煤巷锚杆支护理论与成套技术

煤巷锚杆支护理论与成套技术爱序前言第一章概述 第二章煤巷锚杆支护理论 第一节锚杆支护构件的作用 第二节锚杆支护的加固作用 第三节现有锚杆支护理论评述 第四节锚杆支护作用机理分析 第三章巷道围岩地质力学测试技术 第一节地应力测量 第二节巷道围岩强度原位测试 第三节巷道围岩结构观察 第四节·巷道围岩地质力学快速测试系统的现场应用 第四章煤巷锚杆支护设计方法 第一节·锚杆支护工程类比设计法 第二节锚杆支护理论分析设计法 第三节锚杆支护动态信息设计法 第四节锚杆支护预紧力设计 第五节锚杆支护参数设计 第六节煤巷锚杆支护设计软件 第五章煤巷锚杆支护材料 第一节锚杆种类与支护形式 第二节常用金属锚杆型式 第三节高强度锚杆杆体及附件 第八节锚杆桁架 第九节锚杆与注浆联合加固 第六章煤巷锚杆支护施工机具与工艺 第一节国内外锚杆钻机发展概况 第二节单体顶板锚杆钻机 第三节单体帮锚杆钻机 第四节锚索施工机具 第六节锚杆施工预紧机具 第七节锚杆与锚索施工工艺 第七章煤巷锚杆支护工程质量检测与监测技术 第一节锚杆支护工程质量检测技术 第二节巷道表面位移监测 第三节巷道顶板离层监测 第四节巷道围岩深部多点位移监测 第五节锚杆与锚索受力监测 第六节煤柱应力监测 第七节巷道矿压监测数据处理与信息反馈 第八节巷道矿压监测数据处理软件 第八章煤巷锚杆支护技术规范 第一节煤巷锚杆支护技术规范编制的必要性与方法 第二节煤巷锚杆支护技术规范的内容及实例介绍 第九章煤巷快速高效掘进技术 第一节国内外煤巷快速掘进技术概况 第二节普通综合机械化掘进技术 第三节掘锚一体化技术 第四节连续采煤机快速掘进技术 第五节煤巷快速掘进技术的改进与发展 第十章煤巷锚杆支护技术的工程应用 第一节煤矿巷道类型与特点 第二节复杂困难巷道类型与特点 第三节大巷锚杆支护与加固技术 第四节“煤层上下山与集中巷锚杆支护与加固技术 第五节回采工作面回风与运输巷锚杆支护技术(实体煤巷道) 第六节回采工作面回风与运输巷锚杆支护技术(煤柱护巷) 第七节小煤柱沿空掘巷锚杆支护技术 第入节急倾斜特厚煤层全煤巷道锚杆支护技术 第九节深部高地应力巷道锚杆支护技术 第十节极软强膨胀围岩巷道支护技术 第十一节回采工作面开切眼锚杆支护技术 第十二节回采工作面回撤通道锚杆支护技术 第十三节大断面交岔点及特殊条件巷道支护加固技术 第十四节巷道底鼓防治技术 第十五节采空区留巷与支护技术 第十一章煤巷锚杆支护技术经济效益分析…………………344第一节煤巷锚杆支护的技术效果 344第二节煤巷锚杆支护的经济效益 346第三节煤巷锚杆支护的社会效益 355参考文献…………………………357第一章概述煤炭是国民经济和社会发展的基础。煤炭在我国一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，而且煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前，快速增长的经济对煤炭工业发展提出了更高的要求，为此必须确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。我国煤矿以井工开采为主，生产环境条件复杂，与其他行业相比，对煤矿开采技术、装备、生产安全要求更高。井工开采需要在井下开掘大量巷道，据不完全统计，我国国有大中型煤矿每年新掘进的巷道总长度高达数千公里(2005年度原国有重点煤矿巷道掘进总进尺为7598.4km,其中开拓巷道进尺1153.2km),80%以上是煤巷与半煤岩巷。如此巨大规模的地下工程在其他行业是不多见的。因此，保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义，巷道支护成本、速度、可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。一、煤矿开采对巷道支护技术的要求掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。安全、有效、快速的巷道支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。巷道支护技术应满足以下3方面的要求：1.煤矿安全生产的要求我国煤矿事故死亡人数远远超过世界上其他主要采煤国家。死亡事故主要发生在技术与装备比较落后的国有地方煤矿与乡镇煤矿。我国煤矿事故类型当中，顶板事故非常严重。近年来的统计数据表明，顶板事故次数占全国煤矿事故次数的50%~55%,顶板事故死亡人数占全国煤矿死亡人数的30%~40%。顶板事故发生的频率高，死亡总人数多，而且顶板事故主要发生在掘进工作面与巷道。因此，煤矿安全生产要求巷道支护必须安全、可靠，保证巷道围岩的稳定，避免冒顶、片帮事故发生。2.提高煤炭产量的要求掘进为采煤服务，巷道支护技术必须满足高产高效回采工作面的要求。近年来，我国以综采放顶煤、一次采全高为代表的采煤技术得到迅速发展，不断刷新和保持着煤炭行业高产高效的全国纪录。出现了亿吨级矿区、千万吨级矿井，综采工作面的年产量超过6Mt,甚至突破10Mt。如此高的工作面产量与推进速度对巷道支护提出前所未有的严格要求：首先，成巷速度必须大幅度提高，以满足回采工作面快速推进的要求，否则造成严重的采掘接续紧张，制约工作面产量的提高；其次，要保证矿井的稳产高产，服务于工作面的回采巷道必须确保正常使用，在回采工作面推进过程中，巷道基本不需要维修，支护效果能满足运输、通风、行人等生产要求，否则巷道维修会影响回采工作面的推进速度，降低工作面产量，甚至导致停产。3.提高煤矿经济效益的要求12巷道掘进与支护费用是煤炭企业成本的重要组成部分。此外，巷道施工完毕后，由于地质条件复杂或受到采动影响，还需不断维修。我国部分煤矿的困难巷道，经常需要维修或翻修3~4次，巷道维修费用大大超过成巷费用，巷道在服务期间的总成本远远大于成巷成本。我国煤矿巷道工程规模巨大，巷道掘进与维护成本总量很大。因此，在满足煤矿生产要求，保证巷道安全的前提下，降低巷道支护、维修成本，即使降低幅度不大，也会给煤炭企业带来巨大的经济效益。合理的巷道支护技术是提高煤矿经济效益的重要途径。二、我国煤矿巷道布置的发展趋势随着我国煤矿开采强度与范围显著增加，煤炭开采技术的不断进步，巷道布置出现了以下发展方向。1.岩巷向煤巷发展传统的巷道布置方式将大巷、采区准备巷道等服务时间较长的巷道布置在岩石中，虽然有利于巷道维护，但是带来一系列问题：巷道掘进成本高，施工速度慢，增加了许多联络巷；掘进出现大量矸石，给矿井辅助运输造成极大压力。随着巷道支护技术的发展与支护水平的提高，岩巷布置已逐步转向煤巷布置。特别是现代化矿井，岩巷占的比例已经很小。大量使用煤巷虽然增加了巷道支护难度，但带来了很多优点：显著降低了巷道掘进费用，大大提高了施工速度，缩短了矿井建设周期，巷道掘进出煤，增加经济效益。2.岩石顶板煤巷向煤层顶板巷道和全煤巷道发展综采放顶煤工作面要求回采巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板是煤层。随着综放开采技术的大面积推广应用，煤顶巷道所占的比重逐年增加。一般情况下，煤层相对于岩石比较松软、破碎，显著增加了巷道的支护难度。此外，对于特厚煤层开采和急倾斜厚煤层水平分层开采等条件，不仅巷道顶板与两帮为煤层，有时底板也是煤层，属全煤巷道，支护难度进一步加大。3.巷道拱形断面向矩形断面发展拱形断面虽然能够改善巷道受力状态，有利于巷道支护，但是拱形巷道施工工艺比较复杂，成巷速度低，有时还需要破坏顶板，出现矸石。对于回采巷道，拱形断面给回采工作面端头支护造成很大困难，阻碍工作面的正常推进。而矩形巷道，除巷道受力状况比拱形巷道差外，拱形巷道的缺陷基本都被克服，非常有利于回采工作面的快速推进。4.巷道从小断面向大断面发展随着回采工作面设备的大型化，开采强度与产量的大幅度提高，为了保证正常的运输、通风及行人，要求的巷道断面越来越大。煤层大巷的跨度已经超过6m,断面超过20m²;回采巷道宽度也达5~6m,断面积达15~20m²;开切眼跨度达到10m,断面积超过40m²。