锚杆支护技术.ppt

1、中国矿业大学(北京校区)矿业系马念杰，电话：(010) 62345357 (O) (010) 62331888 (H)电子邮件：巷道支护理论与技术，1基本概念，1.1煤炭工业概况，煤炭在国民经济建设中的地位是工业粮食，在我国一次能源消费结构中，煤炭是重要的工业原料。煤可以提炼出200多种产品，是我国社会主义经济建设和人民生活所必需的。1996年，原煤产量达到13.3亿吨，居世界第一位。在原煤产量中，国有重点煤矿和地方煤矿分别占40%和60%左右。1.2煤巷在煤矿生产中的位置是矿井运输、通风、排水和行人的必要通道，煤巷占矿井巷道的总长度；每年，超过10，000公里的新煤巷被挖掘，1。项目背景，1

2、.3开发方法，1。露天采矿道路开发、铁路开发、输送机开发和混合开发。地下开采竖井开发、斜井开发、平硐开发和混合开发，图6-2不同倾角矿体露天开采示意图图6-3中国山西平朔安太堡露天煤矿露天开采总平面图(单斗车技术15Mt/a)。中国辽宁省海州露天煤矿WABCO公司生产的120C(109t)电动轮车(单斗铁路技术5Mt/a)，1.4矿井开拓及巷道布置，箕斗罐笼，1.5提升设备，1.6运输设备，皮带运输，2开采技术，2.1采煤方法分类，墙式采煤方法和柱式采煤方法等采煤方法。房柱式空场采煤法(典型方案)，掘进为长壁采煤法，采用锚杆支护和支架支护，2.2分类采煤技术，一般机械化采煤采用爆破采煤(简称普

3、采)，采煤机、柔性刮板输送机、金属摩擦支柱或单体液压支柱和金属铰接顶梁(或无顶梁)、液压千斤顶等综合机械化采煤(简称综采)实现落煤、装煤和运输。爆破开采是建国初期最重要的采煤技术。1991年，统一煤矿的炮采产量占31.31%，地方国有煤矿的炮采产量占60%以上。(1)爆破开采，(2)机采，采煤机，采煤工艺，(3)综合机械化采煤(综采)，自移支架，2.3掘进，爆破，凿岩机，掘进机，装岩机，3矿压及其表现形式，采煤作业期间顶板管理模式，矿压基本概念，工作面2。断裂带甲的覆盖层为软岩；覆盖层为中硬岩层；c)覆岩是坚硬岩层，矿压的基本概念，2)煤巷的特征，松软破碎的围岩；受开采影响大，地应力大；巷道严

4、重变形；1工程背景、(4)巷道矿压显现的基本规律，在掘进阶段()，掘进巷道只对小范围的岩体造成扰动，所以在正常情况下，矿压显现不会很严重。在无采动影响阶段()，顶底板接近速度远小于掘进过程，巷道基本处于稳定状态。采矿影响阶段()采矿影响是由采矿作业引起的围岩应力重新分布造成的。现阶段，矿井压力也是最强的。开采影响稳定阶段()这是巷道围岩受开采影响后重新进入相对稳定的阶段，因此其围岩运动特征与无开采影响阶段基本相似。二次开采的时空规律与一次开采相似，但在这种情况下，巷道受下段工作面超前支承压力和巷道煤侧残余支承压力的叠加影响，二次开采的强度和范围将略大于一次开采。接近速度曲线、接近量曲线、支架和

5、被动轴承承载力低；不适合大多数煤巷条件，支护损坏严重。棚支护变形破坏严重，木支护破坏形式，工字形梯形支护，U形拱形支护，金属支护巷道变形严重，拱形金属支护巷道变形录像，4。巷道支护、松动压力、软弱地质面切割引起的松动岩体作用于支护结构的压力、采矿或岩块崩落引起的分层等常见概念。当支护结构不能有效限制围岩变形发展，在围岩中形成松动圈时，往往会导致松动围岩压力的发生。释放压力可用松散介质极限平衡理论或块体极限平衡理论进行分析和估算。变形压力是指围岩位移指向巷道(硐室)时挤压支护体产生的压力。它是在围岩与支护体相互作用过程中应用于支护体的。在“围岩支护”的力学系统中，只要围岩发生变形，支护体限制其变

