煤矿巷道支护技术20189.ppt

煤矿巷道支护技术,,侯树宏,交流提纲,,煤矿巷道支护历史,,煤矿巷道支护理论,,煤矿巷道支护技术现状及展望,,特殊条件下巷道支护技术,,,,,,交流提纲,,,,,一个中心以安全、快速、优质、高效、低耗完成巷道、硐室施工，保证矿井生产采掘平衡。,2个基本点,二是巷道支护技术,一是施工核心技术,井巷工程作为煤矿工作的重要一环，其内容概括起来为一个中心，两个基本点。,第一部分煤矿巷道支护历史,,巷道支护历史概述,锚杆支护历史,巷道支护型式,一.巷道支护历史概述,我国煤矿主要是地下开采,需要在井下开掘大量巷道,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。随着开采深度、广度及开采强度的不断提高巷道埋深逐年增加,地质条件日趋复杂化,高地应力巷道、强烈采动影响巷道、松软破碎围岩巷道及特大断面巷道和硐室等复杂困难条件的出现,巷道支护技术在不断发生变革。煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护锚杆（喷）支护、锚索支护及混合支护的漫长过程。,一.巷道支护历史概述,新中国成立以来,我国的巷道支护改革工作一直没有停止过。初期,因钢材匮乏，煤矿产量低等因素，巷道支护以木支护为主;随着煤矿规模发展，为节省坑木,减少木材消耗，上世纪50年代和60年代推广了混凝土棚式支护;上世纪70年代和80年代,随着光爆锚喷技术的成熟、矿用型钢的研制成功,在岩巷广泛推广光爆锚喷支护以替代砌碹支护,在采准巷道推广矿用工字钢和U型钢支护替代混凝土支护。（国内从1956年起在淮南、开滦、阜新及鹤壁等矿区先后用了木锚杆、金属锚杆和砂浆锚杆等,并获得良好的效果，随后得到了蓬勃发展和广泛应用。）,一.巷道支护历史概述,国外普遍采用的U型钢金属支架支护技术,是20世纪30年代由联邦德国发明并用于矿区生产。我国自20世纪60年代初期引入该技术。上世纪90年代末期，兖矿、新汶、淮南等矿务局随着开采深度的增加,认为U型钢可缩支架是终极解决软岩支护和深部地应力的办法,但随后被各类锚索混合支护所取代。上世纪90年代,对顶板较为完整的采准巷道开始使用锚梁网支护。,二、锚杆支护历史,锚杆支护作为一种有效的、技术经济优越的采准巷道支护方式，自美国1912年在aberschlesin（阿伯施莱辛）的Friedens（弗里登斯）煤矿首次使用锚杆支护顶板至今已有100多年的历史。19451950年，机械式锚杆研究与应用；19501960年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；19601970年，树脂锚杆推出并在矿山得到了应用；19701980年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到了应用，同时研究新的设计方法，长锚索产生；19801990年，混合锚头锚杆、组合锚杆、特种锚杆等得到了应用，树脂锚固材料得到改进。美国、澳大利亚、加拿大等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护中的比重几乎达到了100。,二、锚杆支护历史,澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用W型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，尽管其巷道断面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板及其巷道交叉点、大跨度硐室等难维护的地方，采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈变形。美国一直采用锚杆支护巷道，锚杆消耗量很大。锚杆种类也较多，有胀壳式、树脂式、复合锚杆等。组合件有钢带。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到1986年其比重己达50。俄罗斯锚杆支护的发展也引人瞩目。他们研制了多种类型的锚杆，在俄罗斯第一大矿区库兹巴斯矿区锚杆支护巷道所占比重己达50。,二、锚杆支护历史,锚杆支护发展最快的是英国。在1987年以前，英国煤矿巷道支护90以上采用金属支架，而且主要是矿用工字钢拱型刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本高，因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境，在巷道支护方面积极发展锚杆支护，到1987年，英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，从而扭转了过去的被动局面，煤巷锚杆支护得到迅速发展，经过近10年实验的基础上，又进行了改进和提高，到1994年在巷道支护中所占的比重己达到80以上。锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。,德国是U型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家，自1932年发明U型钢支架以来，U型钢支架发展迅速，支护比重很快达到了90以上，从井底车场一直到采煤工作面两巷均采用U型钢可缩性支架。但是自20世纪80年代以来，随着矿井开采深度日益增加，维护日益困难。面临这种困境，德国采用不断增加金属支架的型钢质量，逐步减小棚距的做法，这不仅使巷道支护费用增高，而且施工、运输更加困难和复杂。即便如此，巷道维护困难的状况仍然难以改观，于是寻求成本低，运输和施工简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护变得尤为重要。到20世纪80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广，现己应用到千米的深井巷道中，取得了许多成功的经验。,二、锚杆支护历史,我国在煤矿岩巷中使用锚杆支护也已有近60余年的历史。从1956年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，20世纪60年代锚杆支护开始进入采区，但由于煤层巷道围岩松软，受采动影响形量很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论、设计方法，锚杆材料、施工机具、检测手段等还不够完善，因而发展缓慢。“八五”期间，原煤炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关，在“九五”期间，原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个项目之一，对锚杆支护的可行性和适用性进行了深入细致的研究，取得了一大批水平较高的科研成果。特别是19961997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在原邢台矿务局进行了现场演示，并完成了与锚杆支护技术有关的15个项目，使我国的煤巷锚杆支护技术有较大提高。同时，困难条件下锚杆锚索支护技术得到了应用，并取得令人满意的支护效果和经济效益。,二、锚杆支护历史,我国煤矿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。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。2005年以来,为解决深部高地应力、受强烈采动影响、沿空留巷等复杂困难巷道支护难题,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,大幅度减少了巷道围岩变形与破坏,支护状况发生了本质改变。2009年,煤炭行业标准“煤巷锚杆支护技术规范MT/T1104-2009”发布,标志着煤巷锚杆支护技术已经逐渐成熟。目前,我国很多矿区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。,二、锚杆支护历史,时至今日，人们不仅成功地在稳定和中等稳定以上的岩巷中使用锚杆，而且在软岩巷道、以及受采动影响的煤巷中也成功地使用了锚杆支护技术。一批技术先进的国有重点矿区的煤巷锚杆支护率在逐年稳步提高。由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，并且有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高了巷道断面的利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为矿井巷道的一种主要支护形式。也代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。锚杆支护可大幅度的降低巷道支护维修费用，提高巷道掘进速度和生产效率；在巷道跨度增大时，即在大跨度巷道的情况下，单纯用锚杆对巷道进行支护可能会引起巷道顶板在一定高度范围内整体垮落，在这种情况下可以进行“锚杆锚索”联合支护，可将整个潜在冒落范围内的岩层悬吊在较稳定的岩层中，从而使得该巷道顶板处于稳定状态。