煤巷锚杆支护技术教学课件PPT.ppt

煤 巷 锚 杆 支 护 讲课题纲 绪论 一、锚杆支护的技术经济优越性 二、国内外锚杆支护的发展 三锚杆的种类 第一节 煤巷锚杆支护理论 第二节 巷道围岩地质力学测试 一、井下巷道围岩强度测试 二、巷道围岩结构测试 三、地应力测量,第三节 锚杆支护设计方法 一、动态信息设计法简介 二、试验点调查和地质力学评估 三、初始设计 四、井下监测 五、信息反馈和修正初始设计 第四节 煤巷新型支护材料的研制 一、高性能预拉力锚杆 二、钢带 第五节 锚杆支护施工机具 一、风动式锚杆钻机 二、液压式锚杆钻机 三、电动式锚杆钻机,第六节 锚杆支护监测技术 一、巷道表面位移 二、顶板离层 三、锚杆(索)受力 第七节 特种锚杆与锚索支护技术 一、特种锚杆 1注浆锚杆 2自钻注浆锚杆和接长锚杆 二、小孔径树脂锚索 第八节 煤巷锚杆支护技术的应用 第九节 改进与发展,煤巷锚杆支护技术 绪 论 一、锚杆支护的技术经济优越性 在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术经济优越性。其主要表现在：（1）锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体；（2）一般棚式支护属于“被动”支护，支而通常使用的锚杆支护属于“主动”支护，在锚杆安装以后，锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力，且随围岩变形支护阻力不断增加；,（3）锚杆支护的巷道围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上；（4）减少支护材料的运输和装卸支架工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；（5）能够保持两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高低成本生产创造有利条件；（6）锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。（7）降低支护成本，采用锚杆支护可以大幅度节约大量钢材、木材等支护材料，降低支护成本，有利于节约自然资源，改善生态环境。 （8）提高掘进速度，锚杆支护巷道施工简单、机械化程度高，随着锚杆机具、掘进机及其配套设备性能的完善与提高，配套材料，如钻头、钎杆性能的提高，以及一大批锚杆支护材料的应用，巷道掘进速度和生产效率可大幅提高。,（9）消除安全隐患 采用锚网支护技术，可以消除传统架棚支护方式的不安全因素。若采用架棚支护，由于顶煤较破碎，棚与顶板煤层之间出现空隙，则会造成煤的自燃。采用锚网支护技术，钢筋网能遭与顶板完全接触，可防止顶煤的冒落和煤层裂隙的继续扩展，从而可以达到防、灭火的目的。特别是消除了采用架棚支护的切眼在支架安装时、回撤架棚时的不安全因素，为安全生产创造了条件。 （10）简化工作面超前支护 综采工作面上、下顺槽采用棚式支护时，必须提前进行替棚。受工作面采动影响，撤棚、替棚工作十分复杂，用工多、速度慢，严重影响综采工作面综采工作面推进速度，提高了工作面单产，有利于高产高效矿井建设。,二、国内外锚杆支护的发展 1、 国内外煤巷锚杆应用概况 由于各国的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比较大，煤巷锚杆支护的发展历程也表现出各自不同的特点。 1)美国 美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家(1912年)，依据其得天独厚的地质条件及先进的科技、经济实力，在锚杆支护技术方面一直处于世界领先水平，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在8000万根以上，约25000km的煤巷使用锚杆支护。由于使用锚杆有效地控制围岩的稳定性，美国所有的井工巷道都布置在煤层中，并认为不能采用锚杆支护的煤层，开采是不经济的。,60年代末由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式，并且锚杆的直径和强度都有所提高(直径大约为19mm，强度大约为300mpa)。随着人们对全长胶结锚杆的机理及应用条件的认识，认为高预拉力对于更大限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意义。 在70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆能够实现很高的预拉力，同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高(直径达到22mm和25mm，强度达到517mpa)，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%。这种锚杆系统的安装速度很快，安装机具不需等到树脂固结就可以移至安装下一根锚杆的地方，因而可以采用中速或慢速树脂锚固剂。 美国的主要经验是：将锚杆加工产业化；锚杆支护作为一门技术，而非材料消耗、废品利用，形成了锚杆产品的多样化、多系列，以适应各种不同的条件；锚杆设计、制造、服务一体化；将高新技术用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计，形成了不同与其它国家的锚杆支护方法。