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1、2017/7/20,1,煤巷高强预应力支护技术,指能够在支护构件和顶板间实现明显超过松散岩体自重的预张力、形成顶板预应力承载结构，并有效控制顶板离层的高强支护技术这是有别于低强度低初锚力的锚杆支护阶段和高强度低初锚力的锚杆支护阶段的一个相对的阶段性概念，是锚杆类支护技术发展的一个新阶段。低强度低初锚力的锚杆支护阶段高强度低初锚力的锚杆支护阶段高强度高预拉力的锚杆支护新阶段,长期以来极易离层破碎型顶板控制理论未能突破，没有找到有效的支护技术和方法；回采工作面两巷有效断面不足设计断面的1/3，造成通风阻力高、巷道煤层自燃防火、矿井瓦斯治理和安全工作十分被动；被动的棚式支护造成巷道顶板安全状况差，顶
2、板事故频繁发生，事故发生起数约占煤矿事故的50%；在根本上制约着煤矿采掘运整体技术水平的提高，导致矿井机械化水平低，安全状况差，综合效益低。,我国煤矿每年新掘煤层巷道10000km以上，约60%为较复杂条件顶板，该类顶板控制技术和瓦斯治理技术一样是严重制约地下采矿工程的重大技术难题,2017/7/20,3,传统的机械式点锚固锚杆 高强树脂锚杆19451950：机械式锚杆的研究与应用。19501960：采矿业广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究。 5060年代，机械点锚固锚杆使用局限使锚杆支护出现徘徊，19601970： 发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命，树脂锚杆在矿山得到应用。随后
3、树脂全长锚固锚杆的发明应用使它成为80年代以后的主要支护形式。19701980：发明管缝式锚杆、水力账管式锚杆并应用，研究锚杆新的设计方法，长锚索产生。19801990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。锚固技术取得突破锚杆支护材料强度迅速提高,2017/7/20,4,20世纪80年代我国煤巷锚杆支护技术取得快速发展80年代末期，引进澳大利亚锚杆支护技术主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统的
4、设计方法。90年代中期，中等稳定以上条件树脂锚杆研制成功并大范围推广应用90年代中期，受美国锚杆支护技术影响高强度高预拉力大排间距支护领域的专业化、产业化,2017/7/20,5,不重视锚杆加工锚杆加工粗糙、结构单一、规格单一、品种单一；没有统一的标准，不规范。在锚杆产品加工方面没有形成产业化、系列化、多样化，不能满足煤矿锚网支护日益发展的需要。这是制约煤矿锚杆支护技术发展的根本原因之一。掘、支、运不配套，巷道掘进速度较慢，工效低常常低于架棚巷道速度，制约了锚杆支护技术的进一步发展。机具不能满足特殊条件的施工要求困难的地质条件下支护效果仍不甚理想,我国锚杆支护存在的问题,2017/7/20,6
5、,“九五”以来煤巷高强螺纹钢树脂锚杆支护技术取得了快速发展传统的机械式点锚固锚杆 高强树脂锚杆,已解决的问题支护系统的强度问题锚杆与围岩的锚固技术形成了理论到实践的相对完整的技术体系,存在的一些问题设计思想偏于保守复杂条件支护效果不甚理想恶性事故时有发生，安全可靠性没有根本解决技术经济效益不显著,2017/7/20,7,安全可靠性问题锚固技术取得突破锚杆支护材料强度迅速提高顶板的稳定问题仍很突出锚固区外的弱面离层是高强锚杆支护技术面临的一大挑战，必须围绕确保大大减缓顶板离层或根本消除离层这一中心开展控制理论和技术研究，才可能取得突破。煤巷锚杆支护巷道冒顶事故时有发生,2017/7/20,8,采
6、用高强度、超高强度材料制造锚杆，加工精细，将锚杆作为产品、实现了产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的系列化产品。形成一整套比较科学的设计方法有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘进机或性能良好的单体锚杆钻机，满足施工要求，并能实现快速掘进。采用可靠的监测手段。坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支护技术体系。,国外锚杆支护的发展现状成功经验,2017/7/20,9,类比,混凝土建筑材料的发展历史素混凝土钢筋混凝土预应力钢筋混凝土回采面支护的演进木点柱金属摩擦支柱单体支柱（液压支架）预应力技术的应用梁板结构预应力平板结构,2017/7/20,10
7、,安全：安全可靠性要求更高，“零死亡率”是研究锚杆支护技术的首要目标。快速：成巷速度必须与快速推进的现代化长壁综采相适应。高效：在服务期间不进行任何翻修即能满足长壁面生产所需的有效断面，并努力简化回采动压影响期间的超前加强支护，最终取消加强支护。 锚杆支护的效益更多地表现在对采煤的贡献上。“安全”和“支护效果”已经取代“支护成本”成为支护技术先进性和支护设计的出发点和评价标准。 目前主导的锚杆支护技术（主要是“九五”期间完成的煤巷高强螺纹钢树脂锚杆成套技术）不能满足上述目标。,3.锚杆支护的发展方向,2017/7/20,11,高强预应力支护思想的提出,高强锚杆支护体系：两高两低 高强度、高粘结
8、力、 低初锚力（工作阻力）、低可靠性高强预应力支护体系：四高一大 高强度、高粘结力、高预拉力（工作阻力）、高可靠性、大间排距,2017/7/20,12,高强预拉力（锚杆）支护体系,高性能（预拉力）锚杆支护小孔径预拉力短锚索支护钢绞线预拉力桁架支护M型钢带组合支护,2017/7/20,13,问题：锚杆应该具有那些性能？实际受力状况？过去主要围绕强度开展研究; 现在进一步围绕锚杆的承载性能开展研究更全面理解强度的内含:抗拉强度 抗剪强度 系统强度锚固性能：三径匹配结构和安装性能:实现预拉力承载性能：理论支护强度、实际支护能力、有效支护强度、初始支护强度,第一种技术：高性能（预拉力）锚杆,2017/