,二、锚杆支护历史,三、巷道支护型式,,,,,,支护力作用在巷道围岩表面的支护方式,如各种类型的支架、喷射混凝土、砌碹支护等,支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,改善巷道围岩力学性质,提高围岩强度的加固方法,如各种注浆加固方法,改善巷道围岩应力状态,使巷道处于应力降低区,如各种应力控制技术。,1,2,4,3,,根据支护对围岩的作用方式可将煤矿巷道支护分为4类,1、支护力作用在巷道围岩表面的支护方式,如各种类型的支架、喷射混凝土、砌碹支护等,三、巷道支护型式,砌碹支护砌碹支护是应用很早的支护方式,目前在一些矿井的硐室、大巷中仍然采用。按砌碹支护材料可分为料石、混凝土砌块、现浇混凝土、现浇钢筋混凝土等。砌碹支护的巷道是靠砌体形成的较之围岩更坚硬更密实的壳体围护围岩。这种支护的原理本是想增加围岩表面的强度，但最终结果是砌体与围岩体的接合不严，使得坚硬壳体与围岩之间不能很好的传递应力。同时由于砌碹支护属于刚性被动支护，因支护体的坚硬性而不能适应围岩的变形，不仅支护成本高、施工速度慢,劳动强度大,而且不能适应围岩大变形，只能在应力现象不明显，地质条件相对简单的情况下使用。目前主要在各矿明槽开挖至基岩段使用。,1、支护力作用在巷道围岩表面的支护方式,如各种类型的支架、喷射混凝土、砌碹支护等,三、巷道支护型式,棚式支架棚式支护曾经是煤矿巷道的主要支护方式,在20世纪90年代初,这种支护所占的比重高达80以上。按支护材料可分为木支架、钢筋混凝土支架及金属支架,其中木支架与钢筋混凝土支架已经逐步被淘汰。金属支架按工作原理分刚性与可缩性支架;按支架材料分为工字钢、U型钢及其它;按断面分为梯形、拱形、圆形、环形。但是,棚式支架也属于被动支护,支架与巷道表面很难密切接触,控制围岩早期变形的能力差,在复杂困难条件下支护效果差、成本高。棚式支架对巷道围岩的支护作用是靠支架与围岩之间的背板传递抗力，这种抗力是一种被动的支护方式。这种支护的观点一开始就将所有围岩都视为载荷。而且背板与围岩的接触并没有预应力,只能被动地等围岩来压变形。因此，架棚式支护很难维护松软破碎或高应力围岩。,1、支护力作用在巷道围岩表面的支护方式,如各种类型的支架、喷射混凝土、砌碹支护等,三、巷道支护型式,,摩擦支柱,液压支柱,U型钢,Archsets拱形支架,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,锚杆支护用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆体，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，利用其头部、杆体的特殊构造和尾部托板（亦可不用），或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果、减跨效果，以达到支护的目的。锚杆之所以能对巷道围岩起到支护作用，是因为围岩自身具有自我承载能力并能自我稳定，锚杆的作用只是限制围岩岩体使其保持连续变形。,,,,,,,钢筋或钢丝绳砂浆锚杆,管缝式锚杆,快硬膨胀水泥锚杆,快硬膨胀水泥锚杆,由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成。,金属倒楔式锚杆,树脂锚杆,锚杆有木锚杆、金属锚杆、水泥锚杆和树脂锚杆等类型。,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,（1）钢筋砂浆锚杆（2）钢丝绳砂浆锚杆,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,形形色色的锚杆,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,装配式锚杆,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,形形色色的托板,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,支护系统构件,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,支护系统构件,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,锚索支护可以使由锚网（梁）支护形成的锚固岩体，悬吊于上部坚硬稳定的岩层中，避免巷道顶板离层及巷道顶板整体下沉或垮落。锚网（梁）索组合支护方式已经逐渐成为近年来对松软岩层巷道重要的支护方式。1、因为要施加预应力，所以锚索在全长范围内要区分锚固段和自由段。锚固段是锚索受力的根基，同时也是能承受预应力的基本条件；自由段是预应力作用的工作段。