锚杆支护与监测资料PPT课件

1,2,3,4,5,煤巷锚杆支护新技术及应用,1、几个基本概念2、煤巷锚杆支护现状与发展3、锚杆支护理论4、锚杆支护技术体系5、设计与监测,6,锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。锚杆的锚固力：锚杆对围岩所产生的约束力。托锚力：包括安装锚杆时，通过拧紧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力。,1、几个概念,7,粘锚力：粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的差异，锚杆通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形。粘锚力就是锚杆杆体的轴力。初锚力：安设锚杆时，对锚杆进行拉张而使其具有的作用于围岩的力称为初锚力。工作锚固力：锚杆安设后，围岩变形，锚固剂发挥粘结作用；或者杆体与围岩之间的摩擦力制约围岩变形，此时锚杆对围岩的作用力为工作锚固力。残余锚固力：当围岩表面和深部的相对变形量超过锚固剂的极限变形量以后，锚固剂被破坏，工作锚固力丧失后，锚杆对围岩仍具有的约束力，称为残余锚固力。,8,1995年时国内外状况,澳、美、英锚杆支护比重已达90%以上，德、俄、波正在大力发展，比重在50%以上；我国为15.15%（低水平）。,2、煤巷锚杆支护现状与发展,9,最早使用锚杆并以锚杆作为唯一顶板支护方式的国家。上世纪30年代初开始应用，1943年后系统地使用锚杆。到了50年代初，美国发明了世界上第一个涨壳式锚头，由此而来带来了美国采矿工业的一场革命。60年代末发明树脂锚固剂，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。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，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%。,2.1、国外锚杆支护的发展现状,美国,10,美国锚杆技术精髓“两高一大”,高强度高预拉力大间排距,支护领域的专业化、产业化。锚杆设计、制造、服务一体化。锚杆等支护产品精细加工，而非材料消耗、废品利用支护手段多样化、多系列，以适应各种不同的条件。高新技术用于锚杆设计。,美国的成功经验,11,1952年大规模使用机械式锚杆，但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆。到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。,英国,12,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、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，形成了锚杆支护系统的设计方法。,澳大利亚,13,自1932年发明型钢支架以来，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。,德国,14,研制开发了价廉物美的快硬水泥锚杆。引进管缝式锚杆技术并推广应用。研究“三小”锚杆技术。试验成功了几种可拉伸锚杆、组合锚杆和桁架式锚杆等80年代末期，引进澳大利亚锚杆支护技术。90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。,2.2、我国煤巷锚杆支护技术状况,15,1995年立项时,锚杆支护比重。我国15.15%。锚杆支护。由Q235圆钢制造，承载能力4070kN/根，水泥药卷端锚；用于、类及部分类煤巷。,16,锚杆支护比重约25%。巷道面貌根本改观。扩大使用范围。、类推广，、类试验成功。原因：理论、设计方法、工艺取得了突破。,2001年时,17,2.3、国内外锚杆使用条件的差别,国外均使用在煤质中硬以上。我国煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道。软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下的锚杆支护正在进行试验性研究，近几年取得较大突破。,18,19451950：机械式锚杆的研究与应用。19501960：采矿业广泛采用机械式锚杆。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。19701980：发明管缝式锚杆、水力胀管式锚杆并应用，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。