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1、锚杆支护新技术7/19/20241 报 告 内 容第一部分：现状、问题及发展方向 第二部分：锚杆支护理论第二部分：锚杆支护理论 第三部分：预应力锚杆支护体系第三部分：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五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用第六部分：工程应用7/19/20242 1995的15%阶段一：1995年时国内外状况7/19/20243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7/19/20244形成以实测地应
2、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 国内取得成功的原因7/19/20245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7/19/20246锚杆支护的优越性u支护理论符合现代围岩控制原理u施工简单u成本相对较低u改善作业环境u保证矿井高产高效7/19/20247存在的一些问题u设计思想偏于保守，设计方法落后u技术体系不配套u复杂条件支护效果不甚理想u忽视监测手段，恶性事故时有发生u技术经济
3、效益不显著7/19/20248锚杆支护的发展方向u加快巷道掘进速度u减少巷道支护成本u提高锚杆支护的可靠性方向：基于预应力的锚杆技术7/19/20249 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三部分：预应力锚杆支护体系 第四部分：支护设计与监测第四部分：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五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用第六部分：工程应用7/19/202410u锚杆长度和受力可确定u跨度较大和软弱岩层厚度过大时？悬吊理论经典理论7/19/202411组合梁理论u实质：通过锚杆将几个薄岩层锁在一起
4、u据材料力学计算， 解释了层状岩体锚杆支护u但组合梁的承载能力很难确定经典理论7/19/202412压缩拱理论u理论认为：安装锚杆后可形成一个承压拱u承压拱厚度和强度？经典理论7/19/202413最大水平应力理论u巷道受地应力影响经典理论7/19/202414&垂直应力(Brown & Hoek, 1978)开采深度巷道围岩与地应力状况7/19/202415&水平应力水平应力与垂直应力之比(Brown & Hoek, 1978)开采深度埋深1000m，水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0埋深1000m，水平应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中，约为0.5-2.07/19/202416开采
5、深度平均水平应力与垂直应力之比&我国地应力测量结果7/19/202417u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。u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、意义目的、意义我们采用的理论7/19/202418&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7/19/202419锚杆布置在破碎围岩中锚杆布置在破碎围岩中7/19/202420u锚杆的作用是约束围岩的径向膨胀和横向剪切7/19/20242
6、1u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。 7/19/202422（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。 7/19/202423（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） 7/19/202424（4）锚固体的强度强化系数锚杆支护强度 /MPa单向加压平面应变加压极限强度/MPa残余强度/MPaKjKc极限强度/MPa残余强度/MPaKjK
7、c01.2380.06111.650.525110.061.2750.0651.031.0831.7250.58751.041.120.081.350.0681.091.1331.83150.6251.111.190.111.430.07151.1551.1921.92750.66751.1681.2710.141.50.0751.2121.252.0750.71.2581.3330.171.5750.0811.2721.352.170.751.3151.4290.221.6750.0891.3531.4832.2750.821.3791.5627/19/202425锚杆支护强度对破碎区、塑性
8、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。7/19/202426 结论u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。7/19/202427 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
