井巷工程课件巷道支护2课件

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1、煤巷锚杆支护新技术及应用,煤巷锚杆支护现状与发展 锚杆支护理论 锚杆支护技术体系 设计与监测 锚杆支护配套机具及材料,1995年时国内外状况,澳、美、英锚杆支护比重已达90%以上，德、俄、波正在大力发展，比重在50%以上；我国为15.15%（低水平）。,世界上最早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。 美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪30年代初，1943年开始有计划有系统地使用锚杆。 1947年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到2年的时间内，锚杆在采矿工业中得到普及。,1：国外锚杆支护的发展现状,美国,到了50年代初，美国发明了世界上第一

2、个涨壳式锚头，由此而来带来了美国采矿工业的一场革命。 60年代末发明树脂锚固剂，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。 在70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%。,美国锚杆技术精髓 “两高一大”,高强度 高预拉力 大排间距,支护领域的专业化、产业化。 锚杆设计、制造、服务一体化。 锚杆等支护产品精细加工，而非材料消耗、废品利用 支护手段多样化、多系列，以适应各种不同的条件。 高新技术用于锚杆设计。,美国的成功经验,1952年大规模使用机械式锚杆，但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械

3、式锚杆。 到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。 1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。,英国,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设计方法。,澳大利亚,自1932年发明型钢支架以来，主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上。 自80年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护。 80年代

4、初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。,德国,采用高强度、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，以巷道围岩地质力学评估及井下实测数据为基础，强调最大水平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用。,国外锚杆支护的发展现状成功经验,采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥视仪、顶板离层指示仪、围岩深部多点位移计、测力锚杆等监测仪器。 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。 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

5、要求，并能实现快速掘进。,研制开发了价廉物美的快硬水泥锚杆。 引进管缝式锚杆技术并推广应用。 研究“三小”锚杆技术。 试验成功了几种可拉伸锚杆、组合锚杆和桁架式锚杆等 80年代末期，引进澳大利亚锚杆支护技术。 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。,2：我国煤巷锚杆支护技术状况,1995年立项时,锚杆支护比重。我国15.15%。 锚杆支护。由Q235圆钢制造，承载能力40 70 kN/根，水泥药卷端锚；用于、类及部分类煤巷。,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。,2001年时,形

6、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”、可切割帮锚杆的锚杆支护系统。 技术性能良好的单体风动锚杆钻机。 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。,国内取得成功的原因,3：国内外锚杆使用条件的差别,国外均使用在煤质中硬以上。 我国煤巷锚杆支护主要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道。 软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下的锚杆支护正在进行试验性研究，近几年取得较大突破。,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。

7、 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。 19701980：发明管缝式锚杆、水力胀管式锚杆并应用，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。,4：锚杆支护的发展方向,现存体系存在的一些问题,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，安全性没根本解决 技术经济效益不显著。,煤巷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,锚杆长

8、度和受力可确定。 跨度较大和软弱岩层厚度过大时？,1：悬吊理论,在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 组合梁理论适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。,2：组合梁理论,3：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？,4：围岩强度强化理论,理论提出的背景,锚杆作用围岩的属性,锚杆的作用,约束围岩的径向膨胀和横向剪切,锚固体C、随t的增加而提高,锚固体C*、* 随t的增加而提高,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，改善锚固体的力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到

9、强化,充分发挥围岩的自承能力。,理论的实质,地层应力状态,5：预应力支护理论,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,垂直应力：岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。,水平应力,水平应力与垂直应力之比,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,开采深度,平均水平应力与垂直应力之比,我国地应力测量结果,巷道受地应力影响,最大水平应力与方向与巷道轴向平行,最大水平应力与方向与巷道轴向斜交,最大水平应力与方向与巷道轴向垂直,水平应力超过顶板水平方向的强度时，将破坏顶板（剪切破坏和拉破坏），层状顶板出现离层现象。 锚杆预拉力大小对顶板稳定性具有决定性的作用。当预拉力大到一

10、定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除。 高预拉力锚杆旨在建立预应力顶板，预应力顶板的存在在一定程度上保护着顶板使其免受水平应力的破坏， 使顶板岩层处于横向压缩的状态,以克服高水平应力对顶板稳定性的影响。,预应力理论的观点,当顶板整体性好时，形成预应力板，可采用大间排距支护。 顶板破碎时，形成预应力梁，采用小间排距。 在预应力顶板的条件下，垂直压力被转移到巷道两侧煤体纵深， 巷道两侧附近煤体的压力减少，片帮现象缓和。 锚杆支护原则是“先控顶，后护帮”。 预应力结构的形成是有条件的，预拉力是关键。 在水平应力大的条件下，锚杆作用在于给顶板及时提供很高的预应力以形成预应力顶板，形