2、锚索承受的载荷（预应力）更大，因此锚索体通常采用高强高性能材料；同时对锚固力的要求也更大、更可靠，一般锚固段采用较长段（弱的岩石中，要求3米以上）的固结，并且通常是全长灌浆或端头锚固。3、为了向岩体内传递比较高的载荷作用，在锚头部位一般设有专门的墩座或大托盘。,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,三、巷道支护型式,环氧锚索,普通锚索,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,锚喷网支护技术巷道支护形式的选取必须根据巷道的用途、服务年限、围岩状况、地应力大小等因素确定。一般情况下，服务年限长的开拓巷道和硐室及以变形地压为主的其他巷道，要及时封闭围岩，多采用锚喷（网）联合支护，对于以松碎为主的回采巷道多选用锚网梁或与锚索相配合（锚网索）的联合支护，亦可用可缩性金属支架。,,,,锚喷支护的特点,,,,封闭性,适应性,经济性,,可分性,,组合性,,科学性,,及时性,,密贴性,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,锚喷支护的概念及特点锚喷支护是喷射混凝土、锚杆以及钢筋网（或钢纤维）用于围岩支护的总称。,一般只用于局部；,有时也只用于局部；,多用于地下硐室的顶拱和边墙；,（单层或双层钢筋网）可提高喷层抗拉强度和抗裂能力，从而提高支护能力；,纯锚杆,纯喷射混凝土,锚喷,锚喷网,在喷层内加设工字钢等型钢作成的肋形支撑。,锚网架,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,锚喷支护的形式,根据围岩的地质条件，可以采用多种支护形式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,三、巷道支护型式,2、支护力不但作用在围岩表面,而且作用在围岩内部的支护方式,如锚杆与锚索支护,复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。如果能充分发挥每种支护方式的支护性能,做到优势互补,复合支护会有更好的支护效果和更广泛的适用范围。复合支护虽然适用范围广,但支护费用高,成巷速度慢。应针对巷道具体条件,选择合理的复合支护形式,才能达到预期效果。如特殊条件下采用的锚梁网钢棚支护；管棚式注浆棚式支护等。,三、巷道支护型式,3、改善巷道围岩力学性质,提高围岩强度的加固方法,如各种注浆加固方法,注浆是将具有充满胶结性能的材料配成浆液以泵压作为动力源，用注浆设备通过注浆管将其注入到加固对象，渗透、充填、压密等方式进行扩散，通过材料自身凝结、硬化、使其与被加固对象胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、抗渗性好的一个结合体。利用岩层移动过程中覆岩内形成的离层孔隙，从井巷布置钻孔将充填料浆液高压注入离层空间，使浆液与裂隙岩体粘结成整体，对岩层空间的上覆岩层形成支撑从而减缓他的移动向地表传播。目前注浆材料主要有两大类型水泥基材料和高分子材料,可根据巷道地质与生产条件选取。,三、巷道支护型式,3、改善巷道围岩力学性质,提高围岩强度的加固方法,如各种注浆加固方法,三、巷道支护型式,4、改善巷道围岩应力状态,使巷道处于应力降低区,如各种应力控制技术。,将巷道布置在应力降低区,或采取人工卸压措施,使巷道周边的高应力向深部转移,是巷道围岩变形控制的另一个途径。将巷道布置在应力降低区是首选的方法。巷道布置方向优化、断面形状与尺寸优化,均可改善巷道受力状况。人工应力控制措施主要有切缝、钻卸压孔、爆破及掘卸压巷等方式。由于人工应力控制方法施工比较复杂,目前还没有大面积推广应用。,第二部分煤矿巷道支护理论,,,,,,,,,组合梁理论,组合拱（挤压拱）理论,最大水平应力理论,松动圈理论,,,悬吊理论,,,锚杆支护设计及计算方法,,煤矿巷道支护理论,第二部分煤矿巷道支护理论,,,,,,,,,组合梁理论,组合拱（挤压拱）理论,最大水平应力理论,松动圈理论,,,悬吊理论,,锚杆支护理论，对我们认识支护原理和解决问题具有一定的实际意义。锚杆支护理论可分为以下几种,一、悬吊理论,19521962年路易斯阿帕内科LouisAPanek等发表了悬吊理论，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固的岩层上。对于回采巷道揭露的层状岩体，直接顶板均有弯曲下沉变形趋势，如果使用锚杆及时将其挤压，并悬吊在老顶上，直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度，层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早，满足其前提条件时，有一定的实用价值。