,2)澳大利亚 绝大多数煤巷采用锚杆支护，主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆参数设计方法有其独到之处，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，形成了锚杆支护系统设计方法。设计步骤主要包括以下几个基本部分：地质力学评估，地应力状况和围岩力学性质是地质力学评估的主要内容；锚杆支护参数设计，在巷道围岩力学评估的基础上，应用有限差分数值模拟分析辅以工程类比和理论计算进行锚杆支护参数设计；对初始设计选定的方案进行围岩稳定性分析；现场施工；现场监测、信息反馈和优化调整设计。,3)英国 1946年首次试验机械涨壳式锚杆，1952年在ncb矿大规模使用机械式锚杆，但由于机械式锚杆不适宜英国较软弱的煤系地层，到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术；80年代中后期开始重新发展锚杆支护技术，使用比重达到80%，主要引进澳大利亚锚杆技术，包括：(1)采用高强度的澳大利亚锚杆支护系统(at锚杆)，包括高强度树脂锚杆全长锚固技术、清洁钻孔的做法、锚杆与钻孔需紧密配合等等，树脂粘结强度达到510mpa，锚杆锚固力达到250kn以上；(2)根据实际的地质、开采条件，研究围岩的应力状态，掌握岩层移动、锚杆载荷的分布和发展，合理设计锚杆支护参数。,4)其它国家 自1932年发明型钢支架以来，德国主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上；自80年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护；80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。60年代中后期，法国引进由德国发明、60年代进入商品化的树脂全长锚固技术，几起严重的围岩坍塌促使法国煤科院在lorraine煤田对树脂锚杆进行深入研究，80年代以后锚杆使用比重大大提高。,5)国内情况 自50年代以来，锚杆支护技术在我国也得到了逐步应用，煤矿于1956年开始使用锚杆，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在较稳定的岩石巷道中，7080年代，国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护列为主攻方向之一，80年代末期，开始引进澳大利亚技术，树脂锚杆研制成功并推广应用，煤巷锚杆进入发展的快车道，、类巷道锚杆支护很快取得成功，、类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推广应用力度进一步加强，但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂，我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道，而且要使用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下，所以总体使用比重较低，各地区发展很不平衡。,2、 锚杆支护型式演变概况 透过世界各国锚杆支护的应用历史，单从锚固技术和手段的演变看可将其归结为3个阶段： 1)机械式端头点锚固锚杆的应用阶段。40年代开始，在5060年代广为推广的锚杆支护主要型式是机械端头锚固，分为楔缝式、涨壳式、倒楔式等，其特点为锚固力低、系统刚度小、可靠性差，受岩性影响大，不易在软岩中使用，英国煤矿采用该类锚杆支护的实践表明它不适宜在软弱煤层中应用，一度停止在煤巷中使用锚杆支护。机械式端头点锚固锚杆的技术特征客观上导致了使用的局限性，并出现锚杆支护技术和使用的徘徊期。,2)全锚锚杆的提出。 7080年代各种新型锚杆相继问世，如砂浆锚杆、树脂锚杆、管缝式锚杆、水胀锚杆等，它们的特点为全长锚固、锚固力大、可靠性高，适应性强。通过研究聚脂树脂锚杆和涨壳式锚杆的拉拔试验，得出粘结式锚杆比机械式锚杆的锚固力大1.73倍；测试证实粘结式锚杆锚固力随围岩变形的增加而逐步增大，机械式点锚固锚杆的锚固力初期总有个急剧下降的过程，然后就维持在较低的水平。上述研究成果对机械式点锚固锚杆的淘汰和全锚锚杆尤其是树脂锚杆的推广应用发挥了重要作用。,3)树脂锚杆占领市场阶段。 80年代以后，树脂锚杆以其优越的锚固性能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场。砂浆锚杆由于灌浆工艺复杂，凝固时间长，胶结质量难以保证，管缝式锚杆和水胀锚杆易锈蚀，锚固力受到钢材和围岩松弛的影响，只能在某些条件下发展应用，此外各种适应特殊要求的锚杆得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维锚杆、塑料锚杆，适应软岩大变形要求的等塑性锚杆，适应大跨度的桁架和锚索等。,3、发展趋势 从世界各国的应用情况看，高强螺纹钢树脂锚杆技术较好地解决了支护系统本身的强度和锚杆与围岩的锚固技术问题，并形成了一套相对成熟的体系。多种复杂困难条件下煤巷锚杆支护的成功应用，加深了对高强树脂锚杆控制受采动影响巷道围岩变形和稳定性的机理及高强锚杆支护系统适应和控制巷道围岩大变形能力的认识，因此复杂困难条件煤巷采用新型锚杆支护在理论和技术上都有一定的基础。但在近10年的的开发研究和应用中，我们对大量巷道冒顶事故及顶板严重离层变形的现象进行了分析，发现导致冒顶的原因不仅仅是锚杆强度不够造成的，也不能通过增加锚杆密度来解决，锚杆的预拉力(初锚力)起到了更为关键的作用。,美国a.wahab khair(1992)观测了高水平地应力与巷道顶板产生的离层及剪切破坏程度的关系，并提出了采用锚杆桁架控制巷道顶板的措施。