1、煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用 朱永辉、申中云生产基建部7.10提 纲一、前言二、锚杆支护理论的发展三、锚杆支护成套技术四、应用实例分析五、存在的问题六、展望一、前言q 掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。q 安全、有效、快速巷道支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。q 我国国有大中型煤矿年新掘进巷道总长度10000余km，80%煤巷。如此巨大规模的地下工程在其他行业是不多见的。q 巷道支护成本、速度、可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。一、前言q 掘进为采煤服务，巷道掘进与支护技术必须满足高产高效回采工作面的要求。q 我国以综采放顶煤、一次采全高为代表的采煤技术得到迅速发展，不断
2、刷新高产高效的全国记录。q 如此高的工作面产量与推进速度对巷道掘进与支护提出前所未有的严格要求。q 成巷速度必须大幅度提高，满足工作面快速推进。q 回采巷道确保正常使用，在工作面推进过程中基本不需要维修，支护效果满足运输、通风要求。q 巷道是矿井的生命线，犹如人体的血管，承担行人、通风、运输等任务，巷道不通，则采煤无法进行。q 但是随着我国煤炭需求量增大，开采深度不断增加，高强度开采、深部开采、多工作面采动影响等因素导致巷道支护越来越困难，冒顶垮落时有发生，严重影响煤矿安全一、前言一、前言一、前言q 巷道支护状况n锚杆支护技术得到普遍认可；n高强度锚杆支护技术得到推广应用；n小孔径锚索支护加固
3、技术大面积应用；n破碎煤岩体注浆加固；n一些矿区达到90%，很多矿区达到60%；n实现高产高效必不可少的关键技术。q 锚杆支护理论的发展过程n 传统的被动支护（悬吊）到主动支护n 只重视强度发展到既重视强度又重视刚度 n 复杂困难巷道二次支护、联合支护理论（只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护）发展到强力一次支护。二、锚杆支护理论的发展1、锚杆支护理论q 锚杆支护理论的类型n 被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；n 在锚固区内形成某种结构(梁、层、拱、壳等)；n 改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。n 锚杆支护本质作用以第3种模式为主
4、。巷道开挖后立即支护，并施加足够高的安装力，即锚杆、锚索预应力，提高锚固体的刚度非常重要。 二、锚杆支护理论的发展n提高支护刚度途径三方面：一及时支护；二锚杆施加高预应力，并实现有效扩散；三加长或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动敏感。n锚杆预应力及其扩散起关键性作用。大幅提高支护刚度与强度，特别是预应力，可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次支护。二、锚杆支护理论的发展三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展2、支护应力场与综合应力场q 支护应力场：支护在围岩中产生的应力场与在支护体内部产生的应力场。q 综合应力场：原岩应力场、采动应力场及支护应力场n原岩应力场
5、：在漫长地质历史时期中逐渐形成，在未经人为扰动的天然状态下，地壳岩体中具有的内应力。n采动应力场：井下开挖巷道、硐室及开采煤层等采掘活动引起的煤岩体中应力重新分布，出现的次生应力场。采动应力场在空间上分布有一定的范围，而且随着采矿活动的进行与时间的推移不断变化。三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展n支护应力场：出现在与支护体接触的围岩周围，及支护体内部。空间上分布范围较小，而且随着采掘活动的进行与时间的推移发生变化。n三种应力场构成煤矿井下综合应力场。从时间上，先有原岩应力场，然后才有采动应力场与支护应力场，而且是随时间变化的；从空间上，原岩应力场普遍存在于地壳中
