复杂条件下巷道围岩主动控制技术

复杂地质条条件下巷道围岩主主动控制技技术山东东科科技技大大学学秦秦忠忠诚诚2010年8月一、、支支护护研研究究背背景景二、、锚锚杆杆支支护护基基本本理理论论与与新新型型锚锚杆杆、、锚锚索索三、、巷巷道道支支护护系系统统设设计计方方法法四、、部部分分矿矿井井巷巷道道支支护护案案例例五、、部部分分专专利利与与成成果果汇报报提提纲纲“复杂杂地地质质条条件件下下巷巷道道围围岩岩变变形形与与控控制制”是是目目前前深深井井建建设设中中遇遇到到的的普普遍遍难难题题，，针针对对复复杂杂施施工工地地质质条条件件，，探探究究经经济济合合理理的的巷巷道道支支护护技技术术，，对对矿矿井井的的安安全全高高效效生生产产具具有有重重要要的的现现实实意意义义和和工工程程应应用用价价值值。。我国国煤煤矿矿开开采采深深度度以以8-12m/年的的速速度度增增加加，，东东部部矿矿井井10-25m/年。。1980年年平平均均开开采采深深度度288m，，1995年428.83m，，2000年以以后后超超过过了了500m。。国有有重重点点煤煤矿矿，，开开采采深深度度达达1000m深矿矿井井有有数数十十处处，，最最大大采采深深超超过过1300m。主要要分分布布在在新新汶汶、、淄淄博博、、开开滦滦、、北北票票、、沈沈阳阳、、徐徐州州、、淮淮南南、、徐徐州州等等矿矿区区。。到2009年底底，，新新矿矿集集团团5个矿矿采采深深超超过过1000m，开开滦滦、、徐徐州州、、淮淮南南等等矿矿区区平平均均采采深深大大于于800m。预计计在在未未来来20年年我我国国很很多多煤煤矿矿将将进进入入到到1000-1500m的开开采采深深度度。。一、、支支护护研研究究背背景景一、、支支护护研研究究背背景景高地地应应力力：：垂直直应应力力明明显显增增大大；；水水平平应应力力甚甚至至超超过过静静水水压压力力；；构构造造应应力力场场复复杂杂。。高地地温温：：地温温梯梯度度30-50°°C/km。。热应应力力问问题题明明显显，，（（0.4-0.5MPa）/△1°°C高岩岩溶溶水水压压：：高裂裂隙隙水水压压使使岩岩石石更更易易破破坏坏且且矿矿井井突突水水严严重重。。开采采扰扰动动：：在高高地地应应力力下下，，叠叠加加采采动动影影响响，，巷巷道道硐硐室室破破坏坏更更加加严严重重。。岩体体弱弱化化：：不同同围围压压下下岩岩石石具具有有不不同同的的特特性性，，在在高高围围压压下下脆脆性性岩岩石石转转化化为为塑塑性性。。流变变特特性性：：高应应力力作作用用下下，，岩岩石石具具有有较较强强的的时时间间效效应应，，呈呈现现明明显显的的流流变变或或蠕蠕变变。。扩容容特特性性：：在大大偏偏应应力力下下岩岩石石内内部部节节理理、、裂裂隙隙、、裂裂纹纹张张开开，，出出现现扩扩容容膨膨胀胀。。垮落落冒冒顶顶增增加加：：围岩岩应应力力高高于于围围岩岩强强度度，，围围岩岩易易失失稳稳性性，，支支护护难难度度大大。。冲击击地地压压：：煤岩岩体体应应力力加加大大，，冲冲击击地地压压发发生生的的频频率率、、强强度度和和规规模模增增加加。。矿压压显显现现强强烈烈：：巷道道变变形形量量明明显显增增大大，，采采面面矿矿压压显显现现强强烈烈。。深井井开开采采矿矿压压特特点点一、、支支护护研研究究背背景景巷道道围围岩岩变变形形的的时时间间效效应应。围岩岩变变形形量量大大，，有有明明显显的的时时间间性性。。初初期期来来压压快快、、变变形形显显著著，，不不采采取取有有效效支支护护措措施施，，极极易易发发生生冒冒顶顶、、片片帮帮。。即即使使围围岩岩变变形形稳稳定定后后，，围围岩岩还还以以长长期期处处于于流流变变状状态态。。巷道道围围岩岩变变形形的的空空间间效效应应。。巷道道来来压压方方向向多多表表现现为为四四周周来来压压。。不不仅仅顶顶板板、、两两帮帮发发生生显显著著变变形形和和破破坏坏，，底底板板也也出出现现强强烈烈变变形形和和破破坏坏，，如如不不对对底底板板采采取取有有效效控控制制措措施施，，则则强强烈烈底底臌臌会会加加剧剧两两帮帮和和顶顶板板的的变变形形和和破破坏坏。。巷道围岩岩变形的的易受扰扰动性。。围岩变形形对应力力的变化化非常敏敏感，受受震动、、邻近巷巷道掘进进或回采采工作面面采动影影响后，，围岩变变形和破破坏均有有明显增增加。围围岩的稳稳定性与与巷道断断面形状状、施工工工艺等等因素都都有关系系。