美国j. stankus(1994、1997)和song guo(郭颂，1997、1998)系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层垮冒、底板鼓起的主要原因，但可以通过提高巷道顶板锚杆预拉力，将水平地应力的消极影响变为积极的作用，从而极大地提高巷道的稳定性,并开始在锚杆支护设计中考虑锚杆预拉力的影响。中国学者朱浮声(1993)、郑雨天(1995)的研究表明：当锚杆预拉力达到6070kn时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量。,如何把握锚杆支护技术的演变趋势，应用预应力技术成果，从普通圆钢锚杆、高强度螺纹钢锚杆，进一步发展到预拉力锚杆支护技术，是非常值得研究的问题。早在本世纪初，就有人提出无粘结预应力筋的设想，20年代德国人申请了专利，50年代在楼面建筑中应用，近20年发展很快。预应力技术的出现和发展使得预应力平板结构代替了建筑结构中过去大量采用的梁板结构，从而大大提高了承载性能，减少了材料用量，减少了结构厚度，增加了有效空间；混凝土建筑材料也经由素混凝土、普通钢筋混凝土发展到预应力钢筋混凝土，承载性能明显提升。,作为采矿技术领先的国家，美国紧紧把握了这一发展趋势，美国采矿界起到了带头作用：1)提高锚固强度，增大锚杆间排，以便和掘进机的速度匹配；同时扩大锚杆支护的应用范围，提高支护效率；2)采用性能优越的施工安装机具，在锚杆安装时实现高预拉力。现在，美国矿山巷道锚杆的预拉力一般为100kn左右，可以达到锚杆杆体本身屈服强度的5075。,美国高预拉力锚杆支护技术已取得了显著成效，并影响到很多国家,比如英国研制成锚固能力达500kn的“大锚杆”，并在asfordby矿试验成功用间距1.0米的大锚杆代替间距0.6米的“at”锚杆。这些成功实践表明：高预拉力锚杆能够很有效地控制层状顶板的离层，因而冒顶现象大大减少，安全状况有根本性的转变；同样条件下锚杆的密度减小，间排距大大提高，同比锚杆用量减少2030%；掘进速度大大提高，支护效率明显改善。,三锚杆的种类 锚杆的种类繁多，总体可归纳为 以下几种类型：,第一节 煤巷锚杆支护理论,传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是最早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。,组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。,一、悬吊理论 悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。 对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图1所示。 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展，如2所示。,图1 锚杆的悬吊作用,图2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层,根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。 悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。,二、组合梁理论 组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层(组合梁)。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3所示。 根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。,图3 顶板锚杆组合梁作用,(a)未打锚杆,(b)布置顶板锚杆,组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。,三、组合拱(压缩拱)理论 组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱(亦称组合拱或压缩拱)，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图4所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。,组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩一支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。,图4 锚杆的组合拱原理,四、最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔(wjgale)提出。该理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点：(1)与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；(2)与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；(3)与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图5所示。