6、，采动应力场分布在采掘活动影响的一定范围内，而支护应力场则分布在更小的范围。三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征0306090q 采动应力场-巷道围岩应力分布不同夹角围岩最大主应力（两帮水平切面）不同夹角围岩最大主应力（两帮水平切面） 垂直应力垂直应力水平应力水平应力二、锚杆支护理论的发展0306090掘进掘进工作工作面最面最大主大主应力应力分布分布二、锚杆支护理论的发展q 采动应力场-巷道围岩应力分布工作面位置工作面位置工作面后工作面后1m工作面后工作面后4m工作面前工作面前1m距掘进工作面不同位置应力分布垂直应力垂直应力水平应力水平应力二、锚杆支护理论的发展q 采动应力场-巷道围岩
7、应力分布垂直应力垂直应力水平应力水平应力n 垂直应力在工作面前方先出现应力降低区，后出现升高区，集中应力3.5倍；在左前方煤柱出现较高集中应力；后方左侧煤柱，上工作面回采，应力叠加，5.1倍。n 水平应力布趋势与垂直应力类似。 二、锚杆支护理论的发展q 采动应力场-采场围岩应力分布n各种支护均可在围岩中引起应力场。n锚杆、支架、喷层、砌碹，液压支架、单体支柱等支护，都可产生各自特点的支护应力场。n支护应力场分主动与被动支护应力场。锚杆锚索预应力产生的应力场，液压支架与单体支柱初撑力产生的应力场属主动支护应力场；支架、砌碹及无预应力锚杆等支护形式是被动支护应力场。二、锚杆支护理论的发展q 支护应
8、力场-50002000-50000-50000-50000-20000-30000-10000-5000-10000-5000-10000-100000-5000-5000-5000-500002000200002000200000000000YXZXYZSZZ(Pa)500020000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10预紧力预紧力20kN20kN -500010000-10000-200000-280000-70000-120000-60000-40
9、000-1200000-10000-80000-40000-80000-120000-80000-60000-60000-70000-40000-60000-60000-40000-60000-80000-80000-80000-20000-20000-40000-70000-60000-70000-60000-60000-10000-20000-40000-40000-20000-20000-20000-1000000-100005000-50000-50005000-500010000-5000-5000-5000-50000500050000-5000-50005000000000YXZ
10、XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-40000-45000-50000-70000-80000-200000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10预紧力预紧力100kN100kN 二、锚杆支护理论的发展n 锚杆支护应力场不同锚杆间距的应力分布不同锚杆间距的应力分布 二、锚杆支护理论的发展无钢带无钢带 有钢带有钢带YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120
11、000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-260000-280000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10YXZSZZ(Pa)200001000050000-5000-
12、10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000-220000-240000-260000-280000Frame 001 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10XYZSZZ(Pa)200001000050000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-70000-80000-90000-100000-120000-140000-160000-180000-200000Frame 001
13、 16 Dec 2006 FLAC3D to Tecplot 10二、锚杆支护理论的发展锚索周围应力分布锚索周围应力分布 000000500001000020000-5000-5000-500010000500000100002000020000100002000010000-10000-1000020000-30000-40000-40000-20000-30000-40000-40000-40000-20000-30000-5000-30000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-5000-40000-40000-50000-10000-30000-200
