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煤巷锚杆支护理论及技术简介 阚甲广博士中国矿业大学 2011年2月24日 一 引言二 锚杆支护基本理论三 高性能预拉力锚杆支护技术体系四 锚杆支护设计方法五 锚杆支护监测系统 提纲 引言 一 1956年开始在岩巷使用锚杆支护 机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆1974年 管缝式锚杆 涨壳式锚杆等早期锚杆支护强度 刚度低 支护原理上仍属于被动支护 锚杆支护理论 设计方法 支护材料 施工机具不成熟 锚杆支护技术发展缓慢1996年 从澳大利亚引进树脂锚固锚杆1999年以来 针对我国煤矿条件进行了大量二次开发和完善提高 锚杆支护发展历程 国内外煤巷锚杆支护比重 1998 厚层复合顶 动压 小煤柱煤巷支护属于国际性难题美 澳煤层条件相对简单 不必研究 英国等该类煤层条件比重较小 认为不能采用锚杆支护的煤层不具备开采价值 实质上回避该类难题 我国60 以上的煤层巷道维护困难 无法回避 我国能源产业政策与国外也不同 不能回避 完全依赖于U型钢可缩支架支护 成本高 效果很差 锚杆支护 保障高产高效主动加固 充分利用围岩自身的稳定性和强度 根本消除棚式支护空顶产生的瓦斯积聚 煤层自燃等隐患 端头处理简单 不用替换U型棚 能保障大功率设备正常工作 工作面快速推进 单产显著提高 巷道变形量仅为同类条件棚式支护的1 2左右 与综机配套组成掘 支 运机械化作业线 单进大幅提高 辅助运输量小 施工搬运携带方便 安全 锚杆支护基本理论 二 软弱岩层 坚硬岩层 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 悬吊理论 锚杆支护示意图 根据悬吊岩层的质量就可以进行锚杆支护设计 悬吊理论直观地揭示出了锚杆的悬吊作用 适用条件顶板直接顶一般为较软岩层 顶板上部有较稳定岩层 围岩整体稳定 存在不规则岩体弱面 节理 裂隙 滑面 但规模不大 悬吊理论 存在问题没有考虑围岩的自承载能力 而是将锚固体与原岩体分开 与实际情况有一定差距 只适用于巷道顶板 不适用于巷道帮 底 如果顶板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 悬吊理论不适用 没有考虑岩体应力对锚杆的作用 没有考虑锚杆对岩体性质改变的作用 组合梁理论 组合梁理论认为 在层状岩体中开挖巷道 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 防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 梁越厚 梁内的最大应力 应变和梁的饶度也就越小 无锚杆支护 有锚杆支护 适用条件巷道顶板有若干层层状较软岩层 巷道顶板的结构弱面 沉积滑面不发育 采深较浅 地应力较小 没有明显的构造应力作用 组合梁理论 存在问题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 组合梁就不存在了 只适合与层状顶板锚杆支护的设计 对于巷道帮 底不适用 组合拱 压缩 理论 组合拱理论认为 在拱形巷道围岩的破裂区中安装锚杆时 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 即组合拱 压缩拱示意图 优点组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理 适用条件一般不能作为准确的定量设计 但可以作为锚杆加固设计和施工的重要参考 缺点在分析过程中没有深入考虑围岩支护的相互作用 只是将各支护结构的最大支护力简单相加 