,图5 应力场效应 (a)巷道平行于主应力(最佳方向)； (b)巷道与主应力呈45夹角； (c)巷道与主应力呈90夹角(最劣方向),在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动(图6)，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。 最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。 在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。,(a)约束岩层膨胀； (b)约束岩层错动 图6 锚杆加固作用示意图,五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述 随着锚杆支护理论研究的深入，开始涉及到锚杆支护机理的实质问题，国内外学者对经锚杆锚固后围岩岩体力学性能的改善进行了研究，深度不同地探讨了锚杆加固后提高岩石强度r 、弹性模量e、粘聚力c和内摩擦角等问题，取得了相应的研究成果：(1)系统布置锚杆可以提高岩体的e、c、 ;(2)合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力应变特性，且不同弹性模量的带锚岩体所表现的锚固效果是不同的；(3)锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪刚度和强度有关，并从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案：(4)锚固体的变形破坏符合莫尔库仑准则；(5)锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。,这些研究成果，在一定程度上定性或定量地弄清了一些重要问题，例如锚固体的极限强度和e、c、的提高等，但这些研究成果主要偏重于地表加固工程和浅埋隧道工程。对于煤矿巷道特别是煤巷，由于围岩松软、埋藏深，受采动、构造应力的影响，地应力很大，巷道围岩破坏严重，因而，其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区，相应巷道周围锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域之中，相应锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。只有掌握围岩峰值后强度和变形的特点以及锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，才能从根本上揭示锚杆支护的作用机理。,中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究成果的基础上研究并提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提供了理论依据。该理论的要点是：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；(2)巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数(e、c、)，改善被锚固岩体的力学性能；(3)巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。,锚杆杆体主要提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪。锚固剂的作用是将钻孔孔壁岩石与杆体粘结在一起。对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比较复杂，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。,国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变化也进行了比较全面、系统的研究。研究结果表明，岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。而且，锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束时岩石应力应变曲线如图所示。可见，锚杆显著增加了岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比较平缓。,图7 a 锚固前后岩石应力一应变关系,图7 b 锚固体应力应变曲线,综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆支护机理进行概括，其要点如下： (1)回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其特点； (2)锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层，减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性，锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好； (3)随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范围会逐渐扩大，当锚杆能伸人稳定岩层中时，其作用主要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落，同时，锚杆提供径向和切向约束，提高破坏岩石强度，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力；,(4)锚杆不能伸入稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高破坏岩层的整体强度，在破坏区内形成承载结构，它不仅可保持自身平衡，而且可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层，同时使围岩深部的应力分布趋于均匀和内移； (5)钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止锚杆间的破碎岩块掉落，随着锚固区岩层扩容、离层的增大，钢带受力逐渐增加，对锚杆间的围岩施以径 