9、五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用第六部分：工程应用7/19/202428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。7/19/202429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。7/19/202430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
10、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。7/19/202431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。7/19/202432u高预拉力锚杆支护u小孔径预应力短锚索支护u钢绞线预拉力桁架支护共同点：在施工安装完
11、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7/19/202433高预拉力锚杆l成套使用l部件强度相匹配l螺纹段采用低强度损失、无强度损失或增强加工l容易实现高预拉力l满足钻机连续一体化安装l金属网、钢带及钢筋梯配套7/19/202434表面积不同表面结构不同 螺纹钢锚杆表面结构优化7/19/202435低阻高粘型单向左旋无纵筋螺纹钢杆体 7/19/202436新型高预拉力锚杆7/19/202437几种扭矩螺母7/19/202438各种垫圈7/19/202439几种配套的新型托盘7/19
12、/202440u防止巷道顶板的漏冒和两帮煤体的片帮u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u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7/19/202441小孔径预应力短锚索u孔径：国外大（50-55mm），我们使用28mmu钻机：国外为锚索钻机 ，我们用锚杆钻机u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u钢绞线具有柔性，因而长度可以适当加长u专用设备施加预拉力，预拉力大小随意可调7/19/202442锚索材料及性能7/19/202443
13、小孔径锚索作用原理7/19/202444 锚索存在的缺陷u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u锚索和锚杆承载不同步，易超前锚杆集中受力u外端头受力不良，与围岩点接触，顶板强化效果不明显u内锚固端的三径匹配不合理，锚固性能不可靠u锚索难以从根本上控制顶板的离层7/19/202445 关于锚索的几个问题锚索的作用？锚索的长度？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7/19/202446高预拉力钢绞线桁架系统顶板受压区顶板受压区顶板桁架 有效阻止顶板垮冒7/19/202447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
14、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7/19/202448 M型钢带的特点u不对称抗弯性能，容易与围岩密贴u刚度大，强度高，不容易撕裂u断面利用率高、节省钢材、价格低廉7/19/202449型钢带在井下的使用7/19/2024507/19/202451 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、钻孔直径、树脂药卷直径三者的匹配关系 锚杆锚固参数7/19/202452 “三径”合理匹配从锚固力及锚固成本分析杆体结构锚固剂环形厚度（mm）合理值最佳值左旋螺纹
15、钢41056建筑螺纹钢612787/19/202453树脂技术p 油基树脂n收缩性n搅拌要求高n成本高p水基树脂n中性或略具膨胀性n1：1配比，易均匀搅拌n成本低7/19/2024547/19/202455 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五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用第六部分：工程应用7/19/202456 常用设计方法u经验类比法：分类科学性、合理性和准确性u系统设计法：计算的实质和电算方法u理论计算法：简化的程度、科学性、必要性7/19/2
16、02457 煤巷锚杆支护设计新方法地应力测试根据反馈信息修改、完善设计现场施工及监测计算机初始设计地质力学评估7/19/2024581回风下山回风下山与其它巷道关与其它巷道关系示意图系示意图 7/19/202459围岩物理力学性质围岩物理力学性质 岩石名称参数铝质泥岩粉砂岩灰色泥岩容重/ g/cm32.62.62.54比重/ g/cm32.72.712.71孔隙率/3.814.026.21单轴抗压强度/MPa30.531.4214.8单轴抗拉强度/MPa0.980.910.9内摩擦角/32.334.134.1凝聚力/MPa7.845.483.55变形模量/GPa8.538.45.51泊松比0.