巷道围岩岩变形的的冲击性性。在有冲击击倾向的的巷道中中，围岩岩变形有有时并不不是连续续的、逐逐渐变化化的，而而是突然然剧烈增增加，导导致断面面迅速缩缩小，具具有强烈烈的冲击击性。深井巷道道变形特特点一、支护护研究背背景新奥法支支护理论论煤炭行业业结合自自身特点点，完善善和发展展了新奥奥法：采采用光面面爆破；；早强喷喷射混凝凝土及时时封闭巷巷道周边边，实施施密贴支支护；采采用锚喷喷支护，，主动加加固围岩岩，提高高其自承承能力，，在围岩岩内形成成承载圈圈；实施施二次支支护；对对破碎围围岩实施施注浆加加固；实实施动态态设计和和动态施施工等。。联合支护护理论对深部巷巷道，只只提高支支护刚度度难以有有效控制制围岩变变形，要要先柔后后刚，先先让后抗抗，柔让让适度，，稳定支支护。但但随着巷巷道条件件变差，，该理论论受到挑挑战，有有些巷道道采用联联合支护护并不有有效，多多次维修修，围岩岩变形一一直不能能稳定。。二次支护护理论对深部大大变形巷巷道，应应实施二二次支护护。一次次支护在在保证围围岩稳定定的条件件下允许许有一定定变形，，释放压压力；在在合适的的时间进进行二次次支护，，保持巷巷道的长长期稳定定。深部巷道道支护理理论一、支护护研究背背景锚杆锚喷喷支护：：锚杆锚喷喷支护性性能优越越，比较较适合深深部巷道道支护。。但必须须选择合合理的支支护形式式与参数数，才能能取得较较好效果果。U型钢可缩缩性支架架：U型钢具有有较好的的断面形形状和几几何参数数，型钢钢搭接后后易于收收缩，支支架设计计合理，，使用正正确，能能获得较较好的力力学性能能。支架架结构分分不封闭闭和封闭闭。但U型钢支架架毕竟是是一种被被动支护护形式，，而且支支护费用用高，施施工比较较困难。。注浆加固固：注浆将破破碎岩体体固结，，改善围围岩结构构，提高高围岩强强度，增增加自身身承载能能力。水水泥─水水玻璃、、高分子子材料。。注浆加加固适于于破碎围围岩，且且与其它它支护方方法联合合使用。。联合支护护：两种或两两种以上上支护方方式联合合支护。。如能充充分发挥挥每种支支护方式式性能，，优势互互补，有有更好支支护效果果和更广广的适用用范围。。锚喷+注浆，，锚喷+U型钢支架架，U型钢支架架+注浆浆，锚喷喷+注浆浆+U型钢支架架。适用用范围广广，但费费用高，，支护形形式选择择不匹配配时，往往往造成成各个击击破。卸压技术术：将巷道布布置在应应力降低低区，或或采取人人工卸压压措施，，使巷道道周边的的高应力力向深部部转移，，是深部部巷道围围岩变形形控制的的另一个个途径。。在应力力降低低区布布置巷巷道是是首选选方法法，人人工卸卸压法法（切切缝、、钻孔孔、爆爆破、、掘卸卸压巷巷等）），由由于种种种原原因，，目前前还没没有推推广，，仅作作为一一种辅辅助方方法局局部采采用。。高强预预应力力锚杆杆、预预应力力锚索索、让让压锚锚杆、、让压压锚索索支护护已得得到大大面积积应用用,成成为我我国煤煤矿巷巷道首首选的的、主主要的的支护护方式式。深部巷巷道支支护技技术一、支支护研研究背背景组合梁梁理论论机理：：将锚固固范围围内的的岩层层挤紧紧，增增加各各岩层层间的的摩擦擦力，，防止止岩石石沿层层面滑滑动，，避免免各岩岩层出出现离离层现现象，，提高高其自自撑能能力。。将巷道道顶板板锚固固范围围内的的几个个薄岩岩层锁锁紧成成一个个较厚厚的岩岩层（（组合合梁））。在在上覆覆岩层层载荷荷的作作用下下，这这种组组合厚厚岩层层内的的最大大弯曲曲应变变和应应力都都将大大大减减小，，组合合梁的的挠度度亦减减小。。适用条条件：：层状状复合合顶板板二、锚锚杆支支护基基本理理论与与新型型锚杆杆、锚锚索1、基本本理论论二、锚锚杆支支护基基本理理论与与新型型锚杆杆、锚锚索薄壁梁梁向深深厚梁梁的转转换理理论理论要要点深厚梁梁－理理论薄壁梁梁－理理论锚杆、、锚索索预应应力形形成的的深厚厚梁锚杆无无预应应力或或被动动棚式式情况况下的的薄壁壁梁二、锚锚杆支支护基基本理理论与与新型型锚杆杆、锚锚索压缩拱拱(承载拱拱)理论机理：：在破裂裂区中中安装装预应应力锚锚杆时时，在在杆体体两端端将形形成圆圆锥形形分布布的压压应力力，如如果沿沿巷道道周边边布置置锚杆杆群，，只要要锚杆杆间距距足够够小，，各个个锚杆杆形成成的压压应力力圆锥锥体将将相互互交错错，就就能在在岩体体中形形成一一个均均匀的的压缩缩带，，即承压拱拱，这个个承压压拱可可以承承受其其上部部破碎碎岩石石施加加的径径向荷荷载。。