巷道断面的增大显著增加了支护难度。5.单巷布置向多巷发展回采工作面开采强度和产量越来越大，要求的运输、通风断面逐年增加。特别是高瓦斯矿井，往往单巷布置不能满足生产要求，出现了一个工作面布置3~5条，甚至更多巷道的多巷布置方式。多巷布置带来了煤柱留设，巷道受到二次甚至多次采动影响，巷道复用等问题，增加了巷道维护的难度。6.巷道埋深从浅部向深部发展3我国煤矿开采深度以8~12m/a的速度增加。新汶、淄博、开滦、徐州等矿区的开采深度已超过1000m,出现了一批千米深井。煤炭开采技术的进步和矿山的现代化促进了生产的高产高效，进一步加速了矿井深度的增加。预计在未来20年我国很多煤矿将进入到1000~1500m的开采深度。深部开采带来一系列高地应力巷道支护难题，如冲击矿压、围岩大变形、强烈底鼓等浅部巷道没有的支护问题。7.简单地质条件巷道向复杂地质条件发展我国煤矿煤系地层中具有复杂地质条件的矿井分布十分广泛。北起黑龙江、内蒙古，南到广东、广西，东起山东、浙江、西到新疆、青海广大辽阔的幅员内有复杂地质条件的矿井遍布全国各主要产煤省区，近半数的矿区存在地质条件复杂矿井。随着我国新生代第三纪煤田的开采及老矿井采深的增加，复杂地质条件煤矿的数量和分布范围将会继续增加和扩大。复杂地质条件巷道围岩稳定性差、围岩变形和破坏强烈，巷道维护十分困难。有的复杂地质条件矿井，每米巷道的支护费用已高达1~2万元，严重影响了煤矿的正常生产和经济效益。三、煤矿巷道锚杆支护技术发展现状煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。多年来国内外的实践经验表明，锚杆支护是煤巷经济、有效的支护技术。与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度。更重要的是锚杆支护大大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。1.国外锚杆支护技术发展现状在100多年前，国外一些矿山就开始应用锚杆支护。如英国在1872年就采用过金属锚杆，美国1900年使用过木锚杆。地下工程中大量采用锚杆支护是在20世纪40年代末期。此后，锚杆支护在煤矿、非煤矿山、隧道及其他岩土工程中得到迅速发展，成为一种极具发展前景的支护方式。从锚杆支护形式的发展过程分，锚杆支护可分为以下几个阶段：(1)1950—1960年，锚杆型式主要是机械端部锚固锚杆，分楔缝式、倒楔式、涨壳式等。这类锚杆锚固力低、在不同岩层中的锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差，不宜在松软破碎的岩层中使用。由于这些弊端，导致了英国、法国等国家在使用锚杆支护过程中出现过反复。如英国煤矿在1957年使用了约500000根锚杆，法国煤矿用量也较大，但到20世纪60年代初，锚杆用量大幅度降低。(2)1960—1970年，树脂锚杆研制成功，并得到推广应用。1958年德国开始研制树脂锚杆，经过一年多的实验室试验，埃森采矿研究中心制作了第一批药卷式树脂锚固剂于1959年在煤矿井下进行试验，1961年取得成功。之后树脂锚杆在世界主要采煤国家逐步得到应用和发展。初期树脂锚杆为端部树脂锚固，锚杆孔径较大(38～45mm)。以后发展到小孔径(22~30mm)全长锚固树脂锚杆。这种锚杆锚固力大、可靠性高、适应性强，极大地促进了锚杆支护技术的发展与广泛应用。(3)1970—1980年，管缝式锚杆、胀管式锚杆等全长锚固锚杆研制成功，并在井下得到应用。但是管缝式锚杆、胀管式锚杆在井下容易锈蚀，锚固力受钢材质量、围岩性4质、钻孔直径等因素影响较大，施工工艺比较复杂，只能在适宜的条件下使用。(4)1980—1990年，锚杆支护形式更加多样化：出现了混合锚固锚杆、钢带式组合锚杆、桁架锚杆，可拉伸锚杆、锚注锚杆等特种锚杆和锚索加固技术也得到了应用，树脂锚杆材料得到了进一步改进与提高。(5)20世纪90年代以来，高强度树脂锚固锚杆以其优越的锚固效果和简便的施工工艺，逐步取代了其他类型的锚杆，成为锚杆支护的主导型式。锚索加固技术也得到了大面积的推广应用。澳大利亚、美国等国的煤层地质条件比较简单，埋藏浅，护巷煤柱宽度大，而且大力推广应用锚杆支护。他们的锚杆支护技术比较先进，煤矿巷道锚杆支护所占的比重几乎达到100%。实际上，在澳大利亚和美国，如果一个矿区煤层顶板不适合采用锚杆支护，那么便认为开采这样的煤层在经济上是不合理的。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，煤矿巷道几乎全部采用W钢带树脂全长锚固组合锚杆支护。尽管其巷道断面比较大，但支护效果良好。对于复合顶板、破碎顶板，以及巷道交岔点、大断面硐室等难维护的条件，还采用锚索注浆进行补强加固，控制围岩的强烈变形。美国煤矿巷道锚杆消耗量很大，锚杆种类也比较多，有涨壳式锚杆、树脂锚杆、混合锚固锚杆，组合构件有钢带和桁架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。欧洲一些主要产煤国家，过去一直主要采用金属支架支护巷道。但随着巷道支护难度加大和支护成本增高，将巷道支护方式转向了锚杆支护，积极开展了锚杆支护技术的研究、试验与推广应用。英国曾是欧洲主要产煤国中采用金属支架支护的典型代表。1987年以前，英国煤矿巷道支护90%以上采用金属支架，导致巷道支护效果差、成本高，回采工作面产量与效益低，煤矿亏损严重。由于国际市场的激烈竞争，英国煤炭工业面临严重的危机。在这种情况下，英国果断地把采用锚杆支护取代传统的金属支架支护作为提高其煤炭工业竞争力的三大策略之一，于1987年从澳大利亚引进了先进的锚杆支护技术，彻底扭转了过去被动的局面，锚杆支护技术得到迅速发展。到1990年，英国煤巷锚杆支护所占比例便从80年代中期几乎为零增长到50%,1994年达到80%,1997年达到90%。英国煤矿通过采用锚杆支护技术取得了显著的技术经济效益(表1-1)。巷道支护费用和吨煤成本显著降低，回采工作面产量、全员效率大幅度提高，事故率明显下降，巷道安全状况得到保证。一些濒临倒闭的矿井也因此获得了新生。在英国，锚杆支护技术被看成是煤矿巷道支护技术的一次变革，而且还没有那次技术变革能像锚杆支护这样在短时间内给煤矿带来如此巨大的效益。表1-1英国煤巷采用锚杆支护所取得的效益1984年1994年回采工作面平均单产/(t·d-¹)45003平均吨煤成本/(英镑·t-¹)煤巷平均成巷速度/(m·周-¹)巷道支护费用比较/%事故率比较/%5德国使用U形钢支架最早，技术成熟、先进，使用量大。无论是永久巷道还是回采巷道大多采用U形钢可缩性支架。但是从20世纪80年代以来，随着矿井开采深度和开采强度增加，重型采掘设备的采用，要求巷道断面越来越大，导致巷道围岩变形加剧，支护困难。为了解决巷道支护难题，不得不增加型钢重量、减小支架棚距，致使巷道支护费用增高，而且带来施工、运输等一系列问题。尽管如此，巷道支护状况并没有得到根本改观。为此，德国煤矿开展了锚杆支护技术的研究与试验。锚杆支护在鲁尔矿区试验成功后得到推广应用，现已应用于埋深千米的深井巷道中，取得较好的支护效果。其他国家煤巷锚杆支护技术的发展也很迅速。如法国到1986年锚杆支护比重已占到50%。俄罗斯研制了多种类型的锚杆，在俄罗斯的第一大矿区——库兹巴斯矿区锚杆支护所占比重已达50%以上。总结国外锚杆支护技术快速发展及大面积推广应用的经验，主要有以下特点：(1)十分重视巷道围岩地质力学参数测试，对支护对象有比较清楚的了解。如美国、澳大利亚、英国在锚杆支护设计前，要进行全面、详细的地应力、围岩强度和围岩结构面力学特征的测量，分析巷道应力场分布特征，巷道围岩变形和破坏的主要影响因素。这是锚杆支护成功的必要前提。(2)根据煤矿巷道特点，采用比较合理的锚杆支护设计方法。如澳大利亚、英国采用“地质力学评估—初始支护设计—井下施工与监测—信息反馈与修改设计一日常监测”的设计方法。