巷道维护原理与支护技术课件

巷道维护理论与支护技术王玉怀教授、博士华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心)安全工程学院副院长电话：13930646930010-61595651(0)邮箱：wangyuhuai@1巷道维护理论与支护技术王玉怀教授、博士11.巷道维护原理和支护技术回采引起的支承压力分布无煤柱护巷巷道围岩卸压巷道金属支架巷道锚杆支护软岩巷道围岩变形规律及其支护技术锚杆支护质量监测21.巷道维护原理和支护技术回采引起的支承压力分布21.1回采引起的支承压力分布工作面前后应力分布煤柱侧的应力分布31.1回采引起的支承压力分布工作面前后应力分布煤柱侧的应力回采引起的支承压力分布参数4回采引起的支承压力分布参数4回采空间周围三维垂直应力分布I-运输巷II-回风巷III-煤柱护巷IV-跨上山回采后V--跨上山回采前5回采空间周围三维垂直应力分布I-运输巷5剖面图6剖面图6煤柱荷载在底板岩层中的传播7煤柱荷载在底板岩层中的传播7在荷载作用下岩石向无荷载部分对称挤凸8在荷载作用下岩石向无荷载部分对称挤凸8采动影响巷道围岩变形规律U=u0+v0t0+u1+v1t1+u2(5个阶段)9采动影响巷道围岩变形规律U=u0+v0t0+u1+v1t1+1.2围岩压力类别及影响松动围岩压力变形围岩压力:弹性变形压力塑性变形压力流变压力膨胀围岩压力101.2围岩压力类别及影响松动围岩压力10支架性能与围岩压力的关系11支架性能与围岩压力的关系11岩性与围岩压力的关系12岩性与围岩压力的关系12巷道围岩压力控制方法13巷道围岩压力控制方法131.3

护巷方式与矿压显现护巷煤柱的稳定性老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系沿空掘巷的矿压显现规律沿空留巷的矿压显现沿空留巷巷旁支护形式141.3护巷方式与矿压显现护巷煤柱的稳定性141.3.1煤柱护巷151.3.1煤柱护巷15煤柱护巷的优点：

区段平巷双巷掘进和使用，技术管理简单，对通风、运输、排水、安全都有利。煤柱护巷的缺点：

煤柱损失高达10％-30％，且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患。煤柱尺寸：一般为10-30m。16煤柱护巷的优点：16煤柱的载荷护巷煤柱上的载荷＝

煤柱上覆岩层重量+采空区悬露的岩层对煤柱的载荷评述：，平面问题，均质的上覆岩层，不考虑煤柱边缘部分会产生应力集中以及由于煤柱边缘部分破坏引起应力向煤柱深部转移，未涉及上覆岩层的移动等。但迄今它仍为比较简单和实用的煤柱载荷估算方法，并认为平均应力是判断煤柱载荷的重要参数。17煤柱的载荷护巷煤柱上的载荷＝评述：，平面问题，均质的上覆岩层煤柱宽度的理论计算根据：煤柱的极限载荷<煤柱的极限强度R18煤柱宽度的理论计算根据：煤柱的极限载荷<煤柱的极限强度R煤柱的应力分布一侧采空煤柱(体)的弹塑性变形区及铅直应力的分布两侧采空煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布19煤柱的应力分布一侧采空煤柱(体)的弹塑性变形区及铅直应力的分一侧采空现场中，x0的变化范围为3～20m，一般为5～12m。应力降低区宽度的变化范围为2～7m，一般为3～5m。20一侧采空现场中，x0的变化范围为3～20m，一般为5～12两侧采空B>2L，煤柱中央的载荷为均匀分布，且为原岩应力。煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般仍为破裂区、塑性区、弹性区，以及原岩应力区。2L>B>L时，在煤柱中央由于支承压力的叠加，大于原岩应力，沿煤柱宽度方向应力呈马鞍形分布。B<L时，两侧边缘的支承压力峰值将重叠在一起，煤柱中部的载荷急剧增大，应力趋向于均匀分布。受两侧采动影响时，K值可达到4～5以上，在煤柱中央可能因长期处于塑性流动状态而遭到严重破坏。21两侧采空B>2L，煤柱中央的载荷为均匀分布，且为原岩应力。护巷煤柱的稳定性护巷煤柱的宽度：煤柱的宽度是影响煤柱的稳定性和巷道维护的主要因素。决定了巷道与回采空间的水平距离，影响到回采引起的支承压力对巷道的影响程度及煤柱的载荷。煤柱的极限承载能力取决于煤柱的边界条件和力学性质，及其几何尺寸和形状。22护巷煤柱的稳定性护巷煤柱的宽度：22护巷煤柱保持稳定的基本条件回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为x0、x1巷道采空区弹性核

塑性区

塑性区23护巷煤柱保持稳定的基本条件回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形煤柱宽度与围岩变形的关系保持煤柱稳定性最小宽度尺寸为：24煤柱宽度与围岩变形的关系保持煤柱稳定性最小宽度尺寸为：241.3.2沿空掘巷251.3.2沿空掘巷25老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系1、沿空巷道顶板关键岩层

介绍关键层的性质、作用、分类。关键层理论是分析研究沿空巷道上覆岩层稳定性的理论基础。与采场顶板的不同之处：在巷道整个服务时期，随着采面不断向前推进，上覆岩层结构运动形式有所不同，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度相差较大。同时，掘进巷道再次扰动上覆岩层结构引起应力重新分布，形成更复杂的叠加支承压力。26老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系1、沿空巷道顶板关键岩层介绍沿空巷道沿相邻区段采空区边缘布置，顶板岩层处于采空区上覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。

沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影响最显著，与巷道顶板下沉变形基本一致。沿空巷道条件下，老顶一般可视为亚关键层。27沿空巷道沿相邻区段采空区边缘布置，顶板岩层处于采空区上采空区上覆岩层结构与沿空巷道的关系28采空区上覆岩层结构与沿空巷道的关系28对老形成的砌体梁结构作简要的介绍介绍岩块A、B、C的位置和作用三角拱对沿空巷道的意义：岩块B对沿空巷道上覆岩层结构的稳定起重要作用，对弧三角块结构稳定性进行力学分析，揭示老顶三角块结构稳定状态与沿空巷道稳定状态的关系，对合理确定沿空巷道位置及支护参数具有重要意义。29对老形成的砌体梁结构作简要的介绍29沿空掘巷合理位置的确定

沿空掘巷沿相邻区段采空区边缘布置，巷道顶板岩层处于上覆岩层结构固支边与铰结边之间。在采空区边缘破裂区和塑性区。若在其中布置巷道，支护载荷相对较小，巷道易于维护。老顶破断位置基本位于煤体弹塑性交接处，通过计算求取老顶在煤壁内的断裂位置，确定沿空掘巷的位置。30沿空掘巷合理位置的确定沿空掘巷沿相邻区段采空区边缘布沿空掘巷的矿压显现规律沿倾斜方向支承压力分布规律煤层开采沿倾斜方向，残余支承应力。煤体和围岩的强度对支承压力分布的影响，煤层顶底板为比较坚硬的砂岩，煤层顶底板为比较软的泥质页岩和较破碎的砂质页岩时31沿空掘巷的矿压显现规律沿倾斜方向支承压力分布规律煤层开采沿倾煤体一煤柱(采动稳定)巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系32煤体一煤柱(采动稳定)巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系32沿空掘巷的矿压显现沿空掘巷的围岩应力和围岩变形巷道33沿空掘巷的矿压显现沿空掘巷的围岩应力和围岩变形巷道33窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形34窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形34护巷煤柱宽度：5-8m掘进前后支撑压力的变化情况变形情况煤柱情况与沿空掘巷的比较情况。窄煤柱巷道不仅在掘巷期间围岩强烈变形，巷道围岩一直保持较大的速度持续变形，顶板强烈下沉和底板鼓起。巷道的压力主要来自窄煤柱一侧，窄煤柱实际上已遭到严重破坏，不仅对顶板支承作用有限，而且使巷道实际跨度和悬顶距离增加。因此，窄煤柱巷道的围岩变形要比沿空巷道大一倍左右。35护巷煤柱宽度：5-8m35沿空掘巷的三种方式掘进滞后距离36沿空掘巷的三种方式掘进滞后距离36沿空掘巷的矿压显现

