煤巷锚杆支护理论及技术简介

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1、1煤巷锚杆支护理论及技术简介煤巷锚杆支护理论及技术简介阚甲广阚甲广 博士博士中国矿业大学中国矿业大学2011年年2月月24日日2一、引言一、引言二、锚杆支护基本理论二、锚杆支护基本理论三、高性能预拉力锚杆支护技术体系三、高性能预拉力锚杆支护技术体系四、锚杆支护设计方法四、锚杆支护设计方法五、锚杆支护监测系统五、锚杆支护监测系统提提 纲纲引引 言言一一41 引言引言1956年开始在岩巷使用锚杆支护，机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆年开始在岩巷使用锚杆支护，机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆1974年，管缝式锚杆、涨壳式锚杆等年，管缝式锚杆、涨壳式锚杆等早期锚杆支护强度、刚度低，支护原理上仍属于被动支护，锚

2、杆支护早期锚杆支护强度、刚度低，支护原理上仍属于被动支护，锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具不成熟，锚杆支护技术发展缓理论、设计方法、支护材料、施工机具不成熟，锚杆支护技术发展缓慢慢1996年，从澳大利亚引进树脂锚固锚杆年，从澳大利亚引进树脂锚固锚杆1999年以来，针对我国煤矿条件进行了大量二次开发和完善提高年以来，针对我国煤矿条件进行了大量二次开发和完善提高锚杆支护发展历程锚杆支护发展历程国内外煤巷锚杆支国内外煤巷锚杆支护比重（护比重（1998）51 引言引言厚层复合顶、动压、小煤柱煤巷支护属于国际性难题厚层复合顶、动压、小煤柱煤巷支护属于国际性难题u美、澳煤层条件相对简单，不必研究

3、；美、澳煤层条件相对简单，不必研究；u英英国国等等该该类类煤煤层层条条件件比比重重较较小小，认认为为不不能能采采用用锚锚杆杆支支护护的的煤层不具备开采价值，实质上回避该类难题；煤层不具备开采价值，实质上回避该类难题；u我国我国60%以上的煤层巷道维护困难，无法回避；以上的煤层巷道维护困难，无法回避；u我国能源产业政策与国外也不同，不能回避；我国能源产业政策与国外也不同，不能回避；u完全依完全依赖于赖于U型钢可缩支架支护，成本高，效果很差。型钢可缩支架支护，成本高，效果很差。61 引言引言锚杆支护：保障高产高效锚杆支护：保障高产高效u主动加固，充分利用围岩自身的稳定性和强度；主动加固，充分利用围

4、岩自身的稳定性和强度；u根根本本消消除除棚棚式式支支护护空空顶顶产产生生的的瓦瓦斯斯积积聚聚、煤煤层层自自燃燃等隐患；等隐患；u端端头头处处理理简简单单，不不用用替替换换U型型棚棚，能能保保障障大大功功率率设设备正常工作，工作面快速推进，单产显著提高；备正常工作，工作面快速推进，单产显著提高；u巷道变形量仅为同类条件棚式支护的巷道变形量仅为同类条件棚式支护的1/2左右；左右； u与与综综机机配配套套组组成成掘掘、支支、运运机机械械化化作作业业线线，单单进进大大幅提高；幅提高；u辅助运输量小，施工搬运携带方便、安全。辅助运输量小，施工搬运携带方便、安全。7锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论 二二8

5、2 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论软弱岩层软弱岩层坚硬岩层坚硬岩层 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定岩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定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。层上，以增强较软弱岩层的稳定性。 悬吊理论悬吊理论锚杆支护示意图锚杆支护示意图 根据悬吊岩层的质量就可以进行锚杆支护设计。根据悬吊岩层的质量就可以进行锚杆支护设计。 悬吊理论直观地揭示出了锚杆的悬吊作用悬吊理论直观地揭示出了锚杆的悬吊作用92 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论 适用条件适用条件顶板直接顶一般为较软岩层；顶板直接顶一般为较软岩层；顶板上部有较稳定岩层；顶板上部有较稳定岩层；

6、围围岩岩整整体体稳稳定定，存存在在不不规规则则岩岩体体弱弱面面( (节节理理、裂裂隙隙、滑滑面面），但但规规模模不不大。大。悬吊理论悬吊理论 存在问题存在问题u没没有有考考虑虑围围岩岩的的自自承承载载能能力力，而而是是将将锚锚固固体体与与原原岩岩体体分分开开，与与实实际情况有一定差距。际情况有一定差距。 u只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。u如如果果顶顶板板没没有有坚坚硬硬稳稳定定岩岩层层或或顶顶板板软软弱弱岩岩层层较较厚厚，围围岩岩破破碎碎区区范范围较大，悬吊理论不适用。围较大，悬吊理论不适用。u没没有有考考虑虑岩岩体体应应力力对对锚锚杆杆的的作作用