在承承压拱拱内的的岩石石径向向及切切向均均受压压，处处于三三向应应力状状态，，其围围岩强强度得得到提提高，，支撑撑能力力也相相应加加大。。二、锚锚杆支支护基基本理理论与与新型型锚杆杆、锚锚索对扰动动围岩岩进行行强度度再强强化，，控制制松动动圈的的扩展展。适用条条件：：拱形形巷道道1945～1950：机械械式锚锚杆的的研究究与应应用1950～1960：广泛泛采用用机械械式锚锚杆，，开始始对锚锚杆进进行系系统研研究1960～1970：发明明了树树脂药药卷，，引发发锚杆杆技术术的一一次革革命1970～1980：发明明管缝缝式、、水力力涨管管式锚锚杆，，研究究新的的锚杆杆设计计方法法，长长锚索索产生生1980～1990：混合合锚头头锚杆杆、组组合锚锚杆、、桁架架锚杆杆、各各种特特种锚锚杆得得到应应用，，树脂脂锚固固材料料得到到改进进。美国作作为世世界上上第二二采煤煤大国国，锚锚杆支支护技技术是是最先先进的的，美美国锚锚杆支支护技技术至至今已已有一一百多多年的的发展展历史史，但但锚杆杆支护护技术术的广广泛应应用，，仅是是近五五、六六十年年的时时间，，现在在美国国矿井井的锚锚杆支支护率率为100％。美美国每每年锚锚杆使使用量量在8000万套以以上，，每年年有2.5万km的煤巷巷使用用锚杆杆支护护。锚杆支支护技技术发发展二、锚锚杆支支护基基本理理论与与新型型锚杆杆、锚锚索美国在在复杂杂的地地质条条件下下成功功使用用锚杆杆的经经验是是采用用高预预应力力、高高强度度锚杆杆，对对巷道道顶板板采取取积极极主动动的支支护，，极大大地提提高了了巷道道围岩岩的自自承载载能力力和巷巷道的的稳定定性，，减少少了锚锚杆数数量、、提高高了巷巷道掘掘进速速度、、降低低了巷巷道的的支护护成本本。美国巷巷道支支护理理念：锚杆杆、锚锚索是是支护护结构构的主主体，，为了了充分分实现现锚杆杆主动动支护护的效效果，，通过过提高高锚杆杆预应应力去去主动动加固固受掘掘进破破岩影影响的的松动动围岩岩，以以提高高围岩岩的自自身承承载能能力，，控制制松动动圈的的扩展展。现现矿井井喷射射的混混凝土土，由由于受受巷道道初始始成型型的影影响，，混凝凝土喷喷层厚厚度很很不均均匀，，现混混凝土土喷层层主要要作用用是封封闭围围岩，，防止止围岩岩风化化，保保证围围岩的的长期期强度度。另外，澳大大利亚作为为第三大采采煤国，也也几乎全部部采用锚网网支护。国外发达国国家锚网支支护的特点点：(1)单体锚杆强强度大；(2)锚杆安装应应力大；(3)间排距大；；(4)锚网支护效效率高，支支护效果良良好。锚杆支护技技术发展二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索自50年代以来，，锚杆支护护技术在我我国得到了了逐步应用用，特别是是进入90年代，许多多矿井改变变传统的棚棚式和砌体体支护的理理念，开始始试用推广广锚网支护护，大量的的实践验证证了锚网支支护安全、、高效、经经济的优势势。同时，在矿矿井软岩、、动压巷道道及煤巷中中采用锚杆杆支护也获获得了良好好的效果。。原煤炭工业业部1995年提出：““煤巷锚杆杆支护是我我国煤矿继继综合机械械化采煤之之后的第二二次支护技技术革命””，并将““煤矿锚杆杆支护技术术”列为煤煤炭工业““九五”重重点科技攻攻关项目的的五个项目目之一，在在攻关研究究的基础上上，在煤矿矿中大力推推广煤巷锚锚杆支护技技术。但是煤矿锚锚网支护作作为一种主主动支护方方式，要达达到理想的的支护效果果，在技术术细节上尚尚未完全解解决。如锚锚杆组件、、锚杆结构构、锚杆施施工安装机机具和锚杆杆与其它支支护结构的的耦合问题题等。锚杆支护技技术发展二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索⑴锚杆支护护设计主要要依靠现场场经验，设设计理论依依据有待完完善和补充充；⑵各类巷道道锚杆千篇篇一律；很很多设计单单位只是笼笼统选择了了锚杆直径径和长度。。但是不同同的锚杆结结构和施工工工艺会很很大的效果果差别。⑶没有考虑虑地应力大大小、方向向、比值的的影响；⑷没有进行行地质力学学分析和巷巷道压力显显现与锚杆杆支护参数数的匹配关关系分析与与选择，所所以提出的的支护方案案很难适应应地质条件件的变化，，不能实现现量体裁衣衣、对症下下药。