,2.4、锚杆支护的发展方向,19,煤巷锚杆支护的发展方向,加快巷道掘进速度；减少巷道支护成本；提高锚杆支护的可靠性。,方向：基于预应力的锚杆技术,20,锚杆长度和受力可确定。跨度较大和软弱岩层厚度过大时？,3.1：悬吊理论,3、锚杆支护理论,21,在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。组合梁理论适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。,3.2：组合梁理论,22,3.3：压缩拱理论,理论认为：安装锚杆后可形成一个承压拱。承压拱厚度和强度？,23,3.4：围岩强度强化理论,理论提出的背景,24,（a）严格的分区（b）近似的分区井巷围岩状态的分区,25,锚杆作用围岩的属性,26,悬吊、组合梁、压缩拱理论是针对弹性状态的完整岩体。研究锚杆支护对围岩E、C、的改善也限于岩体破碎前的弹性状态。实际：煤巷围岩松软破碎，采动应力高；围岩塑性区、破碎区范围大，岩体处于峰后强度、残余强度状态。处于峰后强度和残余强度的破碎岩体，锚杆支护能否起作用？作用机理是什么？,27,锚杆的作用,约束围岩的径向膨胀和横向剪切,28,锚固体C、随t的增加而提高,锚固体C*、*随t的增加而提高,29,锚杆支护作用的实质就是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体的力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化,充分发挥围岩的自承能力。,理论的实质,30,3.5：预应力支护理论,巷道受地应力影响,31,32,4.1：锚杆种类,4、锚杆支护技术及体系,33,普通木锚杆结构1-杆体2-楔缝3-内楔块4-垫板5-外楔快,木锚杆：分为普通木和压缩木锚杆。无预紧力，锚固力低，易腐烂，服务年限一般23年。普通木锚杆锚固力10kN15kN；压缩木锚杆锚固力20kN左右。,压缩木锚杆结构1-杆体2-楔缝3-内楔块4-垫板5-加固钢圈6-外楔快,34,竹锚杆：分为片竹锚杆和百夹竹锚杆两种。片竹锚杆：一般应用4根厚10mm、宽30-38mm的竹片，并应用22号铁丝箍成圆形。百夹竹锚杆：杆体选用直径2025mm百夹竹，将杆体对破开经防腐处理后将竹心灌以1：2的水泥砂浆（两端留木楔长度），然后用铁丝捆扎而成。,片竹锚杆结构1-竹片杆体2-铁丝箍3-垫板4-内楔块6-外楔快,百夹竹锚杆结构1-杆体2-铁丝箍3-垫板4-圆锥内楔5-圆锥外楔,35,楔缝式锚杆：一般用于I类围岩。,楔缝式锚杆结构1-杆体2-楔缝3-丝扣4-楔子5-垫板6-螺母,36,胀壳式锚杆：靠锥形螺帽前移迫使胀壳向左右张开、楔嵌入孔壁。锚杆结构较复杂，对围岩能及时支护。锚固力一般为50100kN。可回收。,37,管缝式锚杆：是靠开缝的钢管被强行打入锚杆孔（孔径比锚杆外径小），管体受挤后对围岩孔壁产生弹性抗力。杆体与孔壁之间产生的轴向静摩擦力阻止围岩的松动、变形。该型锚杆支护效应快，杆体全长产生锚固力。锚固力一般多5070kN。,38,玻璃纤维增强塑料锚杆（简称玻璃钢锚杆）是一种高强易切割新型复合材料锚杆。特点：抗拉强度大，抗拉强度可与20MnSi螺纹钢锚杆抗拉强度相媲美。阻燃、抗静电、采煤机易切割、不产生火花，安全；重量轻，为钢材的1/4。大大减轻了工人的劳动强度；价格便宜，比同规格的钢锚杆相比每米便宜1-2元。,39,第一代：机械式端头锚固锚杆。40年代开始，在5060年代推广。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，其技术特征客观上导致了使用的局限性。第二代：各种全锚锚杆提出。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。,4.2：锚杆的发展,40,第三代：螺纹钢树脂锚固锚杆占领市场阶段。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钢锚杆、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。第四代：高性能预拉力锚杆在90年代末开始应用，并初步显示出巨大的生命力。形成了锚杆产品的多样化、多系列，并实现了产业化，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，并将锚杆预拉力作为主要参数进行设计。,41,4.3：锚杆常用钢材及性能,42,普通圆钢粘结式锚杆,43,高强度、超高强度锚杆,44,锚尾螺纹部分热处理及效果,45,整根锚杆热处理及效果,46,4.4：预拉力支护体系,提出背景,支护目的是减小屈服后强度降低，使破坏变得平缓。