14、0000-50000-30000-5000-200000-2000000-20000-100000-200000-100000-20000-2000000YXZXYZSZZ(Pa)50000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 10二、锚杆支护理论的发展-5000-5000-20000-5000-5000-40000-3000010000-50000-100005000-50005000-3
15、0000-60000-20000-25000-80000-80000-50000-60000-25000-100000-80000-50000-1000000-60000-10000-80000-2000-40000-50000-40000-100000-40000-10000-50000-80000-50000-40000-30000-5000-60000-60000-60000-25000-50000-5000-10000-25000-20000-5000-30000-30000-10000-25000-25000-25000-10000-25000-30000-25000-10000-5
16、000-10000-25000-30000-25000-10000-20000-10000-10000-5000-2000-5000-5000-5000-2000-2000050000-5000-20005000100005000100005000-200050000000YXZXYZSZZ(Pa)0-2000-5000-10000-20000-30000-40000-50000-60000-80000-100000-200000-300000-400000-500000-600000-700000-800000Frame 001 28 Nov 2006 FLAC3D to Tecplot 1
17、0锚杆与锚索周围应力分布锚杆与锚索周围应力分布 二、锚杆支护理论的发展 单体支柱应力场分布单体支柱应力场分布(初撑力初撑力150kN)二、锚杆支护理论的发展n 支柱与支架应力场 U型钢金属支架应力场分布型钢金属支架应力场分布二、锚杆支护理论的发展n 支柱与支架应力场l各种支护形式对围岩产生支护作用的同时，在支护体内部会产生应力场。不同支护形式应力场分布各有特点。l锚杆支护构件在各自内部产生应力场。锚杆杆体在巷道围岩中受拉、弯、剪与扭曲等作用。对于拉伸，BHRB500高强度锚杆杆体，弹性范围可产生高达500MPa的拉应力。二、锚杆支护理论的发展n 支护体内应力场l 锚杆预紧力100kN，1001
18、00mm平托板压应力分布。l 托板中心压力最大（超过10MPa），随远离托板中心，压应力迅速减小。一定距离，托板应力很小。平托板压应力分布平托板压应力分布二、锚杆支护理论的发展n 支护体内应力场l 钢带跨中向下弯曲，受拉部分钢带压槽，受拉面积小，受力较大；上表面受压，面积较大，受力小且平均。l 托板处钢带上表面和孔口应力集中明显。钢带压槽受压力，上表面受拉力，最大应力在托板边缘钢带压槽处。W型钢带压应力分布型钢带压应力分布二、锚杆支护理论的发展n 支护体内应力场五、各应力场之间的关系五、各应力场之间的关系l 晋城寺河矿首采工作面。原岩应力7.05-16.44MPa；不受动压影响巷道集中应力9.
19、5-26MPa，回采面集中应力25-36MPa，采动应力变化范围-236MPa；l 锚杆在围岩中产生的支护应力-0.112MPa，拉应力出现在锚杆头部，最大压应力出现与托板接触处；l 锚杆拉应力达400-600MPa；托板压应力达10MPa；钢带拉应力使钢带屈服（235MPa），拉断（380MPa）。l 围岩与支护构件中的应力场多种多样，应力值相差悬殊。l 支护在围岩中应力场，对拉应力和剪应力产生明显作用。二、锚杆支护理论的发展n 三种应力场数值比较五、各应力场之间的关系五、各应力场之间的关系l 原岩应力越高，应力差异越大，采动影响越强烈、集中应力越高，对支护系统要求越高。围岩条件相同，强烈动