7、用，没没有有考考虑虑锚锚杆杆对对岩岩体体性性质质改改变变的作用的作用。102 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论组合梁理论组合梁理论 组合梁理论认为：组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，顶板锚杆的作用，一方在层状岩体中开挖巷道，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚

8、固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁），梁越厚，梁内的最大应力、应变和锁紧成一个较厚的岩层（组合梁），梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的饶度也就越小。梁的饶度也就越小。无锚杆支护无锚杆支护有锚杆支护有锚杆支护112 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论适用条件适用条件巷道顶板有若干层层状较软岩层；巷道顶板有若干层层状较软岩层；巷道顶板的结构弱面、沉积滑面不发育；巷道顶板的结构弱面、沉积滑面不发育；采深较浅，地应力较小，没有明显的构造应力作用。采深较浅，地应力较小，没有明显的构造应力作用。组合梁理论组合梁理论 存在问题存在问题将将锚锚杆杆作作用用与与围围岩岩的的自自稳稳作作用用分分开开，

9、与与实实际际情情况况有有一一定定差差距距，并并且且随随着着围围岩岩条条件件的的变变化化，在在顶顶板板较较破破碎碎、连连续续性受到破坏时，组合梁就不存在了。性受到破坏时，组合梁就不存在了。只只适适合合与与层层状状顶顶板板锚锚杆杆支支护护的的设设计计，对对于于巷巷道道帮帮、底底不不适用。适用。122 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论组合拱（压缩）理论组合拱（压缩）理论 组合拱理论认为组合拱理论认为：在拱形巷在拱形巷道围岩的破裂区中安装锚杆时，道围岩的破裂区中安装锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的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锚压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距

10、足够小，各杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的应力圆锥体将相互个锚杆形成的应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。匀的压缩带，即组合拱。压缩拱示意图压缩拱示意图132 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论优点优点组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理。适用条件适用条件一般不能作为准确的定量设计，但可以作为锚杆加固设计和施一般不能作为准确的定量设计，但可以作为锚杆加固设计和施工的重要参考。工的重要参考。缺点缺点在分析过程中没有深入考虑围岩支护的相互作用，只是将各支在分析过程中没有深入考虑

11、围岩支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到符合结构总的最大支护结构的最大支护力简单相加，从而得到符合结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算与实际情况存在一定差距。算与实际情况存在一定差距。组合拱（压缩）理论组合拱（压缩）理论142 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论 最大水平应力理论：最大水平应力理论：由澳大利压学者盖尔（由澳大利压学者盖尔（W . J . GaleW . J . Gale）提出：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有提出：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水

12、平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.51.5-2.5倍。倍。巷道顶底的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点：巷道顶底的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点： 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶、底与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶、底板稳定性最好板稳定性最好; ; 与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏偏与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏偏向巷道某一帮；向巷道某一帮； 与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差。与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差

13、。最大水平应力理论最大水平应力理论152 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论最大水平应力理论最大水平应力理论巷道受最大水平应力作用图162 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论最大水平应力理论最大水平应力理论 最大水平应力理论的特点：最大水平应力理论的特点： 论述了巷道围岩水平应力对巷道的稳定性的影响及锚杆支护所起的论述了巷道围岩水平应力对巷道的稳定性的影响及锚杆支护所起的作用。作用。 在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计。的控制效果，进行优化设计。 在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完

14、善初始设计。在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。 在最大在最大 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，出现错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层的膨错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层的膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具备强度大、刚胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩的变形作用。度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩的变形作用。172 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论由我国著名矿压专家侯朝炯教授提出由我国著名矿压

15、专家侯朝炯教授提出煤巷锚杆支护的作用就是对锚固体提供围煤巷锚杆支护的作用就是对锚固体提供围压，使巷道围岩特别是处于压，使巷道围岩特别是处于峰后峰后区围岩强度区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度，改善得到强化，提高峰值强度和残余强度，改善峰后峰后岩体力学性能。岩体力学性能。巷道围岩的稳定性除了支护的作用外，主巷道围岩的稳定性除了支护的作用外，主要取决于围岩的强度和应力状态。对于煤层要取决于围岩的强度和应力状态。对于煤层巷道，由于围岩松软、埋藏深、受采动和构巷道，由于围岩松软、埋藏深、受采动和构造应力影响，地应力大，巷道围岩破坏严重，造应力影响，地应力大，巷道围岩破坏严重，其周围存在破碎区、

16、塑性区和弹性区，锚杆其周围存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域中，相应地锚固区域的岩石强个或三个区域中，相应地锚固区域的岩石强度处于度处于峰后峰后强度或残余强度。强度或残余强度。围岩强度强化理论围岩强度强化理论182 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论 优点优点该理论主要探讨了锚杆加固后岩石该理论主要探讨了锚杆加固后岩石峰后峰后区粘聚力区粘聚力CC、内磨擦角、内磨擦角 、弹性模量弹性模量E E的改善情况。的改善情况。由于其巷道围岩强度强化理论的全面性，在某种程度上讲，它应由于其巷道围岩强度强化理论的全面性，在某种