⑸单根锚杆杆强度低、、预紧力低低、可靠性性低、间排排距小(单体锚杆钻钻机推力小小(小于0.5t)、扭距小(小于160Nm)，锚杆基本本上没有预预应力)；⑹锚杆消耗耗量大、施施工速度慢慢、工效低低、费用高高、安全性性较低。锚杆支护技技术发展我国现有锚锚杆支护存存在的不足足二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索国内外锚杆杆支护技术术对比比较项目中国美、澳、英锚杆材料强度（MPa）235、335、500450、500、600、700锚杆锚固力（t）5～15>20锚杆直径（mm）16～2220～22锚杆间排距（m）0.7～0.91.0～1.2锚杆长度（m）1.6～2.42.2～2.6锚杆安装应力（t）0～44～8二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索锚杆和锚固固区域围岩岩体形成统统一的承载载结构锚杆支护可可以提高锚锚固体的力力学性质提高残余强强度值改变围岩的的受力状态态,提高承载能能力减少破碎区区、松动区区范围控制松动圈圈扩展预应力锚杆杆、锚索支支护是主动强化破破碎围岩的主要方法法；后注浆锚杆杆、锚索是是被动强化围围岩的一种方法法。2、主动控制制锚杆支护护系统扰动围岩再再强化支护护理念二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索高地应力、、软弱破碎碎围岩巷道道平衡支护护问题位移平衡支支护法－新型预应应力让压锚锚杆1）巷道开挖挖后地应力力释放的不不可抗拒性性2）对地应力力释放实施施有控制让让压应力平衡支支护法－通过变换换支护参数数平衡巷道道不同位置置的地应力力1）受构造应应力或采动动应力的影影响，巷道道周边应力力分布不均均一，所以以不能用均均一的支护护参数去支支护巷道围围岩。2）巷道围岩岩强度的不不均一性，，应根据围围岩的强度度设计支护护参数。龙固煤矿在在建设期间间的硐室和和主要大断断面巷道均均采用了高高强让压锚锚杆，取得得了较好的的效果。让让压锚杆在在新矿集团团、枣矿集集团、兖矿矿集团和潞潞安集团的的动压高地地应力巷道道支护中被被广泛应用用。二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索位移平衡支支护法－新新型的预应应力让压锚锚杆单起动防防冲让压压锚杆双起动点点防冲让让压锚杆杆二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索预应力让让压锚杆杆工作特特性曲线线高强高预预应力让让压锚杆杆－让压压前无让压管管和有让让压管工工作特性性曲线高强高预预应力让让压锚杆杆－让压压后二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索应力平衡衡支护法法－通过过变换支支护参数数平衡巷巷道不同同位置的的地应力力二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索预应力锚锚杆与围围岩主动动控制支支护效果果—计算机模模拟1.0T安装载荷时的应力分布和变形图1.0T安装载荷时放大后的顶板离层

2.0T安装载荷荷时的应应力分布布和变形形图2.0T安装载荷荷时放大大后的顶顶板离层层二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索3.0T安装载荷时的应力分布和变形图3.0T安装载荷时放大后的顶板离层

4.0T安装载荷时的应力分布和变形图4.0T安装载荷时放大后的顶板离层

二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索预应力锚锚杆与围围岩主动动控制支支护效果果—计算机模模拟新矿集团团集团1200m采深巷道道支护效效果对比比高强预应应力锚杆杆支护全螺纹锚锚杆等强强锚杆支支护二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索关于预应应力让压压锚杆(锚)应用的体体会第一时间间主动控控制：复杂围岩岩条件下下，锚网网索支护护成功的的关键是是围岩早早期控制制和主动动控制。。锚杆锚锚索第一一时间产产生预应应力是非非常重要要的。锚杆、锚锚索协同同支护：：提高锚杆杆锚索预预应力后后，锚杆杆锚索的的增阻速速度会明明显加快快。