这种方法符合煤矿巷道地质条件复杂性与多变性的特点，因此得到国际上的普遍认可和采用。(3)根据本国巷道地质与生产条件，采用适宜的锚杆型式。如澳大利亚、英国主要采用树脂全长锚固螺纹钢锚杆。美国锚杆种类比较多，包括树脂锚固锚杆、涨壳式锚杆及混合锚固锚杆。德国除使用树脂锚固锚杆外，还研制了可拉伸锚杆，使锚杆既具有足够的支护阻力，又有一定的延伸性，适应围岩变形强烈的条件。(4)锚杆向高强度、高可靠性方向发展。一方面，研制具有一定延伸率的高强度锚杆材料，如澳大利亚锚杆杆体材料的屈服强度一般在400～600MPa,有的甚至大于600MPa;英国锚杆材料的屈服强度为640～720MPa;美国锚杆材料的屈服强度一般为414~689MPa。另一方面，加大锚杆直径，国外多数使用φ20~22mm的锚杆，有的达到φ24mm。锚杆杆体的拉断载荷一般在200kN以上，有的甚至超过300kN。英国还研制出拉断载荷500kN的大锚杆。在提高锚杆强度的条件下，降低了支护密度，有利于快速掘进。(5)先进的锚杆施工机具不仅保证了支护质量，而且提高了成巷速度，促进了锚杆支护技术的发展。澳大利亚、美国大量采用掘锚联合机组，实现了掘进与锚杆支护一体化，大幅度提高了巷道掘进速度与工效。同时，单体锚杆钻机、钻头钻杆及快速安装系统也有较快发展，基本满足了锚杆支护施工的要求。(6)锚杆支护监测仪器与技术保证了巷道安全。开发出顶板离层指示仪、声波多点位移计、测力锚杆等监测锚杆支护巷道围岩变形、离层、支护体受力的仪器，及时、准确地监测围岩稳定性与支护状况，确保巷道的安全程度。(7)采用科学、严格的管理，制订了锚杆支护材料标准、锚杆支护技术规范，促进了锚杆支护技术的健康发展。62.我国锚杆支护技术发展现状我国煤矿于1956年开始在岩巷中使用锚杆支护，至今已有50多年的历史。锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。从锚杆支护形式的发展过程看，我国最早采用的主要是机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆；1974年开始研制和试验树脂锚杆，并于1976年在淮南、鸡西、徐州等矿区进行了井下试验，取得较好效果；我国还引进和应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆等，开发研制了廉价的快硬水泥锚杆；1996年又从澳大利亚引进高强度树脂锚固锚杆，并针对我国煤矿的条件进行了大量二次开发和完善提高。可以说，国外使用过的锚杆支护形式国内基本上都用过，但是国外没有的巷道地质和生产条件国内基本上都有。我国煤矿锚杆支护首先在岩巷中应用成功，并在岩巷中大力推广应用了以“三小”为代表的锚喷支护技术。20世纪60年代锚杆支护开始应用于采区巷道。由于煤层巷道围岩相对比较松软破碎，又受到采动影响，巷道围岩变形大，对支护技术要求高。我国早期采用的锚杆支护强度、刚度低，支护原理上仍属于被动支护，加之锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、监测仪器等还不成熟，导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。1990年，我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅占3%~5%,煤巷支护主要以棚式支护为主。在“八五”期间，国家将煤巷锚杆支护技术列为重点科技攻关项目，完成了一批水平较高的科研课题，并应用于新汶、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区，取得较好的支护效果。1995年，国有重点煤矿当年新掘的巷道中，锚杆支护所占比重为28.19%,其中岩巷占57.2%,煤巷占15.15%。但是对于复杂困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入细致的研究，煤巷锚杆支护技术发展的潜力还很大。在“九五”期间，原煤炭部又把煤巷锚杆支护技术列为重点课题，展开了更深入、细致和全面的研究试验工作。特别是1996—1997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示。同时经过科研院所、大专院校和煤炭企业的联合攻关，使我国煤巷锚杆支护技术有很大提高。高强度螺纹钢锚杆并进行加长或全长树脂锚固，动态支护设计方法，小孔径树脂锚固预应力锚索等新技术、新材料、新方法得到广泛认可，应用于煤顶巷道、复合与破碎顶板巷道等困难条件，取得良好的支护效果和技术经济效益。进入21世纪以来，随着综采放顶煤、厚煤层一次采全高开采技术的快速发展和大面积应用，对煤巷锚杆支护技术提出更高的要求。综采放顶煤和一次采全高工作面一般要求回采巷道沿煤层底板布置，巷道顶板为比较破碎的煤层，有时甚至是全煤巷道。此外，随着煤矿开采强度与产量的大幅度提高，要求的巷道断面越来越大。为了减少煤炭损失，沿空掘巷应用得越来越广。所有这些都使巷道支护难度显著增加。为此，兖州、潞安、晋城、西山、淮南、淮北、新汶、龙口、开滦、铁法、徐州、华亭等矿区相继开展了本矿区煤巷锚杆支护成套技术的研究、试验与推广应用。锚杆支护在大断面巷道、煤顶和全煤巷道、沿空掘巷、松软破碎围岩巷道等困难条件得到成功应用，显著提高了巷道支护效果，降低了支护成本，为采煤工作面的快速推进，矿井实现高产高效创造了良好的条件。近年来，为了解决深部高地应力巷道、特大断面巷道、受强烈采动影响巷道、沿空留巷等复杂困难条件支护难题，我国又开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术，真正实现了锚杆的主动、及时支护，充分发挥了锚杆的支护作用。井下应用大幅度减少了巷道围岩变形与破坏，巷道支护与安全状况发生了本质改变。同时，实现了高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的“三高一低”的现代锚杆支护设计理念，在保证支护效果的前提下，显著提高了巷道掘进速度与工效。到2005年，国有重点煤矿的煤巷锚杆支护率达到60%,有些矿区超过了90%,甚至达到100%,我国煤巷锚杆支护技术发展到一个崭新的阶段。经过多年的研究与实践，到目前为止，可以说我国煤矿已经形成了有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系，锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。它是我国继推行综合机械化采煤技术以来，采掘技术的又一次革命。它深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式，对我国高产高效矿井建设、煤炭产量与效益的大幅度提高及安全状况的改善起到不可替代的重要作用。四、煤巷锚杆支护成套技术的研究内容煤巷锚杆支护成套技术是一个庞大的系统(图1-1),包括锚杆支护理论、巷道围岩地质力学测试、锚杆支护设计、支护材料、施工机具与工艺、支护工程质量检测、矿压监测、特殊地质条件支护技术、锚杆支护技术规范等诸多方面。1.锚杆支护理论研究锚杆支护机理的目的是了解巷道变形与破坏的特征与规律，锚杆支护构件的作用，锚杆支护与围岩的相互作用关系及其影响因素，为锚杆支护设计提供理论依据。2.巷道围岩地质力学测试巷道围岩是一个极其复杂的地质体。与其他工程材料相比，它具有两大特点：其一是岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响围岩的变形和破坏。因此，一切与围岩有关的工作都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。巷道围岩地质力学测试通过井下实地测量，得到地应力的大小与方向，煤岩体强度及围岩结构分布，为锚杆支护设计提供可靠的基础参数。3.锚杆支护设计在充分了解锚杆支护机理与围岩地质力学参数的基础上，进行锚杆支护初始设计。