17、程度上讲，它应用于矿井施工的任何条件。用于矿井施工的任何条件。 适用条件适用条件岩体松软、埋藏深、地应力大；岩体松软、埋藏深、地应力大；、巷道围岩条件。巷道围岩条件。 存在问题存在问题岩性结构系数取值范围太大岩性结构系数取值范围太大。围岩强度强化理论围岩强度强化理论192 锚杆支护基本理论锚杆支护基本理论锚杆支护理论锚杆支护理论小结小结深刻解析了锚杆的作用原理，在不同条件下应用的区别，以深刻解析了锚杆的作用原理，在不同条件下应用的区别，以便结合实际合理选择锚杆支护结构和参数；便结合实际合理选择锚杆支护结构和参数；依据锚杆支护理论，利用锚杆、锚索等支护手段对巷道围岩依据锚杆支护理论，利用锚杆、锚

18、索等支护手段对巷道围岩进行强化，充分利用巷道围岩自身的承载能力，使围岩参与进行强化，充分利用巷道围岩自身的承载能力，使围岩参与支护，从支护的理念上发生了改变。支护，从支护的理念上发生了改变。 随着采深的日益加大，煤层地质条件的恶化，课题组结合近随着采深的日益加大，煤层地质条件的恶化，课题组结合近年来的研究，提出了年来的研究，提出了预拉力（锚杆）支护体系预拉力（锚杆）支护体系20高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 三三213 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 事故案例事故案例2001年，兖矿集团一矿8732进风巷顶板垮冒8.0m砸死3人；2001年9

19、月1日晋城成庄矿2229进风巷顶板垮冒14.0m砸死8人；2003年淮南谢桥矿11123开切眼（锚杆锚索联合支护）17m、淮北朔里矿S5110开切眼刷大时突然垮冒120 m ，所幸未有人员伤亡;原因：支护强度不够，参数不合理； 2003年淮北杨庄矿一机巷迎头退后8m垮冒6 m，锚固层整体下来；原因：施工质量差，锚杆松动不紧； 2004年10月淮南谢桥矿一综掘巷道垮冒10余米,造成人员伤亡; 发生事故主要的原因: 1)条件好时盲目乐观,为降低成本简化支护参数; 2) 追求虚名,创锚杆支护进度记录, “政绩” 思想 3)监测手段跟不上,不能及时发现隐患; 4) 操作水平低,缺乏有力监督,偷工减料,

20、施工质量差;223 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 煤巷层状顶板离层控制理论煤巷层状顶板离层控制理论冒顶原因冒顶原因冒顶原因分析冒顶原因分析1) 1) 松散变形的持续发展松散变形的持续发展 大部分软弱煤层巷道在锚杆支护起作用前，都有大部分软弱煤层巷道在锚杆支护起作用前，都有100100200 mm200 mm的的围岩变形量围岩变形量2)2)锚杆支护的承载状态不好，工作载荷很低、锚杆实际工作载荷可分锚杆支护的承载状态不好，工作载荷很低、锚杆实际工作载荷可分三种情况：三种情况：安装时没有初锚力，工作载荷始终为零；安装时没有初锚力，工作载荷始终为零；安装时初锚力很小，工作载

21、荷增长缓慢，稳定段载荷值较低；安装时初锚力很小，工作载荷增长缓慢，稳定段载荷值较低；安装时提供超过安装时提供超过20kN20kN的预紧力，工作载荷增长快，稳定段载荷值高。的预紧力，工作载荷增长快，稳定段载荷值高。 233 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 锚杆的三种工作状态243 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 3) 3) 大变形后锚固力衰减，锚固失效大变形后锚固力衰减，锚固失效 端锚时在围岩变形量达到端锚时在围岩变形量达到100mm100mm时即开始失效，全长锚固时即开始失效，全长锚固时锚杆的可靠性虽大大提高，但围岩变形达到时锚杆的可靠性虽大

22、大提高，但围岩变形达到200200300 300 mmmm时锚固力也开始降低，达到时锚固力也开始降低，达到500mm500mm时即完全丧失。时即完全丧失。 4) 4) 四周的不协调变形，结构性失稳四周的不协调变形，结构性失稳煤巷层状顶板离层控制理论煤巷层状顶板离层控制理论冒顶原因冒顶原因253 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 冒顶类别划分冒顶类别划分通过综合研究发现顶板岩体具有两种垮冒型式通过综合研究发现顶板岩体具有两种垮冒型式松脱型垮冒松脱型垮冒：垮冒范围一般在垮冒范围一般在0.50.51.5m1.5m内内，负荷，负荷151525kN/m25kN/m2 2 。煤巷层

