锚杆支护新技术PPT课件

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1、.,1,锚杆支护新技术,.,2,报 告 内 容,第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测 第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用,.,3,1995的15%,阶段一：1995年时国内外状况,.,4,锚杆支护比重约25% 巷道面貌根本改观 扩大使用范围：、类推广，、类试验成功 原因：理论、设计方法、工艺取得了突破,阶段二：2001年时,.,5,形成以实测地应力为基础的的动态设计方法 包括锚杆材料、附件、锚固剂、W钢带和网、“三径合理匹配”、可切割帮锚杆的支护系统 技术性能良好的单体风动锚杆钻机,国内取得成功的原

2、因,.,6,小孔径预应力锚索加强支护的技术 重视锚杆支护巷道安全监测 重视复杂、困难条件下锚杆支护技术研究 在机掘、炮掘的不同条件下，实现巷道施工快速、安全、高效和掘锚协调,.,7,锚杆支护的优越性,支护理论符合现代围岩控制原理 施工简单 成本相对较低 改善作业环境 保证矿井高产高效,.,8,存在的一些问题,设计思想偏于保守，设计方法落后 技术体系不配套 复杂条件支护效果不甚理想 忽视监测手段，恶性事故时有发生 技术经济效益不显著,.,9,锚杆支护的发展方向,加快巷道掘进速度 减少巷道支护成本 提高锚杆支护的可靠性,方向：基于预应力的锚杆技术,.,10,报 告 内 容,第一部分：现状、问题及发

3、展方向 第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测 第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用,.,11,锚杆长度和受力可确定 跨度较大和软弱岩层厚度过大时？,悬吊理论,经典理论,.,12,组合梁理论,实质：通过锚杆将几个薄岩层锁在一起 据材料力学计算， 解释了层状岩体锚杆支护 但组合梁的承载能力很难确定,经典理论,.,13,压缩拱理论,理论认为：安装锚杆后可形成一个承压拱 承压拱厚度和强度？,经典理论,.,14,最大水平应力理论,巷道受地应力影响,经典理论,.,15,垂直应力,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,巷道围岩与地应

4、力状况,.,16,水平应力,水平应力与垂直应力之比,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,.,17,我国地应力测量结果,.,18,我国大中型煤矿软岩巷道及煤巷所占比重约80%，每年掘进量高达1万余公里。 此类巷道围岩松软破碎，受采动强烈影响，围岩破碎区、塑性区很大，围岩变形量高100余mm，数百mm，甚至1000余mm。,围岩强度强化理论,目的、意义,我们采用的理论,.,19,发展缓慢的原因 理论和技术不完善，包括：,（1）破碎围岩的锚杆支护理论； （2）锚杆支护设计方法； （3）施工工艺及技术,.,20,锚杆布置在破碎围岩中,.,21,锚杆的作用是约束围岩的径向膨胀和横向剪切,

5、.,22,研究结果分析,（1）锚杆轴向锚固强度 沿锚杆轴向对锚固体施加一主应力：,式中：Nmax锚杆轴向力； n 锚杆数目； s 试体自由面面积。,.,23,（2）锚杆横向锚固强度 提高了破裂面上的锚固体的抗剪强度，即增加了锚固体的等效内聚力C：,式中：C0 无锚杆时岩体的内聚力； n 锚固体中锚杆布置根数； Cm 为单根锚杆提供的附加内聚力。,.,24,（3）锚固体强度,锚固体应力应变曲线图（曲线上数字为锚杆支护强度t）,.,25,（4）锚固体的强度强化系数,.,26,锚杆支护强度 对破碎区、塑性区及巷道表面变形的影响,由图表可见，随着锚杆支护强度的提高，围岩强度得到强化，塑性区宽度、破碎区

6、宽度和巷道表面位移减少，围岩强度强化到一定程度，巷道围岩就能够保持稳定。,.,27,结论,锚杆支护作用的实质就是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固岩体的力学参数，提高锚固岩体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化。充分发挥围岩的自承能力。,.,28,报 告 内 容,第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测 第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用,.,29,锚杆的发展历程,第一代：机械式端头锚固锚杆。40年代开始，在5060年代广为推广。分为楔缝式、涨壳式、倒楔