包括确定巷道断面、护巷煤柱尺寸、锚杆支护形式与支护参数等内容。目前，锚杆支护设计方法有多种，如工程类比法、理论计算法、数值模拟法、现场监测法。优越的锚杆支护设计方法应满足两个条件：提供的锚杆支护形式与参数有效、合理、可靠，在保证支护效果和安全程度的前提下，支护成本最低；设计方法面向煤矿工程技术人员，使这些人员能够简单、方便地掌握，自行设计。4.锚杆支护材料锚杆支护材料包括杆体、托板、螺母、锚固剂、钢带(钢筋托梁)、金属网、锚索等。锚杆支护材料的力学性能必须满足支护设计要求，同时，各构件力学性能应相互匹配，最大限度发挥锚杆整体支护效果。我国煤矿巷道地质与生产条件相差悬殊，应根据不同条件开发不同性能的支护构件材料，根据不同的矿区制订相应的锚杆支护构件材料系列与标准。5.锚杆支护施工机具与工艺78出组彝拼共赖骅台带印尔英楼快创R押失(版)取R恒贤超哑批标罚斯煜HHN出姆兵根水捭失(颇)起宾+区兵怒本拼士再榆赖+再深4A物搜海回本押回共盟旭创画驶孵豪堆图1-1煤巷锚杆支护成套技术体系图1-1煤巷锚杆支护成套技术体系隔颂R我菜爽典思口买共押回磊理失失险共曲箍段表出箍段MK册9锚杆施工机具与工艺是保证巷道施工质量与提高成巷速度的重要环节。施工机具包括锚杆钻机、钻杆、钻头、安装器、锚杆(索)预紧设备等。施工工艺包括机具合理配置、施工工序合理安排、劳动组织等。只有针对巷道具体的围岩条件与生产条件，选择适合的机具与相应的施工工艺，才能在保证施工质量的前提下提高成巷速度。6.锚杆支护工程质量检测锚杆支护属隐蔽工程，施工结束后不进行全面、系统的施工质量检测，很难发现存在的问题，导致安全隐患。锚杆支护工程质量检测主要包括锚杆(索)安装几何参数、力学性能参数及各构件的安装质量。几何参数包括锚杆(索)间排距、锚杆(索)安装角度、锚杆(索)外露长度等，力学参数有锚杆锚固力、锚杆(索)预紧力等，构件的安装质量包括托板、组合构件及金属网的安装质量。7.锚杆支护矿压监测矿压监测是锚杆支护技术的重要组成部分。锚杆支护实施于井下后，应对围岩变形状况，锚杆(索)受力分布和大小进行全方位监测，以获得支护体和围岩的位移和应力信息，从而判断锚杆支护初始设计的合理性和可靠性，巷道围岩的稳定程度和安全性。进而根据监测信息，修改初始设计，使其逐步趋于合理。矿压监测分为井下监测与数据处理、信息反馈与修正初始设计两大部分。第一部分包括巷道表面位移、深部位移、顶板离层、锚杆(索)受力监测，以及监测数据处理与分析；第二部分包括选择反馈指标、确定反馈指标值、确定修改初始设计的准则等。8.特殊地质条件巷道支护技术煤矿井下经常遇到特殊地质条件，如断层、褶曲、陷落柱、破碎带、软煤区等。在这些困难条件下，往往单独采用锚杆支护不能有效加固围岩，确保巷道安全，必须增加其他支护与加固措施。单体支柱、金属支架、注浆加固是常用形式。采用联合支护时，应充分考虑支护形式力学性能之间的协调与匹配，以最大限度地发挥每种支护形式的支护效果。9.锚杆支护技术规范煤巷锚杆支护技术涉及诸多内容。在锚杆支护研究与试验初期，组织强有力的攻关队伍和研究试验小组，各负其责，可保证试验巷道圆满成功。一旦煤巷锚杆支护技术大面积推广应用，并纳入正常生产后，不可能再像课题攻关阶段那样投入很多的人力和时间，针对各矿区的具体条件制订煤巷锚杆支护技术规范就显得非常必要。技术规范明确规定锚杆支护各个环节的技术要求与指标。工程技术人员和施工人员必须严格按规范要求执行，才能保证巷道施工质量，避免安全事故发生，才能使煤巷锚杆支护技术走上规范化、标准化的健康发展之路。五、我国煤巷锚杆支护技术取得的主要成果总结概括起来，我国煤巷锚杆支护技术取得以下主要成果：1.深化了对锚杆支护作用机理的认识对锚杆支护作用机理的研究表明，锚杆对巷道围岩强度、围岩结构与围岩应力都有不同程度的改善：煤岩体锚固后可提高围岩的强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数；锚杆可提高围岩不连续面的强度，阻止不连续面产生移动与滑动，提高节理煤岩体的整体强度和完整性；锚杆给围岩施加一定的作用力，改善围岩应力状态。锚杆的本质作用在于阻止围岩出现张开裂隙和裂纹、结构面出现离层与滑动，最大限度地保持围岩的完整性，避免有害变形出现。高强度、高刚度锚杆组合支护系统得到广泛认可，不仅重视锚杆的强度，而且强调支护系统的刚度和整体效果，特别是锚杆预紧力的决定性作用和组合构件的重要性，使锚杆支护真正实现了主动、及时支护。2.开发出巷道围岩地质力学快速测试系统该系统包括地应力测量装置、巷道围岩强度原位测定装置以及钻孔窥视仪。该系统的应用实现了井下巷道围岩地质力学参数的快速、经济、大面积测量，结合实验室煤岩物理力学性质试验，能够为巷道布置与支护设计提供比较全面、可靠的基础参数。3.动态性、系统性、信息性的锚杆支护设计方法得到普遍认可与应用该设计方法认为锚杆支护设计不是一次完成的，而是一个动态的、系统的过程，设计应充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。有限差分(FLAC)、有限元(ANSYS、ADINA等)、离散元(UDEC)等数值计算软件已广泛应用于锚杆支护设计，提高了设计的科学性、合理性与可靠性。有些单位还开发出适用于工程技术人员使用的煤巷锚杆支护设计软件，不仅提高了设计的合理性与可靠性，而且大大减轻了工程技术人员的设计工作量，提高了设计速度和质量。4.开发出高强度树脂锚固锚杆支护系统，实现了煤矿巷道支护材料的跨越式发展(1)研制出锚杆专用钢材-左旋无纵筋螺纹钢，达到高强度和超高强度级别，并形成系列，力学性能达到了国外同类产品的水平。(2)开发出经济型树脂锚固剂成套生产设备，能够生产超快速、快速、中速、慢速及双速等不同类型、不同规格的树脂锚固剂，满足锚杆支护的不同要求。(3)设计出W形、M形钢带等组合构件，制订了钢带产品系列与技术标准。研制出矿用钢带轧制设备与生产工艺，使钢带强度、刚度有明显提高，断面形状和尺寸进一步(4)研制出多种形式的玻璃钢锚杆，无论是玻璃钢锚杆杆体加工工艺和力学性能，还是锚杆尾部结构均有明显改进与提高，为煤帮提供了可切割的支护方式。(5)开发出小孔径树脂锚固预应力锚索。采用树脂药卷锚固，单体锚杆钻机施工，安装工序简单，施工速度大幅度提高。同时，开发了不同直径的锚索索体系列，适应不同的巷道条件。小孔径树脂锚固锚索为复杂困难巷道提供了有效、快速的加固手段。5.研制出系列锚杆钻机经过不断改进、完善和提高，单体气动和液压锚杆钻机、手持式锚杆钻机的性能指标达到了国外同类产品的水平，并形成系列产品，基本满足了锚杆支护的要求，结束了锚杆钻机主要靠进口的历史。6.形成了较成熟的煤巷锚杆快速施工工艺立足我国煤矿现有的掘进装备，形成了一套综掘机配单体锚杆钻机的煤巷快速施工工艺。以扭矩螺母为控制元件的树脂锚杆快速安装系统，实现了搅拌树脂药卷、上托板、紧固螺母一体化；快速施工工艺使煤巷锚杆支护单进水平有了较大提高；有些矿区还引进了国外先进的连续采煤机配锚杆台车的施工工艺与设备，以及掘锚联合机组，大幅度提高了煤巷掘进速度。7.研制出锚杆支护施工质量检测与矿压监测成套仪器顶板离层指示仪、测力锚杆、锚杆(索)测力计和多点位移计等监测仪器及矿压在线监测系统在井下得到推广应用，在判断支护设计的合理性、围岩的稳定性与巷道的安全性方面起到重要作用。8.开发出多种形式的锚注锚杆将锚固与注浆加固技术有机结合在一起，开发出多种形式的注浆锚杆、注浆锚索及钻锚注一体化锚杆。它兼有锚固与注浆加固功能，为破碎煤岩体等复杂困难条件提供了有效的加固手段。9.部分矿区制订了煤巷锚杆支护技术规范有些矿区针对具体条件，制订了本矿区的煤巷锚杆支护技术规范，促进了煤巷锚杆支护技术的健康发展。10.煤巷锚杆支护技术得到大面积推广应用煤巷锚杆支护技术已在我国煤矿得到大面积推广应用，解决了大量巷道支护加固难题，取得巨大的技术经济效益与社会效益。六、我国煤巷锚杆支护技术存在的问题与展望虽然我国煤巷锚杆支护技术取得了很大进展，但还存在很多问题。为了将这项技术推广、应用得更好，为煤炭工业带来更大的技术经济效益和社会效益，应该总结存在的不足，为以后的发展提出建议。