朱凯：深部工程锚网索支护

1、2要 目 引言 深部开采的地质特征分析 锚网索支护在深部煤巷支护中的适应性研究 锚网索支护在深部煤层巷道支护的应用实践 锚网喷在深部岩石大巷和大断面交岔点支护中的应用3引 言工程实践：1912年 煤矿使用锚杆支护顶板（美国）1915年 金属矿山也开始使用锚杆1934年 筑坝工程中使用预应力锚杆1957年 土层深基坑中使用锚杆（德国）60年代 出现顶板桁架锚杆和螺纹锚杆（苏联等）1987年 意大利大坝加固使用全长锚固锚杆80年代 土尔其、苏联、德国使用注浆锚杆90年代 锚杆索支护在煤巷大面积推广理论研究：悬吊作用理论： 路易斯帕内科 1952年 叠合梁理论： 雅可比 等 组合拱理论： L.拉布希

2、维兹 奥地利 1955年 “新奥法”： L.拉布希维兹 奥地利 1963年 新奥法核心： 变载荷体（围岩）为承载结构1、锚固技术的发展历史42、大屯矿区现状进入深部开拓开采阶段，深部问题日益突显，主要表现在：1、部分岩巷大巷施工不到三个月就开始破坏；2、部分上下山施工后已修复35次；3、部分回采巷道两帮移近和底鼓量m；4、先后出现过次冲击矿压。5、锚网支护先后出现过次冒顶。 针对深部工程支护中存在的一系列问题，我们进行了一些探索，对深部工程锚网支护的规律性有了一点初步的认识。在此，向各位专家简要汇报，恳请大家给予指点、匡正！5深部开采的地质特征分析2.1 区 域 构 造大屯矿区位于秦岭构造带东

3、延部分的北支，处于东西向构造带和新华夏系两个构造体系的复合部位，为地应力较为活跃的区域之一。矿区地质条件较为复杂。中、小断层互相交叉切割，给生产带来很大难度。图1 大屯矿区区域构造体系图62.2 地 层 岩 性各岩组主要力学特征参数各岩组主要力学特征参数7 典型典型 3D3DRQD RQD 指标测定指标测定地学研究对象：地学研究对象： 是是岩体岩体 而非而非岩石岩石岩体性质：岩体性质： 非均质性、非连续性、各向异性非均质性、非连续性、各向异性3D3DRQDRQD： 用于设计的岩石质量指标用于设计的岩石质量指标 8锚网索支护在深部煤巷支护中的适应性研究3.1 深部围岩的受力特点图2 深部煤巷支护

4、体围岩结构分区 支护对象：塑流区、塑软区承载主体：塑硬区四个区域：塑流区、塑软区塑硬区、弹性区 93.1 深部围岩的受力特点图3 巷道围岩不同受力特点 图4 巷道围岩应力图 103.1 深部围岩的受力特点 围岩强度理论：三维 二维 一维 开掘后壁面围岩应力状态：三维二维（甚至一维） 最大主应力：沿巷道壁面切向 最小主应力：沿巷道截面径向 切向应力：113.1 深部围岩的受力特点 对于顶点对于顶点A A：对于两帮中点对于两帮中点B B：如果 1顶部以拉应力为主。只有满足一定的轴比，才不会出现拉应力。通常轴比难以满足需要，往往出现拉应力集中。如果 1 顶部以压应力为主。如果1 帮部以压应力为主。应

5、通过合理的支护，减小顶板中部的拉应力集中、并防止帮部的压裂破坏和片帮。通过加强支护，改善周围岩体的应力状况。如果1巷道帮部可能出现拉应力。123.2 锚网与围岩耦合作用机理支护体系观：支护体是由支护材料与围岩共同构成的整体机理：改善应力状态、避免衰减、调动深部、转移应力场途径：支护材料与围岩之间的耦合、支护材料之间的耦合对象：强度耦合、刚度耦合目的：减少集中、实现转移、协调变形、控制变形133.2.1 围岩集中应力区向低应力区的转移现象 围岩支护状态：从开放力学环境转变为封闭力学环境。 围岩应力状态：集中应力区向低应力区转移和扩散。图5 围岩顶部集中应力区向 帮部低应力区转化过程 耦合支护后耦

6、合支护后143.2.2 围岩应力场和位移场的变化 随着围岩集中应力区的转移和扩散-1、围岩的应力场趋于均匀化2、围岩的应变场趋于均匀化3、锚杆的受力也趋于均匀化153.3 锚索的关键部位耦合机理分析图6 拱形巷道锚索关键部位耦合 图7 矩形巷道锚索关键部位耦合 在应力集中关键点上施工锚索后-1、浅部围岩剪应力集中程度明显减小2、深部岩体的剪应力水平显著增大这表明：调动了深部岩体强度16 4.1 高强度原则深部地压大，断面大、采动影响强烈的巷道支护，高强是关键适当加大锚杆索直径，托锚力、粘锚力和剪锚力更高更利于“三径”匹配，技术经济性更好高强度等级锚杆和锚索，其性价比更高锚网索深部煤巷支护的应用