向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加岩层承载能力； (6)当锚固岩层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚杆形成组合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较 大的转动(如图8) (7)回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出，由于煤层强度较低且受到采动影响，所以回采巷道两帮支护显得尤为重要，打锚杆后对煤帮的两种变形均有控制作用。加钢带后效果会更好。,六、煤巷层状顶板的预应力结构理论 1、层状顶板预应力支护结构的概念 众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时(约在破坏载荷的25%以下)，脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度(在钢筋混凝土中达到极限载荷的6075%)以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载，先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆才开始承载，在目前的开采深度不大和非强烈构造应力区，这种矛盾常常不突出，支护的成功掩盖问题的实质。,如果在安装锚杆的同时，立即施加足够的预拉力，不仅消除了锚杆支护系统的初始滑移量，而且给围岩一定的预压应力，改善围岩的应力环境：对于受拉截面来说，可以抵消一部分拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪截面，由于压应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪能力。因此及时施加预拉力直接避免巷道围岩过早出现张开裂缝，可以大大减缓围岩的弱化过程，岩体利用自身强度及时参与承载过程，即形成整体承载结构，保证了巷道的长期稳定。,与这种主动锚杆支护相比，普通无预拉力被动锚杆支护旨在建立“钢”性顶板，即每一排使用尽量多的锚杆，行间距和排间距都很密，有使顶板“钢铁化”的势态。被动锚杆支护能保证在锚杆长度范围内离层变形后产生很大的支护抗力，但因顶板已发生离层，这种抗力已无助于恢复或提高顶板总体的抗剪强度。尽管锚杆长度范围内的顶板“钢”性化，但避免不了在锚杆长度以外的顶板中发生离层，出现垮冒，实际上这种现象经常发生。,据统计，我国高强锚杆的应用推广中，冒顶的比重占总进尺的万分之五左右，安全可靠性尚不能满足煤矿生产的实际需要。我国现在锚杆间排距普遍在0.60.8m之间，即使杆体强度再高，实践中时有锚固区整体离层破坏甚至垮冒，而锚杆实际受力却很小的现象，这促使我们思考如何发挥锚杆的作用，并避免这类现象发生。 由此提出煤巷支护预应力结构的概念：在施工安装过程中，及时给锚杆或其它支护构件以很高的张拉力，并传递到层状顶板，使顶板岩层在水平应力作用下处于横向压缩状态，形成“刚性化”的压力自撑结构，从而阻止高水平应力对顶板围岩体的破坏，消除或大大减缓弱面离层现象，同时减缓两帮围岩的应力集中程度和岩体破坏现象，从根本上维持围岩稳定。这种层状顶板的压力自撑结构就叫顶板预应力结构。,2、层状顶板预应力结构理论 1) 预拉力(或称初撑力)的大小对顶板稳定性具有决定性的作用，当预拉力大到一定程度时，可以使顶板岩层处于横向压缩的状态，形成预应力承载结构。 在高水平应力条件下顶板表面的剪切破坏是不可避免的，但通过建立顶板预应力结构可提高顶板整体的抗剪强度，使其破坏不向顶板纵深方向发展。,2)在一定条件下，水平应力的存在有利于巷道顶板的稳定。所以，当最大水平应力与巷道轴向垂直时，巷道不一定难以维护，通过对锚杆施加较大的预拉力可以充分利用水平应力来维护顶板稳定性；当最大水平应力与巷道轴向平行时，巷道不一定容易维护，关键是巷道围岩本身的强度与水平地应力的比值及锚杆预拉力的大小。在水平应力大的条件下，高预拉力的短锚杆比无预拉力的长锚杆会起到更好的支护效果。,4)当锚杆预拉力达到一定程度后，预应力顶板将使得垂直压力均化到巷道两侧纵深范围，巷道两侧的压力集中现象减小，片帮的现象缓和，两帮的维护将变得相对简单。与被动锚杆支护原则“先护帮，后控顶”相对照，主动锚杆支护的原则是“先控顶，后护帮”。其实。帮部稳定可以同比顶部分析，并无更多的特殊性，只是由于对顶板的安全可靠性要求更高而强调一些。复合顶板层状赋存松散煤体巷道应该遵循“帮顶同治”的原则。,5)施工机具、施工工艺和锚杆结构及加工等方面的研究应以实现高预拉力为中心。 根据该理论可以得出如下一些有益的结论： (1)顶板的稳定性与垂直压力关系不大，比如采深因素、长壁工作面超前垂直支承压力等对顶板稳定性影响较小。 (2)在一定范围内，顶板的稳定性与巷道宽度关系不大。传统上认为巷道宽度越大，顶板稳定性越差，这一思想仅适合于被动支护(棚子和锚杆)，因为在此条件下顶板中部的拉应力越大，顶板拉破坏的可能性也就越大。预应力结构(梁)顶板的形成杜绝了顶板发生拉破坏的可能。 (3)在同等地质条件下，提高锚杆预拉力可以进一步增加锚杆间排距，减少锚杆用量，降低巷道支护成本，为提高巷道掘进速度创造条件。,确定锚杆支护形式和参数的选择原则 1）一次支护原则。 锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。 2）高预应力和预应力扩散原则。 预应力是锚杆支护的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护。 一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，提高锚固体的整体刚度与完整性。,主被动锚杆的支护效果,1 超高强锚杆杆体 2 螺母 3 预应力标示杆 4 应力松弛自补偿弹簧,5 弹簧护筒 6 减摩垫圈 7 应力扩散托盘 8 高强树脂锚固剂 9 围岩,可控预应力超高强锚杆,mqs90j2型气动锚杆安装机,什么是高预应力？ -朱浮声（1993）、郑雨天（1995）的研究表明：当锚杆预拉力达到6070kn时，就可以有效控制巷道顶板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量；,预紧扳手,扭矩倍增器,什么是高强、超高强？ 高强： 超高强：,各种锚杆材料强度指标,、级螺纹钢作为杆体的树脂锚杆能够满足基本技术要求。,每吨螺纹钢钢材仅比级螺纹钢高300400元。 为深部围岩支护采用高强、超高强锚杆提供了材料上的便利条件。,3）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。 在提高锚杆强度与刚度，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。 4）临界支护刚度与强度原则。 锚杆支护系统存在临界支护刚度与强度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。 5）相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。 6）可操作性原则。 提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。 7）在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。,第二节 巷道围岩地质力学测试 巷道围岩是一个极其复杂的地质体。与其他工程材料相比，它具有两大特点：其一是岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是巷道锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。,在国外，澳大利亚、英国等采煤技术先进的国家，十分重视巷道围岩地质力学测试工作。在进行巷道布置、巷道支护设计之前，都要进行详细的围岩强度、围岩结构和地应力的测试，从而保证了巷道布置和支护设计的合理性，显著提高了巷道的安全程度。在国内，人们也逐渐认识到进行巷道围岩地质力学测试的重要性和必要性。在引进国外先进仪器和设备的基础上，开发研制了一批井下使用的围岩地质力学测试仪器，并在多个矿区得到应用，取得大量宝贵的基础参数。,一、井下巷道围岩强度测试 传统的岩石强度测定方法是在井下钻取岩芯，然后运至实验室加工成试件，进行岩石力学参数测定。这种方法的首要条件是在井下可取出比较完整的岩芯，且能加工成试件。但是，当围岩比较松软破碎时，很难取出完整岩芯，无法进行力学参数测定。在煤层中钻孔取芯尤为如此。为了解决这个问题，一些科研单位开发研制了专门用于井下巷道中测量围岩强度的装置。该仪器由围岩强度测定仪、探头、手摇泵、高压管、延长杆等部件组成，测试原理如图9所示。其中，手摇泵为美国进口泵，轻便灵巧，性能稳定。探头直径56mm，非常适合井下快速测量工作。图10是潞安常村煤矿一回风巷中的测量结果，从图中很清楚地看出煤层和顶板岩石的强度分布状况。,图9 围岩强度测定原理示意图 1探头；2一电缆；3一压力表(o-40mpa4一压力表(0-100mpa)；5一手摇泵； 6一围岩强度测定仪；7一高压管；8一延长杆,图10 潞安常村煤矿岩石的强度分布状况,钻孔窥视仪可以直接观察6m深钻孔的岩层结构、层理、各类弱面和离层情况。该仪器外观如下图所示。 钻孔窥视仪,图11 ps75x20钻孔窥视仪原理图 1钻孔；2一先端部；3一导光束； 4一导像束；5一目镜；6一矿灯,三、地应力测量 地应力测试理论和技术一直是岩石力学与采矿科学的重要内容之一。地应力测量方法有很多种。根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是测量岩体中声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。目前，力学方法，特别是应力解除法和水压致裂法应用得比较普遍。,我国煤矿以前很少进行地应力测量。近年来人们逐步认识到地应力对锚杆支护的重要性，很多矿区，如新汶、邢台、兖州、潞安等开展了这项工作，测试数据成为煤巷锚杆支护设计的重要基础参数。 水压致裂法测试原理是，在封隔钻孔段注高压水，使钻孔破裂，根据钻孔破裂时的压力和方向确定主应力的大小和方向(图12)。水压致裂法测量应力不需要套芯，也不需要精密复杂的电子仪器，所以可在深井中测量应力。