1.锚杆支护作用机理的研究虽然我国学者在煤巷锚杆支护作用机理方面做了大量工作，提出多种支护理论，在实际应用中也解决了不少问题。但是由于煤巷地质条件的复杂性与多变性，导致对锚杆支护作用机理的认识还缺乏全面性、系统性，缺乏细化的、深入的试验研究。对深部高地应力巷道、极破碎围岩巷道等困难条件的支护理论研究还很不够。因此，针对我国煤矿巷道条件，在锚杆支护理论方面还需进行大量细致、深入的研究与试验。2.巷道围岩地质力学测试和超前地质预报巷道围岩地质力学参数，包括地应力、围岩强度和结构是锚杆支护设计的重要基础参数，是保证锚杆支护合理、有效、可靠、安全的前提条件。但是，目前我国仅有少数矿区进行了比较全面、系统的测试工作，大多数矿区缺乏锚杆支护设计必须的基础参数，设计的合理性与可靠性无法保证。今后，应该把巷道围岩地质力学测试放在十分重要的位置，并把它列为锚杆支护技术必不可少的工作。此外，目前缺乏有效的巷道地质构造超前预报手段。掘进遇到地质构造时只能临时采取措施，极易导致冒顶、片帮事故发生。因此，急需开发巷道超前地质预测预报仪器。3.煤巷锚杆支护设计方法的研究与推广煤巷锚杆支护设计方法已经从过去简单的经验法、理论计算法，发展到现在以数值计算、现场监测为基础的动态信息设计法。但是，目前我国许多矿区还是以经验法为主，设计是静态的，不重视监测数据的收集、分析与反馈。有的矿井甚至不论巷道地质与生产条件如何，都是一种支护形式和参数，导致巷道冒顶事故时有发生。因此，在我国煤矿应大力推广先进的设计方法，使现场工程技术人员能够掌握和实际应用，并不断改进与提高。4.锚杆支护材料的多样化、系列化与标准化太多，不同层次厂家的产品质量相差悬殊。有必要制定锚杆支护材料系列及相应的标准，开发；其次，针对目前巷道多、监测工作量尽管我国国有重点煤矿煤及半煤岩巷锚杆支护率已达到60%左右，但是煤巷锚杆支的支护方式，许多地方煤矿锚杆支护为零，地方煤矿的锚杆支护率远远低于国有重点煤第二章煤巷锚杆支护理论锚杆支护理论研究的目的是弄清锚杆、锚索与围岩之间的相互作用关系，从而为锚杆支护设计提供理论基础。自从锚杆支护问世以来，人们一直把锚杆支护作用机理作为一个重点，进行了广泛、深入的研究。传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论等。这些理论都是在一定假说的基础上，针对不同围岩条件提出的。由于理论简明易懂、设计计算简单，因此得到广泛应用，在生产实践中起到了积极作用。但是，这些理论都存在一定的片面性和局限性，不能适用于各种巷道条件。随着我国煤巷锚杆支护技术的快速发展，对锚杆支护理论的研究也取得较大进展。在大量理论分析、实验室试验、数值模拟及井下试验研究成果的基础上，进一步深化了对锚杆支护作用本质的认识，并应用于工程实践，指导和促进了煤巷锚杆支护技术的推广应用。第一节锚杆支护构件的作用锚杆支护由锚杆杆体、托板和螺母、锚固剂、钢带及金属网等构件组成，锚杆支护的作用是由这些构件共同完成的。因此，有必要对锚杆支护构件的作用分别进行分析。一、锚杆杆体的作用对于锚杆杆体本身来说，由于杆体长度方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸，所以力学上属于杆件。这种构件主要可以提供两方面的作用(图2-1),第一是抗拉，其次是抗剪作用。至于杆体的抗弯能力和抗压能力是非常小的，可以忽略不计。锚杆树脂锚固剂岩层移动→锚杆树脂锚固剂岩层移动→-岩层移动锚杆杆体树脂锚固剂岩层膨胀岩层膨胀锚杆张力阻止岩层移动树脂对锚杆杆体的作用岩层移动对树脂的作用图2-1锚杆杆体的作用(以树脂锚杆为例)1.锚杆的抗拉作用锚杆杆体所能承受的拉断载荷可用下式计算：式中P——锚杆拉断载荷，N;d——锚杆直径，mm;常用锚杆钢材的力学强度见表2-1。屈服强度/抗拉强度/从表2-1中看出，对于常用直径20mm的锚杆杆体，圆钢(Q235)、高强度螺纹钢(BHRB400)、超高强度螺纹钢(BHRB600)的拉断载荷分别约为119.4kN、179.1kN、251.3kN,后两者分别是前者的1.5和2.1倍。2.锚杆的抗剪作用锚杆杆体所能承受的剪切载荷可用下式计算：b——锚杆钢材剪切强度，MPa。根据材料力学，对于塑性材料，剪切强度一般是拉伸强度的0.6~0.8倍，取平均值0.7倍，得各种锚杆钢筋的剪切极限强度见表2-2。剪切强度/剪断载荷/kN从表2-2中看出，对于常用直径20mm的锚杆杆体，圆钢(Q235)、高强度螺纹钢(BHRB400)、超高强度螺纹钢(BHRB600)的剪断载荷分别约为83.6kN、125.3kN、二、锚杆托板的作用托板是锚杆的重要构件，对锚杆支护作用的发挥影响很大。托板的作用可分为两个方面：一是通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面，给锚杆提供预紧力，并使预紧力扩散到锚杆周围的煤岩体中，从而改善围岩应力状态，抑制围岩离层、结构面滑动和节理裂隙的张开，实现锚杆的主动、及时支护作用；其二是围岩变形使载荷作用于托板上，通过托板将载荷传递到锚杆杆体，增大锚杆的工作阻力，充分发挥锚杆控制围岩变形的托板力学性能应与锚杆杆体的性能相匹配，才能充分发挥锚杆的支护作用。托板强度不足、安装质量差、受较大偏载都会显著降低锚杆的作用。对于端部锚固锚杆，托板是锚杆尾部接触围岩的构件，通过托板给锚杆施加预紧力，传递围岩载荷至锚杆杆体，托板本身失效，以及托板下方的围岩松散脱落，导致托板与表面不紧贴，都会使锚杆失去支护作用。对于加长锚固锚杆，托板的作用同样重要，通过托板压紧巷道表面给锚杆施加预紧力，预紧力对锚杆工作阻力和受力分布又产生影响，提高支护效果。托板对全长锚固锚杆的受力分布有明显的影响。图2-2所示是有、无托板时锚杆轴力与剪力分布示意图。无托板时锚杆轴力在巷道表面处为零，在一定深度达到最大值，剪力在轴力最大处为零；有托板时，由于锚杆施加的预紧力和围岩通过托板作用在锚杆杆体上的力，使得锚杆轴力在巷道表面处达到一定值，而且使锚杆轴力最大的位置向孔口移动，更接近巷道表面。0轴向力0(a)无托板剪应力0轴向力0剪应力(b)有托板图2-2托板对全长锚固锚杆受力分布的影响锚固剂的主要作用是将钻孔孔壁岩石与杆体黏结在一起，使锚杆发挥支护作用。同时锚固剂也具有一定的抗剪与抗拉能力，与锚杆共同加固围岩。1.锚固剂的黏结作用在工程设计时，计算锚杆拉拔力的简化方法是假定锚固剂与杆体、锚固剂与钻孔孔壁之间的黏结应力沿锚固长度内均匀分布，则锚杆拉拔力可用下式计算：式中P——锚杆拉拔力，kN;l——锚固长度，m;t₁——锚固剂与杆体之间的黏结强度，MPa;d——锚杆直径，mm;D——钻孔直径，mm。这种简化的方法虽然计算简单，但不符合锚杆拉拔时黏结应力分布的实际情况。至于锚杆在实际工作状态下黏结应力的分布与拉拔试验时还有很大区别，影响因素更多、更复杂。这些影响因素包括锚固剂性能、围岩性质、钻孔直径和粗糙度、锚杆直径与粗糙度、钻孔与锚杆直径差等。关于锚杆在拉拔状态下和实际工作状态下黏结应力的分布，国内外学者做了大量研究与试验，得出黏结应力分布的公式与曲线。在拉拔状态下，杆体锚固段剪应力分布为负指数曲线，如图2-3所示。可用下式式中t(x)——距锚固起始端x处锚固剂作用于杆体表面的黏结应力，MPa;K₁——锚固剂的剪切刚度，MPa;美国学者采用拉拔试验测定锚固在混凝土中树脂锚杆拉拔力在杆体中的传播规律，得出图2-4所示的曲线，表明轴向力在杆体上呈负指数分布，与黏结应力有同样的趋势。由式(2-4)可知，锚固起始段处x=0,t(0)=c。当t(0)<[t]([t]为黏结强度),锚固剂不会发生破坏。随着拉拔力增加，t(0)也逐渐增加。当t(0)=[t],锚固剂发生破坏。黏结应力逐渐从图2-3中曲线1发展到曲线2,锚固剂从锚固起始端逐渐向深部破坏，最大黏结应力点也逐渐向深部移动。当曲线下方面积最大时，锚杆拉拔力达到最大。假设锚固剂破坏到锚固长度中点，拉拔力最大，可得出最大拉拔力Pmax的表达式：锚40距锚固起始点的距离/mm图2-4拉拔力在杆体上的分布式中α——残余黏结应力影响系数；l——锚固长度，mm。