17、3580.320.317/19/202460u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。u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7/19/202461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：围岩均为弱膨胀性序号成份82煤底板砂岩82煤底板铝质泥岩82煤底板泥岩1高岭石K6471722伊利石I12523伊蒙混层I/M4324石英Q1617205长石F/6方解石C0.5/0.57白云石D/8黄铁矿P12/9菱铁矿S
18、11210其它O余量余量余量7/19/202462样样品品中中的的伊伊利利石石衍衍射射峰峰宽宽化化且且较较低低矮矮，表表明明其其结结晶晶状状态态较较差差；样样品品中中的的伊伊蒙蒙混混层层衍衍射射峰峰与与伊伊利利石石峰峰相相连连，表表明明混混层层中中的的伊伊利利石石较较多多，蒙蒙脱脱石石较较少。少。 特点二：围岩均为弱膨胀性7/19/202463 特点三：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。 7/19/202464 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。7/19/202465 特点三：结构特点82煤
19、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。7/19/202466 特点四：受断层破碎带影响7/19/202467u数值模拟模型建立 特点五：上部煤层开采对巷道的影响7/19/202468u巷道处于上部煤层开采后的高应力区中7/19/202469u巷道处于上部煤层开采后的高应力区中7/19/202470u巷道处于上部煤层开采后的高应力区中7/19/202471 巷道围岩变形特点模拟特点17/19/202472 巷道围岩变形特点模拟特点27/19/202473巷道维护的技术途径u采用光面爆破技术严格控制巷道成型u及时喷浆以封闭围岩u高预紧力锚杆支护技术是基础u锚杆布置必须有针对性u
20、锚注加固技术控制围岩破碎巷道u考虑必要的卸压支护技术。7/19/202474方案一：单一锚杆支护7/19/202475方案二：“锚杆锚索”方案7/19/202476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u巷道注浆加固机理7/19/202477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。u注浆加固材料选择的原则7/19/202478u注浆加固技术方案7/19/202479注浆加固时机注浆孔深及间排距注浆压力注浆量u注浆参数的确
21、定7/19/202480u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。7/19/202481u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！u锚杆支护是一项隐蔽性工程u支护材料本身存在的缺陷 支护质量监测7/19/202482u巷道表面位移u巷道围岩较深部变形u巷道顶板的离层状况u锚杆全长范围的受力情况u
22、锚杆的拉拔试验和锚杆的工作阻力u监测内容7/19/202483u离层指示仪7/19/202484u液压枕7/19/202485u深部多点位移计7/19/202486u光导纤维钻孔窥视仪7/19/202487&几个指标：几个指标：巷道稳定性巷道稳定性锚杆工况锚杆工况u 信息反馈及修改完善设计1 1、顶板锚固区内离层、顶板锚固区内离层2 2、顶板锚固区外离层、顶板锚固区外离层3 3、两帮的相对移近量、两帮的相对移近量4 4、端锚锚杆的锚固力、端锚锚杆的锚固力5 5、测力锚杆的失效点数、测力锚杆的失效点数7/19/202488&及时对现场监测到的数据进行分析整理，与初及时对现场监测到的数据进行分析整
23、理，与初步设计中得到的估算数据进行对比分析步设计中得到的估算数据进行对比分析&如果两者存在较大差距时应修改初步设计，调如果两者存在较大差距时应修改初步设计，调整锚杆支护参数，形成最终设计整锚杆支护参数，形成最终设计7/19/202489 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五部分：巷道围岩应力转移原理与技术 第六部分：工程应用第六部分：工程应用 7/19/2024902第一类，围岩软弱型高应力巷道，即软岩巷道2第二类，采动影响型高应力巷道，即动压巷道2第三类，深井高应力巷道，
24、即深井巷道高应力巷道类型7/19/202491矿井高应力巷道具有围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，岩石峰后状态和性质、长时强度发生变化等特点。这些特点造成巷道维护困难、维护费用高，影响生产等一系列问题。高应力巷道特点7/19/202492降低围岩应力、提高围岩强度和合理支护技术是控制巷道围岩变形、保持围岩稳定性的三大主要技术途径对于高应力巷道来说，相对降低围岩应力以达到保护巷道的方法是控制巷道围岩变形的根本因此，从控制应力的角度出发提出“巷道围岩应力转移理论与技术”的研究问题解决的手段7/19/202493顶板掘巷的应力转移原理7/19/2024947/19/202495底板掘巷