7、式等，其特点为锚固力低、系统刚度小、可靠性差，受岩性影响大，其技术特征客观上导致了使用的局限性。,.,30,第二代：各种全锚锚杆提出。7080年代各种新型锚杆相继问世，如砂浆锚杆、树脂锚杆、管缝式锚杆、水胀锚杆等，它们的特点为全长锚固、锚固力大、可靠性高，适应性强。,.,31,第三代：螺纹钢树脂锚固锚杆占领市场阶段。80年代以后，树脂锚杆以其优越的锚固性能和简易的操作工艺逐渐占领了锚杆市场。此外各种适应特殊要求的锚杆得到发展，如适应可切割要求的玻璃纤维锚杆、塑料锚杆，适应软岩大变形要求的等塑性锚杆，适应大跨度的桁架和锚索等。,.,32,第四代：高性能预拉力锚杆在90年代末开始出现和应用，并初步

8、显示出巨大的生命力。将锚杆加工作为一门技术，而非材料消耗、废品利用，形成了锚杆产品的多样化、多系列，并实现了产业化，以适应各种不同的条件；锚杆设计、制造、服务一体化；将高新技术用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计。,.,33,高预拉力锚杆支护 小孔径预应力短锚索支护 钢绞线预拉力桁架支护 共同点：在施工安装完成后，支护构件和围岩产生一个显著的作用力，即预拉力 通过调整锚杆预拉力的大小是目前改善锚杆支护效果、扩大锚杆间排距的最经济、有效的方法,锚杆支护体系的选择,.,34,高预拉力锚杆,成套使用 部件强度相匹配 螺纹段采用低强度损失、无强度损失

9、或增强加工 容易实现高预拉力 满足钻机连续一体化安装 金属网、钢带及钢筋梯配套,.,35,表面积不同 表面结构不同,螺纹钢锚杆表面结构优化,.,36,低阻高粘型单向左旋无纵筋螺纹钢杆体,.,37,新型高预拉力锚杆,.,38,几种扭矩螺母,.,39,各种垫圈,.,40,几种配套的新型托盘,.,41,防止巷道顶板的漏冒和两帮煤体的片帮 通过托板将其所承担的载荷有效地传递到锚杆上，并能协调锚杆的受力，发挥锚杆的整体支护作用 有效的提高锚杆锚固范围内围岩的连续性，这对提高锚杆支护体系的整体支护强度是十分有益的。,配套的金属网、钢带及钢筋梯,.,42,小孔径预应力短锚索,孔径：国外大（50-55mm），

10、我们使用28mm 钻机：国外为锚索钻机 ，我们用锚杆钻机 锚固方式和承载时间：国外用水泥浆，24小时后承载。我们用树脂锚，5-10分钟承载 钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长 专用设备施加预拉力，预拉力大小随意可调,.,43,锚索材料及性能,.,44,小孔径锚索作用原理,.,45,锚索存在的缺陷,和20mm的20MnSi螺纹钢锚杆强度区别不明显；锚索常出现破断、抽冒现象 锚索和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力 外端头受力不良，与围岩点接触，顶板强化效果不明显 内锚固端的三径匹配不合理，锚固性能不可靠 锚索难以从根本上控制顶板的离层,.,46,关于锚索的几个问题,锚索的作用？ 锚索的长度？

11、锚索的张拉力？,“广义悬吊”作用 与锚索的延伸率相适应 根据围岩变形大小选择,.,47,高预拉力钢绞线桁架系统,顶板桁架 有效阻止顶板垮冒,.,48,桁架系统的应用,与锚索支护所用材料、施工机具和工艺十分接近 能够解决厚层复合破碎顶板（不稳定层厚累计超过5.0m）、高水平地应力、松散煤层顶板等条件下的支护难题，弥补锚索支护的不足 用在煤帮可有效控制两帮的相对移近,.,49,M型钢带的特点,不对称抗弯性能，容易与围岩密贴 刚度大，强度高，不容易撕裂 断面利用率高、节省钢材、价格低廉,.,50,型钢带在井下的使用,.,51,.,52,锚固剂的选择 高性能锚杆的锚固方式 “三径”匹配关系是指锚杆直径