评价悬吊理论虽然直观地揭示了锚杆的悬吊作用，但在分析过程中并未考虑围岩的自承能力，而是将被锚固体与原岩体分开，这与实际情况存在一定的差距。如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时，悬吊理论就解释不通了。,一、悬吊理论,二、组合梁理论,组合梁理论认为，顶板锚杆的作用，一方面体现在锚杆的锚固力增加了各岩层间的接触压力，避免各岩层间出现离层现象；另一方面增加了岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将作用范围内的几个岩层锚固成一个较厚的组合岩梁。（这种组合岩梁在同样的上覆岩层荷载的作用下，其最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也显著减小，且组合岩梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小）评价组合梁理论很好地解释了层状岩体锚杆的支护作用，但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。,二、组合梁理论,二、组合梁理论,2020/5/28,锚杆作用机理--组合梁,,三、组合拱理论,组合拱理论是由兰氏TALang和彭德Pender通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为，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的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力维体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带拱。这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷，如同碹体起到岩层补强的作用，承载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨，与实际情况有一定差距，在分析过程中没深入探索围岩支护的相互作用。,三、组合拱理论,四、最大水平应力理论,在20世纪90年代初提出了最大水平应力理论。该理论认为矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1.3～2.0倍。而且水平应力具有方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5～2.5倍。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。,四、最大水平应力理论,五、松动圈理论,开巷后变化（1）巷道周边应力集中；（2）强度降低（围岩应力超过强度则岩石破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；结果出现围岩松动圈。煤矿巷道普遍存在松动圈松动圈越大支护越难,五、松动圈理论,,,,,,,小松动圈,中松动圈,大松动圈,松动圈支护设计法,（L0-40cm）喷射混凝土支护,（L40-150cm）悬吊理论确定锚杆支护参数,（L150cm）采用组合拱确定锚喷注网,支护形式喷射混凝土、锚喷、锚网、锚喷网及锚注支护等。,六、锚杆支护理论的实质,锚杆支护作用的悬吊机理，岩梁机理，挤压加固机理，挤压拱作用，松动圈观点，关键圈机理等都是从不同的侧重点揭露了锚杆支护的作用机理的某一方面锚杆之所以能对巷道围岩起到支护作用，是因为围岩自身具有自我承载能力并能自我稳定。锚杆的作用只是限制围岩岩体使其保持连续变形。*锚杆的悬吊作用机理是锚杆制约围岩纵向变形的能力*锚杆的组合梁作用机理是锚杆制约围岩横向变形的能力;*锚杆的挤压加固作用机理是锚杆制约围岩纵向和横向变形的能力的组合,1、自稳隐形拱理论,近年来我国的一些专家、学者提出了自稳隐形拱理论自稳隐形拱理论的出发点是立足现场，力求用简化的理论方法设计锚杆支护系统参数去适用于现场任何复杂地层情况。围岩顶板的稳定是由于巷道顶板中存在有自稳隐形拱。自稳隐形拱是地下空间上部稳定区域的界面。自稳隐形拱将地应力分散到巷道两帮自稳隐形拱首先是基于围岩具有自承能力这一基本点上，并认为不论围岩如何松款，只要是视连续体，其即使出现片帮冒顶现象，这样的冒落在一般情况下绝对不会是无限的。