煤巷锚杆支护技术.ppt

第十章煤巷锚杆支护技术,第一节煤巷锚杆支护理论,传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊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，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。,组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆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。加固拱理论认为，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，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。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。,一、悬吊理论悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图1所示。巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展，如2所示。,,,,,图1锚杆的悬吊作用,图2顶板锚杆悬吊松动破裂岩层,根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。,二、组合梁理论组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力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；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而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。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3所示。根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。,图3顶板锚杆组合梁作用,a未打锚杆,b布置顶板锚杆,组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，并且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。组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。,三、组合拱压缩拱理论组合拱理论认为在拱形巷道围岩的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，即承压拱亦称组合拱或压缩拱，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，如图4所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。,图4锚杆的组合拱原理,组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩一支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。,四、最大水平应力理论最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔W．J．Gale提出。该理论认为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，最大水平应力一般为最小水平应力的L5～2．5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点1与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；2与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；3与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图5所示。,,图5应力场效应a巷道平行于主应力最佳方向；b巷道与主应力呈45‘夹角；c巷道与主应力呈90’夹角最劣方向,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图6，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。,a约束岩层膨胀；b约束岩层错动图6锚杆加固作用示意图,五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述该理论的要点是1巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；2巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数E、C、φ，改善被锚固岩体的力学性能；3巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；5巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。,这些研究成果，在一定程度上定性或定量地弄清了一些重要问题，例如锚固体的极限强度和E、C、φ的提高等，但这些研究成果主要偏重于地表加固工程和浅埋隧道工程。对于煤矿巷道特别是煤巷，由于围岩松软、埋藏深，受采动、构造应力的影响，地应力很大，巷道围岩破坏严重，因而，其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区，相应巷道周围锚杆锚固区域的岩体／则处于破碎区或处于上述两个或三个区域之中，相应锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。只有掌握围岩峰值后强度和变形的特点以及锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，才能从根本上揭示锚杆支护的作用机理。,中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究成果的基础上研究并提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提供了理论依据。