锚杆杆、锚索索的受力力匹配和和变形匹匹配是保保障支护护系统协协同完成成支护任任务的关关键。通通常锚杆杆的预应应力宜在在3～5t左右。锚锚索的预预应力应应以施打打锚索时时刻的锚锚杆受力力大小来来确定。。让压量和和让压吨吨位匹配配：让压锚杆杆、让压压锚索的的使用是是有条件件的。宜宜在围岩岩能量有有积蓄倾倾向、动动压、围围岩变形形速度、、地应力力释放快快的条件件下使用用。让压压量和让让压吨位位的匹配配是让压压支护成成功的关关键。支护一体体：在锚网索索支护体体系中，，锚杆、、锚索是是“支”的作用；；钢带、、钢筋梯梯和网子子及喷射射混凝土土是“护”作用，良良好的支支护系统统应该以以“支”为主、以以“护”为辅，支支护一体体。综合控制制：对复杂条条件下的的围岩控控制，通通常是综综合控制制。锚注注只能适适用于巷巷道的二二次维修修，是松松动圈大大量扩展展后使用用的一种种支护方方法。成成功的锚锚网支护护是松动动圈得到到了有效效控制，，此时围围岩无需需锚注加加固。二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索锚杆分类类材质：木质锚锚杆、塑塑料或是是玻璃钢钢锚杆、、金属锚锚杆锚固：机机械锚固固、粘结结锚固锚固长度度：局部部锚固、、全长锚锚固目前90％以上的的锚固为为金属杆杆体，树树脂局部部锚固锚锚杆金属锚杆杆左旋细丝丝锚杆（（Q335、Q500）右旋全螺螺纹钢锚锚杆（Q335）圆钢麻花花锚杆（（Q215、Q335）3、锚杆形形式与锚锚杆结构构二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索左旋预应应力阻尼尼锚杆是一种预应力力锚杆。阻尼尼有树脂或塑塑料阻尼、销销式阻尼、金金属盖片式阻阻尼三种;锚固力靠树脂脂粘结力实现现;阻尼打开实现现树脂的充分分搅拌;等待40－60s后，施加锚杆杆的预应力操操作。4、新型锚杆形形式与锚杆结结构二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索②左旋细丝丝预应力锚杆杆该锚杆的缺点点：加工过程程多了压圆、、滚丝两个工工艺。该锚杆的优点点：(Ⅰ)锚杆预应力大大。由于该锚杆杆螺纹是国标标螺纹，螺纹纹螺距2.5mm，螺纹自锁效效果好，通过过特制的阻尼尼螺母，锚固固树脂搅拌充充分、锚固力力大，120型气动锚索钻钻机即可实现现4吨的预紧力。。(Ⅱ)锚杆锚固力高高。因该锚杆杆杆体设计的螺螺纹方向为左左旋方向和锚锚杆的搅拌树树脂方向（右右旋）相反，，在搅拌树脂脂的过程中会会对树脂产生生一个轴向挤挤压力，大量量测试表明，，同样杆体直直径和同样树树脂的情况下下，左旋细丝丝预应力锚杆杆的锚固力比比右旋等强全全螺纹钢锚杆杆锚杆，锚固固力可提高20％以上。(Ⅲ)杆体的有效断断面大，锚杆杆强度高。大量试验表表明，同直径径同材质的左左旋细丝预应应力锚杆的破破断力比右旋旋等强全螺纹纹钢锚杆的破破断力高出20％以上。(Ⅳ)左旋细丝预应应力锚杆因采采用了合理的的阻尼螺母，，螺母材质为为球墨铸铁，，球墨铸铁和和锚杆杆体的的摩擦力是最最小的，另外外采用了减阻阻特制塑料垫垫圈，使锚杆杆的扭矩应力力比大大提高高。左旋预应力阻尼锚杆二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索②左旋细丝丝预应力锚杆杆A六方螺母预应应力锚杆B四方螺母预应应力锚杆图2左旋细丝预应应力锚杆组装装示意图二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索右旋无阻尼等等强螺纹钢锚锚杆二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索该类锚杆的优点：加工制造简简单。该类锚杆的缺点：(Ⅰ)杆体螺距大。通常在10-12mm左右，大螺距距螺母与杆体体咬合力低，，摩擦力大，，时常出现退退丝现象，而而且锚杆安装装应力低，很很难达到2吨以上的预紧紧力。(Ⅱ)锚杆锚固力低低。因该锚杆杆杆体设计的螺螺纹方向(右旋)和锚杆的搅拌拌树脂方向(右旋搅拌)旋向相同，在在搅拌树脂的的过程中会对对树脂产生一一个向外的输输送力，大量量测试表明，，同样杆体直直径和同样树树脂的情况下下，右旋全螺螺纹等强锚杆杆的锚固力比比左旋细丝预预应力锚杆，，锚固力降低低20％。