25、的应力转移原理7/19/202496u胶带机头硐室群与3上307、3下307工作面平面位置对照图7/19/2024977/19/202498u垂直应力的转移效果硐室受采动影响期时间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主要硐室周边的垂直应力最大为40 MPa左右。采用应力转移技术后，主要硐室周边的垂直应力降低为7.5 MPa左右。效果十分明显。7/19/202499u垂直位移的控制效果硐室受采动影响期时间，如不采用底板掘巷应力转移技术，主硐室顶板下沉量可达193.4 mm，底鼓量达158.8 mm。采用应力转移技术后，主硐室基本无底鼓。效果显著。7/19/2024100u工业性试验方案7/19/20
26、24101u上行开采的应力转移原理与技术7/19/2024102底角松动爆破与注浆加固7/19/20241037/19/2024104掘进头超前钻孔应力转移7/19/2024105开槽孔7/19/2024106松动爆破7/19/2024107巷道一侧或两侧布置巷峒 巷道一侧布置巷硐后效果示意图巷道一侧布置巷硐后效果示意图7/19/2024108 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：工程应用第六部分：工程应用 7/19/2024109u 重视产品加工，采用正规合格产品u
27、 把握锚杆的工况，以实现高预拉力为中心u 注意积累，结合经验开展科学设计如何应用新型锚杆支护技术？7/19/2024110 基本条件u煤层厚度8.28m，倾角37，单轴抗压强度1020MPa，煤层节理裂隙发育。u巷道沿煤层底板掘进，顶煤厚5.0m以上。u巷道埋深500m。u试验巷道长度1510m。7/19/2024111 原支护状况及存在的问题u工字钢对焊棚支护是一种被动支护；u掘进冒顶严重、巷道变形大；u施工困难，劳动强度大；u辅助运输复杂，安全性差；u支护成本高；u工作面端头维护工作量大。7/19/2024112 理论观点1：u大结构：包括顶煤、直接顶、老顶及其上载荷岩层的结构u小结构：巷
28、道锚杆组合支护与锚固体7/19/20241137/19/20241147/19/2024115 理论观点2：u大结构在上工作面回采、掘巷及本工作面回采时均不会发生失稳现象，为巷道采用锚杆支护提供了先决的外部条件。但大结构的回转下沉运动将会引起巷道围岩大变形的发生。u在大变形前提下，巷道稳定性主要取决于巷道围岩采用锚杆支护时形成的小结构的稳定性。7/19/2024116u 预拉力 锚杆支护中的三个关键问题提高预紧力可以有效控制巷道变形，并可以加大锚杆的间排距7/19/2024117 锚杆支护强度存在的问题：支护强度在0.10.15MPa之间，实际上在0.05MPa左右，原因主要在于以下几个方面：
29、锚杆材质多为Q235的圆钢，其s240MPa，延伸率25%锚杆的直径较小，破断载荷在50100kN之间 锚固长度达不到要求 锚杆的辅助支护措施不配套u 锚杆合理的支护强度7/19/20241187/19/2024119u 加强支护形式及技术顶板锚杆的长度不够顶板煤体普遍较为松软，锚杆的锚固性能得不到有效保证当巷道两帮的支护强度不够时，将使两帮向巷道内挤入，煤帮发生较大的下沉，这将影响到顶板的稳定性7/19/2024120 影响小结构稳定的关键问题 窄煤柱的合理设计 （1）原则：锚杆安设基础、有利的应力环境、良好锚固性能、巷道围岩变形、煤损小的原则 （2）方法：理论计算法、数值分析、工程实践法
30、顶板煤体的合理支护 重视实体煤帮的支护问题 重视巷道帮角的加固 7/19/2024121断面：宽度44.5m，高度；煤柱尺寸：3.5m；顶板：5根202500mm螺纹钢锚杆，铺设菱形金属网和带钢；两帮：202200mm螺纹钢锚杆，沿空侧5根，实体煤侧4根；锚固方式：顶板及两帮中均采用加长锚固方式，药卷长度1000mm。 巷道支护设计7/19/2024122 实施效果7/19/20241237/19/2024124 工作面前方500m处支护效果实照图7/19/2024125 工作面前方150m处支护效果实照图7/19/2024126 工作面前方40-30m处支护效果实照图7/19/2024127
31、 工作面推过后10-30m处支护效果实照图7/19/2024128 5318综放面煤巷直接经济效益分析 架棚支护巷道直接成本 实 体 煤 巷 道1657.64元/米，沿 空 巷 道1777.37元/米，切眼1818.59元/米。 锚杆支护直接成本 实 体 煤 巷 道652.39元/米，沿 空 巷 道782.14元/米，切眼1292.69元/米。 5318煤巷累计取得直接经济效益329.05万元。7/19/2024129 推广应用情况本课题开展过程中，完成煤巷锚杆支护1.9万余m，其中沿空巷道6956m，实体煤巷道12044m，综放面切眼4个，兴隆庄煤矿煤巷锚杆支护推广应用累计获益1954.6万元。兴隆庄煤矿从埋深256m到528m、从实体到沿空、从顺层到穿层、从小断面到大断面等各种条件下的煤巷全部采用了锚杆支护技术，取得了巨大的社会效益与经济效益。7/19/2024130 兴隆庄煤矿锚杆支护快速施工纪录 一九九九年十月：748m/月 一九九九年十二月：852m/月 二000年五月：1042m/月7/19/20241317/19/2024132
