让压锚杆支护试验小结.ppt

1、欢迎各位专家参加支护工艺改革交流会,阜 新 矿 业 集 团 有 限 责 任 公 司 捷马（济宁）矿山支护设备制造有限公司,清河门煤矿让压锚杆支护试验小结,一、概况 二、捷马公司概况 三、让压锚杆支护设计基本理论 四、清河门煤矿343材料道让压锚杆支护试验小结,目录,一、概况,清河门煤矿343区北翼集中材料道沿下层煤的顶板掘进，距离上层放顶煤采空区平均11m，为复合顶板。巷道开始为矩形，后改为拱形，试验后又采用矩形。巷道开始段采用锚杆、锚索联合支护，锚杆间排距为800800mm，因巷道压力比较大、变形比较严重，巷道掘进后很快就需挑顶和卧底翻修处理；,后来为改善此被动局面，在巷道的顶板采用全锚索支

2、护，即用短锚索代替顶板锚杆配合长锚索支护，锚索间排距为800800mm，取得了一定效果，但仍无法满足生产需要，巷道掘进后仍出现大量网兜、顶板下沉严重现象。之后，阜新矿业集团公司、清河门煤矿与捷马公司合作计划对其进行让压锚杆支护试验。,二、捷马公司概况,捷马（济宁）矿山支护设备制造有限公司是美国捷马公司在中国设立的一个分公司，公司主要以生产支护材料为主。公司从05年投产以来，先后在新汶矿务局、肥城矿务局、潞安矿务局、平煤集团、北京鲁能、兖矿集团、枣庄矿务局、临沂矿务局、开滦矿务局、华亭煤业集团等所属的五十个左右的生产矿井进行了锚杆支护技术的应用与推广，重点解决了深井高应力区井底车场及主要开拓巷道

3、的支护问题、厚煤层孤岛放顶煤开采工作面顺槽支护问题及近距离煤层采空区下巷道支护等问题。,捷马公司的巷道支护设计理念是安全、经济、快速。捷马公司的工作思路是依据各个矿井所需设计的巷道地质采矿条件，通过数值计算，结合巷道支护经验，提供巷道支护的基本参数。然后采用先进的矿压观测仪器对实验巷道进行动态观测，进一步优化巷道支护参数，实现巷道支护的安全、经济、快速掘进目标。,三、让压锚杆支护设计基本理论,（一）让压锚杆支护设计原则 （1）锚杆的安装应力（预应力）：锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数。安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，锚杆受力增加，无法实现锚杆的主

4、动支护目标。 （2）支护强度：在大采深，高地应力的条件下，支护强度必须提高。这就要求单根锚杆的强度加大，使其与高地应力相适应。,（3）锚杆控制变形让压和均压性能：为了尽量保证每根锚杆都均匀受力，防止锚杆承受过度载荷而破断，锚杆必须有控制变形让压和均压性能。然而，这种变形让压必须有“控制”的让压，让压性能对顶板支护效果影响很大。合理的让压性能应该做到锚杆在一定吨位上稳定让压以保证每根锚杆受力均匀和减少或防止锚杆破断。 （4）辅助支护：合理有效的辅助支护可以与锚杆支护系统形成一个整体，保障巷道支护的长期有效性和稳定性，适应地质和采矿条件的变化，其包括金属网、W钢带、锚索等。,（二）让压锚杆支护设计

5、的基本依据：,作锚杆设计首先应确定围岩应力和围岩变形关系与支护系统的合理工况点： 巷道开挖后围岩将发生变形甚至破坏。围岩的变形大小和破坏程度存在着一定的关系，巷道支护的目的是为了在保证围岩不破坏的条件下控制部分的围岩变形而允许有一定的变形产生，这样才能经济有效地设计支护系统和支护巷道围岩。因此，为了设计锚杆支护系统，必须对围岩应力和变形特性曲线进行研究。,图1围岩应力-变形特性曲线,A区（围岩弹性变形区）：在此区域内，围岩基本处于弹性变形阶段，围岩保持完好，围岩变形小，在此区域内增加支护强度不能明显改善围岩变形。为了经济合理地进行巷道支护，支护体的工况点应设在低位（100t/m），相应的锚杆支

6、护系统应该具有最小让压距离40mm。 B区（围岩弹塑性区）：在此区域内，围岩基本处于弹塑性变形阶段，围岩基本保持稳定，弹塑性变形区没有超过锚杆的支护范围，锚杆系统仍然起到支护作用。在此区域内，支护强度的微变将引起变形的剧烈增加。,C区（围岩破坏区）：在此区域内，围岩破坏，支护系统承受破碎岩石的静载荷。随着破坏区域的增加，载荷增加。对锚杆支护，如果锚杆系统的支护范围小于破坏范围，则锚杆系统受力将急剧降低甚至变为0，彻底失去其支护作用，锚杆支护系统和围岩一起移动。,根据围岩应力和变形特性曲线研究, 支护系统的工况点确定如下: 最小支护强度：100t/m 巷道围岩位移：40mm 锚杆系统的最小允许变