20、压巷道需要高强度、高刚度且具有足够延伸率的支护系统。支护形式与参数设计不合理，可能引起支护体受力过大而失效，支护应力场丧失。l 支护对围岩施加约束，改变围岩应力状态，从二向应力转向三向应力状态，影响采动应力场。二、锚杆支护理论的发展n 三种应力场相互作用单根锚杆不同裂纹长度单根锚杆不同裂纹长度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素无裂纹无裂纹裂纹长度裂纹长度0.4m裂纹长度裂纹长度0.8m裂纹长度裂纹长度1.2m单根锚杆不同裂纹位置单根锚杆不同裂纹位置 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹在锚固段裂纹在锚固段裂纹在自有段中部裂纹在自有段中部裂纹在锚杆尾部裂纹在锚杆尾
21、部单根锚杆不同裂纹宽度单根锚杆不同裂纹宽度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹宽度裂纹宽度1mm裂纹宽度裂纹宽度3mm3mm裂纹宽度裂纹宽度5mm5mm裂纹宽度裂纹宽度10mm裂纹宽度裂纹宽度20mm单根锚杆不同裂纹角度单根锚杆不同裂纹角度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹倾角裂纹倾角20裂纹倾角裂纹倾角30单根锚杆不同预应力单根锚杆不同预应力二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素预应力预应力100kN预应力预应力130kN锚杆支护不同裂纹长度锚杆支护不同裂纹长度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹长度裂纹长度1m裂纹长度裂纹长
22、度3m锚杆支护不同裂纹位置锚杆支护不同裂纹位置 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹在锚固段裂纹在锚固段裂纹在自有段中部裂纹在自有段中部裂纹在锚杆尾部裂纹在锚杆尾部锚杆支护不同裂纹宽度锚杆支护不同裂纹宽度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹宽度裂纹宽度0.5mm裂纹宽度裂纹宽度1mm1mm裂纹宽度裂纹宽度5mm锚杆支护不同裂纹角度锚杆支护不同裂纹角度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹倾角裂纹倾角20裂纹倾角裂纹倾角30锚杆支护不同预应力锚杆支护不同预应力二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素预应力预应力100kN预应力预应力130
23、kN锚杆支护不同孔隙率锚杆支护不同孔隙率二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素无孔隙无孔隙孔隙率孔隙率2%2%孔隙率孔隙率10%10%q 锚杆支护概念n 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0askKa00.15 0.150.30 0.300.45 0.450.600.6支护主动性被动支护低主动支护 中主动支护 高主动支护 极高主动支护预应力状态 极低预应力低预应力中等预应力高预应力超高预应力二、锚杆支护理论的发展n 强度利用系数(轴向拉力与杆体拉断载荷比值） 锚杆强度利用率分类 Kp00.2 0.20.40.40.60.60.80.8强度利用率 极低
24、利用率低利用率中等利用率高利用率极高利用率pbPkP0( )lpbP x dxkPl二、锚杆支护理论的发展n 预应力长度系数(预应力长度与杆体全长比值） n 有效压应力区(预应力扩散，抑制拉应力出现的区域)n 预应力扩散系数(有效压应力区宽度与锚杆长度比值) pllklddlkl二、锚杆支护理论的发展n 临界支护刚度u 锚固区不产生明显离层和拉应力区的支护刚度。u 刚度小于临界值，围岩变形、不稳定。u 刚度达到临界值，有效控制变形。u 锚杆临界预应力。受力变化不明显的预应力为临界值。二、锚杆支护理论的发展q 研究巷道支护应从分析掘进工作面周围应力分布与位移特征开始。q 掘进工作面开挖后主要有四
25、种效应：n 掘进工作面附近煤岩体产生位移；n 无支护开挖面不存在正应力与剪应力，一定是主应力面，其中一个主应力为零，对原岩应力场产生扰动；n 开挖边界任何煤岩水压力、气体压力降低为大气压；n 开挖边界煤岩体温度、湿度变化及风化作用，使煤岩体力学性质发生变化。二、锚杆支护理论的发展 3、预应力锚杆支护理论掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上0.3m）q 顶板应力变化n 水平应力：工作面前10m明显变化，4m最大，之后减小。工作面位置，原岩应力25%。之后变得很小。n 垂直应力：工作面前6m开始变化，先增加后降低。工作面位置原岩应力20%。之后1m几乎为