7、 4.2 “三力”匹配原则托锚力、粘锚力和杆体破断力三者要进行匹配设计174.3 适度让压原则 让压的理由：深部巷道开挖以后，原来储存在岩体内的应力和能量会发生转移和释放 通过各类附件，增加支护柔性，给围岩一定的变形空间 协调支护材料之间、支护材料与围岩之间的变形，实现有约束让压，从而释放变形能、平衡应力场，减低支护体载荷184.4 防松弛原则图8 姚桥矿7009溜子道锚杆托锚力监测曲线 图9 姚桥矿7009溜子道锚索托锚力监测曲线 19 不论锚杆安装扭矩多大、锚索初张力多高，其锚固力都要经过如下三个发展阶段： 1、急速下降期 松弛 2、快速承载期 回升 3、平缓承载期 协调 为防止锚杆索在急

8、速下降期带来的被动承载，施工过程中，必须对其进行有效的二次紧固。20 4.5 “三径” 匹配原则 “三径”匹配，是指钻孔、锚杆（索）、树脂药卷三者直径之间的最佳配合关系，以支护结构整体达到最佳状态为目的。 “三径”是否合理匹配，直接影响支护效果。 主要考虑因素：锚固力、钻孔效率、钻具技术水平、锚固成本、施工是否方便等。 合理的孔杆径差710mm，即环形树脂壁厚为3.55mm。 21“三径” 匹配试验224.6 过程控制原则穿心型失效挤靠型失效有效锚固锚杆索的锚固状态23锚固失效形式24 支护并重：杆体-高强度、合适的延展性 网片-低延性平网，利于偶合 顶帮联系：顶帮支护分离，无法实施偶合 束让

9、有度：有约束的适度让压，成本低效果好 肩脚兼顾：肩窝与底角的加固并重 特殊措施：有针对性地实施锚注加固或卸压4.7 综合治理原则254.8 锚固形式选择原则端锚全锚端锚全锚26锚固形式与锚固材料全长锚固：利大于弊，施工质量较难控制端头锚固：方便易行，不适于煤巷及软岩煤巷：宜半长锚或全锚 （软岩粘锚强度低）岩巷：破碎的宜长锚，完整的可端锚（必须满足粘锚力）新型锚固剂的方向：变速、等组分、韧性、可融性包皮、装运材料锚索材料：高强度、不同韧度等级利于偶合（延伸率8%左右）27煤体中的锚网索支护 顶板煤体底板28锚网喷在深部岩巷支护中的应用 近年来，由于采深加大、地质条件复杂和采动影响，岩巷锚网索支护

10、也陆续出现失稳失效问题。 受高水平应力作用时，巷道变形加剧，表现为明 显的不对称性。 巷道底臌频繁、底臌量显著增大。29图11 徐庄750大巷不对称变形 30 1、剪切滑移型 2、塑性挤出型 3、结构变形型 4、物化膨胀型深部工程的四种变形力学机制： 通过锚索网支护，实现不同变形力学机制的有效转化，使其由复合型向单一型转化，是实现深部锚索网喷支护成功的关键。315.1 锚网喷支护的强度问题 深部支护难点：岩层软弱（强度低） 大 采 深（原岩应力） 地质构造（构造应力） 采动影响（应力叠加） 巷道复杂（应力叠加） 高强度 柔性 二次支护 重视网 补强 调动深部 卸压 开采：避免形成孤岛 巷道布置

11、：切忌垂直最大水平主应力325.2 初喷与二次支护 先初喷、后挂网、打锚杆，保证钢筋网的层位 深部巷道的变形量大，二次支护十分必要 适量变形利于应力转移和平衡 认真清洗受喷面，避免“两层皮” 喷层厚度不宜大，一般控制在70mm左右，100mm335.3 锚索关键部位的支护作用失稳过程失稳过程：无论是新开还是修复的巷道，其破坏都是一个渐进 的力学过程。失稳特征失稳特征：各向位移速度不同，总是从应力集中或相对薄弱的部位开始变形、开裂、鳞状剥落、进而冒落，支护系统失稳失效。关键部位关键部位：这些首先破坏的部位，称之为关键部位。二次耦合二次耦合：通过在关键部位施加锚索，充分调动深部围岩承载能力，进行支

12、护体与围岩的二次耦合，使支护体对围岩的支护力降到最小，实现稳定性控制。 345.4 底板和交叉点的控制高垂向地应力和底软是导致底鼓的根源对底板的开放式支护只能加剧底臌巷道底角，本就是应力集中部位高抗弯能力45底角锚杆，分解垂向应力，阻止底角破碎区滑移。中空钢管抗弯模量大，其间注浆既能进一步提高抗弯模量又能防腐。“牛鼻子”处于单维应力状态，围岩强度衰减大，增加围压是关键。 35结 束 语在深部高地应力、构造应力、和采掘活动造成的叠加应力场影响下，工程所面临的支护问题日趋严峻。锚网索支护由于具有柔性、主动性和对应力场的协调性等优点，在深部工程支护中，起着不可或缺的作用。效果与过程有关。通过对深部围岩体的力学特征、支护体与围岩的力学关系、支护体力学特性的发挥等问题的研究，指导支护设计和新型支护材料的研究，将有助于推动深部工程支护问题的解决。36参 考 文 献何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学M.北京:科学出版