23、状顶板离层控制理论煤巷层状顶板离层控制理论冒顶类别的划分冒顶类别的划分263 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 煤巷层状顶板离层控制理论煤巷层状顶板离层控制理论冒顶类别的划分冒顶类别的划分 冒顶类别划分冒顶类别划分 挤压型垮冒：挤压型垮冒：在水平应力和自重应力双重作用下，薄层状岩体在水平应力和自重应力双重作用下，薄层状岩体发生弯曲变形，导致弱面离层，变形持续发展，渐次向上垮冒。发生弯曲变形，导致弱面离层，变形持续发展，渐次向上垮冒。273 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 对应的两种锚杆支护失稳形式对应的两种锚杆支护失稳形式对应的两种锚杆支护失稳

24、形式对应的两种锚杆支护失稳形式锚固区整体垮冒 锚固区内离层：锚固区内离层：松脱型垮冒得松脱型垮冒得不到控制，锚固区产生裂隙，不到控制，锚固区产生裂隙，锚固强度衰减，进而导致锚固锚固强度衰减，进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏；区整体稳定性的削弱或破坏；锚固区外离层：锚固区外离层：锚固区的完整锚固区的完整性较好，但不能阻止外层岩体性较好，但不能阻止外层岩体的渐进破坏，导致外层弱面离的渐进破坏，导致外层弱面离层。锚固区外离层的持续发展层。锚固区外离层的持续发展将导致锚固区整体垮冒。将导致锚固区整体垮冒。 283 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 概概念念 ：指指能能够够在

25、在支支护护构构件件和和顶顶板板间间实实现现明明显显超超过过松松散散岩岩体体自自重重的的预预张张力力、形形成成顶顶板板预预应应力力承承载载结结构构，并并有有效效控控制制顶顶板板离离层层的的高高强强支护技术。支护技术。低强度低初锚力的锚杆支护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高强度高预拉力的锚杆支护新阶段高性能（预拉力）锚杆支护高性能（预拉力）锚杆支护293 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 锚杆结构特点锚杆结构特点 树脂锚固剂锚杆有杆体、树脂锚固剂锚杆有杆体、锚固剂、托盘和螺母等组成锚固剂

26、、托盘和螺母等组成 它操作简单，安装方便，它操作简单，安装方便，锚固速度快、强度大，锚固方锚固速度快、强度大，锚固方式易改变，质量易控制，安全式易改变，质量易控制，安全可靠，性能价格比优良。可靠，性能价格比优良。 树脂锚固剂锚杆在各类锚树脂锚固剂锚杆在各类锚杆家族中以无比的优越性得到杆家族中以无比的优越性得到快快 速持续发展。速持续发展。303 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 锚杆杆体：锚杆杆体：锚杆的主体结构用来承载拉伸力和剪切力锚杆的主体结构用来承载拉伸力和剪切力 国内锚杆杆体材料主要有国内锚杆杆体材料主要有20MnSi20MnSi左旋无纵筋螺纹钢和左旋无纵筋螺纹

27、钢和Q235 Q235 圆钢等几种。圆钢等几种。 锚杆尾部：不仅受拉，而且受到钢带和岩层错动时产生的剪应力，锚杆尾部：不仅受拉，而且受到钢带和岩层错动时产生的剪应力，易发生剪断现象；锚杆尾部受易发生剪断现象；锚杆尾部受2323倍的集中应力。倍的集中应力。 锚杆材料锚杆材料公称直径公称直径/mm/mm屈服强度屈服强度/Mpa/Mpa抗拉强度抗拉强度MpaMpa伸长率伸长率/%不小于不小于Q235 圆钢圆钢162224041026BHRB335162233549018BHRB400162240057018BHRB500162550067018BHRB600162560080018313 高性能预拉

28、力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 锚杆尾部等强加工锚杆尾部损伤加工锚杆杆体锚杆尾部断裂国内锚杆尾部加工的大多采用剥皮、车丝工艺，强度损失比较明显：国内锚杆尾部加工的大多采用剥皮、车丝工艺，强度损失比较明显：采用滚圆后滚丝，取消剥皮工艺，减少强度损失，采用滚圆后滚丝，取消剥皮工艺，减少强度损失，杆尾调质处理，提高强度杆尾调质处理，提高强度323 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 树脂锚固剂：树脂锚固剂： 把锚杆杆体和锚杆孔壁黏结在一起，树脂药卷力学性能对锚杆锚固把锚杆杆体和锚杆孔壁黏结在一起，树脂药卷力学性能对锚杆锚固力有重要作用。力有重要作用。有利于钻孔中

29、安装和搅拌，一般要求树脂锚固剂直径比钻孔直径小有利于钻孔中安装和搅拌，一般要求树脂锚固剂直径比钻孔直径小46mm为宜。为宜。锚固剂固化后有较高的变形模量，使锚杆锚固段有较高的刚度；锚固剂固化后有较高的变形模量，使锚杆锚固段有较高的刚度；锚固剂固化快、满足快速安装的要求，能及时施加预紧力；锚固剂固化快、满足快速安装的要求，能及时施加预紧力；锚固剂固化后收缩率低；锚固剂固化后收缩率低；高粘接力，保证锚固效果；高粘接力，保证锚固效果；型号：超快、快速、中速、慢速型号：超快、快速、中速、慢速例：例：K2355333 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 一是通过螺母施加扭矩，压紧托