9、7/20,14,高性能（预拉力）锚杆,指杆体材质符合高强度、延伸率要求、外形符合锚固要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、能够满足钻机连续一体化安装并实现预拉力的新型锚杆；为强调预拉力的作用，这种锚杆又称高性能（预拉力）锚杆。按钢材屈服强度s大小进行的锚杆分类：s 340 MPa，为普通锚杆；340 MPa s 600 MPa，为高强锚杆；s 600 MPa，为超高强锚杆。,2017/7/20,15,高性能（预拉力）锚杆特征1）锚杆杆体表面结构优化，实现高粘低阻2）杆体强度和延伸率符合要求3）外端螺纹部采用无强度损失或增强加工新工艺4）增加减摩和调节锚杆外端受力的附件5）快速机械安装结构6）
10、锚杆系统强度及附件几何尺寸配套7）有醒目的标志直观显示安装施工质量,实现了锚杆安装的机械化、连续化；保证了2030kN以上的预拉力；控制了顶板的松脱垮冒，初始支护强度达到3045kN/m2。,高性能预拉力锚杆支护技术,本项目尾部等强加工,扭矩螺母,杆体外型结构优化,原尾部损伤加工,高性能托盘,具体要求,锚杆杆体强度高、钢材的屈服强度应在300MPa以上，延伸率应不低于15%；结构上容易实现锚杆的快速安装、容易实现锚杆高预拉力的要求；锚杆、托盘、钢带三者的承载能力匹配，并与锚固强度适应；锚杆、托盘、钢带加工规范、系统，产品实现系列化、规范化、产业化；安装质量显性化。,2017/7/20,18,下
11、节,镦头,两节式预拉力锚杆,下节,两节式加长预拉力锚杆的结构,2017/7/20,19,与普通高强锚杆的比较,对比项目 普通锚杆 预拉力等强锚杆锚杆破断力 100 120锚杆可延伸量 10mm 大于200mm材料成本 100 83锚杆井下断裂 有 很少国际相关技术 有 无机械安装性能 无 有 安全标志 有,2017/7/20,20,2017/7/20,21,技术优势,1）及时主动高阻加固，支护效果明显；2）锚杆钻机连续一体化安装，施工规范，安装质量有保证，安全可靠性高；3）大间排距控制围岩变形，省时省力省 钱；4）系列化产品能够满足多种条件要求，使用范围广。可以在很大程度上替代普通锚杆（索）组
12、合支护。,2017/7/20,22,破碎顶板施工时：超前预拉力锚杆可用于控制顶板垮冒离层破碎型煤巷顶板的自稳时间极短，常常随综掘机割煤出现垮冒，顶板稳定性极差，影响锚杆支护的实施，甚至无法正常安装。在单排循环的基础上，割煤前，超前斜角施工预拉力锚杆，通过大扭矩钻机的安装，在两排钢带之间安装34根高性能锚杆，可以很好地稳定住顶板松动岩层，锚杆规格一般采用M161800 mm。,通过多层易离层岩体的整体锚固，消弱层状顶板沿弱面的渐次离层和垮冒。,第二项技术： 小孔径钢绞线预拉力锚索梁技术,机械张拉实现高预拉力；预拉力范围50150kN；提出了低张、短锚、适当滞后的锚索使用原则； 开发了几种新的组合
13、锚索结构；预拉力锚索梁技术双斜拉锚索技术帮部锚索加固技术,2017/7/20,24,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；钢绞线和锚杆承载不同步，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。,2017/7/20,25,第三项技术：高预拉力钢绞线桁架系统,概念：将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点，专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧，并传递张拉力，实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固；它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锁具和
14、锚固剂组成。,肩角稳定区,肩角稳定区,高预拉力钢绞线桁架支护技术,机械张拉实现高预拉力；预拉力范围50150kN；抗剪切破坏能力强；结构稳定可靠，防止顶板垮冒，确保顶板安全；结构简单，安装方便。国内首次研制和使用,以巷道肩角稳定区域岩石作为内锚固支撑点，通过桁架连接装置将两根钢绞线对拉，形成可靠的护顶结构，控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。,2017/7/20,27,高预拉力钢绞线桁架系统,钻眼施工机具、锚固材料及搅拌方式沿用树脂锚杆相关技术，较传统的锚索大大简化了施工难度；钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长；锚固深度大大提高；专用设备施加预拉力，预紧力大小随意可调。能够解决厚层复合破
15、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。,2017/7/20,28,钢绞线预拉力桁架技术特征,内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，水平预紧力可以改善顶板的应力状态，可以消除离层。桁架是通过拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，加固效果好；钢绞线抗剪性能强，能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；,2017/7/20,29,钢绞线预拉力桁架技术特征,受力随顶板岩体弯曲，两帮锚固点内移，能形成闭锁结构，受力增加较慢，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；锚固深度一般不需超过3.0-4.0m，施工方便。在大排距（超过两排锚杆）下可以防止顶板垮落，加密排距（小于两排锚杆）可以进一步控制变形。,
