复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术培训T55

复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术山东科技大学秦忠诚2010年8月一、支护研究背景二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索三、巷道支护系统设计方法四、部分矿井巷道支护案例五、部分专利与成果汇报提纲

“复杂地质条件下巷道围岩变形与控制”是目前深井建设中遇到的普遍难题，针对复杂施工地质条件，探究经济合理的巷道支护技术，对矿井的安全高效生产具有重要的现实意义和工程应用价值。我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加，东部矿井10-25m/年。1980年平均开采深度288m，1995年428.83m，2000年以后超过了500m。国有重点煤矿，开采深度达1000m深矿井有数十处，最大采深超过1300m。主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、徐州、淮南、徐州等矿区。到2009年底，新矿集团5个矿采深超过1000m，开滦、徐州、淮南等矿区平均采深大于800m。预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000-1500m的开采深度。一、支护研究背景一、支护研究背景高地应力：垂直应力明显增大；水平应力甚至超过静水压力；构造应力场复杂。高地温：地温梯度30-50°C/km。热应力问题明显，（0.4-0.5MPa）/△1°C高岩溶水压：高裂隙水压使岩石更易破坏且矿井突水严重。开采扰动：在高地应力下，叠加采动影响，巷道硐室破坏更加严重。岩体弱化：

不同围压下岩石具有不同的特性，在高围压下脆性岩石转化为塑性。流变特性：高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，呈现明显的流变或蠕变。扩容特性：在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，出现扩容膨胀。垮落冒顶增加：围岩应力高于围岩强度，围岩易失稳性，支护难度大。冲击地压：煤岩体应力加大，冲击地压发生的频率、强度和规模增加。矿压显现强烈：巷道变形量明显增大，采面矿压显现强烈。深井开采矿压特点一、支护研究背景

巷道围岩变形的时间效应。围岩变形量大，有明显的时间性。初期来压快、变形显著，不采取有效支护措施，极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳定后，围岩还以长期处于流变状态。

巷道围岩变形的空间效应。巷道来压方向多表现为四周来压。不仅顶板、两帮发生显著变形和破坏，底板也出现强烈变形和破坏，如不对底板采取有效控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。巷道围岩变形的易受扰动性。围岩变形对应力的变化非常敏感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩的稳定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。巷道围岩变形的冲击性。在有冲击倾向的巷道中，围岩变形有时并不是连续的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的冲击性。深井巷道变形特点一、支护研究背景新奥法支护理论煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用光面爆破；早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。

联合支护理论