（沿已稳定的采空区掘巷）37沿空掘巷的矿压显现

（沿已稳定的采空区掘巷）37窄煤柱沿空掘巷窄煤柱不起支撑作用隔离作用不明显（影响带内透气性比其它大17%~32%，瓦斯自然释放率高达80%~90%，且易于自燃）38窄煤柱沿空掘巷窄煤柱不起支撑作用38沿尚未稳定的采空区掘巷比沿已稳定的采空区开掘的窄煤柱巷道围岩移近量大1倍；比完全沿空掘巷（沿已稳定的采空区）巷道的围岩移近量大5倍39沿尚未稳定的采空区掘巷比沿已稳定的采空区开掘的窄煤柱巷道围岩保留老巷部分断面的沿空掘巷基本上是留一条巷掘一条巷缺点：巷道的维护费用和材料消耗会大幅度地增加，实际可用大断面的沿空掘巷或留巷取代。完全沿空掘巷的缺点：在煤体边缘卸压区掘进巷道，由于沿空巷道一侧为采空区，上区段老空区积水和碎矸石易进入巷道内，会严重影响巷道的施工和使用，巷道与采空区之间的漏风严重。40保留老巷部分断面的沿空掘巷基本上是留一条巷掘一条巷40沿空掘巷适应条件

a顶板易冒顶胶结，采空区无积水，倾角不大的条件注：正确掌握合理滞后时间；上区段回采时防顶底，预注浆或挡矸帘，防止窜矸或漏风

b适于顶板不能充分冒落，倾角较大以及采空区内有积水的情况观测表明：支撑压力带内（影响区）煤柱透气性比影响带大17~32%，瓦斯自然释放率高达80~90%，窄煤柱大多已压裂，甚至坍塌和掘进时已穿透，很难隔离火区，防止漏风和隔离采空区有害气体渗漏。为挡矸和防水需要，应严格控制煤柱宽度c适于瓦斯含量大，掘进不允许独头通风的情况。注：关于冒矸压实与胶结基本条件：较高的压力和充分的水分一般采后3~4个月（后方100多m）。可压实和胶结，因而应向采空区洒水、灌浆。41沿空掘巷适应条件a顶板易冒顶胶结，采空区对沿空掘巷的评价常应用的是留小煤墙的沿空掘巷方式。小煤墙对挡矸和防止采空区积水进入巷道能起一定作用；巷道在煤体内掘进，两侧为煤壁有利于提高掘进速度。但小煤墙很难隔离火区，防止漏风和隔绝采空区有害气体渗漏。需要留设小煤墙时，其宽度一般不宜超过1～3m。42对沿空掘巷的评价常应用的是留小煤墙的沿空掘巷方式。小煤墙对挡1.3.3沿空留巷431.3.3沿空留巷43沿空留巷的矿压显现沿空留巷的受力状况44沿空留巷的矿压显现沿空留巷采空区顶板岩层的沉降规律45采空区顶板岩层的沉降规律45沿空留巷的顶板下沉规律回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其发展是自下而上的，上部具有明显的滞后现象，沿空留巷的顶板会在较长时间内受到老顶上覆岩层运动的影响。采面前20～40m处煤层上覆岩层开始运动，但下沉速度很小，为岩层起始沉降期。煤层开采后，垮落带岩层冒落，规则移动带岩层及上覆岩层急剧沉降，在工作面后方10～20m处，下沉速度最大。在工作面后方0～60m范围内，下沉量占最终下沉量的80％左右，称为岩层强烈沉降期。如果直接顶板冒落能够填满采空区，使老顶处于平衡状态，采动期间沿空留巷的顶板下沉量与煤层采厚呈正比关系。46沿空留巷的顶板下沉规律回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其沿空留巷的围岩变形采面前20～40m处煤层上覆岩层开始运动，但下沉速度很小，为岩层起始沉降期。煤层开采后，垮落带岩层冒落，规则移动带岩层及上覆岩层急剧沉降，在工作面后方10～20m处，下沉速度最大。在工作面后方0～60m范围内，下沉量占最终下沉量的80％左右，称为岩层强烈沉降期。47沿空留巷的围岩变形采面前20～40m处煤层上覆岩层开始运动采动时期的受力状况沿空巷道位于采空区边缘，保留巷道期间经历上区段工作面的采动影响，巷道顶板的下沉、破坏必然受到采空区上覆岩层沉降总规律的制约。沿空巷道的受力分析：上区段工作面采过后，沿空巷道经历老顶岩层从即将断裂前的极限状态到发生断裂失稳，然后到回转下沉压实采空区的过程。在这个过程中，由于老顶的剧烈活动，引起沿空巷道巷道煤帮和巷道支护体发生剧烈变形。受力状况与用煤柱维护的巷道有明显的差别。沿空留巷的围岩应力的种类：煤帮的支承压力和直接顶的载荷，规则移动带岩层中块体B取得平衡之前，引起的附加载荷（最重要的）48采动时期的受力状况沿空巷道位于采空区边缘，保留巷道期间经历上采动对沿空留巷的影响：上区段工作面的采动影响趋于稳定后，随着采空区岩层的沉降和煤帮支承压力的衰减，沿空留巷煤帮的承载能力与支承压力很快处于平衡状态，围岩变形显著下降并趋于稳定。本区段工作面回采时，规则移动带岩层原有的平衡状态将受到强烈影响。在超前支承压力作用下，规则移动带岩层将有一定的回转下沉。规则移动带岩层结构的这种运动和不稳定状态造成沿空巷道围岩应力的再次重新分布和集中，巷道围岩表现出强烈变形。49采动对沿空留巷的影响：49沿空留巷巷旁支护形式巷旁支护的作用巷旁支护的类型和适用条件整体浇注巷旁充填技术50沿空留巷巷旁支护形式巷旁支护的作用50巷旁支护的作用支护位置：巷道断面范围以外，与采空区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构筑物。作用：承载；切顶；挡矸；密封支护的要求：具备合理的架型、较高的工作阻力、较大的增阻速度、足够的可缩量，以及工作阻力、增阻速度和可缩量的合理匹配。51巷旁支护的作用支护位置：巷道断面范围以外，与采空区交界处架设巷旁支护的类型木垛：优点：稳定；方便灵活缺点：晚支撑；缩量大（40~50%），消耗大适应：围岩松软，倾角较大，煤层较薄（经济）密集支柱：优点：切顶；承载；挡矸；防漏（挡风帘等），架设方便节省木材缺点：防漏风及隔离性质差；稳定性不如木垛适应：薄及中厚煤层，围岩中等稳定以上矸石带：优点：经济缺点：力学性能差，缩量大（40~60%），砌筑劳动强度大适于：薄煤层人工砌块优点：材料来源广，价格低；节省木材；承载能力大，缩量小缺点：稳定性差；脆性破坏刚性填充带材料：硬石膏（德国）；砼；高水材料，水体积比>70%充填工艺：长距离水力充填；短距离风力充填优点：有利于节约木材和金属材料；机械化作业（减轻体力，安全）；隔离性能好缺点：建立一套复杂的充填材料加工、运输与泵送系统，工艺复杂适应：M<3m52巷旁支护的类型52沿空留巷的评价优点：大大降低巷道掘进率；有利于改善采掘关系（沿空掘巷采后撅）缺点：受二次采动影响适应条件：M<2~3m，顶板易于冒落，且底板不发生严重底鼓。扩大应用范围：大可缩支架及增阻速度，合理的支架工作阻力；预留断面缩短保留时间附：沿空留巷矿压显现基本特征综合裂隙带岩层沉降规律和沿空留巷矿压观测结果下沉速度在后方10~20m最甚，下沉量主要集中在0~40m范围内，在采场后方60~70m以远，顶板下沉趋于稳定。，采动期间s与M成正比关系，属给定变形少则s=10%M，多则s=15~20%Ms随巷宽和悬顶距增大按正比增长采空侧s比煤帮处s大一倍左右，倾角巷旁支护与巷内支架协调支架应在巷道受采动影响区后，迅速增阻，然后保持恒阻的工作状态53沿空留巷的评价优点：大大降低巷道掘进率；有利于改善采掘关系（2.巷道支护原理与常用支架巷道支护原理金属支架锚杆支护542.巷道支护原理与常用支架巷道支护原理54木支架破坏形式55木支架破坏形式55工字钢梯形支架破坏形式56工字钢梯形支架破坏形式56U型钢拱形支架破坏形式57U型钢拱形支架破坏形式57金属支架支护巷道变形严重58金属支架支护巷道变形严重58金属支架支护巷道变形严重59金属支架支护巷道变形严重59拱形金属支架巷道变形录象60拱形金属支架巷道变形录象6061616262鼓帮型破坏63鼓帮型破坏63扭曲型破坏