7、形：40mm。 确定了工况点就可以根据强度要求选择锚杆杆体强度、材质、间排距等基本参数。,现简单分析普通锚杆支护系统的特性曲线及存在的问题： 一个成功的锚杆支护系统不仅仅要求支护强度达到要求，还要根据围岩应力和变形特性曲线设计锚杆的特性曲线以适应围岩应力和变形的需要。 首先回顾一下已经用过的三代锚杆的特性曲线及存在的问题：,第一、二 代锚杆（普强全螺纹钢锚杆和普强滚丝锚杆）：,这两类锚杆除了预应力上稍有差别外，特性曲线基本相同。这种类型的锚杆在浅部地区效果较好，基本上解决了用锚网支护代替棚子支护的问题。在深部和地压大的矿井，其支护效果不理想，巷道变形量大，翻修量大，其锚杆支护特性曲线如图2。可

8、以看出，第一代锚杆的设计支护强度过低（安装应力几乎没有），在应力较大的条件下根本达不到工况点的要求，导致松散破碎区变大，最终超过锚固区，此时锚杆系统失效和围岩一起移动。现场所表现就是锚杆不破断但围岩位移大甚至冒顶。,第三代锚杆（超高强锚杆）：,第三代锚杆（超高强锚杆）：超高强锚杆是利用Q500、Q600钢材制造的锚杆，其特点是强度大，但加工性能不好。成品锚杆在破坏时大多在丝部脆断，延伸率极小，无塑性变形阶段。尽管其强度高，但由于其与围岩变形不适应，锚杆破断率极高，其特性曲线如图3。,图3中锚杆支护系统特性曲线的实线部分是锚杆在丝部断裂时的特性曲线， 实线虚线是锚杆在杆体破断时的特性曲线。可以看

9、出，锚杆在丝部断裂时的允许变形和围岩变形相差甚大，尽管锚杆有较高的强度，但在大围岩变形条件下必然断裂。锚杆在杆体断裂时，尽管锚杆的整体变形达到围岩变形的要求，然而锚杆在处于塑性变形状态下工作。由于巷道支护安全的需要，在设计锚杆时应尽量设计锚杆的工况点在弹性范围内，否则变形安全距离太小，微小的扰动和围岩变形变化也会导致锚杆破断。,合理锚杆支护系统的特性曲线设计第四代锚杆（让压锚杆）,合理锚杆支护系统的特性曲线设计第四代锚杆（让压锚杆） 锚杆特性曲线设计必须根据围岩应力变形的特性曲线的特点，根据围岩应力变形特性曲线，锚杆支护系统应满足下列要求： 最小支护强度：100t/m 巷道围岩位移：40mm

10、锚杆系统的允许变形：40mm 锚杆工况点应在弹性范围内。,由于让压机构的作用，让压均压锚杆和普通高强锚杆起到了下列作用： （1）保证了工况点在弹性范围之内； （2）锚杆强度安全系数比普通高强锚杆大； （3）锚杆变形让压安全系数比普通高强锚杆大得多。,（三）让压管设计的基本原则：,让压管的基本设计参数： （1）让压点：让压点既让压管设计的起始让压载荷； （2）让压载荷的稳定性： 一旦让压管开始让压，载荷需基本保持稳定，过大的载荷下降会导致顶板支护效果不佳；让压稳定性的标准可以用让压稳定系数衡量。 （3）最大让压距离：让压管从稳定让压开始到载荷开始增加的距离。其大小根据巷道变形地压的具体情况定。

11、一个有效合理的让压管必须尽可能的发挥锚杆的支护效率，并在锚杆接近过载时象安全阀一样起到让压保护锚杆杆体的作用。,（四）让压锚杆支护产品分析 （1）让压锚杆组装系统如下图所示：,锚杆杆体的加工要求： 一般情况下，由于滚圆和滚丝工艺破坏锚杆的局部强度，锚杆将在加工部位破断，造成锚杆的不等强性。,（2）“鸟窝”锚索组装系统如下图所示：,（3）W钢带 W钢带可以把锚杆联结成为一个整体，并具有很好的表面控制效果。,（五）让压锚杆支护系统井下施工工艺,1、锚杆、锚索施工工艺 锚杆安装步骤和质检标准 锚杆安装可以总结为：一推（推树脂至钻孔规定位置），二转（旋转搅拌树脂），三等(等树脂充分凝固)，四紧(紧固螺