对深部巷道，只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。但随着巷道条件变差，该理论受到挑战，有些巷道采用联合支护并不有效，多次维修，围岩变形一直不能稳定。二次支护理论对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力；在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。

深部巷道支护理论一、支护研究背景锚杆锚喷支护：锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。但必须选择合理的支护形式与参数，才能取得较好效果。U型钢可缩性支架：U型钢具有较好的断面形状和几何参数，型钢搭接后易于收缩，支架设计合理，使用正确，能获得较好的力学性能。支架结构分不封闭和封闭。但U型钢支架毕竟是一种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难。注浆加固：注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强度，增加自身承载能力。水泥─水玻璃、高分子材料。注浆加固适于破碎围岩，且与其它支护方法联合使用。联合支护：两种或两种以上支护方式联合支护。如能充分发挥每种支护方式性能，优势互补，有更好支护效果和更广的适用范围。锚喷+注浆，锚喷+U型钢支架，U型钢支架+注浆，锚喷+注浆+U型钢支架。适用范围广，但费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破。卸压技术：将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是深部巷道围岩变形控制的另一个途径。在应力降低区布置巷道是首选方法，人工卸压法（切缝、钻孔、爆破、掘卸压巷等），由于种种原因，目前还没有推广，仅作为一种辅助方法局部采用。

高强预应力锚杆、预应力锚索、让压锚杆、让压锚索支护已得到大面积应用,成为我国煤矿巷道首选的、主要的支护方式。深部巷道支护技术一、支护研究背景组合梁理论

机理：将锚固范围内的岩层挤紧，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，提高其自撑能力。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）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。适用条件：层状复合顶板二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索1、基本理论二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索薄壁梁向深厚梁的转换理论理论要点深厚梁－理论薄壁梁－理论锚杆、锚索预应力形成的深厚梁锚杆无预应力或被动棚式情况下的薄壁梁二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索压缩拱(承载拱)理论机理：在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，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。二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索对扰动围岩进行强度再强化，控制松动圈的扩展。适用条件：拱形巷道1945～1950：机机械械式式锚锚杆杆的的研研究究与与应应用用1950～1960：广广泛泛采采用用机机械械式式锚锚杆杆，，开开始始对对锚锚杆杆进进行行系系统统研研究究1960～1970：发发明明了了树树脂脂药药卷卷，，引引发发锚锚杆杆技技术术的的一一次次革革命命1970～1980：发发明明管管缝缝式式、、水水力力涨涨管管式式锚锚杆杆，，研研究究新新的的锚锚杆杆设设计计方方法法，，长长锚锚索索产产生生1980～1990：混混合合锚锚头头锚锚杆杆、、组组合合锚锚杆杆、、桁桁架架锚锚杆杆、、各各种种特特种种锚锚杆杆得得到到应应用用，，树树脂脂锚锚固固材材料料得得到到改改进进。。