,六、锚杆支护理论的实质,六、锚杆支护理论的实质,1、自稳隐形拱理论,六、锚杆支护理论的实质,2、帮锚杆改善巷道稳定性的原理,六、锚杆支护理论的实质,3、顶锚杆改善巷道稳定性的原理,六、锚杆支护理论的实质,4、巷道断面改善巷道稳定性的原理,六、锚杆支护理论的实质,5、自稳隐形拱方程,六、锚杆支护理论的实质,6、自稳隐形拱包络线内岩体自重,自稳隐形拱包络线内煤体的截面积,六、锚杆支护理论的实质,6、自稳隐形拱包络线内岩体自重,自稳隐形拱包络线内煤体的截面积,六、锚杆支护理论的实质,6、自稳隐形拱理论核心,①自稳隐形拱理论考虑围岩最不利情况下的顶板状况，假设巷道两帮没有侧向变形去研究顶板维护。②没有支护的巷道出现片帮冒顶一般不会无限的发展下去，最终必然达到相对稳定平衡。支护工作就是对这些易冒落体的维护。③巷道围岩体达到塑性破坏后仍然可能是主要承载体，而那些存在拉应力的单元体虽然没有达到破坏却被视为有害岩体加以预防支护。④巷道顶板应力单元体中水平应力为零的单元联线，称为自稳隐形拱。自稳隐形拱承载了正常垂直地应力的作用，并将顶部垂直应力转向巷道两帮。,七、锚杆支护设计及计算方式,依据现有的锚杆支护理论，产生了多种锚杆支护设计方法。这里主要介绍经常用到的设计方法。分为三步（和科研项目步骤不同）,第一步,第二步,第三部,,,,,,,依据已有资料和工程类比形成初步设计。,依据理论进行计算。,现场验证并进一步完善。,1,2,3,七、锚杆支护设计及计算方式,,,现场监测,利用测力锚杆及位移计等矿压监测手段对锚杆受力及围岩位移进行适时观测。,,,地质力学评估,包括对巷道围岩顶底板及煤层力学性质测定、地应力（3个主应力的大小和方向）测试和现场调查。,,,信息反馈和修改、完善设计,根据现场监测的数据及曲线与初始设计进行对比，若相同则证明初始设计正确,,,初始设计,利用计算机数值模拟方法或现有理论公式计算，在巷道施工前进行,依据煤炭工业协会最新出版的煤矿作业规程技术手册（井工）的要求锚杆支护设计计算要遵循以下原则,七、锚杆支护设计及计算方式,,,,,,依据以下条件先进行初始设计（工程类比法）,端锚杆体直径1618mm锚杆长度1.61.8m排间距0.81.2m设计锚固力＞50kN,端锚杆体直径1618mm锚杆长度1.62.0m排间距0.81.0m设计锚固力＞50kN,端锚或加长锚杆体直径1618mm锚杆长度1.62.2m排间距0.61.0m设计锚固力端锚＞50kN；加长锚固＞90kN,加长锚固或全长锚固杆体直径1822mm锚杆长度1.82.4m排间距0.61.0m设计锚固力加长锚固＞90kN；全长锚固＞110kN,I,II,III,IV,,全长锚固杆体直径1824mm锚杆长度2.02.6m排间距0.61.0m设计锚固力＞110kN,V,非常稳定,稳定,中等稳定,不稳定,极不稳定,整体砂岩、石灰岩类岩层不支护其他岩层单体锚杆,,顶板较完整单体锚杆顶板较破碎锚杆网,顶板较完整锚杆W钢带或桁架；顶板较破碎锚杆W钢带网，或增加锚索加固桁架网，或增加锚索,锚杆W钢带网，或增加锚索桁架网，或增加锚索,顶板较完整锚杆金属可缩支架，或增加锚索；顶板较破碎锚杆网金属可缩支架，或增加锚索；底臌严重环形或可缩支架锚杆,七、锚杆支护设计及计算方式,设计完成后要经过理论计算验证,理论计算公式见附件word版新建文件夹\巷道资料\煤矿作业规程技术手册（井工）21.docx，在此只简单介绍悬吊理论计算。,七、锚杆支护设计及计算方式,锚杆悬吊理论计算,1.锚杆长度的确定,L≥l1＋l2＋l3式中L锚杆总长，mm；l1锚杆外露长（托盘厚度＋螺母厚度＋0.01～0.04m，），mm；l2有效长度（顶锚杆取免压拱高b，帮锚杆取煤帮破碎深度c），mm；l3锚入岩层内深度（顶锚杆取800mm，帮锚杆取600mm），mm。l2的取法1.有界限分明易调查清楚的伪顶时，l2≥伪顶厚度，m2.有范围易调查确定的易碎直接顶时，l2≥易碎直接顶厚度，m3.l2取不同岩体的经验载荷高度，m4.l2取普氏免压拱高（b或b1）5.l2取巷道顶板岩体破碎带高度,七、锚杆支护设计及计算方式,锚杆悬吊理论计算,1.锚杆长度的确定,B巷道掘进跨度，m；f巷道顶板的普氏岩石坚固性系数；H巷道掘进高度，m；两帮岩层的似内摩擦角，。,取巷道顶板岩体破碎带高度,,R0圆形巷道或非圆形巷道的等效圆的掘进半径，m；岩体容重，多种岩层时取加权平均容重，kN/m3；Z巷道中心距地表深度，m；岩体内摩擦角，；C岩体粘结强度，kN/m2；h圆巷hR0，非圆巷h等效圆中心至顶板的距离，m；Rp岩体破碎带半径，m。,七、锚杆支护设计及计算方式,锚杆悬吊理论计算,2.锚杆强度的确定,t杆体抗拉强度，MPa；,各种类型锚杆的锚固力Q；锚杆杆体承载力P；,七、锚杆支护设计及计算方式,锚杆悬吊理论计算,3.锚杆间排距的确定,八、锚索支护设计,设计坚持的原则,,,耦合作用设计原则,锚索和锚杆支护达不到耦合作用状态，将会出现恶性事故。