杆膨胀水泥砂浆锚杆 管缝式锚杆等管缝式锚杆等v各种锚杆各有特点各种锚杆

5、各有特点作用机理v悬吊作用，减跨作用，组合梁作用，组合拱作悬吊作用，减跨作用，组合梁作用，组合拱作用，加固作用，改善围岩周边应力状态用，加固作用，改善围岩周边应力状态(改双轴改双轴为三轴应力状态为三轴应力状态)作用等。作用等。v有的能解释特定情况下锚杆的作用，有的则非有的能解释特定情况下锚杆的作用，有的则非锚杆所特有的作用锚杆所特有的作用(如改善周边应力状态，别的如改善周边应力状态，别的支护也有这种功能支护也有这种功能)，但都未能阐明或明确解释，但都未能阐明或明确解释为什么锚杆用料极省。为什么锚杆用料极省。锚杆参数的确定方法v锚杆长度计算公式为锚杆长度计算公式为 ll1 1+l2 +l3 式中

6、：式中：l1 1外露长度；外露长度； l2 有效长度；有效长度；l3 锚锚入坚硬稳定岩层内的长度。入坚硬稳定岩层内的长度。v按杆体承载力与锚固力等强度原则确定按杆体承载力与锚固力等强度原则确定杆体直径杆体直径v按锚杆所能悬吊的岩体重量计算杆间、按锚杆所能悬吊的岩体重量计算杆间、排距。排距。喷混凝土最突出的支护特点，是在施工过程中表面一经暴露喷混凝土最突出的支护特点，是在施工过程中表面一经暴露可以立即喷射，除了起临时支护作用以外，还及时将岩面加以封可以立即喷射，除了起临时支护作用以外，还及时将岩面加以封闭，隔绝水、湿气和风化对岩体的不利作用，防止岩体强度降低，闭，隔绝水、湿气和风化对岩体的不利作

7、用，防止岩体强度降低，起到间接提高举岩强度的作用。这一点对于易风化遇水崩解膨胀起到间接提高举岩强度的作用。这一点对于易风化遇水崩解膨胀的软岩，意义十分重要。的软岩，意义十分重要。喷混凝土配和锚杆应用，可以克服锚杆的最大弱点，起着防喷混凝土配和锚杆应用，可以克服锚杆的最大弱点，起着防止杆间活石风化、冒落作用。止杆间活石风化、冒落作用。 喷混凝土有时也可以单独作为一种支护方式，或在锚喷联合支护喷混凝土有时也可以单独作为一种支护方式，或在锚喷联合支护中起主要作用。中起主要作用。 性质性质本质是脆性的，岩体变形较大时，喷层容易开裂、剥落本质是脆性的，岩体变形较大时，喷层容易开裂、剥落 缺点：回弹率和粉

8、尘浓度大缺点：回弹率和粉尘浓度大喷层厚度v岩体变形小时，只需素喷混凝土，不必锚杆，岩体变形小时，只需素喷混凝土，不必锚杆，喷厚可为喷厚可为50150mm。v岩体变形大时，应以锚杆为主，喷层为辅。岩体变形大时，应以锚杆为主，喷层为辅。这时喷厚有这时喷厚有2050mm即可。即可。v围岩变形在围岩变形在25cm时，用素喷混凝土，变形时，用素喷混凝土，变形较大时用喷混凝土和锚杆联合支护。较大时用喷混凝土和锚杆联合支护。v锚杆支护是我国煤巷支护技术改革的发展方向。实际应用表明, 与传统的支护方式相比, 锚杆支护在改善支护效果、降低支护成本、加快成巷速度、减轻劳动强度、提高巷道断面利用率、简化回采面端头维

9、护工艺等方面的优越性十分突出, 是煤矿发展高产高效生产必不可少的配套技术。我国煤巷锚杆支护技术的发展过程我国煤巷锚杆支护技术的发展过程v 80 年代中后期的起步阶段;v 19911995 年的攻关阶段;v 19961997 年的引进和消化阶段;v 1998 年至今的推广和提高阶段。v 第一阶段第一阶段 主要进行一些基础性的研究和试验, 煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区, 如徐州、新汶、淮南、西山等。v 第二阶段第二阶段 煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关, 取得了一大批科研成果, 锚杆支护应用范围明显扩大。v 第三阶段第三阶段 引进国外技术, 推动我国煤巷锚杆支护技