美国国作作为为世世界界上上第第二二采采煤煤大大国国，，锚锚杆杆支支护护技技术术是是最最先先进进的的，，美美国国锚锚杆杆支支护护技技术术至至今今已已有有一一百百多多年年的的发发展展历历史史，，但但锚锚杆杆支支护护技技术术的的广广泛泛应应用用，，仅仅是是近近五五、、六六十十年年的的时时间间，，现现在在美美国国矿矿井井的的锚锚杆杆支支护护率率为为100％。。美美国国每每年年锚锚杆杆使使用用量量在在8000万套套以以上上，，每每年年有有2.5万km的煤煤巷巷使使用用锚锚杆杆支支护护。。锚杆杆支支护护技技术术发发展展二、、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、、锚锚索索美国国在在复复杂杂的的地地质质条条件件下下成成功功使使用用锚锚杆杆的的经经验验是是采采用用高高预预应应力力、、高高强强度度锚锚杆杆，，对对巷巷道道顶顶板板采采取取积积极极主主动动的的支支护护，，极极大大地地提提高高了了巷巷道道围围岩岩的的自自承承载载能能力力和和巷巷道道的的稳稳定定性性，，减减少少了了锚锚杆杆数数量量、、提提高高了了巷巷道道掘掘进进速速度度、、降降低低了了巷巷道道的的支支护护成成本本。。美国国巷巷道道支支护护理理念念：锚锚杆杆、、锚锚索索是是支支护护结结构构的的主主体体，，为为了了充充分分实实现现锚锚杆杆主主动动支支护护的的效效果果，，通通过过提提高高锚锚杆杆预预应应力力去去主主动动加加固固受受掘掘进进破破岩岩影影响响的的松松动动围围岩岩，，以以提提高高围围岩岩的的自自身身承承载载能能力力，，控控制制松松动动圈圈的的扩扩展展。。现现矿矿井井喷喷射射的的混混凝凝土土，，由由于于受受巷巷道道初初始始成成型型的的影影响响，，混混凝凝土土喷喷层层厚厚度度很很不不均均匀匀，，现现混混凝凝土土喷喷层层主主要要作作用用是是封封闭闭围围岩岩，，防防止止围围岩岩风风化化，，保保证证围围岩岩的的长长期期强强度度。。另外外，，澳澳大大利利亚亚作作为为第第三三大大采采煤煤国国，，也也几几乎乎全全部部采采用用锚锚网网支支护护。。国外外发发达达国国家家锚锚网网支支护护的的特特点点：(1)单体体锚锚杆杆强强度度大大；；(2)锚杆杆安安装装应应力力大大；；(3)间排排距距大大；；(4)锚网网支支护护效效率率高高，，支支护护效效果果良良好好。。锚杆杆支支护护技技术术发发展展二、、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、、锚锚索索自50年代代以以来来，，锚锚杆杆支支护护技技术术在在我我国国得得到到了了逐逐步步应应用用，，特特别别是是进进入入90年代代，，许许多多矿矿井井改改变变传传统统的的棚棚式式和和砌砌体体支支护护的的理理念念，，开开始始试试用用推推广广锚锚网网支支护护，，大大量量的的实实践践验验证证了了锚锚网网支支护护安安全全、、高高效效、、经经济济的的优优势势。。同时时，，在在矿矿井井软软岩岩、、动动压压巷巷道道及及煤煤巷巷中中采采用用锚锚杆杆支支护护也也获获得得了了良良好好的的效效果果。。原煤煤炭炭工工业业部部1995年提提出出：：““煤煤巷巷锚锚杆杆支支护护是是我我国国煤煤矿矿继继综综合合机机械械化化采采煤煤之之后后的的第第二二次次支支护护技技术术革革命命””，，并并将将““煤煤矿矿锚锚杆杆支支护护技技术术””列列为为煤煤炭炭工工业业““九九五五””重重点点科科技技攻攻关关项项目目的的五五个个项项目目之之一一，，在在攻攻关关研研究究的的基基础础上上，，在在煤煤矿矿中中大大力力推推广广煤煤巷巷锚锚杆杆支支护护技技术术。。但是煤矿矿锚网支支护作为为一种主主动支护护方式，，要达到到理想的的支护效效果，在在技术细细节上尚尚未完全全解决。。如锚杆杆组件、、锚杆结结构、锚锚杆施工工安装机机具和锚锚杆与其其它支护护结构的的耦合问问题等。。锚杆支护护技术发发展二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索⑴锚杆支支护设计计主要依依靠现场场经验，，设计理理论依据据有待完完善和补补充；⑵各类巷巷道锚杆杆千篇一一律；很很多设计计单位只只是笼统统选择了了锚杆直直径和长长度。