支架的安装断面与巷道横截面不处于同一水平面内，支架受垂直力和水平力外，还承受附加扭矩作用。

64扭曲型破坏

支架的安装断面与巷道横截面不处于同一水平尖桃型破坏

巷道水平移近量大于支架所能承受的水平缩量

65尖桃型破坏

巷道水平移近量大于支架所能承受的水平缩量65平顶型破坏

支架的缩量达到极限时，卡缆的预张力不能抵抗巷道施加给支架的垂直力和水平力在卡缆部位的合作用力。

66平顶型破坏

支架的缩量达到极限时，卡缆的预张力不能抵抗巷道施2.1巷道支护基本原理2.1.1基本认识（1）支架与围岩是一个相互作用的共同承载体系（2）围岩承载能力按H=100m，，而生产中支架P=200~500KN/m^2,就可以保持巷道稳定，P相当于，0.8~2.0%（3）支架的支护作用支护对围岩提供阻力或使围岩浅部形成加固层，以控制围岩塑性区的发展，减少围岩移动，保持围岩稳定。为此巷道支护必须具有适当的抗力和一定可缩性（4）围岩系统刚度的变化应力重新分布将根据围岩和支架相对刚度关系进行分配，当围岩系统刚度增加时，支架上的荷载将下降。672.1巷道支护基本原理2.1.1基本认识672.1.2支架—围岩相互作用原理对围岩的控制状态：允许微量唯一，即使按刚性设计支架，Pmax不合理也不经济允许大量位移，拉动破裂形成拉动压力不安全允许一定位移，c点不远左侧，既经济有安全2.1.3应用根据实际情况进行一次、二次或多次支护，分按力支护提高围岩承载能力，如锚杆、注浆、锚注巷道一侧采空时采取柔性支护可靠性支架、锚喷支护等采取主动支护如预紧力锚杆、初工作阻力支架、增阻速度应与围岩变形相适应。682.1.2支架—围岩相互作用原理681-围岩位移曲线；2–支架工作特性曲线；3–围岩松动破坏后的位移曲线；A、B、C–支架可能的工作点；Pmax、Pmin——支架承受的最大承载力和最小承载力；Δumax——允许围岩最大位移量支架与围岩相互作用关系691-围岩位移曲线；2–支架工作特性曲线；3–围岩松动破坏后的支架性能与围岩压力的关系70支架性能与围岩压力的关系70岩性与围岩压力的关系71岩性与围岩压力的关系71合理利用巷道围岩的自承力为了利用围岩的自承力，就要容许围岩产生某些变形。这种变形会使围岩中的能量得到一定释放，从而起到一定的“卸载作用”，这将有利于减轻支架受载。但应当注意的是，这种变形应是有限制的。72合理利用巷道围岩的自承力为了利用围岩的自承力，就要容许围岩产合理选择支架工作点73合理选择支架工作点73提高围岩自承能力74提高围岩自承能力74选择合理的支护方式与参数巷道的支护方式与参数应符合支架与围岩共同承载的原理。要根据具体条件，在刚性支架、可缩性支架、锚杆支护中进行合理的选择。刚性支架，一般只适用于顶底板移近率<10％的条件。采区巷道中大多数情况下要用可缩性支架或锚杆支护。75选择合理的支护方式与参数巷道的支护方式与参数应符合支架与围岩2.2巷道金属支架（一）刚性支架工字钢梯形支架：一梁两柱、一梁两柱加中梁、接榫、底座-背板、拉杆可缩性获得：碎矸压缩、按榫木垫压缩，构件挠曲变形适应条件：围岩比较稳定，变形较大，压力不大的巷道中（s<10m2）762.2巷道金属支架（一）刚性支架76型钢类型77型钢类型777878工字钢可缩性支架平顶型可缩性支架基本结构类型

优缺点优点：加工制造，架设容易；无需挑顶；简化端头支护技术，价格较低（U比I高10~20%）缺点：承载能力较小，倒向可缩性比较差，顶梁易弯。适应条件：围岩较稳定；变形量中等，s<10m2,k=10~25%之间79工字钢可缩性支架平顶型可缩性支架79梯形U型钢支架80梯形U型钢支架80U型钢连接件81U型钢连接件81巷道支架选型82巷道支架选型82U型钢拱形支架优点：拱的稳定性（适于大断面）；承载能力大缺点：挑顶破坏稳定（岩层）；端头背棚工艺复杂；成拱困难适用条件：围岩压力较大：压力较均匀或在一定侧压时，半圆拱（k=10~30%）顶压大，三心拱直腿可缩（k=10~35%）顶压大，侧压也大，三心拱曲腿或圆形可缩（k=10~35%）肩压大，方（长）环行可缩83U型钢拱形支架优点：拱的稳定性（适于大断面）；承载能力大8U型钢封闭式支架84U型钢封闭式支架84

方环形支架

设计净断面Sj=7.2m2;掘进断面Sm=9.2m2;垫底断面Sd=0.5m2

特点：（1）在四周拐角处圆弧形过度，使其具有圆形支架的若干优点同时又具有较大的承载能力，尤其能承受450方向上的较大压力；（2）接头位置选在支架上、下、左、右四边的中点，此处型钢曲率平缓，连接件附加阻力小，支架的可缩性能好。（3）四边的曲率较小，使巷道易开挖；需垫底量少，巷道有效利用断面较大；（4）采用封底式设计，可避免支架插底现象，有利于减轻底鼓并减轻支架构件损坏；(5)支架部件等参数设计，每一部件可实现互换；85