从而得到符合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 计算与实际情况存在一定差距 组合拱 压缩 理论 最大水平应力理论 由澳大利压学者盖尔 W J Gale 提出 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 5 2 5倍 巷道顶底的稳定性主要受水平应力的影响 且有三个特点 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 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 与最大水平应力垂直的巷道 顶 底板稳定性最差 最大水平应力理论 最大水平应力理论 巷道受最大水平应力作用图 最大水平应力理论 最大水平应力理论的特点 论述了巷道围岩水平应力对巷道的稳定性的影响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 在最大水平应力作用下 顶 底板岩层易于发生剪切破坏 出现错动与松动而造成围岩变形 锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层的膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动 因此要求锚杆必须具备强度大 刚度大 抗剪阻力大 才能起约束围岩的变形作用 由我国著名矿压专家侯朝炯教授提出煤巷锚杆支护的作用就是对锚固体提供围压 使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化 提高峰值强度和残余强度 改善峰后岩体力学性能 巷道围岩的稳定性除了支护的作用外 主要取决于围岩的强度和应力状态 对于煤层巷道 由于围岩松软 埋藏深 受采动和构造应力影响 地应力大 巷道围岩破坏严重 其周围存在破碎区 塑性区和弹性区 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中 相应地锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度 围岩强度强化理论 优点该理论主要探讨了锚杆加固后岩石峰后区粘聚力C 内磨擦角 弹性模量E的改善情况 由于其巷道围岩强度强化理论的全面性 在某种程度上讲 它应用于矿井施工的任何条件 适用条件岩体松软 埋藏深 地应力大 巷道围岩条件 存在问题岩性结构系数取值范围太大 围岩强度强化理论 锚杆支护理论 小结 深刻解析了锚杆的作用原理 在不同条件下应用的区别 以便结合实际合理选择锚杆支护结构和参数 依据锚杆支护理论 利用锚杆 锚索等支护手段对巷道围岩进行强化 充分利用巷道围岩自身的承载能力 使围岩参与支护 从支护的理念上发生了改变 随着采深的日益加大 煤层地质条件的恶化 课题组结合近年来的研究 提出了预拉力 锚杆 支护体系 高性能预拉力锚杆支护技术体系 三 事故案例 2001年 兖矿集团一矿8732进风巷顶板垮冒8 0m砸死3人 2001年9月1日晋城成庄矿2229进风巷顶板垮冒14 0m砸死8人 2003年淮南谢桥矿11123开切眼 锚杆锚索联合支护 17m 淮北朔里矿S5110开切眼刷大时突然垮冒120m 所幸未有人员伤亡 原因 支护强度不够 参数不合理 2003年淮北杨庄矿一机巷迎头退后8m垮冒6m 锚固层整体下来 原因 施工质量差 锚杆松动不紧 2004年10月淮南谢桥矿一综掘巷道垮冒10余米 造成人员伤亡 发生事故主要的原因 1 条件好时盲目乐观 为降低成本简化支护参数 2 追求虚名 创锚杆支护进度记录 政绩 思想3 监测手段跟不上 不能及时发现隐患 4 操作水平低 缺乏有力监督 偷工减料 施工质量差 煤巷层状顶板离层控制理论 冒顶原因 冒顶原因分析1 