12、母)。 在安装过程中要严格按安装步骤操作，避免出现“长尾锚杆”或打不开阻尼现象，否则会大大影响锚杆支护效果甚至失效。 （3）锚杆安装质量检查标准 合格的锚杆安装应该满足下列标准： 充填在螺母的树脂阻尼必须全部脱落，否则锚杆无法达到安装载荷。 塑料垫圈必须溶化掉。 锚杆外露长度3050mm。 用扭矩扳手检验，扭矩不能低于设计值。,锚索安装步骤 锚索安装说明： 钻孔深度大于锚索有效长度（从托盘到锚索前端的距离）3050mm。 钻孔打好后，轻轻将锚固剂推入钻孔，确保不使锚固剂外壳破裂。 用安装好垫圈和托盘的锚索将锚固剂缓缓推入钻孔，直至推不动为止。 将预先安装在钻机上锚索搅拌器与锚索尾部连接，快速搅

13、拌锚固剂，搅拌锚固剂的同时钻机推力要最大。锚固剂搅拌时间为2025秒，搅拌锚固剂停止时要确保锚索托盘靠近岩面。 锚固剂搅拌完毕后2025分钟（现场试验确定）后，用锚索涨拉器拉紧锚索，锚索安装应力（预应力）不小于8t。,2、施工机具 采用扭矩放大器可以放大扭矩3.5倍，提高锚杆的预应力，解决现今国内锚杆安装机具扭矩低的难题。,四、清河门煤矿343材料道让压锚杆支护试验小结,清河门煤矿在343区北翼集中材料道进行让压锚杆支护试验，试验区主要经历四个阶段，第一个阶段是受到断层及变断面变支护工艺的影响的试验开始段，第二个阶段是正常试验的免压区段，第三个阶段是受上层煤煤柱影响的高应力区段、第四个阶段是不

14、受任何影响的实体煤掘进段。现场实践证明，采用让压锚杆支护试验段基本达到了设计要求，在此不详述，现主要对试验中出现的问题分析如下：,（一）问题分析及支护经验总结 通过一段时间的观测，发现试验区内让压锚杆支护主要存在如下几个问题： （1）试验区的第一阶段和第三阶段，顶板下沉量大底鼓量大，顶板变破碎，出现整体下沉和部分网兜。 （2）在高应力区域锚索出现破断现象，特别是受到“煤炮”的影响时，锚索发生突然崩断。 （3） 出现锚杆发生破断和螺母脱落的现象。 （4）个别钢带发生“撕裂”现象。,问题分析及解决思路： 由于开始试验区超前掘进应力没有赶过去，同时受到变断面和断层的影响，出现顶板下沉和压力显现明显的

15、现象属于正常现象，今后在此条件下可以从开始段适当增加锚网支护的强度、尽量减少空顶时间方面来改善支护效果。对于第三阶段出现顶板下沉量大，但部分锚杆的让压管未发生明显变形的特点，今后类似条件时巷道掘进时应进一步增加锚杆的预应力，把预应力提高到6吨以上，同时增加锚杆、锚索支护的强度，尽量减少迎头空顶时间。,由于对特殊区域考虑不足，部分锚杆的让压距离偏小，出现了巷道掘进后短时间内让压管完全变形，锚杆受力继续增加后出现断锚杆的现象。解决思路是特殊段适当增加锚杆的让压距离或增加杆体自身的强度。对于部分螺母出现脱落的现象，从两个方面加以改进，一是提高螺母的加工精度和强度；二是现场尽量把螺母上正，减少安装对螺

16、母的破坏。 对于锚索破断的问题分为两种情况，第一种情况是正常地质采矿条件下，由于特殊的原因出现个别锚索出现因受力过大而破断的现象属于正常现象，建议采用原方案正常掘进；第二种情况是地质采矿条件发生了明显变化，出现了高应力区或“煤炮”频繁区域，考虑到锚索延伸率较低的因素，锚索也增加让压机构即采用让压锚索，以改善锚杆与锚索变形协调性问题，减少锚索破断的几率。,个别钢带出现“撕裂”现象，主要是因为施工时因顶板不完整，在钢带的下面出现“悬空”区，当锚杆托盘受力增加时，锚杆托盘切割钢带造成的。此现象对巷道支护效果影响不大，建议施工锚杆时尽量减少钢带“悬空”的范围，实在不行可适当背顶，此方案可减少或解决钢带“撕裂”问题。,（二）经验总结 （1）对于像343区北翼集中材料道免压区段的巷道，采用原设计中让压锚杆支护的参数可以基本解决巷道支护问题，特殊地点考虑增加锚杆的让压距离。 （2）对于像受上层煤煤柱影响的高应力区段的巷道，必须考虑锚索的让压问题并确定合理的锚杆、锚索让压距