方环形支架

设计净断面Sj=7.2m2;掘进断面Sm=9马蹄异型支架

净断面Sj=9.96m2;掘进断面Sm=11.6m2;垫底断面Sd=1.4m2

特点：（1）既具有圆形支架承载能力大又具有马蹄形支架抗侧压能力强、垫底工程量小的优点；（2）支架梁、腿部件等参数设计，每一部件可实现互换，便于加工与安装，便于运输与安装；（3）采用封底式设计，可避免支架插底现象，有利于减轻底鼓并减轻支架构件损坏；（4）考虑到底梁控制底鼓的能力与支架的实际承载能力相适应，垫底高取为500mm，仅为圆形支架的50%，可减少巷道的掘进工程量3.4m2，巷道有效利用断面较大，断面有效利用率较高；（5）底梁在巷道底部角隅区采用小曲率半径，可提高抗力，底梁与柱腿接头采用卡缆连接，有利于平衡柱腿与底梁的受力且可缩性能好。底梁与底梁之间也采用卡缆连接，对两帮移近量较大的情况有较强的适应性；（6）支架安设较为容易。在施工时，可以先施工梁、腿，形成曲腿拱形支架，滞后施工底梁。86马蹄异型支架

净断面Sj=9.96m2;掘进断面Sm=11支架承载能力及工作性能的研究支架承载能力的计算支架工作性能的实验室试验87支架承载能力及工作性能的研究支架承载能力的计算87方环形支架计算模型与计算结果

均布荷载条件下P=594~883KN。肩压集中条件下为P=931~1383KN。方环形支架在肩压大的条件下的承载能力比均压条件提高57%。88方环形支架计算模型与计算结果

均布荷载条件下P=594~88马蹄异形支架计算模型与计算结果

均布荷载条件下P=823~1223KN。顶压集中条件下为P=252~365KN。马蹄异形支架在均压作用下承载能力较大，比顶压大的条件提高43%。

89马蹄异形支架计算模型与计算结果

均布荷载条件下P=823~1方环形支架工作性能的实验室试验

实验方法与过程根据原能源部标准《煤矿用巷道支架试验方法与型式检验规范MT-194-89》进行试验。（1）支架设计、加工后，进行支架的组装。（2）布置油缸。一是均压情况，即顶压与侧压的荷载比例按均匀线载1:1考虑,共布置12个油缸；另外一种模式是肩压大的情况，即支架的肩压：围压1.82：1，以模拟在4个肩窝方向具有较大地压值及承受主应力方向较集中荷载的作用，（3）布置测试系统。（4）加载试验。逐级分步加载，每步加载时等压力稳定后，记录油缸压力、各接头滑动次数和每次滑动量（缩量）、断面的宽度和高度，观察构件的变形。加载试验时，接头出现滑动，应该调整千斤顶于支架加载点的位置。90方环形支架工作性能的实验室试验实验方法与过程根据原能源部标模型布置91模型布置91均布荷载条件下分步加载试验结果

92均布荷载条件下分步加载试验结果

92集中肩压条件下分步加载试验结果

93集中肩压条件下分步加载试验结果

93试验主要结论（1）无论什么荷载形式，方环形支架的工作特性为增阻-准恒阻式。即随着荷载的增加，工作阻力先有一个急剧增长的过程，而达到滑动阻力后，随着支架的下缩，工作阻力的增长极为缓慢或基本保持不变。（2）在均布荷载下支架的刚度K=212.71KN/mm，肩压大条件下支架的K=408.67KN/mm，后者是前者的1.9倍。由此可以看出，方环形支架对肩压大的情况适应性更好一些，始动阻力较大。（3）由于加载过程中支架内力调整的原因，每个卡缆的工作阻力变化是不相同的。出现各接头非均匀缩量的现象。因此，在使用时，应该经常检查并重新拧紧螺栓或螺母，才能收到较好的效果。94试验主要结论（1）无论什么荷载形式，方环形支架的工作特性为增拉杆和背板95拉杆和背板959696979798982.3巷道锚杆支护992.3巷道锚杆支护99煤巷锚杆支护优越性从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”支护，可以充分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳定性，将载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。从技术经济上对比，锚杆支护可以节约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；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。100煤巷锚杆支护优越性从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”支护，101101（1）悬吊理论机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层102（1）悬吊理论机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩（2）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。缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；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。适用条件：层状地层顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。103（2）组合梁理论机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层（3）组合拱（压缩拱）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，只要铺杆间距足够小，各个错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。缺点：一般不能作为准确的定量设计。适用条件：顶板无稳定岩层104（3）组合拱（压缩拱）理论机理：在破裂区中安装预应力锚岩体群的层状、镶嵌和碎状结构及其锚杆支护105岩体群的层状、镶嵌和碎状结构及其锚杆支护105岩体群自锁成拱原理和平衡条件106岩体群自锁成拱原理和平衡条件106危石的锁紧作用107危石的锁紧作用107（4）最大水平应力理论机理：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。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。缺点：直观性较差。108（4）最大水平应力理论机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂水平应力作用下巷道围岩的破坏

（1）水平应力对围岩稳定性的影响；

（2）锚杆的作用是轴向限胀和横向限剪；

（3）借助于计算机数值模拟进行支护参数的优化；强调监测及反馈轴向限胀（高刚度）横向抗剪（高强度）109水平应力作用下巷道围岩的破坏

（1）水平应力对围岩稳定性的影(5)围岩强度强化理论理论要点锚杆和锚固区域围岩体形成统一点承载结构锚杆支护可以提高锚固体的力学性质提高残余强度值改变围岩的受力状态,提高承载能力减少破碎区松动区范围110(5)围岩强度强化理论理论要点110一锚杆的种类和锚固力机械式锚杆粘结式锚杆摩擦式锚杆111一锚杆的种类和锚固力111锚杆的类别

（1）机械式锚杆

机械式锚杆是使用最早、结构多样、数量较大的锚杆主要类型。机械式锚杆的锚固机构本身是一个统一体，在安装锚杆时，锚固机构主要通过一个楔子系统在钻孔中进行轴向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上。锚固机构通过摩擦连接将锚固力大多传递给岩层。机械式锚杆在安装时，大多都产生预紧力。有时，甚至锚固机构必须直接依靠预紧力来固定。机械式锚杆的优点是，安装迅速，可即时达到承载力，可二次张紧，某些结构的锚杆还可以回收。其缺点是，钻孔中的锚固段较短，在高应力区容易导致岩层破坏和锚固区松动；因此，它主要用于强度较高的岩层。112锚杆的类别

（1）机械式锚杆机械式锚杆是使用最早、结构多样（2）管缝式锚杆管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢板卷成。沿管全长有一条开缝，管的上端是锥体，在管的下端焊有一个用钢筋制成的圆环。杆体壁厚为2～4mm、直径多为35～45mm（要求比钻孔直径大2～5mm），长度可据需要加工，一般为1.60～2.0M；开缝宽度一般10～15mm为。当杆体被外力强压入钻孔后，开缝管被迫压缩，与孔壁之间产生径向挤压应力，使杆体牢固的胀撑在钻孔内；杆体与孔壁间的摩擦力，便成为锚固力，并且是沿杆体全长分布的。管缝式锚杆具有锚固可靠、安装方便且易于实现机械化操作；即可实现全长锚固、又有较大预应力和滑移让压特性。113（2）管缝式锚杆管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢（3）粘结式锚杆粘结式锚杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结剂注入钻孔内，凝固后可将杆体粘固在钻孔中。锚杆锚固力向岩层的传递，主要是通过粘结的形式，而不是向钻孔壁通过机械或摩擦胀固等施加的挤压力。粘结式锚杆的优点是，它能在较深的钻孔中显示出很好的粘着力，而且可以不可压缩的传递很大的力。由于它在锚固岩层时，并不产生特别的接触压力，所以对岩层强度无特殊要求，从而也可在松散岩层中成功的使用。114（3）粘结式锚杆粘结式锚杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结高强锚杆锚杆的结构主要由螺纹钢杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂药卷等组成。115高强锚杆锚杆的结构主要由螺纹钢杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、国外高强锚杆澳大利亚研究的ＨＳ1045高强度锚杆，杆体（直径22ｍｍ）的破断力达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的屈服强度可达610ＭＰa。116国外高强锚杆澳大利亚研究的ＨＳ1045高强度锚杆，杆体（直径高强锚杆系统组成及加工工艺117高强锚杆系统组成及加工工艺117什么是高强、超高强？ 高强：， 超高强：，锚杆材料公称直径/mm屈服强度/MPa极限强度/MPa屈服荷载/kN极限荷载/kN伸长率/%Ⅱ级钢2228038010614417Ⅲ级钢2237041014115617Ⅳ级钢2248057018221715Ⅴ级钢2260068022825812各种锚杆材料强度指标