松散变形的持续发展大部分软弱煤层巷道在锚杆支护起作用前 都有100 200mm的围岩变形量锚杆支护的承载状态不好 工作载荷很低 锚杆实际工作载荷可分三种情况 安装时没有初锚力 工作载荷始终为零 安装时初锚力很小 工作载荷增长缓慢 稳定段载荷值较低 安装时提供超过20kN的预紧力 工作载荷增长快 稳定段载荷值高 锚杆的三种工作状态 3 大变形后锚固力衰减 锚固失效端锚时在围岩变形量达到100mm时即开始失效 全长锚固时锚杆的可靠性虽大大提高 但围岩变形达到200 300mm时锚固力也开始降低 达到500mm时即完全丧失 4 四周的不协调变形 结构性失稳 煤巷层状顶板离层控制理论 冒顶原因 冒顶类别划分通过综合研究发现顶板岩体具有两种垮冒型式松脱型垮冒 垮冒范围一般在0 5 1 5m内 负荷15 25kN m2 煤巷层状顶板离层控制理论 冒顶类别的划分 煤巷层状顶板离层控制理论 冒顶类别的划分 冒顶类别划分挤压型垮冒 在水平应力和自重应力双重作用下 薄层状岩体发生弯曲变形 导致弱面离层 变形持续发展 渐次向上垮冒 对应的两种锚杆支护失稳形式 锚固区整体垮冒 锚固区内离层 松脱型垮冒得不到控制 锚固区产生裂隙 锚固强度衰减 进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏 锚固区外离层 锚固区的完整性较好 但不能阻止外层岩体的渐进破坏 导致外层弱面离层 锚固区外离层的持续发展将导致锚固区整体垮冒 概念 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 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 高性能 预拉力 锚杆支护 锚杆结构特点 树脂锚固剂锚杆有杆体 锚固剂 托盘和螺母等组成它操作简单 安装方便 锚固速度快 强度大 锚固方式易改变 质量易控制 安全可靠 性能价格比优良 树脂锚固剂锚杆在各类锚杆家族中以无比的优越性得到快速持续发展 锚杆杆体 锚杆的主体结构用来承载拉伸力和剪切力国内锚杆杆体材料主要有20MnSi左旋无纵筋螺纹钢和Q235圆钢等几种 锚杆尾部 不仅受拉 而且受到钢带和岩层错动时产生的剪应力 易发生剪断现象 锚杆尾部受2 3倍的集中应力 锚杆尾部等强加工 锚杆尾部损伤加工 锚杆杆体 锚杆尾部断裂 国内锚杆尾部加工的大多采用剥皮 车丝工艺 强度损失比较明显 采用滚圆后滚丝 取消剥皮工艺 减少强度损失 杆尾调质处理 提高强度 树脂锚固剂 把锚杆杆体和锚杆孔壁黏结在一起 树脂药卷力学性能对锚杆锚固力有重要作用 有利于钻孔中安装和搅拌 一般要求树脂锚固剂直径比钻孔直径小4 6mm为宜 锚固剂固化后有较高的变形模量 使锚杆锚固段有较高的刚度 锚固剂固化快 满足快速安装的要求 能及时施加预紧力 锚固剂固化后收缩率低 高粘接力 保证锚固效果 型号 超快 快速 中速 慢速例 K2355 一是通过螺母施加扭矩 压紧托板给锚杆提供预紧力 并使预紧力扩散 扩大锚杆作用范围 二是围岩变形后载荷作用于托盘 通过托盘将载荷传递到锚杆 进而控制围岩变形 目前多数矿区主要使用托盘为Q235或20MnSi钢板压制的平托盘 拱形托盘 蝶形托盘等 锚杆托盘 螺母的承载能力应与杆体相匹配 螺母破坏会导致锚固失效 螺母的结构形状 螺纹的规格与加工精度有利于锚杆施加预紧力 螺母有利于锚杆安装 提高安装速度 普通螺母先安装杆体 再安装托盘并拧紧螺母 工序多 安装速度慢 锚杆螺母 为了实现锚杆快速安装 研制了多种快速扭矩螺母 主要有钢片充填式 树脂 尼龙 充填式 销钉式 实践表明 扭矩螺母打开扭矩为60 100N M 钢带 把分散的单体锚杆连接成整体 形成整体支护系统 同时把锚杆锚固力传递到更大范围的围岩体上 增大锚固力作用范围 钢带分为平钢带 W型和M型等类型 M型钢带强度大 抗弯刚度大 