这种方法测试过程简单，可以快速、经济地进行大面积测量。虽然一个钻孔仅能得到二维应力，但辅以其他地应力分析方法，多测钻孔，可以弥补这个缺陷。特别是在测量水平应力方面，具有明显优势。最近，我国针对煤矿井下巷道的特点，开发研制了矿用便携式水压致裂地应力测量仪器，可快速、准确、大面积地测量煤矿巷道围岩地应力。这套仪器已在潞安等矿区大面积使用，取得了大量宝贵的应力数据。,图12 水平致裂地应力测量示意图 1-分割器 2-注水阀门 3-水压管 4-流量计 5-高压泵 6-记录器,第三节 锚杆支护设计方法 现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验和围岩分类的经验设计法，基于某种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而设计效果不够理想。在多年锚杆支护实践经验基础上，根据煤巷特点，借鉴国外先进技术经验，我国提出了锚杆支护设计的动态信息法。,一、动态信息设计法简介 动态信息设计法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息。该设计方法包括五部分：试验点调查和地质力学评估；初始设计；井下监测；信息反馈和修正设计；日常监测。其中，试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容，在此基础上进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用数值计算和经验法相结合的方法进行，根据巷道生产条件、技术要求及实测数据确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井下，进行详细的围岩位移和锚杆受力监测，根据监测结果验证或修正初始设计。正常施工后还要进行日常监测，保证巷道安全。,二、试验点调查和地质力学评估 试验点调查和地质力学评估是在现场进行巷道围岩地质力学测试基础上进行的，包括以下几方面： (1)巷道围岩岩性和强度：煤层厚度、倾角、抗压强度、节理、裂隙分布情况；巷道顶底板岩层分布，岩层强度； (2)地质构造和围岩结构：巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，对巷道的影响程度；围岩中不连续面的分布状况，如分层厚度和节理裂隙间距大小，不连续面的力学特性等 (3)地应力：包括垂直和两个水平主应力，其中最大水平主应力的方向和划测锚杆支护设计尤为重要； (4)环境影响：水文地质条件，涌水量，水对围岩强度的影响，瓦斯涌出量划、，岩石的风化性质等； (5)粘结强度测试：采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度，该测试工作必须在井下施工之前进行完毕；测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷，分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行三组拉拔试验，粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。,三、初始设计 不适合锚杆支护，必须重新设计。断面设计除考虑锚杆支护效果外，还应考虑运输设备尺寸、通风条件、巷道变形预留量等因素。 锚杆支护初始设计采用数值计算方法。效果较好的软件有有限差分软件flac和离散单元法软件udec。设计步骤如下：根据巷道围岩条件建立合理的数值计算模型；分析巷道围岩变形和破坏的特征； 分析锚杆支护各个参数对巷道围岩变形和破坏的影响，进行参数敏感性分析，包括锚杆长度、直径，锚杆间排距等；确定出技术和经济上最优的锚杆支护方案，即为初始设计。 图12 、图13、图14是潞安五阳煤矿一煤顶巷道锚杆支护数值计算结果。分析这些曲线就可得出合理的支护案。锚杆支护初始设计采用数值计算方法，显著提高了设计结果的全面性、合理性、可靠性和可视性。,锚杆根数/根,图12 锚杆根数与顶板下沉关系,图13 锚杆直径与顶板下沉关系,图14锚杆排距与顶板下沉关系,四、井下监测 初始设计实施于井下后，必须进行全面系统的监测，这也是动态信息法中的一项主要内容。监测的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。井下监测主要有以下几方面内容： (1)围岩位移：包括巷道表面位移(包括顶底板相对移近量，顶板下沉量，底鼓量，两帮相对移近量，帮位移量等)和巷道顶板离层及深部位移(包括锚固区内离层值和锚固区外离层值，巷道围岩深部位移指围岩不同深度的位移值)； (2)锚杆受力：对于全长锚固锚杆，测量沿锚杆方向上的受力分布；对于端锚锚杆，可在孔口测量锚杆的工作阻力。,五、信息反馈和修正初始设计 根据井下监测信息验证和修改初始设计，使其趋于更加合理。例如，当锚固范围内的离层值大于设计值时，说明锚杆支护强度偏小，应加密或加粗锚杆；当锚固区外围岩离层值较大时，表明锚杆长度偏小，应适当增加锚杆长度或补打锚索。,第四节 煤巷新型支护材料的研制,煤巷树脂锚杆是指对岩层及煤层起锚固作用、维护围岩稳定的杆状结构物及附件，其种类和结构繁杂多样，但国内绝大多数矿井一般都将其作为简单材料，分散加工，规模小，质量不稳定，使用效果差，根本原因在于对锚杆加工要求和结构必须具备的基本性能不清楚。随着这一技术的推广应用和普及，客观上要求提高锚杆整体性能及加工精度，特别是困难复杂条件下应用该项技术对锚杆的性能提出了更高的要求，把锚杆作为一种简单的支护材料已不适应全面推广这一新技术的要求，必须使锚杆加工系列化、规范化、标准化，只有高性能的成套锚杆才可能满足地质条件复杂多变的需求。