6、形，围岩就会对支护体施加变形压力。变形压力与支架的刚度有关。在某些条件下，支撑的刚度越大，变形压力越大。围岩变形不仅包括弹性变形和塑性变形，还包括与时间相关的流变变形。特别是对于软岩，其数值远大于弹塑性变形，且随时间增加，因此支护体的变形压力也在增加。变形压力理论，膨胀压力，是指由于吸水引起围岩膨胀而对支护体产生的压力。这种压力本质上是一种变形压力，但它是一种含有大量蒙脱石等膨胀矿物的粘土岩特有的围岩压力。在集中应力的作用下，积聚在煤岩体中的弹性应变能在一定条件下突然释放，导致煤岩体发生急剧脆性破坏或大煤体突然抛入采空区的现象。也称为矿井冲击、岩爆、岩爆等。是矿压的动态现象之一。巷道的原岩，以

7、及由于巷道周围开采的影响而应力发生显著变化的范围内(以应力大于原岩的5%为界)的岩体称为“巷道围岩”，而范围外的岩体称为“原岩”。松动圈，即巷道周围岩体破裂和松动的区域，通常称为松动圈。范围一般为0.51.5米，与岩体性质和抗压强度有关。在集中应力的作用下，当巷道围岩上的应力超过其屈服强度时，就会发生塑性变形，并在巷道周围形成塑性变形区，其边界称为塑性圈。圆形岩体的基本特征是裂隙增加。由于塑性圈内的岩石逐渐松弛，失去部分承载能力，原巷道周围岩石承受的部分应力转移到邻近一定深度的岩体中，因此塑性圈在岩体中逐渐扩展到一定深度。巷道影响区是指巷道周围岩体中的应力由于掘进而比原岩中的应力变化显著(大于

8、5)的区域。该区域的范围与矿岩的性质、开采深度、巷道的形状和大小等有关。一般影响范围的直径是巷道最大线性尺寸的24倍。巷道围岩稳定性是指在各种地下工程建设和使用过程中，巷道(或硐室)周围岩体的稳定性。它与岩体性质、地质构造、地应力、开采动压、地下水、巷道跨度和形状以及施工方法等诸多因素有关。巷道围岩变形是其稳定性的反映，是各种影响因素综合影响的结果。1-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；支架甲、乙、丙的可能工作点；Pmax和Pmin支架的最大和最小承载力；Umax允许surroun的最大位移合理选择支护工作点，合理利用围岩自承力的途径是使支护与围岩在相互制约的条

9、件下共同承受，即在不造成围岩松动破坏的前提下，既充分利用围岩自承力，又使支护提供的支护阻力最小化。因此，巷道支护的合理工作点应在一定条件下确定。b点是支架的最佳工作点。为了有一定的安全储备，设计时支架的工作点应保持在离B点不远处。采用物理和化学方法提高围岩的自承能力并对其进行加固是一种有效的措施。前者通常将不同结构类型的锚杆打入煤或岩体中以加固围岩。后者是将粘结剂注入煤或岩体中，填充和加固煤或岩体中的裂隙和各种软弱面，使之成为一个整体，从而提高围岩的自承能力。选择合理的支护方法和参数，巷道支护方法和参数应符合支护和围岩共同承载的原则。根据具体情况，在刚性支撑、伸缩式支撑和锚杆支撑之间进行合理选

10、择。刚性支撑通常仅适用于顶板和底板移近10的情况。在大多数情况下，采矿巷道应由可伸缩支架或螺栓支撑。5煤巷锚杆支护，5.1煤巷锚杆支护机构，从支护机构来看，锚杆支护属于“主动”支护，它能充分利用围岩的自支撑能力，提高巷道围岩的稳定性，并将承载体转变为承载体。在相同的生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形比棚支护减少一半以上。从技术经济比较来看，锚杆支护可以节约大量钢材，减少材料运输的工作量，降低工人的劳动强度，改善工作环境；保持采煤工作面上、下两侧和露天开采，为采煤工作面的快速推进和高产、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，可大大降低巷道支护成本，提高掘进速度和生

11、产效率。(1)悬挂理论、机理：将巷道顶板的软弱岩层悬挂在上部稳定岩层上，避免软弱岩层的破坏、失稳和坍塌，锚杆的拉力来自悬挂岩层的重量。缺点：没有考虑围岩的自承能力，锚固体与原岩体分离。适用条件：锚杆可以锚固在坚硬稳定的顶板岩层上；(2)组合梁的理论和机理：在锚固范围内挤压岩层，增加岩层之间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层分层现象，提高其自承能力。巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层被锁定在一个厚岩层(组合梁)中。在覆岩荷载的作用下，这种组合厚岩层中的最大弯曲应变和应力将大大减小，组合梁的挠度也将减小。缺点：锚固作用与围岩的自稳定分离；随着围岩条件的变化，当顶板破碎、连续性破坏时，组合梁将不复