但但是不同同的锚杆杆结构和和施工工工艺会很很大的效效果差别别。⑶没有考考虑地应应力大小小、方向向、比值值的影响响；⑷没有进进行地质质力学分分析和巷巷道压力力显现与与锚杆支支护参数数的匹配配关系分分析与选选择，所所以提出出的支护护方案很很难适应应地质条条件的变变化，不不能实现现量体裁裁衣、对对症下药药。⑸单根锚锚杆强度度低、预预紧力低低、可靠靠性低、、间排距距小(单体锚杆杆钻机推推力小(小于0.5t)、扭距小小(小于160Nm)，锚杆基基本上没没有预应应力)；⑹锚杆消消耗量大大、施工工速度慢慢、工效效低、费费用高、、安全性性较低。。锚杆支护护技术发发展我国现有有锚杆支支护存在在的不足足二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索国内外锚锚杆支护护技术对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、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索锚杆和锚锚固区域域围岩体体形成统统一的承承载结构构锚杆支护护可以提提高锚固固体的力力学性质质提高残余余强度值值改变围岩岩的受力力状态,提高承载载能力减少破碎碎区、松松动区范范围控制松动动圈扩展展预应力锚锚杆、锚锚索支护护是主动强化化破碎围围岩的主要方方法；后注浆锚锚杆、锚锚索是被动强化化围岩的一种方方法。2、主动控控制锚杆杆支护系系统扰动围岩岩再强化化支护理理念二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索高地应力力、软弱弱破碎围围岩巷道道平衡支支护问题题位移平衡衡支护法法－新型预预应力让让压锚杆杆1）巷道开开挖后地地应力释释放的不不可抗拒拒性2）对地应应力释放放实施有有控制让让压应力平衡衡支护法法－通过变变换支护护参数平平衡巷道道不同位位置的地地应力1）受构造造应力或或采动应应力的影影响，巷巷道周边边应力分分布不均均一，所所以不能能用均一一的支护护参数去去支护巷巷道围岩岩。2）巷道围围岩强度度的不均均一性，，应根据据围岩的的强度设设计支护护参数。。龙固煤矿矿在建设设期间的的硐室和和主要大大断面巷巷道均采采用了高高强让压压锚杆，，取得了了较好的的效果。。让压锚锚杆在新新矿集团团、枣矿矿集团、、兖矿集集团和潞潞安集团团的动压压高地应应力巷道道支护中中被广泛泛应用。。二、锚杆杆支护基基本理论论与新型型锚杆、、锚索位移平衡衡支护法法－新型型的预应应力让压压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集集团1200m采深巷道支支护效果对对比高强预应力力锚杆支护护全螺纹锚杆杆等强锚杆杆支护二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索关于预应力力让压锚杆杆(锚)应用的体会会第一时间主主动控制：：复杂围岩条条件下，锚锚网索支护护成功的关关键是围岩岩早期控制制和主动控控制。锚杆杆锚索第一一时间产生生预应力是是非常重要要的。锚杆、锚索索协同支护护：提高锚杆锚锚索预应力力后，锚杆杆锚索的增增阻速度会会明显加快快。锚杆、、锚索的受受力匹配和和变形匹配配是保障支支护系统协协同完成支支护任务的的关键。通通常锚杆的的预应力宜宜在3～5t左右。锚索索的预应力力应以施打打锚索时刻刻的锚杆受受力大小来来确定。让压量和让让压吨位匹匹配：让压锚杆、、让压锚索索的使用是是有条件的的。宜在围围岩能量有有积蓄倾向向、动压、、围岩变形形速度、地地应力释放放快的条件件下使用。。让压量和和让压吨位位的匹配是是让压支护护成功的关关键。支护一体：：在锚网索支支护体系中中，锚杆、、锚索是“支”的作用；钢钢带、钢筋筋梯和网子子及喷射混混凝土是“护”作用，良好好的支护系系统应该以以“支”为主、以“护”为辅，支护护一体。综合控制：：对复杂条件件下的围岩岩控制，通通常是综合合控制。锚锚注只能适适用于巷道道的二次维维修，是松松动圈大量量扩展后使使用的一种种支护方法法。成功的的锚网支护护是松动圈圈得到了有有效控制，，此时围岩岩无需锚注注加固。