11、成了一个压力自撑结构。,预拉力思想的产生,美国人最先重视高预拉力支护技术。 美国J. Stankus（1994、1997）和Song Guo（郭颂，1997、1998）系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响，认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，并率先在锚杆支护设计中考虑锚杆预拉力的影响。 中国学者朱浮声（1993）、郑雨天（1995）的研究表明：当锚杆预拉力达到6070kN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。,预拉力是个新观念,重视锚杆材质及结构研究。 围岩施工安装机械设备的开发提出方向。 形成支护材料加工的专业化公司。 包含了一个

12、技术体系所要求的各个方面。,集中端头锚固类,全长锚固类,机械锚固类,机械锚固类,粘结锚固类,粘结锚固类,涨壳式锚杆,倒楔式锚杆,钢丝绳砂浆锚杆,微膨胀水泥锚杆,木锚杆,竹锚杆,树脂锚杆,水泥锚杆,快硬水泥锚杆,压缩木锚杆,普通木锚杆,管缝式锚杆,水力膨胀式锚杆,全长树脂锚杆,全长水泥锚杆,钢筋砂浆锚杆,1：锚杆种类,普通木锚杆结构 1-杆体 2-楔缝 3-内楔块 4-垫板 5-外楔快,木锚杆：分为普通木和压缩木锚杆。无预紧力，锚固力低，易腐烂，服务年限一般23年。普通木锚杆锚固力10kN15kN；压缩木锚杆锚固力20kN左右。,压缩木锚杆结构 1-杆体 2-楔缝 3-内楔块 4-垫板 5-加固

13、钢圈 6-外楔快,竹锚杆：分为片竹锚杆和百夹竹锚杆两种。 片竹锚杆：一般应用4根厚10mm、宽30-38mm的竹片，并应用22号铁丝箍成圆形。百夹竹锚杆：杆体选用直径2025mm百夹竹，将杆体对破开经防腐处理后将竹心灌以1：2的水泥砂浆（两端留木楔长度），然后用铁丝捆扎而成。,片竹锚杆结构 1-竹片杆体 2-铁丝箍 3-垫板 4-内楔块 6-外楔快,百夹竹锚杆结构 1-杆体 2-铁丝箍 3-垫板 4-圆锥内楔 5-圆锥外楔,楔缝式锚杆：一般用于I类围岩。,楔缝式锚杆结构 1-杆体 2-楔缝 3-丝扣 4-楔子 5-垫板 6-螺母,胀壳式锚杆：靠锥形螺帽前移迫使胀壳向左右张开、楔嵌入孔壁。锚杆结

14、构较复杂，对围岩能及时支护。锚固力一般为50100kN。可回收。,管缝式锚杆：是靠开缝的钢管被强行打入锚杆孔（孔径比锚杆外径小），管体受挤后对围岩孔壁产生弹性抗力。杆体与孔壁之间产生的轴向静摩擦力阻止围岩的松动、变形。该型锚杆支护效应快，杆体全长产生锚固力。锚固力一般多5070kN。,玻璃纤维增强塑料锚杆（简称玻璃钢锚杆）是一种高强易切割新型复合材料锚杆。 特点： 抗拉强度大，抗拉强度可与20MnSi螺纹钢锚杆抗拉强度相媲美。阻燃、抗静电、采煤机易切割、不产生火花，安全； 重量轻，为钢材的1/4。大大减轻了工人的劳动强度；价格便宜，比同规格的钢锚杆相比每米便宜1-2元。,第一代：机械式端头锚固

15、锚杆。40年代开始，在5060年代推广。分为楔缝式、涨壳式、倒楔式等，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。 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。,2.锚杆的发展,第三代：螺纹钢树脂锚固锚杆占领市场阶段。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钢锚杆、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。 第四代：高性能预拉力锚杆在90年代末开始应用，并初步显示出巨大的生命力。形成了锚杆产品

16、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，并将锚杆预拉力作为主要参数进行设计。,3.锚杆常用钢材及性能,普通圆钢粘结式锚杆,高强度、超高强度锚杆,锚尾螺纹部分热处理及效果,整根锚杆热处理及效果,4：预拉力支护体系,提出背景,支护目的是减小屈服后强度降低，使破坏变得平缓。 锚杆提供轴向力与切向力，减小不连续面抗剪强度的降低，阻止离层与滑动。尽量保持节理煤岩体的原有强度、完整性。 给围岩施加压应力，改善应力状态。 提高锚杆支护系统的刚度非常重要，途径：及时支护；施加高预应力，并实现预应力有效扩散；加长或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，及时抑制。大幅度提高支护系统刚度与强度，特别是预应力，可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形。,主动支护系数（预应力与杆体屈服强度比值）,锚杆主动支护性与预应力分类,强度利用系数(轴向拉力与杆