该理论的要点是1巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；2巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数E、C、φ，改善被锚固岩体的力学性能；3巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；5巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。,锚杆杆体主要提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪。锚固剂的作用是将钻孔孔壁岩石与杆体粘结在一起。对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供粘结力，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。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆的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粘结在一起，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。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，离层大的部位锚杆受力很大。这是全长锚固锚杆与端部锚固锚杆的根本区别。,国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变化也进行了比较全面、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、凝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。,图7锚固前后岩石应力一应变关系,综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆支护机理进行概括，其要点如下1回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其特点；2锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层，减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性，锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好；3随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范围会逐渐扩大，当锚杆能伸人稳定岩层中时，其作用主要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落，同时，锚杆提供径向和切向约束，提高破坏岩石强度，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力；,4锚杆不能伸人稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高破坏岩层的整体强度，在破坏区内形成承载结构，它不仅可保持自身平衡，而且可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层，同时使围岩深部的应力分布趋于均匀和内移；5钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止锚杆间的破碎岩块掉落，随着锚固区岩层扩容、离层的增大，钢带受力逐渐增加，对锚杆间的围岩施以径向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加岩层承载能力；6当锚固岩层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚杆形成组合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较大的转动如图7回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出，由于煤层强度较低且受到采动影响，所以回采巷道两帮支护显得尤为重要，打锚杆后对煤帮的两种变形均有控制作用。加钢带后效果会更好。,第二节特种锚杆与锚索支护技术,对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室，它们共同的特点是围岩自稳时间短、破碎范围大、变形强烈，仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的支护效果，而且支护和维修费用极高，有的甚至影响矿井的正常生产。为此，开发研制了一系列对付这些困难工程的支护技术。,锚索和桁架的使用大大拓宽了锚杆的作用和使用范围。使用范围由岩巷发展到半煤岩巷、全煤巷；由坚硬顶板发展到软弱、破碎、极破碎顶板；由采深浅的巷道发展到采深超千米，有冲击地压的煤巷；由普通煤巷发展到小煤柱或沿空留巷由巷道发展到工作面的开切眼和收作线。,图钢绞线桁架支护系统,钢绞线桁架连接器,一、特种锚杆1．注浆锚杆锚杆与注浆都是地下巷道工程围岩加固的基本形式。如果利用锚杆兼作注浆管对巷道围岩进行注浆，一方面可加固巷道周边的破裂岩体，提高围岩的自承能力；另一方面，可改善破裂岩体的结构及其力学性能，为锚杆提供可锚的物质基础，最大限度地发挥锚杆的锚固作用。所以，如何把锚杆支护与注浆加固有机地结合起来，取得巷道围岩加固的最佳效果，一直是人们所努力的目标。前苏联、德国等在20世纪80年代就采用空心圆管作为锚杆对围岩实施注浆，国内有些单位也开发了注浆锚杆。图17是一种内锚外注式锚杆。该锚杆分为三个部分，每段有一挡环隔开①锚固段，可增大端头锚固力；②注浆段，布有出浆孔若干，作为注浆时出浆用；③封孔段，锚杆的注浆封孔采用橡胶圈或软木塞、或快速凝结剂配合喷射混凝土来实现。,,图17内锚外注式注浆锚杆喷层；2一螺母；3一托板；4一环状塞；5一挡环6一杆体；7一出浆孔；8一锚固剂,确定了锚杆支护形式和参数的选择原则1）一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。2）高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，提高锚固体的整体刚度与完整性。,主被动锚杆的支护效果,,,1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,MQS90J2型气动锚杆安装机,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；,预紧扳手,扭矩倍增器,什么是高强、超高强高强超高强,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。