Ⅳ、Ⅴ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Ⅳ螺纹钢钢材仅比Ⅱ级螺纹钢高300－400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。

118锚杆公称直径/mm屈服强度/MPa极限强度/MPa屈服荷载/①树脂药卷固化快能在最短的时间内提供锚固力，高强杆体能够提供足够高的锚固力，能在最短的时间内使围岩恢复到有利于稳定的三向应力状态。②较大的轴向刚度限制了围岩的张开变形，有利于围岩稳定。③杆体具有足够的抗剪强度与抗剪刚度，能有效阻止围岩内部的剪切变形与剪切滑动，提高围岩体自身的峰值强度、残余强度、内聚力c值和内摩擦角f

值。④适时的滞后注浆能够使开挖扰动造成的围岩损伤得到修复。高地应力对策①树脂药卷固化快能在最短的时间内提供锚固力，高强杆体能够提供锚杆密度/根×(400cm2)-1弹性模量E/MPa软化模量M/MPa锚固体破坏前锚固体破坏后C/MPaφ/(°)C*φ*/MPa/°0280.832.00.3531.50.01731.52282.632.60.3631.50.01831.53284.735.20.3633.50.01833.54288.239.30.3735.60.01835.65294.041.90.3737.10.01937.16299.743.20.3838.80.01938.88310.046.30.3940.40.02140.4不同锚固参数条件下锚固体力学性能改善情况

对策锚杆密度弹性模量软化模量锚固体破坏前锚固体破坏后CφC*φ*不同锚固参数条件下锚固体强化系数对比锚杆密度/根*（400cm2）-1单向加载平面应变加载极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc01.2380.0601.001.001.650.5251.001.0021.2750.0651.031.081.7250.5881.041.1231.350.0681.091.131.8320.6251.111.1941.430.0721.161.191.9280.6681.171.2751.500.0751.211.252.0750.71.261.3361.5750.0811.271.352.170.751.321.4381.6750.0891.351.482.2750.821.381.56注：Kj，Kc分别为锚固体峰值强度和残余强度的强化系数对策不同锚固参数条件下锚固体强化系数对比锚杆密度单向加载平面应变高性能锚杆要求杆体材质符合高强度要求、整体强度和几何尺寸匹配；杆体表面结构优化，实现高粘低阻（左旋无纵筋）；外端螺纹部采用等强或增强加工工艺；双重减摩措施、能够调整锚杆外端受力，保证预应力无损失；有醒目标志，直观显示安装施工质量。122高性能锚杆要求1221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概念图1231超高强锚杆杆体2螺母3预应力标示锚固剂我国煤矿中主要使用的锚固剂是树脂和快硬水泥两种类型。这两种类型的锚固剂在如下几个方面的性能具有十分显著的差别124锚固剂我国煤矿中主要使用的锚固剂是树脂和快硬水泥两种类型。1树脂锚固剂125树脂锚固剂125(1)固化时间超快型树脂锚固剂的凝胶(初凝)时间为0.5～1.0钟，快硬水泥锚固剂的凝胶(初凝)时间为3～5分钟。这就意味着使用树脂锚固剂更能及时地支护围岩，保证顶板安全和稳定。126(1)固化时间超快型树脂锚固剂的凝胶(初凝)时间为0.5～1(2)不同时期的抗压强度超快型树脂锚固剂在锚杆安装5分钟后强度就可达到21MPa，相当其最终强度的30%左右;半小时后的强度大于35MPa。各种类型树脂锚固剂在1天后的强度便可超过60MPa，达到最终强度的80%以上。快硬水泥锚固剂的早期强度则很低，锚杆安装5分钟时强度几乎为零;半小时后的强度为4.3～4.6MPa，一小时后的强度也仅为8～10MPa；7天以后抗压强度仅可达到树脂锚固剂强度的一半左右。树脂锚固剂的强度性能比快硬水泥好得多，尤其是在早期强度方面树脂锚固剂有更大的优越性。127(2)不同时期的抗压强度超快型树脂锚固剂在锚杆安装5分钟后强(3)锚固力树脂锚固和水泥锚固相比最大的优点是锚固力大。根据邢台矿务局葛权、东庞，邢台等矿煤巷数百根锚杆拉拔力试验对比分析，树脂锚杆的拉拔力一般比使用水泥锚固剂大2.7～4.2倍。使用CK型树脂锚固剂时，15～25分钟时的锚固力就是用水泥药卷1天后的锚固力的2.7倍左右，这对于及时加固围岩具有重要意义。128(3)锚固力树脂锚固和水泥锚固相比最大的优点是锚固力大。根据(4)可靠性使用树脂锚固剂时锚杆一般使用机具安装，安装质量容易保证，所以每根树脂锚杆的锚固力通常都能达到设计能力。使用快硬水泥锚固剂的锚杆安装都是手工作业，许多工序(例如浸水时间、捣固药卷等)的施工质量不好控制，很难保证锚杆安装质量。根据实测结果，水泥药卷锚固时各根锚杆的锚固力相差很大，达不到设计锚固力的锚杆往往占较大比例。129(4)可靠性使用树脂锚固剂时锚杆一般使用机具安装，安装质量容锚固形式130锚固形式130托梁131托梁131托梁Ｗ钢带主要使用在顶板。在巷道两帮煤体较破碎、松软时可使用钢筋梯子梁护帮。钢筋梯子梁也使用在顶板。132托梁Ｗ钢带主要使用在顶板。132护网网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止小岩块掉落，同时对提高锚杆支护的整体效果也有一定的作用。网可分为金属网和非金属网。133护网网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止小岩块掉落，钢（铁）丝网一般采用＃３～４ｍｍ的钢（铁）丝编织而成。根据网孔形状和结构的不同，可分为经纬网和菱形网，经纬网孔的尺寸为６０ｍｍ×６０ｍｍ～１００ｍｍ×１００ｍｍ。而菱形网孔的尺寸为４０ｍｉｎ×４０ｍｍ～６０ｍｉｎ×６０ｍｍ。由于菱形网具有柔性好、强度高、孔形不变、连接方便等优点，现在逐步取代了经纬网。134钢（铁）丝网一般采用＃３～４ｍｍ的钢（铁）丝编织而成。134钢筋网由钢筋焊接而成的大网格金属网，它由受力筋和分布筋构成。钢筋网横向筋一般为受力筋，直径１０ｍｍ左右，纵向筋一般为６ｍｍ左右。网格１００ｍｍ×Ｉ００ｍｍ左右。这种网强度和刚度都比较大，不仅能够阻止松动岩块掉落，而且可以有效地增加锚杆支护的整体效果，适用于大变形、高地应力巷道。135钢筋网由钢筋焊接而成的大网格金属网，它由受力筋和分布筋构成。塑料、聚脂网塑料网的优点是成本低、轻便、抗腐蚀等，但其强度和刚度较低。聚脂网具有强度大、重量轻、刚度好等诸多优点。但由于价格较高，还没有广泛使用。136塑料、聚脂网塑料网的优点是成本低、轻便、抗腐蚀等，但其强度和锚杆钻机从动力区分有风动、电动、液压三种。从破岩方式区分有旋转、冲击两种。为了实现树脂锚杆的快速安装，保证有较大的扭矩，一般采用旋转式锚杆钻机。137锚杆钻机从动力区分有风动、电动、液压三种。137液压锚杆钻机钻孔应特别注意在开孔时钻机的推力要小，正常钻进时保持推力与钻进速度相匹配，防止钻杆弯曲及造成孔壁不光滑而影响锚杆的安装。在更换钻杆时不要挪动锚杆钻机，以免第二根钻杆不能沿第一根钻杆原有的轴线进行钻进，使钻孔不能保持直线，给锚杆安装带来困难。安装锚杆时，也不要挪动锚杆钻机，以免锚杆不能沿钻孔的轴线前进，使锚杆与钻孔的摩擦阻力过大，安装困难。138液压锚杆钻机钻孔应特别注意在开孔时钻机的推力要小，正常钻进时风动锚杆钻机139风动锚杆钻机139钻头钻杆钻头一般使用＃２７～３２ｍｍ。钻杆使用Ｂ19ｍｍ或２２ｍｍ六方钻杆，其长度根据设计孔深选择。当锚杆长度大于２ｍ时，因单体锚杆钻机最低高度在１．２ｍ左右，而巷道高度大多小于３ｍ，不能用一根钻杆一次成孔，需换钻杆；即使巷道高度满足一次成孔高度要求，因过长的钻杆露在孔外易产生弯曲变形，在钻机推力大而钻进速度慢的情况下易出现钻杆折断、伤人事故，所以钻时先用短钻杆再换长钻杆。140钻头钻杆钻头一般使用＃２７～３２ｍｍ。140什么是高预应力？