30、板给锚杆提供预紧力，并使预紧一是通过螺母施加扭矩，压紧托板给锚杆提供预紧力，并使预紧力扩散，扩大锚杆作用范围；力扩散，扩大锚杆作用范围；二是围岩变形后载荷作用于托盘，通过托盘将载荷传递到锚杆，二是围岩变形后载荷作用于托盘，通过托盘将载荷传递到锚杆，进而控制围岩变形。进而控制围岩变形。 目前多数矿区主要使用托盘为目前多数矿区主要使用托盘为Q235Q235或或20MnSi20MnSi钢板压制的平托钢板压制的平托盘、拱形托盘、蝶形托盘等。盘、拱形托盘、蝶形托盘等。锚杆托盘锚杆托盘343 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 螺母的承载能力应与杆体相匹配，螺母破坏会导致锚固失效；螺

31、母的承载能力应与杆体相匹配，螺母破坏会导致锚固失效；螺母的结构形状，螺纹的规格与加工精度有利于锚杆施加预紧螺母的结构形状，螺纹的规格与加工精度有利于锚杆施加预紧力；力；螺母有利于锚杆安装，提高安装速度。螺母有利于锚杆安装，提高安装速度。普通螺母先安装杆体，再安装托盘并拧紧螺母，工序多，安装普通螺母先安装杆体，再安装托盘并拧紧螺母，工序多，安装速度慢。速度慢。锚杆螺母锚杆螺母为了实现锚杆快速安装，研制了多种快速为了实现锚杆快速安装，研制了多种快速扭矩螺母。主要有钢片充填式、树脂（尼扭矩螺母。主要有钢片充填式、树脂（尼龙）充填式、销钉式。实践表明，扭矩螺龙）充填式、销钉式。实践表明，扭矩螺母打开扭

32、矩为母打开扭矩为60100N.M。353 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 钢带：钢带：把分散的单体锚杆连接成整体，形成整体支护系统；同时把把分散的单体锚杆连接成整体，形成整体支护系统；同时把锚杆锚固力传递到更大范围的围岩体上，增大锚固力作用范围。锚杆锚固力传递到更大范围的围岩体上，增大锚固力作用范围。 钢带分为平钢带、钢带分为平钢带、WW型和型和MM型等类型。型等类型。MM型钢带强度大，抗弯刚度大，钢材利用率高；型钢带强度大，抗弯刚度大，钢材利用率高；MM型钢带向下截面模量远大于向上截面模量。型钢带向下截面模量远大于向上截面模量。 钢带钢带363 高性能预拉力锚杆高性

33、能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 M型钢带在井下使用情况373 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 减摩垫圈：减摩垫圈：减小螺母和托板之间的摩擦力，最大限度的把锚杆安装减小螺母和托板之间的摩擦力，最大限度的把锚杆安装扭矩转化为预紧力，增大锚杆的初锚力。扭矩转化为预紧力，增大锚杆的初锚力。 安装减摩垫圈，每组两个：一个为钢质垫圈；另一个为塑料垫圈。安装减摩垫圈，每组两个：一个为钢质垫圈；另一个为塑料垫圈。 钢带钢带垫圈383 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 护网的合理配置护网的合理配置煤巷顶板护网网片尺寸煤巷顶板护网网片尺寸式中式中 ：L-L-

34、网的长度，网的长度，mmmm L L0 0-巷道顶板斜宽巷道顶板斜宽式中：式中：W -W -网的宽度，网的宽度，mm;mm; W W0 0 - -锚杆排距，锚杆排距，mmmm 菱形网具有柔性好、强度高、孔型不变和连接方便等优菱形网具有柔性好、强度高、孔型不变和连接方便等优点。现场得到了广泛应用，设计时应优先选用点。现场得到了广泛应用，设计时应优先选用。 钢筋网在设计选型时，应以钢筋直径钢筋网在设计选型时，应以钢筋直径68mm68mm、网孔尺、网孔尺寸寸5070mm5070mm为宜为宜。393 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 进进一一步步细细化化锚锚杆杆钻钻孔孔、杆杆体

35、体、树树脂脂卷卷三三种种直直径径的的合合理理匹匹配配技技术术，解解决松散煤体的锚固技术。决松散煤体的锚固技术。根据锚杆规格，推广应用科学合理的根据锚杆规格，推广应用科学合理的“28mm20mm25mm”28mm20mm25mm”、“27mm18mm23mm”27mm18mm23mm”、“30mm22mm25mm”30mm22mm25mm”等三种新等三种新“三径三径”匹配模式，锚固力比原来提高匹配模式，锚固力比原来提高120120147%147%。 “三径”匹配403 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 销钉式预拉力锚杆成套锚杆413 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技