10、术的发展和提高。在引进、吸收和消化的基础上, 结合我国具体情况, 集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势, 经过两年大规模研究和试验, 初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术。v 第四阶段第四阶段 国内各大矿区广泛推广应用, 取得了显著的技术经济效益。煤巷锚杆支护的比例已达到20 %以上, 少数矿区已超过50 % , 全国每年约260 km的煤巷采用锚杆支护。v煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术 经过近5 年来的快速发展, 煤巷锚杆支护技术已基本形成了由设计方法、支护材料、施工机具、工程监测等构成的煤巷锚杆支护成套技术。煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术设计方法设计方

11、法 在多年锚杆支护实践经验的基础上, 借鉴国外先进经验, 逐步形成了一整套适合我国特点的锚杆支护设计方法动态设计法, 包括地质力学评估初始设计井下监测和信息反馈修正初始设计日常监测等几个步骤。这种设计方法的科学性、合理性和可靠性受到国内外的普遍认可。 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术地质力学测试地质力学测试 巷道围岩是一个极其复杂的地质体, 一切与围岩有关的工作, 如巷道布置和支护设计等, 都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。对于煤巷锚杆支护, 需要进行以下几个方面的地质力学测试。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术地质力学测试地质力学测试 (1) 围岩强度测试。可采用WQC

12、Z 型围岩强度测定装置在井下钻孔中进行巷道围岩强度测试,与实验室岩块强度测试相比, 其强度测试值更接近岩体, 还可测出软弱破碎岩层的强度, 测试方法简单、快速、方便。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术地质力学测试地质力学测试 (2) 围岩结构测试。可采用FS75X20 型光导纤维钻孔窥视仪在井下巷道围岩钻孔中观测围岩节理、裂隙等结构面的分布, 以及这些结构面的发展变化。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术地质力学测试地质力学测试 (3) 围岩深部位移和破坏范围测试。可采用GK- 701 型声波位移测试系统在井下巷道围岩钻孔中测量围岩深部位移值, 进而确定巷道围岩破坏范围和顶板

13、发生离层的位置。该仪器测量精度高,每个钻孔测点数多达20 个, 而且快速方便, 重量轻, 携带方便。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术地质力学测试地质力学测试 (4) 地应力测试。可采用便携式水压致裂地应力测试装置在井下巷道围岩钻孔中测试岩体的主应力大小和方向。与应力解除法相比, 它无需钻取岩芯, 方法简单, 速度快, 测试深度大。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术地质力学测试地质力学测试 (5) 锚固性能测试。按设计要求(包括钻孔规格、锚杆规格、锚固剂规格与数量等) , 在现场进行一定数量的锚杆拉拔破坏性试验, 检测锚固剂与岩层、 锚固剂与锚杆之间的粘结性能以及杆体的破断

14、力, 以此作为锚杆支护参数设计的重要依据。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术初始设计初始设计初始设计可采用有限差分软件FLAC3.3 和离散元软件UDEC 进行数值模拟设计, 根据围岩参数和已有实测数据确定出比较合理的初始设计。前者非常适合软岩大变形巷道的力学分析, 后者在计算节理裂隙发育的破碎岩体方面有明显优势。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料我国在锚杆支护材料(包括杆体、树脂锚固剂、钢带、锚索等) 方面做了大量工作, 并形成了有自己特色的产品。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料高强度锚杆杆体高强度锚杆杆体经过近

15、几年的研究和试验, 我国目前已经能够轧制无纵筋左旋螺纹钢锚杆, 并采用优质钢材或经中频调质,达到高强度和超高强度级别。直径22mm 的杆体极限载荷高达342 kN, 比以前采用的普通杆体强度提高了34 倍。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料树脂锚固剂树脂锚固剂树脂锚固剂是保证锚杆支护高刚度的关键材料,我国在树脂锚固剂配方改进和生产技术方面做了大量工作, 现已形成系列产品, 其主要性能指标已达到或超过国外先进国家的水平。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料W 钢带及其轧制技术钢带及其轧制技术 W 型钢带是煤巷锚杆支护中的重要构件,