在迎头工作面施作锚索支护，预应力值应适当小一些，为锚杆设计值的0.8～1.0倍；在掘进机后实施锚索支护时，预应力水平应为锚杆设计荷载值的1.0～1.3倍比较适宜。,,关键部位原则,锚索设计在顶板的力学关键部位效果最好，锚索要尽量设计在顶板的关键部位。,,锚索强度原则,,,锚索长度原则,锚索长度取决于巷道顶板岩性、岩体结构和巷道工程尺寸。坚硬顶板岩层高度小于3倍巷道宽度时，锚索长度取决于坚硬岩层位置，锚索锚固段要设计在坚硬岩层内1～1.5m；当坚硬岩层高度大于3倍巷道宽度时，其长度按3倍宽度设计。同时，要充分注意锚固段的结构设计和施工质量，重点考虑深部围岩强度和巷道浅部支护体间的相互耦合作用。,,,反馈设计原则,现场地质条件复杂多变，要加强锚索支护的检测，及时反馈分析、修正和完善设计，这样就及时弥补了理论和实践存在的缺憾。,锚索承载强度取决于锚索根数和锚索间排距，其设计总荷载按巷道顶板塑性软化区范围的岩石质量乘以安全系数来计算。,八、锚索支护设计,锚索支护参数的确定,根据锚索支护设计原则，锚索支护应在关键部位出现的最佳支护时间对关键部位进行加强支护。,①锚索长度确定。LaLa1La2La3式中La1锚索外露长度（一般取0.3m）；La2锚索有效长度，m；La3锚索锚固长度（一般取1.0～2.0m）对于静压软岩巷道，锚索有效长度的确定方法为在锚杆失效的情况下，其潜在的冒落高度为1.5倍巷道宽度；同时为保证巷道的稳定性，锚索应保证锚固到稳定岩层内，刚有效长度为La2Max{1.5a,∑hi}a巷道宽度，m；hi稳定岩层下各层厚度，m；i稳定岩层下岩层层数。,八、锚索支护设计,锚索支护参数的确定,对于动压巷道，锚索有效长度确定方法为La2Max{3a,∑hi}当La2a＞3时锚索有效长度确定方法为La23a此时不需要加长锚索寻找坚硬顶板岩层，只要充分注意锚固段的结构设计和施工质量，重点考虑深部围岩强度和巷道浅部支护体之间的相互耦合作用即可。,八、锚索支护设计,锚索支护参数的确定,②锚索排距确定。锚索间排距根据锚杆失效时，锚索所承担的岩层质量确定。每排布置一根锚索，则排距为Sa3[σa]4a2γk式中a巷道宽度，m；γ上覆岩层平均体积质量，KN/m3；[σa]单根锚索的极限破断力（通常所使用的锚索[σ2]260KN）；k安全系数。③耦合参数的确定。为使锚索支护和锚杆支护达到相互耦合的效果，注意各时空条件下预应力参数的变化至关重要。在迎头工作面作锚索支护，预应力值应适当小一些，是锚杆设计值的0.8～1.0；掘进机后实施锚索支护时，预应力水平应是锚杆设计荷载的1.0～1.3倍合适。,八、锚索支护设计,耦合对围岩支护效果的影响,耦合是指复杂系统中子系统之间的相互作用和相互影响。锚（喷）网索和围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚网支护，都会引起局部应力集中而造成巷道破坏。只有当锚（喷）网索和围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能相互协调。达到支护耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散，从而达到最佳支护效果。巷道围岩失稳破坏的主要原因是支护体与巷道围岩间出现强度不耦合、刚度不耦合、变形不耦合以及其他不耦合因素综合作用的结果。当其处于耦合状态时，巷道能够保持稳定的平衡状态；当某些部位出现不耦合，支护体不能抵御巷道围岩的变形破坏时，支护体和围岩将在其不耦合的部位发生变形与破坏，进而导致整个巷道的失稳。,第三部分煤矿巷道支护技术现状及展望,,,,,,,,,概述,现阶段巷道支护材料特点,当前常用巷道支护型式,巷道支护型式,一、概述二、现阶段巷道支护材料特点三、当前常用巷道支护型式四、巷道支护型式,一.概述,,随着井工矿井采深增加，机械化设备的广泛使用，生产条件日趋复杂，现阶段巷道支护有如下特点,,,,深部应力增大，支护强度、密度不断增加。,围岩岩性多样化，软岩、复合型顶板经常遇到,断层、褶曲特殊地质构造增多，混合支护方式多样。,,巷道断面大，20到30m2的巷道屡见不鲜。,,以锚（喷）网索联合支护为主，以被动支护为补充的支护方式频频出现。,如Q235圆钢（碳素结构钢）的屈服强度仅为235MPa，拉断强度为380MPa；20MnSi建筑螺纹钢屈服强度为335MPa，拉断强度为510MPa，均属于低强度锚杆材料。为了满足巷道支护要求，开发了锚杆专用螺纹钢，并形成系列，屈服强度分别达到400MPa，500MPa，600MPa以上，最大拉断强度达到800MPa以上，真正实现了高强度。如三级以上的螺纹钢，（HRB400、HRBF400）屈服强度为570Mpa。