6、巷道支护2.ppt

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Ｕ型钢支架以来，主要采用Ｕ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，Ｕ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4070kN/根，水泥药卷端锚；用于Ⅰ、Ⅱ类及部分Ⅲ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。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类推广，Ⅳ、Ⅴ类试验成功。原因理论、设计方法、工艺取得了突破。,2001年时,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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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。,1945～1950机械式锚杆的研究与应用。1950～1960采矿业广泛采用机械式锚杆。1960～1970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。1970～1980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。1980～1990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,BrownHoek,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,BrownHoek,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SongGuo（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60～70kN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2～3年。普通木锚杆锚固力10kN～15kN；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20～25mm百夹竹，将杆体对破开经防腐处理后将竹心灌以12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～Ⅲ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。锚杆结构较复杂，对围岩能及时支护。锚固力一般为50～100kN。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50～70kN。,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锚杆。40年代开始，在50～60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。70～80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体拉断载荷比值）,预应力扩散更为重要。单根锚杆作用范围有限，须通过托板、钢带等将预应力扩散到更远围岩。钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。锚索作用一将锚杆承载结构与深部围岩相连；二是与锚杆有效压应力区连接、重叠，形成骨架网状结构。,预拉力支护体系,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组合支护,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,高性能（预拉力）锚杆系统的特点,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。,表面积不同表面结构不同,螺纹钢锚杆表面结构优化,几种锚杆,,,,,下节,镦头,,下节,,杆体采用左旋无纵筋螺纹钢搅拌树脂阻力小；采取了减摩措施，方便施加预拉力每套锚杆加两个减摩垫圈，一个金属垫圈、一个塑料垫圈；各种锚杆设计了快速安装结构，可以实现树脂搅拌、锚杆安装及施加预拉力于一体；锚杆螺纹部分与杆体实现了等强；锚杆支护系统强度配套锚杆强度、托盘强度、钢带强度三者匹配。,新型锚杆及其加工的特点,螺母、垫圈和托板,小孔径预拉力短锚索,钻眼机具、锚固材料及搅拌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，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。孔径国外大（50-55mm），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。,锚索材料及性能,锚索结构,,27mm钻头,钻杆,锚杆钻机,快速药包,中速药包,钢绞线,驱动器,锚固段,托盘,锁具,张拉器,切割器,超高压隔油泵,锚索存在的缺陷,和φ20mm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,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,高预拉力钢绞线桁架系统,将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点，张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧。与锚索支护所用材料、施工机具和工艺都十分接近能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。