钢材利用率高 M型钢带向下截面模量远大于向上截面模量 钢带 M型钢带在井下使用情况 减摩垫圈 减小螺母和托板之间的摩擦力 最大限度的把锚杆安装扭矩转化为预紧力 增大锚杆的初锚力 安装减摩垫圈 每组两个 一个为钢质垫圈 另一个为塑料垫圈 钢带 垫圈 护网的合理配置 煤巷顶板护网网片尺寸 式中 L 网的长度 mmL0 巷道顶板斜宽 式中 W 网的宽度 mm W0 锚杆排距 mm 菱形网具有柔性好 强度高 孔型不变和连接方便等优点 现场得到了广泛应用 设计时应优先选用 钢筋网在设计选型时 应以钢筋直径6 8mm 网孔尺寸50 70mm为宜 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 28mm 20mm 25mm 27mm 18mm 23mm 30mm 22mm 25mm 等三种新 三径 匹配模式 锚固力比原来提高120 147 三径 匹配 销钉式预拉力锚杆 成套锚杆 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 与锚索支护所用材料 施工机具和工艺都十分接近 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 优点 钢绞线预拉力桁架系统 现行支护的缺陷 顶板受压区 顶板受压区 钢绞线预拉力桁架系统 顶板桁架 有效阻止顶板垮冒 桁架系统构件 安装示意图 钢绞线预拉力桁架系统 高预拉力横架系统实际应用效果 组合支护 高性能锚杆 钢带和金属网高性能锚杆 钢带和预拉力桁架高性能锚杆 预拉力锚索和预拉力桁架锚架组合 组合支护实际效果 锚杆支护设计方法 三 常规锚杆支护设计方法 目前巷道支护设计方法基本上可归纳为三大类 第一类是理论计算法 第二类是工程类比法 第三类是以计算机数值模拟为基础的设计方法 经验公式法 巷道锚喷支护 锚杆长度 W 巷道或硐室跨度 m L 锚杆总长度 m N 围岩影响系数 围岩分类 影响系数 锚杆间距 锚杆直径 110 工程类比法 工程类比法通常有直接类比法和间接类比法两种方法 直接类比法 把已开掘巷道 采用锚杆支护并取得成功 的地质开采条件与待开掘巷道进行比较 在条件基本相同的情况下 可以参照已开掘巷道 凭借工程师的经验和对工程的分析判断能力选定待开掘工程的锚杆支护类型和参数 间接类比法 是根据现行锚喷支护技术规范 按照围岩分类和锚喷支护设计参数表确定待开掘工程的锚喷支护类型和参数 直接类比法 围岩力学性质 顶板以直接顶为主 同时要了解1 1 5倍巷道宽度范围内巷道的岩石条件 地质构造影响程度 岩体中的构造应力 大型断裂构造开采深度 随着开采深度的增加 地应力在增加 煤系地层中的岩石就变得相对软弱 巷道维护难度加大 煤柱尺寸 可直接比较简单易行 巷道断面形状与尺寸开采时间 空间影响因素 巷道受采动影响分为三割时段 及采动影响前 中 后 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数 间接类比法 采用模拟软件进行锚杆参数设计 模型确定巷道的应力状态主要输入的参数 最大水平应力 最小水平应力 角度 模型的几何尺寸 工作面 采空区 煤柱 巷道等 采深 锚杆预拉力 锚杆直径 锚杆长度 岩石及层理面的力学性质等 以顶板是否离层为依据 对间 排距 锚杆 索 长度 预拉力等可变参数进行调节 直到满意为止 具体过程略 a 1205步时 b 1210步时 c 1220步时 d 1230步时 e 1260步时 f 1280步时 g 1300步时 h 1350步时 i 1400步时 j 1500步时 k 1600步时 l 1700步时 m 1900步时 n 2100步时 o 3500步时 开始 选择锚杆长度 选择锚杆预拉力 技术上可行 增加锚杆预拉力 锚杆长度以内是否离层 锚杆长度以外是否离层 