锚杆提供轴向力与切向力，减小不连续面抗剪强度的降低，阻止离层与滑动。保持节理煤岩体的原有强度、完整性。给围岩施加压应力，改善应力状态。提高锚杆支护系统的刚度非常重要，途径：及时支护；施加高预应力，并实现预应力有效扩散；加长或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，及时抑制。大幅度提高支护系统刚度与强度，特别是预应力，可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形。,47,预应力支护体系,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组合支护,共同点：在施工安装完成后，支护构件和围岩产生一个显著的作用力，即预拉力通过调整锚杆预拉力的大小是目前改善锚杆支护效果、扩大锚杆间排距的最经济、有效的方法,48,高性能（预拉力）锚杆系统的特点,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。,49,表面积不同表面结构不同,螺纹钢锚杆表面结构优化,50,几种锚杆,51,52,杆体采用左旋无纵筋螺纹钢：搅拌树脂阻力小；采取了减摩措施，方便施加预拉力：每套锚杆加两个减摩垫圈，一个金属垫圈、一个塑料垫圈；各种锚杆设计了快速安装结构，可以实现树脂搅拌、锚杆安装及施加预拉力于一体；锚杆螺纹部分与杆体实现了等强；锚杆支护系统强度配套：锚杆强度、托盘强度、钢带强度三者匹配。,新型锚杆及其加工的特点,53,螺母,54,垫圈和托板,55,桁架锚杆是二十世纪60年代末出现的组合锚杆支护的一种形式。常见的桁架锚杆由锚杆、拉杆、拉紧器、垫块组成。桁架锚杆的主要形式有：单式桁架锚杆、复式桁架锚杆（在巷道跨度方向上由23个单式桁架锚杆交错组成）、交叉桁架锚杆（在巷道交叉处单式桁架锚杆交叉成十字形）和连续桁架锚杆（沿巷道轴向将单式或复式桁架锚杆连成整体）等。,桁架锚杆支护,56,单式双拉杆桁架锚杆1锚头；2锚杆；3托架；4水平拉杆,57,复式桁架锚杆1锚杆；2拉杆；3拉紧器；4垫木,58,交叉桁架锚杆,59,桁架锚杆支护作用力,60,小孔径预拉力短锚索,钻眼机具、锚固材料及搅拌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。钢绞线具有柔性，长度可以适当加长；锚固深度大大提高。专用设备施加预拉力，预紧力大小随意可调。孔径：国外大（50-55mm），我们使用28mm钻机：国外为锚索钻机，我们用锚杆钻机锚固方式和承载时间：国外用水泥浆，24小时后承载。我们用树脂锚，5-10分钟承载。,61,锚索材料及性能,62,锚索结构,63,64,POSTTENSIONCABLEBOLT后应力锚索（PTMS系列）,65,NON-TENTIONEDCABLEBOLT无应力锚索（NTMS系列）,66,CABLEBOLT-BARECABLE快速安装预应力锚索,67,27mm钻头,钻杆,锚杆钻机,快速药包,中速药包,钢绞线,驱动器,锚固段,托盘,锁具,张拉器,切割器,超高压隔油泵,68,锚索存在的缺陷,和20mm的20MnSi螺纹钢锚杆强度区别不明显；锚索常出现破断、抽冒现象锚索和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力外端头受力不良，与围岩点接触，顶板强化效果不明显内锚固端的三径匹配不合理，锚固性能不可靠锚索难以从根本上控制顶板的离层,69,关于锚索的几个问题,锚索的作用？锚索的长度？锚索的张拉力？,70,高预拉力钢绞线桁架系统,将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点，张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧。与锚索支护所用材料、施工机具和工艺都十分接近能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。,71,现行支护的缺陷,顶板受压区,顶板受压区,72,顶板桁架有效阻止顶板垮冒,73,M型钢带的特点,不对称抗弯性能，容易与围岩密贴刚度大，强度高，不容易撕裂断面利用率高、节省钢材、价格低廉,74,型钢带在井下的使用,75,76,锚固剂的选择高性能锚杆的锚固方式“三径”匹配对煤体锚固性能的影响“三径”匹配关系是指锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷直径三者的匹配关系,锚杆锚固参数,77,油基树脂收缩性搅拌要求高成本高,水基树脂中性或略具膨胀性1：1配比，易均匀搅拌成本低,78,防止巷道顶板的漏冒和两帮煤体的片帮通过托板将其所承担的载荷有效地传递到锚杆上，并能协调锚杆的受力，发挥锚杆