,,现行支护的缺陷,,,,,,,,顶板受压区,顶板受压区,,,,,,,,,顶板桁架–有效阻止顶板垮冒,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,锚固剂的选择高性能锚杆的锚固方式“三径”匹配对煤体锚固性能的影响“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,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11配比，易均匀搅拌成本低,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,,1常用的设计方法,经验类比法围岩分类科学性、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认识的程度及科学性，简化的必要性,工程类比法,,2煤巷锚杆支护设计新方法,原岩应力的大小和方向巷道3倍宽度范围内围岩赋存状态的详细描述该范围内围岩的物理力学性质描述巷道受构造及采动影响的剧烈程度及范围,地质力学评估,初步确定锚杆支护参数，如巷道断面、锚杆材质、锚杆直径、钻孔直径、树脂药卷大小、锚固方式及长度、预拉力等。建立模型，根据锚杆布置密度、长度、锚杆间排距等参数确定锚杆布置方案，用数值分析不同方案巷道围岩的稳定性。综合分析，选取较好的方案进行现场施工。,锚杆支护的初始设计,将初步设计方案应用到现场进行施工，并建立适当的测站进行观测。观测内容包括巷道表面位移、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。,现场施工与监测,锚杆支护监测的必要性,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,,锚杆支护制造质量控制,杆体（材质）强度检验连接件强度检验系统强度检验锚杆及托盘、钢带能力核定,井下施工质量控制,预拉力检验（扭矩/拉力比检验）锚固力破坏性检验顶板光纤窥镜分析钻孔质量检验树脂检验,安全监测技术,表面位移、离层仪、锚杆测力计、多点位移计等常规观测。6米可弯曲光导纤维岩层窥视仪。红外线钻孔探测摄像仪。GK-701声波多点位移计。,顶板离层指示仪,测力锚杆,数显式拉拔仪,数显式拉拔仪,GK-701声波多点位移计,光导纤维钻孔窥视仪,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、测力锚杆的失效点数,及时对现场监测到的数据进行分析整理，与初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，调整锚杆支护参数，形成最终设计。,工作面前方500m处支护效果实照图,工作面前方150m处支护效果实照图,工作面前方40-30m处支护效果实照图,工作面推过后10-30m处支护效果实照图,,前言,到2004年底，我国国有煤矿岩巷锚喷支护率大于90，煤巷锚杆支护率达到55。我国锚杆钻机都是在引进、消化、吸收国外技术的基础上研究形成。电动、液压、气动锚杆、锚索钻机品种齐全，已形成系列化，在单体、轻型系列产品已完全取代进口产品。我国煤矿锚杆钻机以单体为主，台车式、机载式掘锚一体化机组至今没有定型产品，仍处于试验研究阶段。现有手持式、支腿式帮锚杆钻机在帮孔施工，锚固剂安装上仍很困难，必须研制全方位锚杆钻孔安装机。,1锚杆钻机发展,表1我国锚杆钻机发展的三个阶段,图1电动锚杆钻机结构简图1-防爆电机2-减速器3-钻杆4-袋式捕尘器5-钻头6-支撑杆7-把手,,,,,,,,,,,,,,,图2气腿式凿岩机推进及支撑原理示意图,RL,R,-RH,RT,图3MGJ-1型锚杆钻机结构简图,表1我国锚杆钻机发展的三个阶段（续）,表1我国锚杆钻机发展的三个阶段（续）,图4机载锚杆钻机,图5机载式临时支护装置,气马达总成、推进支腿、操纵架、连接座组成,2常用煤矿锚杆钻机特点,气动锚杆钻机,图8气动锚杆钻机性能参数关系曲线输出转矩、输出转速，推进力大小间的关系,钻机机械特性是“软特性曲线”。特性变化规律岩石强度变大→阻力矩变大→转速降低→马达齿间气压增大→输出转矩变大→破岩能力增强→克服最大阻力矩钻孔；当转速n→0时，气马达积蓄的能量瞬间释放，使输出转矩T达到最大值（最大负荷转矩）。,优点钻孔速度快，动力单一，重量轻，操作简单；不足与液压、电动锚杆钻机相比噪音大（＞90dA）、油雾污染大；效率低、耗能大（为液压钻机3～4倍，电动钻机9-10倍）；对动力源的要求高；岩石是不均质的，从松软的煤到坚硬的砂岩、石灰岩、花岗岩，破岩钻孔阻力矩要相差几倍，甚至十几倍。旋转式气动锚杆钻机一般适应岩石坚固性系数f≤8的岩石中钻孔，旋转式钻机的破岩能力即钻孔速度的快慢，主要取决于钻机的输出转矩、输出转速，推进力的大小以及三者之间的匹配关系。,液压锚杆钻机主要由主机（液压马达、支腿或支架）、辅机（泵站）、操纵装置、液压管路组成。,液压锚杆钻机,图9MZ系列钻机结构示意图,图10MYT系列钻机结构示意图,特点具有良好的钻削破岩性能，过载能力强；易实现无级调速，钻孔速度快；噪音低、污染小，钻孔平稳，质量好；能耗较低。不足泵站重量重，移动不便；效率较低；对油液清洁度的要求较高。,图11液压锚杆钻机转矩-转速特性曲线,3锚杆钻机的选型,根据岩石性能选择不同破岩方式的钻机根据产品性能、服务、价格选择产品,图12旋转式钻机与冲击-旋转式钻机钻速比较图,分析旋转切削钻孔和冲击一旋转凿岩在不同岩性中的钻孔速度，见图12、表2,表2旋转式钻机与冲击一旋转钻机钻速比较表,表3国产常用气动回转顶板锚杆、锚索钻机主要技术参数及生产厂,表3国产常用气动回转顶板锚杆、锚索钻机主要技术参数及生产厂,表3国产常用气动回转顶板锚杆、锚索钻机主要技术参数及生产厂,表4国产全方位双级气腿式凿岩机的主要技术性能,表5国产常用液压顶板锚杆钻机的主要技术性能和生产厂,4钻头,钻头的分类,普通硬质合金钻头,冲击-旋转钻头,一字型钻头,球齿型钻头,A-普通型B-两翼加强型C-三翼加强型金刚复合片钻头,凿岩钻头的选择,基本原则钻孔速度快，寿命长，价格合理，即性价比高。凿岩钻头的选择建议普通硬质合金钻头与金刚石复合片（PDC）,表10不同钻头在不同岩性中钻孔速度、消耗比较,表11旋转切削钻孔钻头选择建议,,