二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索锚杆分类材质：木质锚杆杆、塑料或或是玻璃钢钢锚杆、金金属锚杆锚固：机械械锚固、粘粘结锚固锚固长度：：局部锚固固、全长锚锚固目前90％以上的锚锚固为金属属杆体，树树脂局部锚锚固锚杆金属锚杆左旋细丝锚锚杆（Q335、Q500）右旋全螺纹纹钢锚杆（（Q335）圆钢麻花锚锚杆（Q215、Q335）3、锚杆形式式与锚杆结结构二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索左旋预应力力阻尼锚杆杆是一种预应应力锚杆。。阻尼有树树脂或塑料料阻尼、销销式阻尼、、金属盖片片式阻尼三三种;锚固力靠树树脂粘结力力实现;阻尼打开实实现树脂的的充分搅拌拌;等待40－60s后，施加锚锚杆的预应应力操作。。4、新型锚杆杆形式与锚锚杆结构二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索②左旋细细丝预应力力锚杆该锚杆的缺缺点：加工工过程多了了压圆、滚滚丝两个工工艺。该锚杆的优优点：(Ⅰ)锚杆预应力力大。由于该锚锚杆螺纹是是国标螺纹纹，螺纹螺螺距2.5mm，螺纹自锁锁效果好，，通过特制制的阻尼螺螺母，锚固固树脂搅拌拌充分、锚锚固力大，，120型气动锚索索钻机即可可实现4吨的预紧力力。(Ⅱ)锚杆锚固力力高。因该锚杆杆杆体设计计的螺纹方方向为左旋旋方向和锚锚杆的搅拌拌树脂方向向（右旋））相反，在在搅拌树脂脂的过程中中会对树脂脂产生一个个轴向挤压压力，大量量测试表明明，同样杆杆体直径和和同样树脂脂的情况下下，左旋细细丝预应力力锚杆的锚锚固力比右右旋等强全全螺纹钢锚锚杆锚杆，，锚固力可可提高20％以上。(Ⅲ)杆体的有效效断面大，，锚杆强度度高。大量试验验表明，同同直径同材材质的左旋旋细丝预应应力锚杆的的破断力比比右旋等强强全螺纹钢钢锚杆的破破断力高出出20％以上。(Ⅳ)左旋细丝预预应力锚杆杆因采用了了合理的阻阻尼螺母，，螺母材质质为球墨铸铸铁，球墨墨铸铁和锚锚杆杆体的的摩擦力是是最小的，，另外采用用了减阻特特制塑料垫垫圈，使锚锚杆的扭矩矩应力比大大大提高。。左旋预应力力阻尼锚杆二、锚杆支支护基本理理论与新型型锚杆、锚锚索②左旋细细丝预应力力锚杆A六方螺母预预应力锚杆杆B四方方螺螺母母预预应应力力锚锚杆杆图2左旋旋细细丝丝预预应应力力锚锚杆杆组组装装示示意意图图二、、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、、锚锚索索右旋旋无无阻阻尼尼等等强强螺螺纹纹钢钢锚锚杆杆二、、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、、锚锚索索该类类锚锚杆杆的的优点点：加加工工制制造造简简单单。。该类类锚锚杆杆的的缺点点：(ⅠⅠ)杆体体螺螺距距大大。通通常常在在10-12mm左右右，，大大螺螺距距螺螺母母与与杆杆体体咬咬合合力力低低，，摩摩擦擦力力大大，，时时常常出出现现退退丝丝现现象象，，而而且且锚锚杆杆安安装装应应力力低低，，很很难难达达到到2吨以以上上的的预预紧紧力力。。(ⅡⅡ)锚杆杆锚锚固固力力低低。因因该该锚锚杆杆杆杆体体设设计计的的螺螺纹纹方方向向(右旋旋)和锚锚杆杆的的搅搅拌拌树树脂脂方方向向(右旋旋搅搅拌拌)旋向向相相同同，，在在搅搅拌拌树树脂脂的的过过程程中中会会对对树树脂脂产产生生一一个个向向外外的的输输送送力力，，大大量量测测试试表表明明，，同同样样杆杆体体直直径径和和同同样样树树脂脂的的情情况况下下，，右右旋旋全全螺螺纹纹等等强强锚锚杆杆的的锚锚固固力力比比左左旋旋细细丝丝预预应应力力锚锚杆杆，，锚锚固固力力降降低低20％。。(ⅢⅢ)杆体体的的强强度度低低。大大量量试试验验表表明明，，同同直直径径同同材材质质的的右右旋旋等等强强锚锚杆杆的的破破断断力力比比左左旋旋细细丝丝预预应应力力锚锚杆杆低低20％以以上上。。所以以右右旋旋全全螺螺纹纹钢钢等等强强锚锚杆杆已已经经不不能能满满足足深深部部锚锚网网支支护护的的要要求求，，现现在在深深部部支支护护中中很很少少选选用用。。