2.锚固剂的抗拉与抗剪作用我国树脂锚固剂的抗拉强度一般可取11.5MPa。如果φ28mm的钻孔中不安装锚杆，只注树脂锚固剂，则锚固剂可提供7.08kN的抗拉力。如果φ20mm的杆体，安装在φ28mm的钻孔中，则锚固剂可提供3.47kN的抗拉力。可见锚固剂提供的抗拉力远小于树脂锚固剂的抗剪强度一般可取35MPa。如果φ28mm的钻孔中不安装锚杆，只注树脂锚固剂，则锚固剂可提供21.54kN的抗剪力。如果φ20mm的杆体，安装在φ28mm的钻孔中，则锚固剂可提供10.55kN的抗剪力，分别是圆钢(Q235)、高强度螺纹钢(BHRB400)、超高强度螺纹钢(BHRB600)的剪断载荷的12.4%、8.4%、5.9%。可见锚固剂可提供一定的抗剪能力。按锚杆锚固长度，可将锚固方式分为端部锚固、加长锚固与全长锚固。对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供黏结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的(图2-5)。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比较复杂，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁黏结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。对于端部锚固锚杆，杆体各部位的应力和应变相等。在锚固范围内，任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体的长度上，导致杆体受力对围岩变形和离层不敏感，支护刚度低。对于全长锚固锚杆，这种分散是不可能的，致使应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，离层和滑动大的部位锚杆受力很大，杆体受力对围岩变形和离层很敏感，能及时抑制围岩离层与滑动，支护刚度高，如图2-5所示。这是全长锚固锚杆与端部锚固锚杆200kN50kN的根本区别。四、钢带的作用钢带是锚杆支护系统中的重要构件，对提高锚杆支护整体支护效果、保持围岩的完整性起着关键作用。钢带的作用主要表现在以下3方面：(1)锚杆预紧力和工作阻力扩散作用。单根锚杆作用于巷道表面可近似看成点载荷，钢带可扩大锚杆作用范围，实现锚杆预紧力和工作阻力扩散，使载荷趋于均匀。(2)支护巷道表面和改善围岩应力状态作用。钢带对巷道表面提供支护，抑制浅部岩层离层、裂隙张开，保持围岩的完整性，减少岩层弯曲引起的拉伸破坏，改善岩层应力状态，防止锚杆间松动岩块掉落。(3)均衡锚杆受力和提高整体支护作用。钢带将数根锚杆连接在一起，可均衡锚杆受力，共同形成组合支护系统，提高整体支护能力。分析钢带受力的简化模型是将两根锚杆之间的钢带段作为一简支梁(图2-6),采用材料力学的相关公式计算钢带受力与变形。假设钢带受到均布载荷q的作用，则式中Mmx——钢带中点处最大弯矩，kN·m;f-——钢带挠度，mm;I——钢带惯性矩，m⁴。由式(2-6)、式(2-7)可知，q、a越大，钢带所受的弯矩越大，挠度也越大。相反，钢带的抗弯刚度(EI)越大，则钢带挠度越小。巷道支护要求钢带能够提供足够的支护力，同时钢带的挠度越小越好。综合分析钢带的作用，得出钢带的3个关键参数：护表面积、抗拉强度和抗弯刚度。一般认为，网可以用来维护锚杆间的围岩，防止松动小岩块掉落。其实，网的作用远不止这一个，特别是在高地应力、破碎围岩条件下，网是锚杆支护系统中不可或缺的重要网的作用主要表现在以下3方面：(1)维护锚杆之间的围岩，防止破碎岩块垮落。(2)紧贴巷道表面，提供一定的支护力(已有的研究成果表明，我国现用菱形金属网，在保证施工质量的条件下，可提供0.01MPa的支护力),一定程度上改善巷道表面岩层受力状况。同时，将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆，形成整体支护系统。(3)网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏，而且对深部围岩也有良好的支护作用。如图2-7所示，有网的情况下，虽然巷道表面围岩已破坏，但没有松散、垮落，可作为传力介质，使巷道深部围岩仍处于三向应力状态，提高岩体的残余强度，显著减小围岩松散、破碎区范围，同时也保证了锚杆的锚固效果。实验室试验数据表明，采用锚网加固的试件在受载破坏时，裂成密集的细柱状杆系，残体较完整，残余强度为极限抗压强度的1/4左右；无网锚杆加固试件残体不完整，无明显的残余强度。如果没有金属网或金属网失效，围岩破坏会从表面发展到深部，逐渐破碎、松散，失去强度，导致围岩垮落，锚杆失效。第二节锚杆支护的加固作用以上分析了锚杆支护各构件的作用，在实际支护状况下，锚杆支护各构件共同发挥作用，控制围岩变形与破坏。本节分析锚杆提供的支护强度对煤岩体强度的影响，以及对煤岩体内层理、节理、裂隙等不连续面的加固作用。一、锚杆提供的支护强度首先将锚杆作为抗拉构件分析其支护加固作用。将锚固岩体看成是一种复合材料，锚杆加固作用主要由杆体的拉力所致，这样杆体的加固作用是提高复合材料在杆体方向的刚度。锚杆的加固作用引起的锚固体变形模量的增加值可用下式表示：E₆——钢材的弹性模量，MPa;若杆体直径20mm,锚杆间排距为0.8m×0.8m,钢材的弹性模量为210000MPa,则锚固体变形模量的增加值为103MPa。对于变形模量大于1000MPa的岩石来说，杆体提高变形模量的效应不明显。表2-3列出锚杆间排距0.8m×0.8m条件下，不同材质、不同直径杆体的支护强度。表2-3锚杆的支护强度抗拉强度/由摩尔强度理论可知，岩石强度与其所受的围压有如下关系：式中σ₁——岩石强度，MPa;由式(2-10)可知，围压越高，岩石强度越大。在巷道顶板安装锚杆就相当于给顶板提供了围压。如表2-3所列，以直径为22mm的高强度锚杆(BHRB400)为例，它可提供的最大围压为0.34MPa。假设岩石的内摩擦角为35°,则σ₁可提高1.26MPa。对于中等强度以上岩石(单轴抗压强度大于30MPa),这个增加值就显得很小，因此锚杆支护在岩石破坏前对其强度影响不大。对于煤体则情况有所不同。因煤层的强度比较低，特别是中等强度以下的煤层(煤层单轴抗压强度小于15MPa),锚杆在煤体破坏前对其强度有比较明显的影响。国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变化进行了比较全面、系统的研究。研究结果表明，岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数。而且，锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束时岩石应力、应变曲线如图2-8所示。可见，锚杆显著增加了岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比较平缓。T屈服点有约束0岩石软化(可以承载)E二、锚杆对不连续面的加固作用围岩内存在各种节理、层理、裂隙等不连续面，这些结构面的分布与强度对岩体的整体强度影响很大。一般情况下，结构面的强度比较低，锚杆对其强度影响很大，从而明显提高岩体的整体强度、完整性与稳定性。如图2-9所示，假定被平面节理切割的2块分离岩块中，安装1根锚杆。当2块岩块之间发生相对位移时，杆体即承受载荷。位移u的分量为在杆体与节理交点，位移引起杆体所受的力为P。设P与杆体之间的夹角为β,则力与拉应力所致(图2-10a)。在比较软的岩石，可以观察到在杆体中有两个塑性弯折对称地出现在节理两侧。在两个弯折之间，杆体的倾斜度增大。破坏主要由拉应力所致理论分析表明，影响杆体对节理抗剪强度作用的主要参数包括杆体的截面、钢材的屈服强度、杆体的倾斜度、节理内摩擦角、节理剪胀角及岩石强度等。