36、术体系支护技术体系 概念：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、锁具和锚固剂组成强度钢绞线、桁架连接器、锁具和锚固剂组成。 与锚索支护所用材料、施工机具和工艺都十分接近。与锚索支护所用材料、施工机具和工艺都十分接近。 能够解决厚层复合破碎顶板（不稳定层厚累计超过能够解决厚层复合破碎顶板（不稳定层

37、厚累计超过5.0m5.0m）、）、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。支护的不足。优点钢绞线预拉力桁架系统钢绞线预拉力桁架系统423 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 现行支护的缺陷顶板受压区顶板受压区顶板受压区顶板受压区钢绞线预拉力桁架系统钢绞线预拉力桁架系统顶板桁架 有效阻止顶板垮冒433 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 桁架系统构件安装示意图钢绞线预拉力桁架系统钢绞线预拉力桁架系统443 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 高预拉力横

38、架系统实际应用效果453 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 组合支护组合支护高性能锚杆、钢带和金属网高性能锚杆、钢带和预拉力桁架高性能锚杆、预拉力锚索和预拉力桁架锚架组合463 高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆支护技术体系支护技术体系 组合支护实际效果锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法三三484 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法 常规锚杆支护设计方法常规锚杆支护设计方法目前巷道支护设计方法基本上可归纳为三大类：目前巷道支护设计方法基本上可归纳为三大类： 第一类是理论计算法；第一类是理论计算法； 第二类是工程类比法；第二类是工程类比法； 第三类是以计算机数值模拟为基础的设计

39、方法第三类是以计算机数值模拟为基础的设计方法494 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法经验公式法巷道锚喷支护锚杆长度 W 巷道或硐室跨度，m；L锚杆总长度，mN围岩影响系数 围岩分类 影响系数.锚杆间距 .锚杆直径 110504 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法工程类比法工程类比法工程类比法通常有直接类比法和间接类比法两种方法。工程类比法通常有直接类比法和间接类比法两种方法。直接类比法：直接类比法：把已开掘巷道（采用锚杆支护并取得成功）的把已开掘巷道（采用锚杆支护并取得成功）的地质开采条件与待开掘巷道进行比较，在条件基本相同的情地质开采条件与待开掘巷道进行比较，在条件基本相同的情况下，可以参照已

40、开掘巷道，凭借工程师的经验和对工程的况下，可以参照已开掘巷道，凭借工程师的经验和对工程的分析判断能力选定待开掘工程的锚杆支护类型和参数。分析判断能力选定待开掘工程的锚杆支护类型和参数。间接类比法间接类比法：是根据现行锚喷支护技术规范，按照围岩分类：是根据现行锚喷支护技术规范，按照围岩分类和锚喷支护设计参数表确定待开掘工程的锚喷支护类型和参和锚喷支护设计参数表确定待开掘工程的锚喷支护类型和参数。数。514 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法直接类比法围岩力学性质：围岩力学性质：顶板以直接顶为主，同时要了解顶板以直接顶为主，同时要了解11.511.5倍倍 巷巷道宽度范围内巷道的岩石条件。道宽度范围内

41、巷道的岩石条件。地质构造影响程度：地质构造影响程度：岩体中的构造应力，大型断裂构造岩体中的构造应力，大型断裂构造开采深度：开采深度：随着开采深度的增加，地应力在增加，煤系地层随着开采深度的增加，地应力在增加，煤系地层中的岩石就变得相对软弱，巷道维护难度加大。中的岩石就变得相对软弱，巷道维护难度加大。煤柱尺寸：煤柱尺寸：可直接比较简单易行。可直接比较简单易行。巷道断面形状与尺寸巷道断面形状与尺寸开采时间，空间影响因素：开采时间，空间影响因素：巷道受采动影响分为三割时段。巷道受采动影响分为三割时段。及采动影响前、中、后。及采动影响前、中、后。524 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法巷道顶板锚杆基本

42、支护形式与主要参数间接类比法间接类比法534 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法v采用模拟软件进行锚杆参数设计：采用模拟软件进行锚杆参数设计：v模模型型确确定定巷巷道道的的应应力力状状态态主主要要输输入入的的参参数数：最最大大水水平平应应力力、最最小小水水平平应应力力、角角度度、模模型型的的几几何何尺尺寸寸（工工作作面面、采采空空区区、煤煤柱柱、巷巷道道等等）、采采深深、锚锚杆杆预预拉拉力力、锚杆直径、锚杆长度、岩石及层理面的力学性质等。锚杆直径、锚杆长度、岩石及层理面的力学性质等。v以以顶顶板板是是否否离离层层为为依依据据，对对间间、排排距距、锚锚杆杆（索索）长长度度、预预拉拉力力等等可可变变