16、 有利于发挥锚杆支护的整体作用。在借鉴国外先进技术和经验的基础上, 研制了W 型钢带及其轧制机组, 该机组生产能力达5 000 kg/ h , 成型出材率高达98 %。经过轧制的钢带, 强度可提高10 %15 %。目前, W 型钢带有多种规格, 形成了系列产品。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料特种锚杆特种锚杆对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室, 它们共同的特点是围岩自稳时间短、破碎范围大、变形强烈。仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的支护效果, 有的甚至影响矿井的正常生产, 而且支护和维修费用极为昂贵。针对这一现状, 开发研制了多种特种锚杆。v 煤巷锚

17、杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料特种锚杆特种锚杆 (1) 注浆锚杆。锚杆用钢管制成, 既可起到锚固作用, 又可作为注浆管进行注浆, 它将锚固和注浆结合在一起, 用于软弱破碎岩层。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料特种锚杆特种锚杆(2) 自钻锚杆。这种锚杆集钻头、钻杆和锚杆的作用为一体, 用于无法成孔的极软岩层。 (3) 接长锚杆。两根或两根以上的高强锚杆用特制连接套连接, 成倍增加锚杆长度, 适用于需要深锚固的岩层。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料特种锚杆特种锚杆此外, 还开发了玻璃钢锚杆、可回收锚

18、杆等新型锚杆, 对于巷道两帮特别是靠回采工作面一侧的巷帮支护具有明显的优越性。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术锚杆支护材料锚杆支护材料系列锚索系列锚索 针对回采巷道特点开发研制的小孔径树脂锚固预应力锚索可以作为复合破碎顶板、 煤层顶板等困难条件下锚杆支护的补强加固措施。这种锚索的最大特点是采用树脂锚固剂锚固, 可以像安装普通树脂锚杆那样直接搅拌树脂锚固剂对锚索锚固端进行加长锚固, 适用于直径为28 mm 钻孔。与传统锚索技术相比, 省去了比较复杂的注浆工艺、设备和材料, 而且树脂锚固剂固化速度快, 锚索可及时主动承载, 技术经济效果十分明显。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套

19、技术锚杆支护材料锚杆支护材料系列锚索系列锚索 这种锚索的制作工艺简单、安装速度快、承载快( 10 min) 、锚固力大( 260 kN) 、预紧力可达100 kN 以上, 安装质量可靠。对于软岩大巷、硐室和交岔点等重点工程, 可采用锚固长度更长和锚固力更大的多钢铰线系列注浆锚索。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术工程监测工程监测 工程监测是锚杆支护动态设计法不可缺少的重要内容。根据井下巷道围岩变形和支护体受力监测结果, 验证初始设计的合理性和可靠性, 最大限度地保证巷道的安全程度。煤巷锚杆支护工程监测的内容主要有: 锚杆受力监测、顶板离层监测及位移量监测。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷

20、锚杆支护成套技术工程监测工程监测锚杆受力监测锚杆受力监测根据锚杆受力大小及分布, 可以判断锚杆满载程度,是否发生屈服、断裂, 进而判定顶板是否稳定, 锚杆支护参数是否合理。监测仪器可采用YGS 100 型液压式锚杆(索) 测力计及CM 200型测力锚杆。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术工程监测工程监测锚杆受力监测锚杆受力监测 锚杆测力计主要用于端头锚固锚杆和锚索的受力监测。测力锚杆是一种特殊结构的专用锚杆, 作为普通锚杆安装在巷道中, 但其杆体上各段的受力可以随时测取, 主要用于全长锚固锚杆杆体全长受力大小和分布的监测。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术工程监测工程监测顶