12、存在。适用条件：层状地层顶板在相当距离内无稳定岩层，悬挂处于次要位置。组合拱(压缩拱)理论，机理：当预应力锚杆安装在断裂区时，杆体两端将形成圆锥形分布的压缩应力。如果锚杆群沿巷道周边布置，只要布置的锚杆之间的间距足够小，由交错布置的锚杆形成的压应力锥就会相互交叉，在岩体中形成一个均匀的压区，即一个支承拱，该支承拱可以承受破碎岩石对其上部施加的径向载荷。承压拱中的岩石受到径向压缩(1)机械螺栓是使用最早、结构多样、数量大的主要螺栓类型。机械锚杆本身的锚固机制是一个统一体。当安装螺栓时，锚固机构主要通过楔形系统张紧在钻孔壁上，以在钻孔中轴向或径向错开。锚固机构主要通过摩擦连接将锚固力传递给岩层。安

13、装机械锚时，大部分会产生预紧力。有时，甚至锚固机构也必须通过预紧力直接固定。机械螺栓的优点是安装速度快，可以立即达到承载能力，可以再次张拉，在一些结构中可以回收利用。其缺点是钻孔锚固段较短，容易导致岩层破坏和高应力区锚固区松动；因此，主要用于高强度岩层。(2)管接头螺栓，管接头螺栓的杆体由高强度高弹性钢管或薄钢板轧制而成。沿着管子的整个长度有一个狭缝，管子的上端是一个圆锥体，管子的下端焊接有一个由钢筋制成的环。杆体壁厚24毫米，直径大多为3545毫米(要求比钻孔直径大25毫米)，长度可根据需要加工，一般为1.602米；狭缝的宽度一般为1015毫米。当杆体受外力压入钻孔时，开槽管受力压缩，与孔壁

14、产生径向挤压应力，使杆体在钻孔中牢固膨胀支撑；杆体和孔壁之间的摩擦力成为锚固力，该锚固力沿杆体的整个长度分布。管接头螺栓锚固可靠，安装方便，易于实现机械化操作；它能实现全长锚固，具有预应力大、滑移屈服的特点。(3)粘结锚固螺栓，用粘合剂代替锚固机构。将粘结剂注入钻孔中，待凝固后，将杆体粘结在钻孔中。锚杆锚固力向岩层的传递主要是以粘结的形式，而不是通过机械或摩擦膨胀作用在井壁上的挤压力。粘接螺栓的优点是在深钻孔中能表现出良好的附着力，并能传递不可压缩的大力。由于它在锚固岩层时不产生特殊的接触压力，对岩层强度没有特殊要求，所以它也可以成功地用于松散岩层。高强度锚杆，主要由螺纹钢杆、圆顶球体、塑料加

15、压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂筒组成。国外高强度锚杆、澳大利亚研究的高强度锚杆，杆体的破断力(直径)达到；直径超高强度螺栓杆体的断裂力达到。美国制造的钢的屈服强度是A.英国制造的钢的屈服强度可以达到.高强度锚杆系统、锚固剂的组成及加工工艺，我国煤矿主要使用的锚固剂有树脂和快硬水泥。这两种锚固剂的性能在以下几个方面有显著差异：树脂锚固剂，(1)固化时间，超快树脂锚固剂的凝胶(初凝)时间为0.51.0分钟，快硬水泥锚固剂的凝胶(初凝)时间为35分钟。这意味着使用树脂锚固剂可以及时支护围岩，保证顶板的安全稳定。(2)不同时期的抗压强度，超快树脂锚固剂在锚杆安装5分钟后强度可达21MPa，相当于其最终强

16、度的30%左右；半小时后强度超过35兆帕。1天后，各种树脂锚固剂的强度可超过60兆帕，达到最终强度的80%以上。快硬水泥锚固剂早期强度很低，锚杆安装5分钟后强度几乎为零；半小时后的强度为4.34.6兆帕，一小时后的强度仅为810兆帕；7天后，抗压强度只能达到树脂锚固剂强度的一半左右。树脂锚固剂的强度性能明显优于快硬水泥，尤其是早期强度。(3)锚固力与水泥锚固相比，树脂锚固最大的优点是锚固力大当使用CK型树脂锚固剂时，1525分钟的锚固力约为使用水泥药筒一天后锚固力的2.7倍，这对及时加固围岩具有重要意义。(4)可靠性：使用树脂锚固剂时，锚固件通常采用机具安装，安装质量容易保证，因此每根树脂锚固件的锚固力通常可以达到设计能力。锚杆安装采用快硬水泥锚固剂是人工操作，且施工质量分多道工序(如浸泡时间、捣固装药量等)。)没有得