(Ⅲ)杆体的强度低低。大量试验表表明，同直径径同材质的右右旋等强锚杆杆的破断力比比左旋细丝预预应力锚杆低低20％以上。所以右旋全螺螺纹钢等强锚锚杆已经不能能满足深部锚锚网支护的要要求，现在深深部支护中很很少选用。右旋无阻尼等等强螺纹钢锚锚杆二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索左旋与右旋螺螺纹钢锚杆强强度对比左旋滚丝螺纹纹钢锚杆杆体体强度右旋等强螺纹纹钢锚杆杆体体强度杆体直径(mm)钢材级别（MPa）屈服强度（吨）抗拉强度（吨）国标实测国标实测Ф18MG3358.7≥9.112.6≥13.0Ф20MG33510.8≥10.215.6≥15.0Ф22MG33513.1≥13.3518.9≥20.25杆体直径钢材级别屈服强度(kN)抗拉强度(kN)国标实测国标实测Ф16MG33563≥9092≥130Ф18MG33583≥110121≥160Ф18MG500125≥150163≥200Ф20MG335110≥125160≥185Ф20MG500153≥180202≥240Ф22MG335127≥154186≥220Ф22MG500178≥200235≥270二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索③鸟巢锚索索目前国内所使使用的光面锚锚索（如上图图）都是简单单的一条钢绞绞线。其缺点点有：①锚索直径径主要为15.24mm和17.8mm两种规格，而而钻孔直径是是28mm。锚索树脂和和孔壁之间很很难达到理想想的配合，影影响锚索的锚锚固力。②锚索表面面光滑，影响响锚固力。相相同锚固长度度的情况下，，光面锚索的的锚固力小于于螺纹钢的锚锚固力。③锚索长度度大，安装时时很可能靠到到孔壁一侧，，造成锚索一一侧有树脂，，另一侧无树树脂的现象。。这会大大影影响锚索的抗抗拉拔力。传统的锚索是是钢绞线＋锚锚索托盘＋锚锚具组成，因因钢绞线为高高碳钢材料、、表明光滑，，且钢绞线缠缠绕角度很小小，造成钢绞绞线的锚固力力小；为增加加锚固力，需需增加锚固剂剂使用量，但但是锚固剂使使用量增加会会带来锚索安安装困难，有有时候会出现现大尾巴现象象。鉴于此，需开开发新型锚索索5、锚索形式与与结构二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索③鸟巢锚索索①对中、增加锚锚固面积：鸟笼的大小一般比比锚索钻孔小小2mm，可保证锚索索在孔中对中中,使得树脂在锚锚索周围均匀匀分布,并增加锚固面面积，从而用用较少的树脂脂用量取得最最大的抗拉拔拔力。②更好的搅拌树树脂：可起到均匀匀搅拌树脂作作用，从而增增加锚索抗拉拉拔力。③树脂-锚索有机结合合：鸟笼为中空，在树树脂搅拌过程程中，树脂充充满鸟笼，可使树脂和和锚索融为一一体，从而进进一步增加锚锚索抗拉拔力力。加强管：为了安装方方便，增加加加强管，在锚锚索接触树脂脂后，更容易易送入孔中。。鸟笼具有以下下作用新型笼形锚索索二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索③鸟巢锚索索注浆鸟巢锚索索预应力鸟巢锚锚索国外球形索具具国外双股组合合锚索二、锚杆支护护基本理论与与新型锚杆、、锚索科学的锚杆支支护设计，不不是简单地在在顶板安装锚锚杆，而应该该使每一根安安装的锚杆都都发挥它的最最大作用。煤矿顶板是由由不同层状岩岩体组合成的的层状组合梁梁，为达到最最佳组合梁的的锚杆系统设设计应满足下下列条件：1、支护系统设设计的基本原原则三、巷道支护护系统设计方方法①通过调整锚锚杆长度及安安装应力，使使锚杆支护系系统应能够控控制锚固范围围内的顶板离离层，这需要要选择合理的的锚杆类型、、长度和安装装应力。②锚固系统应应能够减少或或消除顶板的的拉应力区。。③锚杆应能够够锚固在稳定定的岩层中。。④锚固系统应应有足够的能能力来控制顶顶板，并且在在整个需要支支护期间内不不失效。松动圈加固与与控制：巷道道开挖后必然然要形成松动动圈，但围岩岩松动圈实际际上是动态的的，它与施加加的支护体系系的强度、预预应力大小、、预应力施加加时间及围岩岩结构、地压压强度都有关关系。施加合合理的支护结结构，控制围围岩松动圈的的发展和松动动煤岩体的自自身强度是巷巷道支护的主主要目标。