杆体的作用可以用下式表示：式中F——杆体提供的节理切向抗力，kN;P₀——杆体的拉伸屈服力，kN;根据国外学者的试验结果，当θ=30°,抗压强度σ。=25MPa,a=0.88,b=0.39。假设φ=20°,则FT=1.02P₀。对于直径22mm的BHRB400杆体，Po=152.1kN,FT=155.1kN。可见，锚杆提供的抗剪力是很大的。另外，法国学者F.Pellet,从已有大量锚杆加固节理剪切试验结果，得出以下经验公式估算锚杆的作用。综上所述，锚杆对不连续面的本质作用在于：通过锚杆提供的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面产生移动与滑动。通过提高结构面的强度提高节理岩体的整体强度、完整性与稳定性。第三节现有锚杆支护理论评述研究锚杆支护作用机理的目的是弄清锚杆与围岩之间的相互作用关系，从而为锚杆支护设计提供理论基础。自从锚杆支护问世以来，人们一直把锚杆支护作用机理作为一个重点，进行了广泛、深入的研究。到目前为止，已提出多达十几种锚杆支护理论，如悬吊理论、组合梁理论及加固拱理论等。这些支护理论在生产实践中起到了积极作用。但是，各种理论都有其适用条件，都不同程度地存在着局限性、片面性、不合理性和不可操作性。近年来，随着锚杆支护技术的快速发展，对锚杆支护理论的研究也有了较大进展。逐步认识到预紧力在锚杆支护中的决定性作用，锚杆对围岩强度的强化作用，锚杆对围岩结构面离层、滑动、节理裂隙张开等扩容变形的约束作用，以及保持围岩完整性的重要性。这些认识对提高锚杆支护效果，特别是困难条件巷道支护提供了有效的理论指导。悬吊理论认为：锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中。悬吊理论是最早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下(图2-11a),这种支护理论应用比较广泛。在比较软弱的围岩中，巷道开掘后应力重新分布，出现松动破碎区，在其上部形成自然平衡拱，锚杆支护的作用是将下部松动破碎的岩层悬吊在自然平衡拱上但是，悬吊理论存在以下明显缺陷：(a)上部有稳定岩层(b)上部形成自然平衡拱1—锚杆；2—松散破碎岩层；3—稳定岩层(1)锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下才等于破碎岩层的重量，而这种条件在井下巷道中并不多见。(2)锚杆安设后，由于岩层变形和离层，会使锚杆受力很大，而远非破碎岩层重量。(3)当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度地改善破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力。而悬吊理论没有考虑围岩的自承能力。(4)当围岩松软，巷道宽度较大时，锚杆很难锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上。悬吊理论无法解释在这种条件下锚杆支护仍然有效的原因。总之，悬吊理论仅考虑了锚杆的被动抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的改变。因此，理论计算的锚杆载荷与实际出入比较大。组合梁理论适用于层状岩层。对于端部锚固锚杆，其提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。对于全长锚固锚杆，锚杆和锚固剂共同作用，明显改善锚杆受力状况，增加了控制顶板离层和水平错动的能力，支护效果优于端部锚固锚杆。从岩层受力角度考虑，锚杆将各个岩层夹紧形成组合梁，如图2-12所示。组合梁所受的最大拉应力与叠合梁所受的最大拉应力的比值为：n——岩层总数。组合梁的最大弯曲应变为式中W——组合梁自重，MN/m²;B——巷道跨度，m;25(a)叠合梁(b)组合梁图2-12锚杆支护的组合梁作用t——组合梁高度，m;组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，但是它存在以下明显缺陷：(1)组合梁有效组合厚度很难确定。它涉及影响锚杆支护的众多因素，目前还没有一种方法比较可靠地估计有效组合厚度。(2)没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏、失稳的主要原因。(3)只适用于层状顶板，而且仅考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，没有涉及锚杆对岩体强度、变形模量及应力分布的影响。三、加固拱理论大量的试验表明，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，各根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，如图2-13所示，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱内的岩体受径向和切向约束，处于三向应力状态，岩体承载能力得到提高。锚杆支护的作用是形成较大厚度和较大强度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于围岩的稳定。1—锚杆；2—加固拱图2-13锚杆支护的加固拱作用加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。但是这种理论同样存在一些明显的缺陷：(1)只是将各锚杆的支护作用简单相加，得出支护系统的整体承载结构，缺乏对锚固岩体力学特性及影响因素的深入研究。(2)加固拱厚度涉及的影响因素很多，很难较准确的估计。四、最大水平应力理论国内外井下地应力测量结果表明，岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性；最大水平主应力明显高于最小水平主应力，这种趋势在浅部矿井尤为明显。因此，水平应力的作用逐步得到研究者的认识和重视。澳大利亚学者W.J.Gale通过现场观测与数值模拟分析，得出水平应力对巷道围岩变形与稳定性的作用(图2-14)。他认为，巷道顶底板变形与稳定性主要受水平应力的影响：当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差；当两者呈一定夹角时，巷道一侧会出现水平应力集中，顶底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮。在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形。锚杆的作用是抑制岩层沿锚杆轴向的膨胀和垂直于轴向的剪切错动，因此，要求锚杆强度大、刚度大、抗剪能力强，才能起到上述两方面的约束作用。这也正是澳大利亚锚杆支护技术特别强调高强度、全长锚固的原因。五、围岩松动圈支护理论董方庭等在大量现场与试验研究工作的基础上，提出围岩松动圈支护理论。巷道开挖后，当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新的裂纹，其分布区域类似圆形或椭圆27形，称之为围岩松动圈。围岩一旦产生松动圈，围岩的最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中的岩石碎胀变形是支护的对象。现有支护无法有效阻止围岩松动圈的产生与发展。围岩松动圈的厚度主要是围岩强度与围岩应力的函数，它是一个综合指标。围岩松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。因此，可根据松动圈的大小进行围岩分类，并提出相应的支护形式。根据围岩松动圈理论，将锚喷支护按机理分3种类型：①小松动圈(厚度小于400mm),锚杆支护作用不明显，只需进行喷射混凝土支护。