找到所需锚杆长度和预拉力 结束 增加锚杆长度 否 是 否 否 是 是 在采用工程类比法进行锚杆支护设计时 对需要增加巷道围岩承载能力的 根据上述理论分析 可以选择加大锚杆长度 加也可以通过减小锚杆间排距和增加锚杆本身的强度 在通常条件下减小锚杆间排距取得的效果要比增加锚杆长度更好 锚杆支护不仅可给巷道提供一定的支护阻力 而且可提高巷道围岩的额承载能力 锚杆长度越长 巷道围岩承载能力增量越高 大直径锚杆随其长度加大 巷道围岩承载能力增量幅度增大 锚杆间排距越小 巷道围岩承载能力增量越大 间排距800mm的承载能力增量约为600mm的一半 锚杆承载能力越大 巷道围岩承载能力的增量越大 锚杆支护参数合理选择 锚杆支护监测 四 掌握巷道围岩动态及其规律性 为巷道支护进行日常动态化管理提供科学依据 为检验支护结构 设计参数及施工工艺的合理性 修改 优化支护参数和合理确定二次支护时间提供科学依据 监控巷道支护的施工质量 对支护状况进行跟踪反馈和预测 及时发现工程隐患 以保证施工安全和巷道稳定 为其它类似工程的设计与施工提供全面的参考依据 通过监测资料 可作为判断巷道工程的质量检查和验收的标准 监测的目的 检测的内容 与巷道围岩稳定有关的监控指标主要如下 巷道表面收敛 反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度 可以判断围岩的运动是否超过其安全最大允许值 是否影响巷道的正常使用 顶板下沉量 两帮移近量顶板锚固区内 外的离层值 用于判断顶板锚固区内 外围岩的稳定性以及锚杆支护参数的合理性 围岩深部位移 反映距巷道表面不同深度的围岩移近量 可以判定围岩的塑性区范围以及围岩的稳定状况 分析锚杆和围岩之间是否发生错动 可以判断锚杆的应变是否超过极限应变锚杆的受力 其大小可以判断帮锚杆的工作状态及其参数是否合理 如锚杆选择 锚杆布置密度是否合适等 巷道围岩变形监测 巷道表面位移的测站布置方式及数据记录 测量仪器 测杆 测杆为巷道表面位移测量中最为常用仪器 它由活柱 套管 标尺 卡环 夹紧螺钉 弹簧和固定螺钉等组成 ADL 2 5型测杆为其中的一种 ADL 2 5型测杆结构示意图 BHS 10型测枪 测量仪器 测枪是测量巷道周边两点间距离变化的一种常用仪器 BHS 10型测枪 主要由枪体和接杆两部分构成 BHS 10型测枪结构图 JSS30 10型伸缩式数显收敛计 当巷道断面高大 围岩表面位移速度小于0 5mm d 且测量精度要求较高时 可用收敛计 图4 进行测量 其精确度可达0 01mm 收敛计结构图 收敛计使用示意图 测量仪器 监测数据处理及应用 工程名称 断面编号 断面位置 单位 mm 量测结果要及时填入记录表中 巷道表面位移观测原始数据记录表 现场量测的数据应及时整理绘制出位移 时间曲线 U t曲线 或位移 距离曲线 U D曲线 当位移 U 时间 t 曲线趋于平缓时 图 a 应进行数据处理或回归分析 推算出最终位移值和掌握位移变化规律 时间 位移曲线 数据处理 数据应用 监测数据处理及应用 巷道顶板离层监测 监测目的 对顶板离层情况提供连续的直观显示 及早发现顶板失稳的征兆 以避免冒顶事故发生 监测数据可作为修改 完善锚杆支护初始设计数据的依据之一 离层指示仪以红 黄 绿三种颜色表示顶板离层松动的严重程度 绿色表示顶部松动离层值较小 处稳定状态 黄色表示离层松动已达到警界值 红色则表示顶板离层松动值较大 已进入危险状态 监测仪器 机械式顶板离层指示仪 顶板离层指示仪 顶板离层指示仪的布置方式 KZL 300型巷道顶板离层自动监测报警系统 系统采用计算机技术作为系统测量 监视 数据采集和报警的核心通过高亮度LED数码管显示离层的变化量和顶板状态可设顶板和离层位移报警门槛值 超值时借助声光报警提示 a顶板位移分站 b顶板位移报警器 c顶板位移传感器 通过测量2个基点与顶板表面相对位移变化