巷道锚杆支护主动作用机理及关键技术高明仕中国矿业大学

巷道锚杆支护主动作用机理及关键技术高明仕中国矿业大学教授国家安监总局专家组成员金属网钢带托板减摩垫片扭矩螺母螺纹钢锚杆树脂锚固剂基本内容1.单个锚杆支护效果评价2.锚杆支护主动作用机理3.锚杆支护关键技术及构件4.工程实例支护巷道的本质要求？煤巷不变形，岩巷不返修6个本质要求：1）保持巷道围岩稳定，巷道不变形；2）巷道可以小变形，但不发生大变形；3）可以大变形，但断面要满足通风、行人、运输等的要求；4）允许变形，但不要破坏；5）允许破坏，但不要垮冒，堵塞巷道；6）允许垮冒，但不能伤人典型事故案例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S5210综采开切眼刷大时突然垮冒120m，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3514机巷迎头退后8m垮冒6m，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;2005年淮北祁南矿7244机巷迎头退后200m垮冒4.5m，锚固层整体下来；原因：巷道一直淋水，开绞车房；等等.发生事故主要的原因:1)施工质量差,操作水平低,偷工减料;2)条件好时盲目乐观,为降低成本简化支护参数;3)追求虚名,创锚杆支护进度记录,“政绩”思想；4)监测手段跟不上,缺乏有力监督,不能及时发现隐患;锚固区内离层：松脱型垮冒得不到控制，锚固区产生裂隙，锚固强度衰减，进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏；锚固区外离层：锚固区的完整性较好，但不能阻止外层岩体的渐进破坏，导致外层弱面离层。锚固区外离层的持续发展将导致锚固区整体垮冒。两种支护失稳形式锚固区整体垮冒2.锚杆支护主动作用机理金属网钢带托板减摩垫片扭矩螺母螺纹钢锚杆树脂锚固剂锚杆支护基本示意图相关视频动演1.“支”什么？“护”什么？整体支、整体护悬吊理论：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坚硬岩层软弱岩层组合梁理论：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，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。无锚杆支护有锚杆支护组合拱理论：在拱形巷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压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。巷道轴向与构造应力成一定角度时，周边围岩应力计算简图最大水平应力理论：由澳大利压学者盖尔（W.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1.5-2.5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：最佳方向）（c）最劣方向应力集中（b）应力集中平面断面巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边围岩应力分布围岩强度强化理论：由我国著名矿压专家侯朝炯教授提出，主要内容为：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峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度，改善峰后岩体力学性能。该理论主要探讨了锚杆加固后岩石峰前区粘聚力C、内磨擦角φ、弹性模量E的改善情况。锚杆布置在破碎围岩中水平应力水平应力垂直应力水平应力水平应力垂直应力预应力支护理论：认为锚杆的作用在于给顶板及时提供很高的初撑力以形成“预应力承载梁（板）”（张农教授）高强度高预紧力高刚度高锚固点3.锚杆支护关键技术0.30.1初始支护强度P/MPaV/(%)围岩的扩容变形图3.4-1围岩的松散扩容变形与初始支护强度之间的关系P,支护载荷S,变形量O1432图3.4-11支护阻力与围岩变形关系图“四高”锚杆：高预拉力高强度高刚度高锚固点1-典型的支护围岩关系曲线；2-传统支护特性曲线；3-高强锚杆支护特性曲线；4-“三高”锚杆支护特性曲线；5-“四高”锚杆支护特性曲线支护阻力与围岩变形关系图O1234S变形量P支护载荷5图5-3-1MQS90J2型气动锚杆安装机1）锚杆2）钢带网托盘等附件3）锚索4）让压锚索5）防冲支架（吸能盒）6）钢管混凝土支架7）钻注锚一体化锚杆4.配套产品及其使用20MnSi335MPa490MPaBHRB400400MPa570MPaBHRB500500MPa670MPaBHRB600620MPa820MPa杆体材质：按照钢材的屈服强度σs可将锚杆分为三类：σs340Mpa，普通锚杆；340Mpa≤σs600Mpa,高强度锚杆；σs≥600Mpa，超高强度锚杆。国外使用的锚杆杆体直径多为20mm、22mm、24mm，其材质屈服强度为400Mpa—600Mpa或更高，破断力一般为200—300kN，甚至更高。目前我国煤矿使用的性能最好的左旋无纵筋锚杆采用20MnSi材质高性能（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）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高性能（预拉力）锚杆杆体性能优良整体强度和几何尺寸匹配钻机连续一体化安装直观显现施工安装质量易于实现预拉力3.4锚杆支护技术的发展历程强度粘结力初锚力(工作阻力)可靠性使用范围技术特征50~60年代：机械点锚固锚杆技术低低低低很小四低一小80~90年代末：高强螺纹钢锚杆技术高高低低较小两高两低1999年开始：高性能预拉力支护技术高高高高大四高一大2004年开始三高锚杆支护技术高(高)高(刚度)高更大高可靠性我国使用锚杆：五十年代岩巷开始光爆锚喷、七十年代进入采区、九十年代进入回采巷道支护预紧力与锚固力预拉力指的是锚杆安装时锚杆施加给顶板的主动力锚固力指的是树脂胶结段的锚固强度预紧力与锚固力之间的关系？