21、板离层监测顶板离层监测 顶板离层监测的常规仪器是LBY- 3 型顶板离层指示仪, 其主要功能是以不同的颜色段对顶板锚固范围内及锚固范围外离层情况提供连续的直观显示, 以便向井下作业人员随时警示顶板变形情况,及早发现顶板失稳的征兆。同时, 它本身又带有精确的刻度可直接测读顶板锚固范围内及锚固范围外的顶板离层值, 可兼作简易多点位移计使用, 测读结果是综合反映锚杆支护参数是否合理的重要依据。v 煤巷锚杆支护成套技术煤巷锚杆支护成套技术工程监工程监测测位移量监测位移量监测位移量监测是最常规的监测项目, 除表面位移监测外, 更重要的是深部位移监测。深部位移监测可采用ZW - 4 型遥测多点位移计, 该

22、仪器通过钻孔测量岩层深部位移, 其位移量采用电信号传输, 可实现远距离遥测。v 煤巷锚杆支护技术的发展方向煤巷锚杆支护技术的发展方向 (1) 加紧制定锚杆支护技术规范。随着锚杆支护技术的推广和成熟, 越来越需要一部适合全行业的“锚杆支护技术规范”。在原煤炭部科教司的主持下, 已经做了许多基础工作, 形成了初稿, 需要进一步完善后, 在全行业内推广应用。 v 煤巷锚杆支护技术的发展方向煤巷锚杆支护技术的发展方向 (2) 进一步完善和普及煤巷锚杆支护设计方法。现在已经有了比较好的设计方法, 也具备了一定的设计手段, 问题在于目前还仅限于少数研究单位掌握, 煤矿现场至今仍然以工程类比法为主。 因此,

23、 应尽快将动态设计方法进行完善和普及。 v 煤巷锚杆支护技术的发展方向煤巷锚杆支护技术的发展方向 (3) 规范锚杆材料生产。现在锚杆支护材料生产厂家多, 规模小, 技术水平低, 产品质量良莠不齐。应该借鉴国外经验, 搞集约化规模生产, 以保证质量, 降低成本。 v 煤巷锚杆支护技术的发展方向煤巷锚杆支护技术的发展方向 (4) 加强锚杆支护工程监测。近年来锚杆支护工程监测技术有了很大的发展, 开发了多种监测仪器, 在锚杆支护技术试验研究中起到了重要的作用。但在日常生产中, 一些必要的监测工作没有很好开展, 使其应有的作用没有得到很好的发挥。因此, 应在大力宣传的基础上, 进行必要的强制约束, 进

24、一步加强这方面的工作, 以保证安全生产。v 煤巷锚杆支护技术的发展方向煤巷锚杆支护技术的发展方向 (5) 完善和发展锚杆机具。目前, 锚杆机具存在的主要问题是: 钻机质量不够高, 缺乏大功率锚索钻机和实用的锚杆安装机具, 钻头、钻杆质量也需进一步提高。这些问题都需尽快解决。 该方法最简单，但意义很重要。例如，将该方法最简单，但意义很重要。例如，将岩体表面位移量测资料，形成位移与时间的关岩体表面位移量测资料，形成位移与时间的关系曲线，最常见的三种情况。其实质就是蠕变系曲线，最常见的三种情况。其实质就是蠕变曲线。对于斜率持续不变或不断增长，可以预曲线。对于斜率持续不变或不断增长，可以预见趋向不稳定

25、的情况，通过采取适当措施，如见趋向不稳定的情况，通过采取适当措施，如加强支护，改善排水条件等，使位移时间曲线加强支护，改善排水条件等，使位移时间曲线斜率减小或趋于稳定。斜率减小或趋于稳定。一、巷道围岩收敛测试一、巷道围岩收敛测试围岩收敛关系曲线收敛计及测点布置v围岩位移是指围岩的绝对位移，该项测试可以反围岩位移是指围岩的绝对位移，该项测试可以反映围岩的时空变化情况。映围岩的时空变化情况。二、围岩位移测量v围岩松动圈是反映巷道围岩破坏范围的重要参数，一般围岩松动圈是反映巷道围岩破坏范围的重要参数，一般用声波方法测试。目前多采用单孔一发双收的方法测试。用声波方法测试。目前多采用单孔一发双收的方法测试。根据声波的速度变化来判别巷道围岩的破坏情况。根据声波的速度变化来判别巷道围岩的破坏情况。三、围岩松动圈的测量F 当岩