,3）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度与刚度，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。4）临界支护刚度与强度原则。锚杆支护系统存在临界支护刚度与强度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。5）相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。6）可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。7）在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。,在支护初期，该锚杆为端锚或近似全长锚固锚杆，可作为普通锚杆使用。锚杆锚固以后，在锚杆端头套上楔形环状软木塞或橡胶圈，再上托盘，最后拧紧螺母，软木塞或橡胶圈在挡环和托盘的挤压下与钻孔孔壁压紧，起到封孔作用，最后喷射混凝土，增加封孔的效果及支护效果，使封孔问题变得非常简单。当巷道变形量达到一定数值时，即在巷道周边形成一定的松动破裂范围时，再对巷道围岩实施注浆，既能使巷道围岩得到充分卸压，又使注浆变得容易，达到最佳的支护效果。同时，安装锚杆与注浆分为两个工序进行，互不干扰，不影响巷道的掘进速度。,2．自钻注浆锚杆和接长锚杆在德国和英国等国家，开发了自钻注浆锚杆，它将钻孔、注浆和锚固三个功能集于一体。在井下使用时，第一步，该锚杆用作钻杆，锚杆杆体头部配一钻头，尾部用连接器与钻机连接；第二步，锚杆用作注浆管，钻机连接套由注浆连接套代替，锚杆就像传统的注浆管一样，将树脂、水泥浆等送入钻孔中，实施全长或加长锚固。德国生产的自钻注浆锚杆，杆体由高质量无缝钢管制成，左旋螺纹热轧于整个杆体，保证力的可靠传递。在施工的每个环节，都可方便、快速地将其他部件拧在杆体螺纹上，同时采用连接套，可将几根杆体连接在一起。自钻注浆锚杆的其他部件还有钻机连接套、注浆连接套、堵浆器、托盘、螺母和硬质合金钻头等。,该种锚杆的应用范围为在没有固结的岩石中，或在岩石异常破碎的断层泥中，打稳定的钻孔非常困难。在这种条件下，先钻孔后安装锚杆是不可能的。一旦钻杆抽出，钻孔就会塌落。采用这种锚杆，由于锚杆即为钻杆，所以没有必要先钻一稳定的钻孔。这种锚杆也非常适合软岩巷道底鼓的治理。接长锚杆采用连接套将两根或多根锚杆杆体连接在一体，以增大锚杆长度。常用锚杆的长度一般小于2.5m。单根锚杆太长，加工、运输和井下施工都很不方便，在巷道断面比较小的情况下尤为突出。接长锚杆的关键部件是连接套，一方面要求它的强度应与杆体匹配，另一方面其直径不能太大，否则要求钻孔直径大，对锚杆锚固不利。接长锚杆在英国、德国和我国的一些矿区得到应用，在顶煤巷道、复合和破碎顶板巷道等围岩破坏范围较大的条件下，取得较好的支护效果。,二、小孔径树脂锚索锚索由索体、锚具和托板等组成。索体一般用具有一定弯曲柔性的钢绞线制成。其特点是锚固深度大、承载能力高、可施加较大的预紧力，因而可获得比较理想的支护效果，是目前最可靠、最有效的一种手段。其加固范围、支护强度、可靠性是普通锚杆支护所无法比拟的。传统的注浆锚固锚索支护一般适合于煤矿井下大断面硐室和巷道的补强和加固。锚索钻孔和吨位一般较大，采用水泥注浆锚固。这种锚索的技术参数和施工工艺无法满足回采巷道的要求。,针对这一情况，我国开发了适合在煤巷掘进期间按正规循环施工的新型小孔径树脂锚固预应力锚索加固技术。其最大特点是采用树脂药卷锚固，通过专用装置可以像安装普通树脂锚杆那样用锚索搅拌树脂药卷对锚索锚固端进行加长锚固，其安装孔径仅为28mm，用普通单体锚杆机即可完成打孔、安装。与传统锚索相比，小孔径树脂锚索有以下特点1直接用锚索搅拌树脂药卷进行锚固，安装工序十分简单，而且采用小孔径，因而施工速度大幅度提高。2采用单体锚杆钻机就可以施工，设备少，而且显著降低了工人的劳动强度。3树脂锚固剂固化速度快，由水泥浆锚固时的3d～7d降低到仅为10min，因而锚索能及时、主动承载。小孔径锚索主要用在破碎、复合顶板回采巷道，放顶煤开采沿煤层底板掘进的煤顶巷道，软弱和高地应力回采巷道，以及大跨度开切眼和巷道交叉点。其主要技术参数为钻孔直径为28mm；锚索直径15．24mm；最大锚固力260kN；预紧力120kN～230kN。,第四节改进与发展经过近年来的研究与实践，我国煤巷锚杆支护成套装备与技术基本形成，而且在实际应用中解决了多个巷道支护难题，取得了巨大的技术经济效益，为高效、安全开采创造了良好条件。锚杆支护已成为高产高效矿井必备的配套技术。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，在以下几方面还需做进一步的工作。,1．积极开展巷道围岩地质力学测试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。目前我国仅有少数矿区进行了比较全面、系统的测试工作。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。,2．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、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，锚杆支护的合理性、安全性无法保证。在我国煤矿应积极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。,3．锚杆支护材料系列化与标准化目前，煤巷锚杆支护材料品种很多，一些材料力学性质达不到工程要求。我国锚杆支护材料生产厂家太多，不同层次厂家的产品质量相差悬殊。有必要根据我国煤巷围岩条件，制定锚杆支护材料系列及相应的标准。建立比较完善的产品质量保证体系，根除伪劣产品。,4．完善与提高锚杆支护施工机具，开发新的产品近年来，我国在煤巷锚杆钻机方面做了大量工作，开发了多种产品。但是由于我国煤巷地质与生产条件复杂多变，现有的锚杆钻机还不能完全满足使用要求，无论是性能与质量都还需进行完善与提高。随着锚索支护技术的推广应用，有必要开发研制专用锚索钻机，提高锚索施工速度。掘锚联合机组在国外已经应用，为巷道掘进和锚杆施工创造了极为有利的条件。我国也应根据国情开展掘锚联合机组方面的研究与开发工作。,5．完善锚杆施工质量检测与监测技术锚杆支护是隐蔽性工程，必须进行质量检测。目前普遍应用的是锚杆拉拔计、扭矩扳手等。有必要开发研制非接触、无损质量检测仪器，以达到快速、准确、大面积测量的目的。锚杆支护监测对保证巷道安全十分重要，我国许多矿区对此十分重视。但是这项工作还有待于标准化、日常化，纳入到正常生产中。,