右旋旋无无阻阻尼尼等等强强螺螺纹纹钢钢锚锚杆杆二、、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、、锚锚索索左旋旋与与右右旋旋螺螺纹纹钢钢锚锚杆杆强强度度对对比比左旋旋滚滚丝丝螺螺纹纹钢钢锚锚杆杆杆杆体体强强度度右旋旋等等强强螺螺纹纹钢钢锚锚杆杆杆杆体体强强度度杆体直径(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③鸟鸟巢巢锚锚索索目前前国国内内所所使使用用的的光光面面锚锚索索（（如如上上图图））都都是是简简单单的的一一条条钢钢绞绞线线。。其其缺缺点点有有：：①锚锚索索直直径径主主要要为为15.24mm和17.8mm两种种规规格格，，而而钻钻孔孔直直径径是是28mm。锚锚索索树树脂脂和和孔孔壁壁之之间间很很难难达达到到理理想想的的配配合合，，影影响响锚锚索索的的锚锚固固力力。。②锚锚索索表表面面光光滑滑，，影影响响锚锚固固力力。。相相同同锚锚固固长长度度的的情情况况下下，，光光面面锚锚索索的的锚锚固固力力小小于于螺螺纹纹钢钢的的锚锚固固力力。。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确保保一定定的扭扭矩③尽可可能选选用大大扭矩矩帮顶顶钻机机锚杆安安装扭扭矩放放大器器合格的的锚杆杆安装装应该该满足足下列列标准准螺母阻阻尼必必须全全部脱脱落，，否则则锚杆杆无法法达到到安装装载荷荷;塑料垫垫圈必必须溶溶化掉掉;锚杆外外露长长度不不超过过20~30mm;扭矩不不能低低于240Nm(经验值值)。三、巷巷道支支护系系统设设计方方法螺纹钢钢杆体体与球球墨铸铸铁螺螺母的的摩擦擦系数数最小小，可可提高高安装装应力力。摩摩擦系系数比比螺纹纹钢杆杆体＋＋钢螺螺母降降低低50％以上上。特制塑塑料垫垫圈能能够使使锚杆杆安装装旋转转时产产生的的热量量熔化化塑料料垫圈圈，以以降低低螺母母与杆杆体的的摩擦擦力。。杆体螺螺母组组合摩摩擦系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预应力力锚杆杆结构构与组组成：：杆体＋＋托盘盘＋阻阻尼螺螺母＋＋承载载垫圈圈＋减减阻垫垫圈3、支护护系统统构件件匹配配问题题三、巷巷道支支护系系统设设计方方法锚杆预预应力力控件件：控控制吨吨位3～6t，锚索索预应应力控控件：：控制制吨位位6～10t。锚杆预预应力力控件件：控控制吨吨位3～6t，锚索索预应应力控控件：：控制制吨位位6～10t。预应力力控件件三、巷巷道支支护系系统设设计方方法普板Q235-150××150××10火山口口加球球形垫垫圈－－28.8T普板Q235-150××150××10火山口口不加加球形形垫圈圈－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以上中板分分剪、、冲压压成型型的球球形托托盘，，承载载力明明显提提高。。托盘盘的承承载力力与钢钢材材材质有有直接接关系系，并并且还还与托托盘的的球面面大小小、曲曲率半半径有有很大大的关关系。。托盘及及钢带带等三、巷巷道支支护系系统设设计方方法W钢带示示意图图单边钢钢筋梯梯示意意图双边钢钢筋梯梯示意意图M钢带示示意图图梯型钢钢带示示意图图三、巷巷道支支护系系统设设计方方法双向高高分子子聚酯酯网－普通通的塑塑料编编制网网的优优点是是成本本低、、轻便便、抗抗腐蚀蚀等，，但其其强度度和刚刚度较较低。。－双向向高分分子聚聚酯网网具有有强度度大、、重量量轻、、刚度度好等等诸多多优点点。但但由于于价格格较高高，还还没有有广泛泛使用用。三、巷巷道支支护系系统设设计方方法注浆锚锚杆三、巷巷道支支护系系统设设计方方法四、部部分矿矿井巷巷道支支护案案例厚松散散层深深埋构构造复复杂矿矿井开开拓巷巷道－－山东鲁鲁西南南地区区(菏泽及及济宁宁周边边一带带)新近施施工建建设的的一批批矿井井均为为厚松松散层层深埋埋矿井井，如如滕东东、唐唐口、、梁宝宝寺、、龙固固、赵赵楼、、郭屯屯、彭彭庄、、杨营营、霄霄云、、阳城城等煤煤矿，，均遇遇到了了深井井高地地压软软岩巷巷道支支护难难的问问题。。