--朱浮声（1993）、郑雨天（1995）的研究表明：当锚杆预拉力达到60～70kN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；

--淮南望峰岗矿-812水平井底车场巷道的大规模试验研究结果表明：当锚杆预应力力达到70～100kN时，能够确保深部巷道二类围岩在2-3年内的稳定。高预应力如何实现？图5.3.1MQS90J2型气动锚杆安装机

大扭矩预应力施加机具是关键高预应力必然导致锚杆承受高轴力→要求锚杆具有足够的抗拉强度（达到20～25kN)。141图5.3.1MQS90J2型气动锚杆安装机大扭矩预应力施快速安装器142快速安装器142小孔径预应力锚索加强支护预应力锚索主要材料为：钢绞线、锁具、锚固剂。由于它锚固深度大，将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力，主动支护围岩，因而是支护技术中一种可靠有效的手段。在大断面、地质构造破坏地段、顶板软弱且较厚、高地应力、综放巷道等困难、复杂的巷道中，143小孔径预应力锚索加强支护预应力锚索主要材料为：钢绞线、锁具注水泥浆及树脂胶泥锚固注水泥浆及树脂胶泥锚固，需一套小型注浆泵，施工工艺相对采用普通树脂药卷锚固要复杂，尤其采用注水泥浆，需养护较长时间才能安装锚具、张拉，不能及时支护。但注水泥浆及树脂胶泥锚固可靠性较高，锚固力大，在钻孔含水时，采用普通树脂药卷锚固，其锚固力较小，有可能达不到设计锚固力。144注水泥浆及树脂胶泥锚固注水泥浆及树脂胶泥锚固，需一套小型注浆用普通树脂药卷加长锚固采用普通树脂药卷加长锚固，与注水泥浆和树脂胶泥相比，不需注浆泵，使用锚杆钻机带动锚索搅拌树脂药卷，简化了锚索安装工序，由于树脂药卷凝结时间短，一般等待ｌｈ后即可安装锁具、张拉，实现了锚索快速安装、及时承载，有利于巷道快速施工和围岩稳定。但树脂药卷锚固时，其锚固力不稳定，钻孔出水时，锚固力更小。在巷道围岩较破碎时，常出现不能将树脂药卷送人孔底，锚固在钻孔的中部，药卷挤入围岩裂隙后，锚固长度达不到设计要求，另外受巷道高度及锚杆钻机的扭矩所限，锚固长度受到限制，一般小于１．５ｍ，不如注水泥浆和树脂胶泥灵活。145用普通树脂药卷加长锚固采用普通树脂药卷加长锚固，与注水泥浆和现场监测内容

巷道围岩表面位移巷道围岩深部位移全长锚固锚杆的受力分布端部锚固锚杆的载荷大小锚杆锚固区内、外的离层值146现场监测内容巷道围岩表面位移146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，可以判断围岩的运是否超过其安全最大允许值，是否影响巷道的正常使用；147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限应变；148围岩深部位移反映距巷道表面不同深度的围岩移近量，可以判定围岩锚杆的受力其大小可以判断锚杆的工作状态及其参数是否合理，如锚杆选择、布置密度是否合适等；149锚杆的受力其大小可以判断锚杆的工作状态及其参数是否合理，如顶板下沉量反映巷道表面的收敛以及断面的缩小情况；150顶板下沉量反映巷道表面的收敛以及断面的缩小情况；150顶板锚固区内力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数的合理性；151顶板锚固区内力的离层值用于判断顶板锚固区内、外围岩的稳定性以顶板锚杆受力的大小及分布可以判断锚杆是否发生断裂、屈服，从而确定顶板是否定，锚杆支护参数是否合理。152顶板锚杆受力的大小及分布可以判断锚杆是否发生断裂、屈服，从而测力锚杆的组成测力锚杆是测量锚杆全长锚固工作状态下受力的大小及分布状况的专用锚杆，主要由杆体、保护接头、静态电阻应变仪、多通道转换开关、安装接头、联接导线等几部分组成。153测力锚杆的组成测力锚杆是测量锚杆全长锚固工作状态下受力的大小安装测力锚杆的目的①分析锚杆和围岩的相互作用关系，研究全长锚固机理；②实测锚杆受力，确定支护强度，分析围岩的强化程度，为锚杆支护设计提供依据；③根据锚杆受力变化，判断锚杆是否屈服，对顶板稳定作出预测，当锚杆受力突然增大或大范围屈服时，提示人们及时采取措施，避免顶板冒落事故发生。154安装测力锚杆的目的①分析锚杆和围岩的相互作用关系，研究全长锚离层指示仪的组成顶板离层指示仪由孔内固定器、位移传递装置和孔口测读装置３部分组成。在顶板钻孔中布置两个测点，一个在围岩深部稳定处，一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间以及锚杆端部围岩与巷道顶板表面间的相对位移值。并可直观显示出相对位移值（离层量）的大小。155离层指示仪的组成顶板离层指示仪由孔内固定器、位移传递装置和安装离层指示仪的目的（1）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，以避免冒项事故发生；（２）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。156安装离层指示仪的目的（1）对顶板离层情况提供连续的直观显示，顶板离层指示仪与测力锚杆157顶板离层指示仪与测力锚杆157困难复杂条件下的煤巷锚杆支护困难复杂条件的巷道包括软岩、深井、沿空、构造应力大、强烈底鼓巷道,主要是IV,V类巷道。巷道条件错综复杂,支护方法应当根据不同条件具体确定。158困难复杂条件下的煤巷锚杆支护困难复杂条件的巷道包括软岩、深井困难复杂条件下的煤巷锚杆支护一般的支护准则和方法顶板宜采用树脂全长锚固或加长锚固高强度、超高强度锚杆支护系统高强度锚杆极限载荷137～216kN;(对整根锚杆强化热处理的)超高强度锚杆极限载荷206～307kN,锚杆延伸率均在17%以上。树脂全长锚固或加长锚固时,锚杆支护系统刚度增大,顶板变形量显著减小,同等条件下全长锚固时围岩变形量仅为端头锚固时的1/5～1/2。对保持顶板的完整性也十分有利。159困难复杂条件下的煤巷锚杆支护一般的支护准则和方法顶板宜采用树2.煤帮宜采用加长锚固可伸长增强锚杆由于煤帮松软,两帮变形量大,因此,帮锚杆应具有一定支护强度和伸长量,采用杆体可伸长增强锚杆是必要的。由于煤帮松软,为保证帮锚杆具有一定的锚固力,需采用加长锚固.3.加固巷道帮、角控制两帮变形、底板鼓起和顶板离层.底鼓是这类巷道矿压显现的一个重要特征。发生底鼓的一个重要原因是在支承压力作用下,围岩发生不均匀的整体下沉。巷道角部由于应力集中造成破坏,因而围岩塑性区以帮、角为最大。加固围岩软弱的帮和角(主要是底角)作用是:(1)减弱巷道角部应力集中程度并在两帮和底角尽快强化围岩的强度,控制塑性区的发展,防止和减少因底板围岩塑性变形、粘塑性流动和破裂围岩体积膨胀造成的底鼓和顶板离层。(2)加固帮、角可提高巷道两帮围岩的自承能力,减少两帮下沉量,从而减少底鼓量和顶板下沉量。加固方法可在两帮和底角打锚杆,也可以进行围岩注浆加固1602.煤帮宜采用加长锚固可伸长增强锚杆1604.锚索加强与注浆加固围岩.