②中松动圈(厚度在400~1500mm之间),支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外。③大松动圈(厚度大于1500mm),锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢复到接近原岩的强度并具有可缩性，采用加固拱理论设计锚杆支护参数。可见，松动圈支护理论确定了使用各种经典锚杆支护理论的适用条件和范围。六、围岩强度强化理论侯朝炯等在已有研究成果的基础上，提出巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论的要点为：①锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构；②锚杆支护可提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数(弹性模量、黏聚力、内摩擦角等),改善被锚岩体的力学性能；③巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化；④锚杆支护可改变围岩的应力状态，增加围压，提高围岩的承载能力，改善巷道支护状况；⑤围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于巷道围岩的稳定。为全面了解岩体锚固前后力学参数的变化，进行了相似材料模拟试验。试验结果表明：岩体锚固后，弹性模量有较大提高，且随着锚杆密度增加而增大；锚杆对锚固体破坏前的黏聚力和内摩擦角均有影响，但程度不一样(对锚固体黏聚力变化不大，最大可将岩体的黏聚力提高10%左右，但对锚固体的内摩擦角影响较大);锚固体破坏后的黏聚力和内摩擦角与无锚杆时相比均有不同程度的提高，锚杆密度越大，锚固体残余阶段的黏聚力越大，最大可提高50%以上。为描述锚杆对岩体的强化作用，引入强化系数，即锚固体的强度与未锚固岩体强度的比值。锚固体极限强度强化系数K,为式中σ₁——锚固体的残余抗压强度，MPa;σ*——未锚岩体的残余抗压强度，MPa。28试验数据表明，锚固体的强度总比无锚杆时提高，而且随着锚杆密度增加锚固体的强化系数也不断增加。在锚杆强度一定时，锚杆对残余强度的强化作用大于对极限强度的强化，这对控制破碎区围岩的变形，保持其稳定性具有重要作用。第四节锚杆支护作用机理分析一、锚杆支护对围岩强度、围岩结构和围岩应力的作用通过对锚杆支护构件作用的分析，锚杆支护加固作用的研究，以及现有锚杆支护理论的评述，结合巷道围岩性质的三要素(围岩强度、围岩结构和围岩应力),根据我国煤矿巷道围岩变形、破坏的特点，归纳锚杆支护的作用如下：(1)锚杆支护对围岩强度的影响。实验室试验表明，煤岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数。但对于中等强度以上岩石(单轴抗压强度大于30MPa,变形模量大于1000MPa),锚杆支护对岩石破坏前的强度和变形影响不明显。而对于强度比较低的煤岩体，锚杆在煤岩体破坏前对其强度有比较明显的影响。锚杆的主要作用是改善发生塑性变形和破碎煤岩的力学性质，显著提高其屈服后的强度，改变屈服后煤岩变形特性。(2)锚杆支护对围岩结构的影响。围岩内存在各种节理、层理、裂隙等不连续面，这些结构面的分布与强度对煤岩体的整体强度影响很大。一般情况下，结构面的强度比较低，锚杆对其强度影响很大。锚杆对不连续面的本质作用在于：通过锚杆提供的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面产生移动与滑动。通过提高结构面的强度，提高节理煤岩体的整体强度、完整性与稳定性。(3)锚杆支护对围岩应力分布的影响。巷道开挖以后，应力状态发生很大变化，出现受拉与受剪的区域。通过锚杆给围岩施加一定的压应力，改善围岩应力状态。对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力。二、影响锚杆支护效果的关键因素分析锚杆支护对围岩强度、围岩结构及围岩应力都有不同程度的影响，究竟什么是影响锚杆支护作用的关键因素，怎样才能充分发挥锚杆主动、及时支护的能力，提高巷道支护效果。通过理论分析、数值模拟与井下试验得出，提高锚杆支护系统的刚度非常重要。提高支护刚度的途径主要有两方面：一是及时给锚杆施加较大的预紧力，并通过托板、钢带等构件实现预紧力有效扩散；二是采用加长锚固或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能及时抑制离层与错动的产生。特别是锚杆的预紧力在支护系统中起决定性作用。预应力锚杆支护中有以下几个术语：(1)锚杆预紧力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉力；(2)锚杆预紧力矩：在锚杆安装过程中，对锚杆螺母施加的力矩；(3)锚杆预应力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉应力，等于锚杆预紧力与杆体横截面积的比值。关于锚杆(索)预紧力的重要性，在岩土加固工程中已经得到广泛认可与重视。在交通、水利、水电及城市岩土边坡工程中，预应力锚杆(索)和全长锚固锚杆相结合的加固方式最为普遍。如三峡永久船闸长1607m、高170m的边坡，采用4000余根长25~61m的3000kN预应力锚杆(索)和100000余根高强度锚杆加固，保持了边坡的稳定。在隧道和地下硐室工程中，预应力锚杆(索)也是有效的加固手段。在城市基坑工程中，预应力锚杆(索)背拉桩墙的支护结构应用十分普遍。数值计算表明，锚杆预紧力对基坑潜在滑移场产生很大影响。随着锚杆预紧力的增加，基坑塑性区不断缩小，当预紧力达到一定数值时，塑性区变得很小。在坝体工程中，采用预应力锚杆(索)可将坝体与基岩紧固起来。我国已有的十几座混凝土重力坝，采用拉力值2400~8000kN的预应力锚杆(索)进行加固。在上述岩土工程中，把锚杆(索)预紧力的作用放在十分重要的地位，进行锚杆(索)支护设计时，预紧力是关键参数。在国外，美国的矿井十分重视锚杆预紧力的作用。在20世纪70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，实现了锚杆的高预紧力。此外，采用抗摩擦塑料垫圈也是提高锚杆预紧力的重要手段。目前，美国矿山巷道的锚杆预紧力一般为100kN,可以达到锚杆杆体屈服载荷的50%~75%。美国的实践经验表明，高预应力锚杆显著提高了复杂条件顶板的稳定性，大大降低了冒顶事故。美国矿山之所以取得如此支护效果，源于两方面的原因：其一是从机理上认识到锚杆预紧力的重要作用。如美国J.Stankus和SongGuo研究了水平地应力对巷道围岩变形与破坏的影响，认为水平地应力是引起顶板离层、底鼓的主要原因，但可以通过提高顶板锚杆的预紧力，将水平地应力的消极影响变为积极作用，从而提高围岩的稳定性。其二是采用性能优越的锚杆施工机具，在锚杆安装过程中能够实现高预紧力。受美国巷道锚杆支护设计理念的影响，我国学者对锚杆预紧力的作用也有一定的研究。朱浮声、郑雨天的研究结果表明，当锚杆预紧力达60~70kN时，就可有效控制巷道顶板下沉，并可加大锚杆间排距，减小锚杆支护密度。陈庆敏等提出基于水平地应力的“刚性”梁结构，认为当锚杆预紧力达到一定程度时，锚杆长度范围内和长度以上的顶板离层得以消除，使巷道顶板形成“刚性”梁，从而保证顶板的稳定。自1996年我国煤矿推广应用小孔径预应力树脂锚固锚索以来，锚杆支护的应用范围显著扩大，取得良好支护效果。不仅因为锚索锚固深度大，更主要的是锚索可以施加较大的预紧力，抑制了围岩的离层、滑动等有害变形。小孔径预应力树脂锚固锚索是煤矿采用预应力支护技术的典型例子。基于高预应力设计思想，煤炭科学研究总院北京开采研究所在新汶深部高地应力巷道(埋深1300m)、金川镍矿高地应力、破碎蠕变围岩巷道等困难条件，采用高预应力(80～100kN)、强力锚杆(拉断力400kN)和锚索支护，有效控制了围岩的