三、巷道支护护系统设计方方法2、煤矿巷道支支护的关键要要素合理的安装应应力锚杆安装应力力的作用和液液压支架的初初撑力的作用用很相似。对对于高应力软软岩巷道，合合适的安装应应力对顶板支支护效果影响响很大。它是是防止离层发发生，增加围围岩自承能力力和减少围岩岩变形的关键键因素；是巷巷道支护成功功的关键因素素之一。合理的锚杆长长度锚杆长度是锚锚杆支护系统统成功的另一一关键因素。。合理的锚杆杆长度应保证证锚杆锚固在在相对比较坚坚硬稳定的岩岩层中。但是，若一定定范围内难找找到合适的稳稳定岩层，应应保证锚固区区形成能承载载一定压力、、合理厚度的的梁或拱。合理的锚杆强强度和直径选用锚杆强度度与直径应考考虑合理的效效费比，即在在提供同等支支护强度的条条件下，单一一支护面积内内支护单元所所提供的支护护强度与所需需费用的比值值。合理的表面控控制由于巷道在软软岩或煤层中中掘进，表面面控制对于充充分发挥锚杆杆支护系统的的作用非常重重要。有效的的表面控制系系统应保证无无片帮和冒顶顶现象。三、巷道支护护系统设计方方法锚杆安装与施施工锚杆安装过程程中要实现两两个及时①及时施打打锚杆。实现现对围岩的尽尽早控制，避避免松动圈的的扩展。②及时实现现锚杆的安装装应力。实现现主动早期加加固围岩，拟拟制松动圈扩扩展。锚杆施工安装装过程中注意意事项①三径匹配问问题②确保一定的的扭矩③尽可能选用用大扭矩帮顶顶钻机锚杆安装扭矩矩放大器合格的锚杆安安装应该满足足下列标准螺母阻尼必须须全部脱落，，否则锚杆无无法达到安装装载荷;塑料垫圈必须须溶化掉;锚杆外露长度度不超过20~30mm;扭矩不能低于于240Nm(经验值)。三、巷道支护护系统设计方方法螺纹钢杆体与与球墨铸铁螺螺母的摩擦系系数最小，可可提高安装应应力。摩擦系系数比螺纹钢钢杆体＋钢螺螺母降低50％以上。特制塑料垫圈圈能够使锚杆杆安装旋转时时产生的热量量熔化塑料垫垫圈，以降低低螺母与杆体体的摩擦力。。杆体螺母组合合摩擦系数螺杆和螺母材料µs值①淬火钢对青铜0.06～0.08钢对青铜0.08～0.10钢对耐磨铸铁0.10～0.12钢对灰铸铁0.12～0.15钢对钢0.11～0.17钢对球墨铸铁0.07～0.10预应力锚杆结结构与组成：：杆体＋托盘＋＋阻尼螺母＋＋承载垫圈＋＋减阻垫圈3、支护系统构构件匹配问题题三、巷道支护护系统设计方方法锚杆预应力控控件：控制吨吨位3～6t，锚索预应力力控件：控制制吨位6～10t。锚杆预应力控控件：控制吨吨位3～6t，锚索预应力力控件：控制制吨位6～10t。预应力控件三、巷道支护护系统设计方方法普板Q235-150×150×10火山口加球形形垫圈－28.8T普板Q235-150×150×10火山口不加球球形垫圈－23.6T锰板Q345150×150×6负差（5.5mm）19.0T以上150×150×8负差（7.5mm）23.0T以上150×150×10负差（9.5mm）28.0T以上中板分剪、冲冲压成型的球球形托盘，承承载力明显提提高。托盘的的承载力与钢钢材材质有直直接关系，并并且还与托盘盘的球面大小小、曲率半径径有很大的关关系。托盘及钢带等等三、巷道支护护系统设计方方法W钢带示意图单边钢筋梯示示意图双边钢筋梯示示意图M钢带示意图梯型钢带示意意图三、巷道支护护系统设计方方法双向高分子聚聚酯网－普通的塑料料编制网的优优点是成本低低、轻便、抗抗腐蚀等，但但其强度和刚刚度较低。－双向高分子子聚酯网具有有强度大、重重量轻、刚度度好等诸多优优点。但由于于价格较高，，还没有广泛泛使用。三、、巷巷道道支支护护系系统统设设计计方方法法注浆浆锚锚杆杆三、、巷巷道道支支护护系系统统设设计计方方法法四、、部部分分矿矿井井巷巷道道支支护护案案例例厚松松散散层层深深埋埋构构造造复复杂杂矿矿井井开开拓拓巷巷道道－－山东东鲁鲁西西南南地地区区(菏泽泽及及济济宁宁周周边边一一带带)新近近施施工工建建设设的的一一批批矿矿井井均均为为厚厚松松散散层层深深埋埋矿矿井井，，如如滕滕东东、、唐唐口口、、梁梁宝宝寺寺、、龙龙固固、、赵赵楼楼、、郭郭屯屯、、彭彭庄庄、、杨杨营营、、霄霄云云、、阳阳城城等等煤煤矿矿，，均均遇遇到到了了深深井井高高地地压压软软岩岩巷巷道道支支护护难难的的问问题题。。高地地应应力力深深井井回回采采支支护护－－新汶汶矿矿区区有有5个矿矿井井华华丰丰、、协协庄庄、、孙孙村村、、潘潘西西、、良良庄庄开开采采深深度度超超过过1000m，其其中中孙孙村村煤煤矿矿延延深深水水平平－－1100，采采深深达达到到1300m。