大断面、地质破坏地段、直接顶软弱且较厚、高地应力、综放沿空巷道等处可用预应力小孔径锚索加强。当围岩松软破碎,可进行注浆加固。随掘随冒时可采取超前注浆;一般条件采取滞后注浆。目前使用的注浆材料可选用ZKD高水速凝材料,这种新型注浆材料的优点是速凝可调、水灰比高、流动渗透性好、在高水灰比条件下100%结石且不淅水,固结体强度显著高于水泥固结体。1614.锚索加强与注浆加固围岩.1615.锚杆与金属支架联合支护.

当围岩松软破碎,锚杆锚固力达不到必须要求或随掘随冒,难以紧跟迎头布置锚杆时。此时的金属支架,一般应考虑可缩性.1625.锚杆与金属支架联合支护.162锚梁网支护163锚梁网支护1633煤巷锚杆支护取得的创新成果1643煤巷锚杆支护取得的创新成果164煤巷锚杆支护巷道顶板事故的防治施工

支护不及时“三径”不匹配“偷工减料”锚固剂使用不当预应力损失165煤巷锚杆支护巷道顶板事故的防治施工1653.1揭示了煤巷围岩的破坏机理巷道围岩浅部出现“*”形塑性区，致使围岩破碎，残余强度急剧降低，巷道发生剧烈变形巷道围岩深部出现离层，是冒顶产生的根源对策：高强锚杆支护系统，提高围压围岩的残余强度立即支护，防止围岩塑性区扩大对策：使用锚索支护，控制围岩离层1663.1揭示了煤巷围岩的破坏机理巷道围岩浅部出现“*”形塑性将地质力学评估、计算机数值模拟、施工监测、信息反馈作为一个系统，在动态中修改完善的设计方法；自动设计和分析处理的锚杆支护专用设计软件；５个反馈信息指标和围岩稳定性判别准则．地应力测试根据反馈信息修改、完善设计现场施工及监测计算机初始设计地质力学评估2）形成了锚杆支护“动态系统设计方法”167将地质力学评估、计算机数值模拟、施工监测、信息反馈作为一个系锚杆支护动态系统设计方法动态系统设计方法是以数值模拟为主,并辅以工程类比和理论计算的一种综合方法,它认为地质调查、设计、施工、监测、信息反馈等是相互关联、制约和影响的有机整体,因而将它们作为一个系统工程进行研究考察,而设计方案是在通过施工、监测、反复实践、检验、调整完善而在动态中完成的,因此,称此方法为动态系统设计法。它包括6个基本部分,也就是6个步骤:(1)包括岩石力学性质实验和地应力测试的地质力学评价;(2)初始设计,以有限差分数值模拟分析为主要手段,并辅以工程类比和理论计算;(3)对初始设计选定的方案进行围岩稳定性分析;(4)按初始设计选定的方案施;(5)现场监测;(6)信息反馈与修改、完善设计。选用5个信息反馈指标,根据其数据判别是否需要修改设计;如需修改,则提出修改方案,并重复(2)～(6)的步骤,如此反复进行,直到满意为止。168锚杆支护动态系统设计方法动态系统设计方法是以数值模拟为主,地质预测---巷道围岩强度测试169地质预测---巷道围岩强度测试169巷道围岩结构测试170巷道围岩结构测试170地应力测试171地应力测试171锚杆布置参数对