43、参参数数进进行行调调节节，直直到到满满意意为为止止。具具体过程略。体过程略。544 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法 (a) 1205步时 (b) 1210步时 (c)1220步时 (d) 1230步时 (e) 1260 步时 (f) 1280 步时 (g) 1300步时 (h) 1350步时 (i) 1400步时 (j) 1500步时 (k) 1600步时 (l) 1700步时 (m) 1900步时 (n) 2100步时 (o) 3500步时554 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法开始选择锚杆长度选择锚杆预拉力技术上可行增加锚杆预拉力锚杆长度以内 是否离层？锚杆长度以外 是否离层？找到所需锚

44、杆长度和预拉力结束增加锚杆长度否是否否是是564 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法在采用工程类比法进行锚杆支护设计时，对需要增加巷道围岩承载能在采用工程类比法进行锚杆支护设计时，对需要增加巷道围岩承载能力的，根据上述理论分析，可以选择加大锚杆长度。加也可以通过减力的，根据上述理论分析，可以选择加大锚杆长度。加也可以通过减小锚杆间排距和增加锚杆本身的强度。在通常条件下小锚杆间排距和增加锚杆本身的强度。在通常条件下减小锚杆间排距减小锚杆间排距取得的效果要比增加锚杆长度更好。取得的效果要比增加锚杆长度更好。锚杆支护不仅可给巷道提供一定的支护阻力，而且可提高巷道围岩锚杆支护不仅可给巷道提供一定的支护阻

45、力，而且可提高巷道围岩的额承载能力，的额承载能力， 锚杆长度越长，巷道围岩承载能力增量越高，大直径锚杆随其锚杆长度越长，巷道围岩承载能力增量越高，大直径锚杆随其长度加大，巷道围岩承载能力增量幅度增大；长度加大，巷道围岩承载能力增量幅度增大； 锚杆间排距越小，巷道围岩承载能力增量越大，间排距锚杆间排距越小，巷道围岩承载能力增量越大，间排距800mm800mm的承载能力增量约为的承载能力增量约为600mm600mm的一半；的一半； 锚杆承载能力越大，巷道围岩承载能力的增量越大锚杆承载能力越大，巷道围岩承载能力的增量越大锚杆支护参数合理选择锚杆支护参数合理选择57锚杆支护监测锚杆支护监测四四585

46、锚杆支护监测锚杆支护监测 掌握巷道围岩动态及其规律性，为巷道支护进行日常动态化管理提供科学依据； 为检验支护结构、设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数和合理确定二次支护时间提供科学依据； 监控巷道支护的施工质量，对支护状况进行跟踪反馈和预测，及时发现工程隐患，以保证施工安全和巷道稳定； 为其它类似工程的设计与施工提供全面的参考依据； 通过监测资料，可作为判断巷道工程的质量检查和验收的标准.监测的目的595 锚杆支护监测锚杆支护监测检测的内容 与巷道围岩稳定有关的监控指标主要如下：巷道表面收敛。反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度，可以判断围岩的运动是否超过其安全最大允许值，是否影

47、响巷道的正常使用。顶板下沉量、两帮移近量顶板锚固区内、外的离层值。用于判断顶板锚固区内、外围岩的稳定性以及锚杆支护参数的合理性。围岩深部位移。反映距巷道表面不同深度的围岩移近量，可以判定围岩的塑性区范围以及围岩的稳定状况，分析锚杆和围岩之间是否发生错动，可以判断锚杆的应变是否超过极限应变锚杆的受力。其大小可以判断帮锚杆的工作状态及其参数是否合理，如锚杆选择、锚杆布置密度是否合适等。605 锚杆支护监测锚杆支护监测巷道围岩变形监测量测断面布置图量测参数测站组成计算公式ACBDABAD在相同岩性中，由一个相距量测断面组成ACBDABBC巷道表面位移的测站布置方式及数据记录615 锚杆支护监测锚杆支

48、护监测测量仪器测杆测杆为巷道表面位移测量中最为常用仪器，它由活柱、套管、标尺、卡环、夹紧螺钉、弹簧和固定螺钉等组成，ADL-2.5型测杆为其中的一种。ADL-2.5型测杆结构示意图625 锚杆支护监测锚杆支护监测BHS-10型测枪测量仪器测枪是测量巷道周边两点间距离变化的一种常用仪器，BHS-10型测枪，主要由枪体和接杆两部分构成。BHS-10型测枪结构图635 锚杆支护监测锚杆支护监测JSS30/10型伸缩式数显收敛计当巷道断面高大，围岩表面位移速度小于0.5mm/d，且测量精度要求较高时，可用收敛计(图4)进行测量，其精确度可达0.01mm。 收敛计结构图收敛计使用示意图测量仪器645 锚