等强锚杆与高强锚杆等强锚杆指的是锚杆杆体与尾部螺纹的强度相等，尾部丝扣处强度没有损失；全螺纹锚杆高强锚杆指的是锚杆杆体与尾部螺纹的强度基本相等，减少约5%左右；等强与高强之间的关系？金属网钢带托板减摩垫片扭矩螺母螺纹钢锚杆树脂锚固剂端头锚固、加长锚固、全长锚固的应用锚杆支护技术发展的四个阶段：低强度低初锚力的初级阶段（0高阶段）高强度低初锚力的“一高”阶段高强度高初锚力的“两高”阶段高强度高初锚力高刚度的“三高”阶段高强度高初锚力高刚度高锚固点的“新四高”阶段实现了锚杆安装的机械化、连续化；保证了20~30kN以上的预拉力；控制了顶板的松脱垮冒，初始支护强度达到30~45kN/m2。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垫圈螺母与小托盘之间加设塑料减摩垫圈与金属减摩垫圈，减小摩擦阻力，使锚杆钻机的输出扭距更多的传递给锚杆,使锚杆刚安装时就产生较大的预拉力，给围岩主动支撑。本课题组正在开发的新型垫圈有：凹型垫圈、O型防松垫圈。垫圈形状扭矩螺母：实现锚杆树脂搅拌与安装一体化，这是锚杆支护的核心技术之一。国内外比较普遍的方法是采用扭矩螺母，扭矩螺母有钢片充填式螺母、树脂（或尼龙）充填式螺母、销钉式螺母等等。树脂锚固剂：由树脂泥与固化剂两部分分隔包装而成，是树脂锚杆支护的关键材料，它采用现代高分子不饱和聚酯树脂，结合有机过氧化物，混合反应成为牢固不溶不融的网状结构。具有常温下固化快、粘结强度高、锚固力可靠、耐久性好等优良性能。高刚度、高粘接力、低粘度、快速固化树脂锚固剂树脂锚固剂专用树脂；高粘接力，保证锚固效果；低粘度，满足安装要求；高刚度，抗压强度60MPa；超快固化，快速施工。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。2）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50～150kN；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帮部锚索加固技术锚索的缺陷和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；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。直径17.8mm，破断力350kN；直径18.96mm，破断力400kN；最近开发直径22mm，破断力达到600kN；进一步提高索体的延伸率；强度、刚度与强力锚杆匹配。020406080100120300035004000450050005500600065007000Fy=150kNFy=100kNFy=60kN锚索自由长度/mm锚索工程延伸量/mm图3-2锚索工程量与自由长度的关系锚杆---锚索支护性能怎么协调匹配？0LU0围岩变形支护载荷1234AL1—围岩特性曲线；2—锚杆-锚索联合支护特性曲线；3—锚岩支护体特性曲线；4—锚索特性曲线；U0—围岩表面位移；—锚索延伸量图3-16围岩与支护的相互作用关系4DCB132A支护载荷围岩变形0LL1—围岩特性曲线；2—锚杆-锚索联合支护特性曲线；3—锚岩支护体特性曲线；4—锚索特性曲线；—锚索延伸量图3-17软弱围岩与支护的相互作用关系U0L支护载荷围岩变形BDEC4321A0L1—围岩特性曲线；2—锚杆-锚索联合支护特性曲线；3—锚岩支护体特性曲线；4—锚索特性曲线；U0—围岩表面位移；—锚索延伸量图3-18围岩-支护相互作用原理图让压锚索（专利）52341肩角稳定区肩角稳定区3）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50～150kN；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。dWBＡ-Ａ放大LAHTL0WL1AL1L0W型钢带解决思路：支护原理、技术、施工工艺过程、支护效果、产品更新换代升级的整体提高。1）锚杆支护技术的精髓2）支护构件的不同效果3）支护构件的相互匹配矿压监测表1监测内容、目的及手段序号观测内容观测目的测试手段1巷道表面位移监测巷道相对变形量，从而判定稳定性测杆、测枪2顶板离层监测顶板稳定状况，及时采取安全措施离层指示仪3锚杆受力检测锚杆强度是否合适，以调整密度锚杆液压枕4螺母拧紧力矩检查锚杆安装质量扭力扳手井下施工三级质量控制–小班自检、区队日检、矿井抽检新型安全监测技术–智能在线连续的离层仪–更大范围精确量测的多点位移计–锚杆载荷特性(拉、剪)–岩层结构观测仪器：6米可弯曲光导纤维岩层窥视仪–外围结构特性：红外线钻孔探测摄像仪光导纤维钻孔窥视仪GK-701声波多点位移计数显式拉拔仪顶板赋存结构开展精密探测0.5m处顶板裂缝1.18m处顶板离层岩层错位情况完整岩体状态岩层钻孔探测仪光导纤维钻孔窥视仪全长和加长锚固锚杆受力监测。量程400kN，分辨率0.01kN，精度±2%锚杆受力监测曲线050100150200123456测点位置锚杆轴向力(kN)11月18日11月19日1月25日12月25日2月8日3月11日4月12日5月30日CM型测力锚杆锚杆(索)的长度测定锚杆(索)的锚固长度测定锚杆(索)的工作载荷测定锚杆的无损检测4.工程实例1）城郊深部-800轨道运输大巷支护2）平顶山十一矿深部破坏岩巷修复3）永煤新桥矿北翼轨道大巷底鼓治理城郊矿深部软岩巷道变形破坏状况1）城郊深部岩巷支护