12、、钻孔直径、树脂药卷直径三者的匹配关系,锚杆锚固参数,.,53,“三径”合理匹配,从锚固力及锚固成本分析,.,54,树脂技术,油基树脂 收缩性 搅拌要求高 成本高,水基树脂 中性或略具膨胀性 1：1配比，易均匀搅拌 成本低,.,55,.,56,报 告 内 容,第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测 第五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用,.,57,常用设计方法,经验类比法：分类科学性、合理性和准确性 系统设计法：计算的实质和电算方法 理论计算法：简化的程度、科学性、必要性,.,58,煤巷锚杆支护设计新方法

13、,.,59,1回风下山与其它巷道关系示意图,.,60,围岩物理力学性质,.,61,天然状态下，砂岩、泥岩和铝质泥岩在单向加载条件下，破坏时的应力分别为30MPa、14MPa和28MPa左右，强度较低。 吸水饱和状态下，强度更低，其强度分别为14MPa、5MPa和6MPa左右。,特点一：属软岩巷道,.,62,岩样主体成分均为高岭石、石英、有部分伊利石和伊蒙混层，有少量的菱铁矿、黄铁矿等矿物。,特点二：围岩均为弱膨胀性,.,63,样品中的伊利石衍射峰宽化且较低矮，表明其结晶状态较差；样品中的伊蒙混层衍射峰与伊利石峰相连，表明混层中的伊利石较多，蒙脱石较少。,特点二：围岩均为弱膨胀性,.,64,特点

14、三：结构特点,82煤底板砂岩中，局部粗大矿物分布较集中，局部粗大晶粒密实嵌布，结构较致密。,.,65,特点三：结构特点,82煤底板泥岩中片状矿物排布较整齐，中孔及小孔多平行分布，孔间连通较差。,.,66,特点三：结构特点,82煤底板铝质泥岩中粗大孔隙局部较密集，中等粒径晶粒分布较均匀。,.,67,特点四：受断层破碎带影响,.,68,数值模拟模型建立,特点五：上部煤层开采对巷道的影响,.,69,巷道处于上部煤层开采后的高应力区中,.,70,巷道处于上部煤层开采后的高应力区中,.,71,巷道处于上部煤层开采后的高应力区中,.,72,巷道围岩变形特点模拟,特点1,.,73,巷道围岩变形特点模拟,特点

15、2,.,74,巷道维护的技术途径,采用光面爆破技术严格控制巷道成型 及时喷浆以封闭围岩 高预紧力锚杆支护技术是基础 锚杆布置必须有针对性 锚注加固技术控制围岩破碎巷道 考虑必要的卸压支护技术。,.,75,方案一：单一锚杆支护,.,76,方案二：“锚杆锚索”方案,.,77,方案三：“锚杆注浆”方案,其一，提高岩体强度 其二，形成承载结构 其三，改善赋存环境,巷道注浆加固机理,.,78,浆液的凝胶时间适当可调，以控制浆液的流动范围； 浆材的结石体最终强度高； 浆液结石率高，与煤具有良好的粘附性； 浆液流动性好，配比易调； 浆液具有足够的稳定性； 浆材成本低廉，无毒无味。,注浆加固材料选择的原则,.

16、,79,注浆加固技术方案,.,80,注浆加固时机 注浆孔深及间排距 注浆压力 注浆量,注浆参数的确定,.,81,主要技术方案,注浆锚杆间距为1.5m，除下底角注浆孔外，其余孔均垂直巷道岩面布置，注浆孔深度2.0m。 根据锚杆排距和注浆孔排距不同，设计如下方案： 第一种注浆技术方案：锚杆排距为和注浆锚杆排距均为1.2m，间隔布置。 第二种注浆技术方案：锚杆排距为800mm，注浆锚杆排距为1.6m，两排锚杆布置一排注浆孔。,.,82,锚杆支护不是万能的，在一些情况下，单纯采用锚杆支护是不安全的，甚至是不可能成功的！ 锚杆支护是一项隐蔽性工程 支护材料本身存在的缺陷,支护质量监测,.,83,巷道表面位移 巷道围岩较深部变形 巷道顶板的离层状况 锚杆全长范围的受力情况 锚杆的拉拔试验和锚杆的工作阻力,监测内容,.,84,离层指示仪,.,85,液压枕,.,86,深部多点位移计,.,87,光导纤维钻孔窥视仪,.,88,几个指标： 巷道稳定性 锚杆工况,信息反馈及修改完善设计,1、顶板锚固区内离层 2、顶板锚固区外离层 3、两帮的相对移近量 4、端锚锚杆的锚固力 5