49、杆支护监测锚杆支护监测监测数据处理及应用日期距迎头距离/mAOABCOCD备注记录人距离差值距离差值距离差值距离差值工程名称： 断面编号： 断面位置： 单位：mm量测结果要及时填入记录表中巷道表面位移观测原始数据记录表655 锚杆支护监测锚杆支护监测现场量测的数据应及时整理绘制出位移-时间曲线(U-t曲线)或位移-距离曲线(U-D曲线)。当位移(U)-时间(t)曲线趋于平缓时图(a)，应进行数据处理或回归分析，推算出最终位移值和掌握位移变化规律。时间-位移曲线数据处理数据应用监测数据处理及应用665 锚杆支护监测锚杆支护监测巷道顶板离层监测监测目的对顶板离层情况提供连续的直观显示，及早发现顶板

50、失稳的征兆，以避免冒顶事故发生；监测数据可作为修改、完善锚杆支护初始设计数据的依据之一。离层指示仪以红、黄、绿三种颜色表示顶板离层松动的严重程度，绿色表示顶部松动离层值较小，处稳定状态；黄色表示离层松动已达到警界值；红色则表示顶板离层松动值较大，已进入危险状态675 锚杆支护监测锚杆支护监测监测仪器机械式顶板离层指示仪顶板离层指示仪顶板离层指示仪的布置方式685 锚杆支护监测锚杆支护监测KZL-300型巷道顶板离层自动监测报警系统。型巷道顶板离层自动监测报警系统。系统采用计算机技术作为系统测量、监视、数据采集和报警系统采用计算机技术作为系统测量、监视、数据采集和报警的核心的核心通过高亮度通过高

51、亮度LED数码管显示离层的变化量和顶板状态数码管显示离层的变化量和顶板状态可设顶板和离层位移报警门槛值，超值时借助声光报警提示可设顶板和离层位移报警门槛值，超值时借助声光报警提示a 顶板位移分站；b 顶板位移报警器； c 顶板位移传感器695 锚杆支护监测锚杆支护监测通过测量2个基点与顶板表面相对位移变化情况，测得顶板总离层 量(S)，以及相对于深基点的锚固范围之外的离层量(S外)与相对于浅 基点锚固范围之内的离层量(S内)。其中锚固范围之内的离层量(S内)和 顶板总离层量(S)可直接从测筒上读出，锚固范围之外的离层量S外=S-S内监测数据处理及应用绘制监测数据结果曲线，根据曲线变化，判断顶板

52、离层情况，及 早提供发现顶板失稳的征兆，以避免冒顶事故发生。同时根据曲线判 断锚固范围内离层情况，及时调整锚杆设计参数。数据处理数据应用705 锚杆支护监测锚杆支护监测观测仪器锚杆液压枕仪器安装锚杆测力计安装在锚杆尾端紧贴巷道岩面，进行量测锚杆工作时轴向力大小。由于锚杆轴向力直接通过托盘作用于煤体上，因此把压力盒套在锚杆垫板(托盘)和外锚固端的螺母之间，则可以测得锚杆工作时的轴向力，使用时首先对锚杆施加预应力，记下压力盒指示的压力值，此后定时量测锚杆压力与时间变化的关系。715 锚杆支护监测锚杆支护监测锚杆的锚固力检测锚固力检测是锚杆支护施工质量检查中最基本的量测工作，其目的为： 了解锚杆实际

53、受力状况和锚固质量是否达到设计值，以及是否出现了预应力松弛； 监测锚杆提供的最大锚固力，为锚杆支护设计提供依据。725 锚杆支护监测锚杆支护监测检测仪器锚杆锚固力抽检的常用的监测仪器为MJY-300/80型锚杆拉力计、MLJ-10型锚杆拉力计或ML-10型锚杆拉力计。MJY-300/80型锚杆拉拔计是现场测量锚杆承受的最大抗拉拔能力装。MJY-300/80锚杆拉拔计拉拔器735 锚杆支护监测锚杆支护监测首先根据支护设计参数，将支护断面内锚杆编号，然后进行监测。监测数据结果整理记录到下表中日期位置编号监测数据合格备注位移/mm拉拔力检测数据处理及应用锚杆拉拔力实验数据记录表工程名称： 记录人：对

54、达不到要求的，要继续抽查该排临近锚杆，同时分析原因，并补打锚杆745 锚杆支护监测锚杆支护监测光导纤维钻孔窥视仪光导纤维钻孔窥视仪755 锚杆支护监测锚杆支护监测GK-701声波多点位移计GK-701声波多点位移计765 锚杆支护监测锚杆支护监测YZT型岩层钻孔探测仪YZT型岩层钻孔探测仪775 锚杆支护监测锚杆支护监测图1 0.5m处顶板图2 1.18m处顶板离层图7岩层错位情况图4 完整岩体状态YZT型岩层钻孔探测仪使用情况78敬请批评指正敬请批评指正谢谢！谢谢！参考：参考：康红普康红普 煤巷锚杆支护理论与成套技术煤巷锚杆支护理论与成套技术侯朝炯侯朝炯 煤巷锚杆支护煤巷锚杆支护感谢您的阅读收藏，谢谢！792021/3/10