高地应应力深深井回回采支支护－－新汶矿矿区有有5个矿井井华丰丰、协协庄、、孙村村、潘潘西、、良庄庄开采采深度度超过过1000m，其中中孙村村煤矿矿延深深水平平－1100，采深深达到到1300m。华东东地区区的徐徐州矿矿区、、淮南南矿区区、淮淮北矿矿区的的老区区矿井井和附附近的的新建建矿井井开采采深度度很多多接近近1000m或超过过1000m。深井开开采的的巷道道支护护问题题已经经成为为一个个普遍遍的技技术难难题。。深井软岩岩围岩巷巷道支护护理念应应该是－采用主动动围岩控控制方法法，提高高围岩的的自身承承载能力力，使支支护结构构－锚杆杆、锚索索、金属属网和混混凝土喷喷层协同同有效抵抵抗地应应力释放放，以平平衡巷道道围岩的的变形，，真正实实现锚网网主动支支护。滕东生建建煤矿：主井井井筒深度度921m，副井井井筒深度度949m，主副井井井壁均均采用素素混凝土土。井筒筒施工至至700m左右时，，滕东煤煤矿与山山东科技技大学合合作，采采用高强强预应力力锚杆、、锚索主主动预加加固井壁壁围岩，，在井底底硐室群群施工过过程也同同样采用用了高强强预应力力锚杆＋＋锚索＋＋金属网网＋钢带带(钢筋梯)＋喷射混混凝土等等复合支支护技术术，取得得了显著著的支护护效果，，所有硐硐室和巷巷道达到到了预期期的支护护效果，，巷道维维修率不不到2％。四、部分分矿井巷巷道支护护案例唐口煤矿矿：是全国国唯一一一个主井井、付井井、风井井均超1000m的新建矿矿井，是是当时济济西矿区区最早建建设的新新井，设设计年产产300万吨。在在矿井建建设时期期采用了了设计院院的原有有设计，，但是硐硐室施工工完毕后后，很短短时间内内多处发发生了较较大的变变形。针针对这种种情况采采用了锚锚索、加加长高强强锚杆和和注浆锚锚杆等综综合二次次加固措措施，取取得了较较好的加加固效果果，最终终获得了了国家科科技进步步二等奖奖。但是是该成果果是巷道道二次加加固维修修取得的的，并没没有硐室室开始施施工时采采用加强强支护的的预案，，造成工工期延长长。鲁能彭庄庄煤矿：彭庄煤煤矿矿井井设计生生产能力力0.45Mt/a，服务年年限51.5年。主付付井井底底车场深深度500m，揭露岩岩性以细细砂岩为为主，岩岩性相对对稳定，，岩石硬硬度系数数平均f＝4~6。个别地地段裂隙隙发育，，岩性松松软，砂砂岩裂隙隙水较多多。井底底车场及及硐室支支护以锚锚索网喷喷支护为为主，锚锚杆主要要采用高高强预应应力锚杆杆，个别别地段因因施工后后变形较较大采用用了锚注注加U型钢棚支支护。四、部分分矿井巷巷道支护护案例霄云煤矿矿：霄云煤煤矿是由由济宁矿矿业集团团投资兴兴建的中中型现代代化矿井井，矿井井由济南南煤炭设设计院设设计，采采用立井井开拓，，设主、、副两个个井筒，，设计生生产能力力0.9Mt/a。主井深深度840m，付井深深度860m，表土段段423m，冻结深深度472m。从主、付付井检查查孔得知知，部分分井下硐硐室和巷巷道要揭揭露一层层2米左右的的膨胀性性泥岩。。因此该该矿与山山东科技技大学合合作进行行了软岩岩深井巷巷道支护护研究，，由于通通过加强强支护预预案，矿矿井建设设顺利，，现在矿矿井所有有硐室和和巷道全全部顺利利施工完完毕。龙固煤矿矿：是由新新矿集团团开发建建设的国国家重点点特大型型矿井，，设计能能力600万t/a，设计深深度为840m。井下硐室室联络复复杂，穿穿过岩性性变化很很大，以以粉砂岩岩、细砂砂岩为主主，中砂砂岩相对对较少，，且处于于构造破破碎带，，岩石平平均硬度度在f＝3～5之间，巷巷道支护护难度大大。同时时，该矿矿井在建建设施工工过程中中砂岩裂裂隙水大大，给巷巷道支护护带来很很大困难难。通过过与科研研机构合合作，因因地制宜宜地采取取了不同同支护形形式，确确保了95％的巷道道一次支支护成功功，并为为矿井的的按时投投产提供供了可靠靠的技术术保障。。四、部分分矿井巷巷道支护护案例杨营煤矿矿：肥矿集团团投资兴兴建，井井田位于于梁山县县杨营镇镇。济南南煤炭设设计院设设计，采采用立井井开拓，，设主、、副两个个井筒，，设计生生产能力力0.9Mt/a，矿井服服务年限限为42.0年。主井井深度681m，付井深深度668m。井筒采采用冻结结法施工工，主、、副井冻冻结深度度定为540m、588m。自09年6月井筒施施工刚