,二.现阶段巷道支护材料特点,1、淘汰低强度锚杆、大范围使用高强度、大直径大变形量螺纹钢锚杆。,沿用老规范按力学性能划分为四级钢筋（新标准使用牌号）Ⅰ级钢筋（HPB235）建筑盘条的热轧直条、热轧光园钢筋，按屈服强度特征值分为235、300级，推荐的公称直径为6,8,10,12,16,20。材质为Q235,目前正在淘汰低强235MPa钢筋，以300MPa光圆钢筋替代。Ⅱ级钢筋（HRB335）；HRB335（老牌号为20MnSi）、Ⅲ级钢筋（HRB400）；老牌号为20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi。Ⅳ级钢筋（HRB500）。抗震后面加E我国标准推荐公称直径为8、10、12、16、20、40、50mm的螺纹钢系列。各项质量要求应满足GB1499.2-2007热轧带肋钢筋的要求。III,IV级钢筋要通过控制加入V、Nb、Ti和控制冷却等工艺提高机械性能，工艺要求比较高；I、II级钢筋工艺要求低，很多小钢厂就可以生产,二.现阶段巷道支护材料特点,1、淘汰低强度锚杆、大范围使用高强度、大直径螺纹钢锚杆。,二.现阶段巷道支护材料特点,1、淘汰低强度锚杆、大范围使用高强度、大直径螺纹钢锚杆。,二.现阶段巷道支护材料特点,1、淘汰低强度锚杆、大范围使用高强度、大直径螺纹钢锚杆。,二.现阶段巷道支护材料特点,1、淘汰低强度锚杆、大范围使用高强度、大直径螺纹钢锚杆。,二.现阶段巷道支护材料特点,2、由小直径的锚索向强度高的大直径及新型锚索方向发展。,自煤矿使用锚索以来，根据现场锚索拉断情况，锚索直径由最初的直径15.24mm到后来的17.8mm，直至今天是缘分的22mm,锚索的抗拉强度增加了近一倍。当然随着锚索的发展也出现了鸟巢锚杆、注浆锚杆。,二.现阶段巷道支护材料特点,2、由小直径的锚索向强度高的大直径及新型锚索方向发展。,二.现阶段巷道支护材料特点,2、由小直径的锚索向强度高的大直径及新型锚索方向发展。,①对中、增加锚固面积鸟笼的大小一般比锚索钻孔小2mm，可保证锚索在孔中对中,使得树脂在锚索周围均匀分布,并增加锚固面积，从而用较少的树脂用量取得最大的抗拉拔力。②更好的搅拌树脂可起到均匀搅拌树脂作用，从而增加锚索抗拉拔力。③树脂-锚索有机结合鸟笼为中空，在树脂搅拌过程中，树脂充满鸟笼，可使树脂和锚索融为一体，从而进一步增加锚索抗拉拔力。加强管为了安装方便，增加加强管，在锚索接触树脂后，更容易送入孔中。,新型鸟窝锚索,二.现阶段巷道支护材料特点,2、由小直径的锚索向强度高的大直径及新型锚索方向发展。,新型中空注浆锚索,索体其余部分为中空结构,中心为注浆管，高强度预应力钢丝围绕在注浆管周围，通过专门的工艺将它们绞制成和钢绞线一样的外形,满足小孔径安装的要求；浆液通过中心的注浆管，首先到锚索上部出浆口，然后沿钻孔向外流出直到孔口处，被止浆塞挡住无法继续流出，此后，钻孔内浆液的压力开始升高，浆液在高压作用下，向钻孔周围岩体内的裂隙和空隙中扩散，对岩体产生注浆加固作用。,索体前端1.21.5米为实心结构，采用树脂药卷锚固,安装方式与普通树脂锚索完全相同；可以用螺纹锁紧方式，也可以进行张拉用锚具锁紧，锁紧张拉的同时,孔口止浆塞即被楔紧,完成封孔,二.现阶段巷道支护材料特点,2、由小直径的锚索向强度高的大直径及新型锚索方向发展。,二.现阶段巷道支护材料特点,3、锚梁网辅助材料强度不断提高,随着条件变化，木托板、小型铁托板已经被完全淘汰；钢带也以W型、M型钢带居多，梯字形钢带也在不断增加直径（由最初的12mm增加到20mm）；随着锚网索耦合理论的发展，出现了调心球垫、阻尼垫、让压环、让压杆等新的构件。,二.现阶段巷道支护材料特点,3、锚梁网辅助材料强度不断提高,是一种预应力锚杆。阻尼有树脂或塑料阻尼、销式阻尼、金属盖片式阻尼三种。阻尼是指阻碍物体的相对运动、并把运动能量转化为热能或其他可以耗散能量的一种作用。,预应力阻尼锚杆,锚杆预应力在巷道支护中的作用控制围岩强度的降低消除锚杆构件的初始滑移量在围岩中产生附加锚固应力，改变开挖边界的约束性质当围压在0～1MPa范围内变化时，残余强度表现出对围压很强的敏感性，即围压稍微增大残余强度增长很快。能够改善围岩的应力状态并提高围岩承载能力能够改善围岩体的变形性能,二.现阶段巷道支护材料特点,3、锚梁网辅助材料强度不断提高,混凝土钢纤维喷浆80年代，许多国家正在开发和改进喷射混凝土技术。1982年在哥伦比亚派帕的美国基础工程会议上，所有文章谈的都是传统的干喷混凝土技术，只有一篇论文提到钢纤维加筋的问题。然而，当时一些国家已开始引入湿喷和钢纤维加筋技术（SFRS），而且在挪威湿喷法已明显占统治地位。在挪威和瑞典关于干、湿喷混凝土法对质量和环境的影响展开广泛的争论。他们认为湿喷最