华华东东地地区区的的徐徐州州矿矿区区、、淮淮南南矿矿区区、、淮淮北北矿矿区区的的老老区区矿矿井井和和附附近近的的新新建建矿矿井井开开采采深深度度很很多多接接近近1000m或超超过过1000m。深井井开开采采的的巷巷道道支支护护问问题题已已经经成成为为一一个个普普遍遍的的技技术术难难题题。。深井井软软岩岩围围岩岩巷巷道道支支护护理理念念应应该该是是－采用用主主动动围围岩岩控控制制方方法法，，提提高高围围岩岩的的自自身身承承载载能能力力，，使使支支护护结结构构－－锚锚杆杆、、锚锚索索、、金金属属网网和和混混凝凝土土喷喷层层协协同同有有效效抵抵抗抗地地应应力力释释放放，，以以平平衡衡巷巷道道围围岩岩的的变变形形，，真真正正实实现现锚锚网网主主动动支支护护。。滕东东生生建建煤煤矿矿：主主井井井井筒筒深深度度921m，副副井井井井筒筒深深度度949m，主主副副井井井井壁壁均均采采用用素素混混凝凝土土。。井井筒筒施施工工至至700m左右右时时，，滕滕东东煤煤矿矿与与山山东东科科技技大大学学合合作作，，采采用用高高强强预预应应力力锚锚杆杆、、锚锚索索主主动动预预加加固固井井壁壁围围岩岩，，在在井井底底硐硐室室群群施施工工过过程程也也同同样样采采用用了了高高强强预预应应力力锚锚杆杆＋＋锚锚索索＋＋金金属属网网＋＋钢钢带带(钢筋筋梯梯)＋喷射射混凝凝土等等复合合支护护技术术，取取得了了显著著的支支护效效果，，所有有硐室室和巷巷道达达到了了预期期的支支护效效果，，巷道道维修修率不不到2％。四、部部分矿矿井巷巷道支支护案案例唐口煤煤矿：是全全国唯唯一一一个主主井、、付井井、风风井均均超1000m的新建建矿井井，是是当时时济西西矿区区最早早建设设的新新井，，设计计年产产300万吨。。在矿矿井建建设时时期采采用了了设计计院的的原有有设计计，但但是硐硐室施施工完完毕后后，很很短时时间内内多处处发生生了较较大的的变形形。针针对这这种情情况采采用了了锚索索、加加长高高强锚锚杆和和注浆浆锚杆杆等综综合二二次加加固措措施，，取得得了较较好的的加固固效果果，最最终获获得了了国家家科技技进步步二等等奖。。但是是该成成果是是巷道道二次次加固固维修修取得得的，，并没没有硐硐室开开始施施工时时采用用加强强支护护的预预案，，造成成工期期延长长。鲁能彭彭庄煤煤矿：彭庄庄煤矿矿矿井井设计计生产产能力力0.45Mt/a，服务务年限限51.5年。主主付井井井底底车场场深度度500m，揭露露岩性性以细细砂岩岩为主主，岩岩性相相对稳稳定，，岩石石硬度度系数数平均均f＝4~6。个别别地段段裂隙隙发育育，岩岩性松松软，，砂岩岩裂隙隙水较较多。。井底底车场场及硐硐室支支护以以锚索索网喷喷支护护为主主，锚锚杆主主要采采用高高强预预应力力锚杆杆，个个别地地段因因施工工后变变形较较大采采用了了锚注注加U型钢棚棚支护护。四、部部分矿矿井巷巷道支支护案案例霄云煤煤矿：霄云云煤矿矿是由由济宁宁矿业业集团团投资资兴建建的中中型现现代化化矿井井，矿矿井由由济南南煤炭炭设计计院设设计，，采用用立井井开拓拓，设设主、、副两两个井井筒，，设计计生产产能力力0.9Mt/a。主井井深度度840m，付井井深度度860m，表土土段423m，冻结结深度度472m。从主、、付井井检查查孔得得知，，部分分井下下硐室室和巷巷道要要揭露露一层层2米左右右的膨膨胀性性泥岩岩。因因此该该矿与与山东东科技技大学学合作作进行行了软软岩深深井巷巷道支支护研研究，，由于于通过过加强强支护护预案案，矿矿井建建设顺顺利，，现在在矿井井所有有硐室室和巷巷道全全部顺顺利施施工完完毕。。龙固煤煤矿：是由由新矿矿集团团开发发建设设的国国家重重点特特大型型矿井井，设设计能能力600万t/a，设计计深度度为840m。井下硐硐室联联络复复杂，，穿过过岩性性变化化很大大，以以粉砂砂岩、、细砂砂岩为为主，，中砂砂岩相相对较较少，，且处处于构构造破破碎带带，岩岩石平平均硬硬度在在f＝3～5之间，，巷道道支护护难度度大。。同时时，该该矿井井在建建设施施工过过程中中砂岩岩裂隙隙水大大，给给巷道道支护护带来来很大大困难难。通通过与与科研研机构构合作作，因因地制制宜地地采取取了不不同支支护形形式，，确保保了95％的巷巷道一一次支支护成成功，，并为为矿井