围岩移近的影响172锚杆布置参数对

围岩移近的影响172锚杆预紧力与顶板下沉量的关系173锚杆预紧力与顶板下沉量的关系173锚杆-锚索支护与围岩相互作用原理浅析及影响

174锚杆-锚索支护与围岩相互作用原理浅析及影响174围岩与支护的相互作用关系175围岩与支护的相互作用关系175锚索与单体锚杆的作用功能是一样的，既有加固围岩的作用，也有悬吊下部松动岩石的作用。两者的区别在于锚索可以锚固在围岩深部的稳定岩层中，而锚杆因其长度较短，在围岩条件较差的情况下，锚杆不能锚固在稳定的岩石中，此时锚杆的悬吊作用很小，主要靠其加固作用和锚杆群的成拱作用控制围岩变形，提高围岩的承载能力。176锚索与单体锚杆的作用功能是一样的，既有加固围岩的作用，也有当锚杆和预应力锚索同时安装时，锚杆与锚索对围岩起到共同的加固作用。由于锚索的工程延伸量较小，围岩在该变形范围内产生的松动破坏区较小。所以，锚杆和锚索均以加固围岩的作用为主，共同提高锚岩支护体的承载能力，保持围岩稳定。围岩与支护的相互作用关系如图所示。图中给出了锚索的力学特性曲线4和锚岩支护体的特性曲线3。锚岩支护体的承载能力是随着围岩和自身变形的增加而降低。曲线1为围岩特性曲线，它表示围岩变形与支护强度之间的关系。根据分析可知，如果锚岩支护体和锚索的特性曲线不能与曲线1相交，说明单独采用锚杆支护或锚索支护，都不能控制围岩达到稳定。177当锚杆和预应力锚索同时安装时，锚杆与锚索对围岩起到共同的加固如果锚杆一锚索联合支护时，其共同支护作用特性曲线2与曲线1相交，表明联合支护提高了支护体的承载能力，在曲线的交点（A）处，围岩的变形破坏得到控制，保持了围岩的稳定。在锚杆和锚索同时安装时，保证锚杆一锚索联合支护成功的前提是围岩达到稳定时的变形量U0小于锚索的延伸量。满足这一条件的围岩的稳定性一般较好，在多数情况下，可以通过合理选择锚杆支护形式和参数，单独采用锚杆支护来保持巷道围岩的稳定。但有些情况例外，如复合顶板和淋水大的巷道。这类巷道顶板锚杆的加固作用很小，锚岩支护体的承载能力低，在顶板下沉量较小时就可能造成冒顶。所以，必须采用锚杆—锚索联合加固作用原理，保证巷道支护的可靠性。178如果锚杆一锚索联合支护时，其共同支护作用特性曲线2与曲线1相软弱围岩与支护的相互作用关系179软弱围岩与支护的相互作用关系179当围岩条件较差时，采用锚杆—锚索联合加固原理进行支护往往是不成功的，图中，曲线1为软弱围岩的特性曲线，该曲线与联合加固支护体的特性曲线没有交点，因为当围岩变形达到锚索极限变形量时，联合支护体的承载能力仍小于控制围岩稳定所需的支护作用力。所以，围岩继续变形，导致了锚索破断（B点），联合支护体的承载能力随围岩的变形沿BCD曲线降低，引起巷道围岩失稳。目前，许多矿井采用锚杆一锚索联合支护不成功的原因多数属于这种情况。人们采用锚杆—锚索联合支护形式是希望锚索能发挥悬吊作用，所以按悬吊理论进行设计，但在实际工程中，锚杆一锚索发挥的是联合加固作用，锚索并没有发挥出悬吊作用。产生这一错误的原因主要是对锚杆一锚索联合支护的过程和作用原理没有正确的认识，导致支护设计上的错误。180当围岩条件较差时，采用锚杆—锚索联合加固原理进行支护往往是不锚杆一锚索联合支护作用的互补原理围岩与支护的相互作用关系181锚杆一锚索联合支护作用的互补原理围岩与支护的相互作用关系1在软弱破碎围岩条件下，巷道围岩的变形量很大，为了避免采用锚杆一锚索联合加同支护时因锚索延伸量超过极限而破断，可以采用类似于软岩支护中的二次支护方法及其作用原理进行锚索加强支护。在巷道开挖初期，围岩自身的整体性好，通过锚杆的加固作用，锚岩支护体的承载能力较高，围岩在一定变形范围内可以保持自身的稳定。随着围岩变形的增大，锚岩支护体的承载能力和自稳性降低，同时围岩集中应力移向深部，围岩变形趋于平稳。在锚岩支护体失稳之前，再通过锚索的悬吊作用，保持锚岩支护体和围岩的稳定。182在软弱破碎围岩条件下，巷道围岩的变形量很大，为了避免采用锚杆巷道围岩与支护的相互作用关系如图所示.。锚杆和锚索各自发挥了自身的优势。在巷道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主。两者不是同时联合加强支护，而是相互取长补短，改善了锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。183巷道围岩与支护的相互作用关系如图所示.。锚杆和锚索各自发挥了在实际工程中，锚杆一锚索联合支护是否能实现锚杆与锚索支护作用的互补性取决于采用的支护方法和合理的支护设计，它要求将锚岩支护体的特性与锚索的力学特性有机地结合在一起进行总体的支护设计，而不是锚杆和锚索支护参数分别独立设计。由于采用不同的锚杆支护形式，锚岩支护体的承载特性有较大差异；同样，采用不同的锚索支护方式对围岩的适应性也不相同。因此，在支护设计中，应根据巷道围岩条件，采用合理的锚杆支护形式和参数，选择与之相匹配的锚索支护方法，这是锚杆一锚索联合支护的关键。184在实际工程中，锚杆一锚索联合支护是否能实现锚杆与锚索支护作用为了使锚索能适应围岩较大的变形而不发生破断，实现锚杆与锚索支护作用的互补性，除了必须了解锚索自身的力学特性（承载能力和延伸量）外，还要深入研究锚索适应围岩大变形的方法和手段。185为了使锚索能适应围岩较大的变形而不发生破断，实现锚杆与锚索支影响锚杆刚度的主要因素分析

“两径”配合

186影响锚杆刚度的主要因素分析

“两径”配合保持锚杆-锚索支护刚度的技术措施

关于锚孔与杆体最优的直径差各国情况也不一样，美国认为6毫米最好，英国认为8~12mm，西德采用5~11毫米，法国采用4~10毫米。我国锚杆支护，—般使用钻头直径为φ27mm、φ32mm、φ42mm的锚杆钻机(或煤电钻)钻眼，因而形成的锚孔直径一般为φ28mm、φ33mm、φ43mm。而直径43mm的锚孔，由于其空间大、不能保证树脂药卷的均匀混合，导致锚固力较低，同时锚孔过大、需要的树脂药卷量大，造成成本高，且钻孔时间长、效率低。左旋无纵筋螺纹钢锚杆直径与钻孔直径的合理匹配是它们的直径之差,为6~10mm,实际上直径差以7~8mm为最好,树脂药卷直径应比钻孔直径小3~6mm。此外，可以选用直径为18.96mm的锚索，一是可以提高其破断力可达340KN，二是可以提高锚索体的刚度。187保持锚杆-锚索支护刚度的技术措施187

锚杆布置

188锚杆布置188锚索与锚杆的材料性能耦合

与锚杆相比，从煤巷广泛使用的小直径锚索（Φ15.24）的工程特性上看，尚存在一些问题：（1）“两径”匹配不良，强度级别低。实测锚索的破断力一般在220KN左右，是钢绞线平均极限破断载荷的84.8%，和φ22mm的BHRB400型锚杆螺纹钢破断荷载216KN相近，强度区别不明显；（2）延伸率和锚杆不匹配。钢绞线的延伸率仅有3.5%（只有锚杆延伸率的1/7），而锚索的工程延伸率为1.8%，是钢绞线延伸率的51%,故易产生锚索体抗变形性能差，和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力；过高的预拉力还将进一步加剧锚杆和锚索的不同步承载现象，导致各个击破；（3）由于外端头受力不良，易出现预应力损失。如对淮南某矿沿空布置并采用锚杆、锚索支护的风巷的统计，锚杆平均损坏率为29.6%；锚索平均损坏率为7.8%。究其原因：除了与松软的复合顶板释放时所发生的巨大变形能外，锚杆被剪断主要与沿空巷的顶板岩层中产生的不均匀和不连续沉降有关，而锚索被拉断，则与锚杆与锚索的匹配有关。锚索布置和安设时间均影响着锚索性能的发挥。189锚索与锚杆的材料性能耦合与锚杆相比，从煤巷广泛使用的小直径锚固长度

中科院岩土所朱维申等人进行的不同锚固方案的模型试验表明：全长胶结锚与端锚相比，虽对峰值强度影响不大，但体变曲线不同，前者扩容开始得晚对抑制扩容较有效，且峰值后软化现象不明显。而端锚类型则有软化现象，后期强度较低。同端锚锚杆相比，全锚锚杆轴向增阻快，阻力高，有利于发挥锚杆的支护作用；切向锚固力提高围岩中弱面的抗剪强度，有利于发挥锚杆的加固作用。全锚锚杆与节理匹配很好，使加锚节理抗剪能力达到最大抗剪能力。若出现非稳定岩层变厚、稳定岩层变薄、顶板一定范围内出现软弱夹层等岩层劣化情况，端头锚固对顶板下位岩层破坏施加约束失效，主要有三两方面的作用：一是对顶板下位岩层强度改变不明显，使上位顶板岩层中重新分布的应力，并增大其变形；二是荷载全部传递到锚杆尾端，大大增加了托盘和螺母的荷载，同时锚杆的尾端又是最弱的部位，容易引起过载失效；三是往往因为一根锚杆的失效而影响到周围锚杆，进而发生不良连锁反应。所以，不清楚锚杆是悬吊作用还是组合梁作用，锚杆长度和锚固长度若不够，就可能出现锚杆失效，严重时发生冒顶。190锚固长度中科院岩土所朱维申等人进行的控制预应力损失

一是选用合适的锚杆材料。二是张拉荷载适合。钢材的应力松弛与张拉荷载大小密切相关，当施加的应力小于钢材强度的60%时三是实行二次张拉。四是合适的施工工艺。如对蠕变变形明显的岩层采用二次注浆；爆破作业与锚头间保持适当的距离等，减