,锚杆结构和加工性能如何规范是十分重要的技术问题，是实现预应力支护技术的基础。我国目前锚杆加工、使用中存在的缺陷和问题包括：锚杆杆体强度低；锚尾抗剪切力低；锚杆长度受限；安装性能差，巷道掘进速度慢；锚杆支护系统性能差，(锚杆、托盘、钢带承载能力匹配性能不好)；锚杆预拉力低。针对这些问题开展，进而提出高性能锚杆的概念，它是指杆体材质符合高强度、延伸率及锚固要求、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。,1、高性能预拉力锚杆 锚杆支护技术的发展必然要求性能良好的锚杆产品做保证。根据预应力结构理论，我们对锚杆的性能提出了新的技术要求，具体包括：(1)杆体材质；(2)能够实现快速机械安装；(3)满足实现锚杆高预拉力的要求；(4)锚杆、托盘、钢带三者的几何形状和承载能力匹配，加工规范。针对我国现有锚杆的缺点，进行了以下几个方面的研究： (1)锚杆杆体材质及表面结构的选择； (2)锚杆快速安装螺母的研制； (3)提高锚杆预拉力的措施。,锚杆预紧力为20kn时，锚杆尾部附近出现了明显的应力集中现象，随着深人顶板远离锚杆尾部，压应力逐渐减小。在锚杆长度一半左右的范围内形成了压应力区，之上为应力很小的近零应力区。在锚杆端部出现了拉应力区，但应力值很小。两根锚杆之间有效压应力区小，而且相互独立，没有连成整体。,（a）预紧力20kn （b）预紧力100kn 不同锚杆预紧力形成的预应力场分布,两根锚杆之间中部应力值很小，出现较大范围的近零应力区，在此区域，锚杆几乎无支护作用。由于锚杆预紧力低，导致锚杆支护产生的预应力场应力值小，形成的有效压应力区范围小，孤立分布，没有连成整体。近零应力区范围大，锚杆支护在近零应力区几乎没有加固围岩作用。,锚杆尾部附近出现了较大的应力集中现象，随着深人顶板远离锚杆尾部，压应力逐渐减小。在锚杆长度一半左右的范围内形成了压应力区，有效应力区范围明显扩大，近零应力区大幅度缩小。在锚杆端部出现了拉应力区，应力值很小。锚杆附近应力集中明显，随着远离锚杆位置，压应力逐渐减小。,（a）预紧力20kn （b）预紧力100kn 不同锚杆预紧力形成的预应力场分布,锚杆之间连成一片的、整体的有效压应力区，近零应力区基本消失，锚杆对锚杆之间的围岩起到有效的支护作用。 可见，在高锚杆预紧力条件下，锚杆支护产生的预应力值大，形成的有效应力区范围广，几乎覆盖了整个顶板，锚杆的主动支护得到充分发挥。,1)锚杆杆体材质 锚杆杆体的强度直接影响锚固范围内对围岩作用的大小，从而影响锚杆群作用范围内围岩的承载能力和锚杆的支护效果。我国以往使用的锚杆材质一般为q235，其屈服强度为240mpa，杆体直径一般为14mm、16mm、18mm，所以锚杆破断力均在100kn以下。 为了改变我国长期使用低强度锚杆的状况，最近几年大力发展高强度、超高强度锚杆。按照钢材的屈服强度s可将锚杆分为三类：s340mpa，为普通锚杆；340mpas600mpa,为高强度锚杆；s600mpa，为超高强度锚杆。,国外使用的锚杆杆体直径多为20mm、22mm、24mm，其材质屈服强度为400mpa600mpa或更高，破断力一般为200300kn，甚至更高。如澳大利亚研究的hs1045高强度锚杆，杆体(直径22mm)的破断力达到240kn；直径22mm的ax超高强度锚杆，其杆体的破断力达340kn。美国制造锚杆的钢材屈服强度为520mpa，而英国制造锚杆的钢材屈服强度可达610mpa。 q235属低碳钢，在低碳钢的基础上加入少量既能提高钢材屈服强度、又能改善钢材其他性能的合金元素(锰、硅、钒、钛等)就形成了低合金钢，如16mn、20mnsi等，其屈服强度可达330mpa，抗拉强度为510mpa，是q235的1.4倍。在成本增加不多的情况下，采用高强度级别的钢筋是提高锚杆强度的基本途径。现在煤矿高强度锚杆一般采用20mnsi材质，其力学性能如表所示。,关于锚杆材料将详细论述请参考其它参考资料。锚杆力学参数选取应遵循以下原则： 优先选择高强度锚杆。一般条件下，应优先选择高强度锚杆，以提高支护效果，保证巷道安全。数值模拟与井下应用表明，提高锚杆强度可有效减小巷道围岩变形，控制围岩破坏范围。 与锚杆预紧力相匹配。锚杆强度应与预紧力相匹配。一味地提高锚杆强度，而忽视预紧力的作用，只能导致锚杆的作用不能充分发挥，达不到应有的支护效果。结合控制围岩离层、滑动等所需要的预紧力，确定合理的锚杆强度，不仅能显著提高支护效果，而且能降低锚杆支护密度，有利于提高掘进速度。 因地制宜。对于围岩稳定、地质构造简单、地应力小的巷道条件（如神东矿区），应因地制宜，可以选用圆钢等低强度锚杆，在满足支护要求的前提下，降低支护成本。,2）锚杆直径 我国煤巷支护已经大面积推广应用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，部分地质条件简单的矿区仍使用圆钢锚杆。锚杆杆体直径基本形成系列，包括16mm、18mm、20 mm、22mm、25 mm。锚杆直径的选取从技术上主要考虑三方面的因素： （1）锚固效果。已有的研究成果表明，对于螺纹钢锚杆，钻孔直径和杆体直径之差应控制在410mm之间才能保证锚固效果，尤以68mm为最佳（同时考虑锚固效果与施工难易程度）。对于直径28 mm的钻孔，最小的锚杆直径不能低于18mm，比较合理的直径是20mm、22mm。对于圆钢锚杆，尾部应拧成麻花状，以便搅拌锚固剂，麻花部分宽度与钻孔直径差应控制在410 mm内，58mm更好。,（2）锚杆预紧力。选择锚杆直径时，应结合巷道围岩具体条件，支护要求的预紧力大小确定。预紧力越大，在相同材质的条件下，锚杆