26、零。二、锚杆支护理论的发展掘进工作面前后位移分布与变化掘进工作面前后位移分布与变化q 位移变化n 超前工作面6m明显增加，过工作面曲线出现拐点，增加速度变缓。至工作面后方10m，达到稳定。n 掘进工作面处，顶板下沉量接近总下沉量的40%；工作面后方1m处50%。井下超前工作面的位移监测不到，如果测点设置滞后，监测到后半部分。二、锚杆支护理论的发展q 破坏区发展n 剪切破坏区随工作面距离不同变化。前方2.5 m出现剪切破坏，工作面位置3 m，工作面后1m为4 m，后方10 m稳定。n 拉破坏区随工作面距离不同变化。前方0.5 m出现拉破坏，工作面位置1.5 m，后1m为2 m，后方5 m后稳定。
27、剪切屈服剪切屈服 拉伸屈服拉伸屈服掘进工作面前后围岩破坏区变化掘进工作面前后围岩破坏区变化 二、锚杆支护理论的发展q 支护应力场n 掘进推进方向，后方支护区域锚杆预应力形成连续分布的压应力带；n 空顶区，最近一排锚杆预应力扩散到空顶区。预应力越大，扩散范围越广。虽然压应力小，但对抑制空顶区围岩破碎及降低风化有重要作用。已在多个矿井得到验证。n 巷道断面锚杆形成整体压应力结构。掘进工作面锚杆支护应力场掘进工作面锚杆支护应力场 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆支护围岩响应曲线n 巷道支护：设在开挖表面的支护结构，围岩响应曲线：l连续岩体，初期不需设置刚性支护，允许岩体位移，但要在岩体出现有害位移前达
28、到平衡。l非连续岩体，受结构面影响，岩体强度与完整性劣化，响应曲线趋于平直。岩体越破碎，需要支护力越大。零强度，原岩应力。 边界位移刚性支护柔性支护支护压力有效支护边界位移支护压力零位移条件零强度线弹性有效支护曲线非连续面频度增加围岩响应曲线与支护曲线围岩响应曲线与支护曲线 连续岩体连续岩体非连续岩体非连续岩体二、锚杆支护理论的发展六、应力场与巷道支护的关系六、应力场与巷道支护的关系q 锚杆支护围岩响应曲线n 巷道加固 ：插入或灌入煤岩体内部起加固作用，使煤岩体自稳，锚杆与锚索、注浆加固。n 锚杆分为插入煤岩体内部分(杆体、锚固剂)，设置在表面的构件（托板、钢带及网），常用名词“锚杆支护”，确
29、切应称为“锚杆加固”或“锚杆加固与支护”。n 煤岩体加固与支护的基本原理有本质区别，不能再用支护的围岩响应曲线。 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆支护围岩响应曲线n 煤矿围岩基本属非连续煤岩体。n 锚杆受力变化归纳为5种类型。时间锚杆受力12345n 曲线1对应预应力低，被动支护，受力小，支护不明显；n 曲线5对应高预应力，锚固区位移差小，受力变化不大；n 曲线2、3、4，虽然施加一定预应力，但都小于临界值，不能有效控制围岩早期的离层。锚杆受力变化曲线锚杆受力变化曲线二、锚杆支护理论的发展q 锚杆支护围岩响应曲线n 锚杆支护围岩响应曲线。n 水平线及斜线代表零强度和理想连续弹性体。n 曲线1-5
30、对受力曲线1-5。n 曲线1支护作用不明显，与无支护相差不大；n 曲线5，高预应力强力支护有效控制了围岩位移；n 曲线2锚杆破断前，围岩位移较小，锚杆破断后，围岩位移急剧增大；曲线3围岩发生较大位移后，能趋于稳定；曲线4围岩发生较大围岩位移，不能稳定。锚杆围岩响应曲线锚杆围岩响应曲线边界位移零强度无支护线弹性支护压力14352二、锚杆支护理论的发展六、应力场与巷道支护的关系六、应力场与巷道支护的关系q 锚杆支护时空效应n靠近掘进工作面位置一定范围内，顶板内仍有一定垂直压应力，在这个范围内安装锚杆，可维持或减小垂直压应力降低，减小偏应力。从改善围岩应力状态考虑，锚杆安设位置离工作面位置越近越好。
31、n掘进工作面周围拉应力区与剪切破坏区随工作面推进而发展。显然在围岩还没有出现拉、剪破坏或范围小时，安设锚杆对控制围岩进一步破坏有利。从控制围岩破坏考虑，锚杆安设位置离工作面位置越近越好。二、锚杆支护理论的发展六、应力场与巷道支护的关系六、应力场与巷道支护的关系q 锚杆支护时空效应n掘进工作面位置已经发生一定位移，只有及时安设锚杆才能有效控制围岩进一步位移和离层。从控制位移考虑，锚杆安设位置离工作面位置越近越好。n巷道轴线与最大水平主应力方向呈一定夹角时，应在应力集中较大的一侧进行加强支护。n在时间上，一开挖就应立即打锚杆，并施加足够预应力。不仅对改善围岩应力状态、控制围岩位移与破坏有利，而且对
32、围岩风化、软化及空顶区破坏有很好的控制作用。二、锚杆支护理论的发展q 锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容、不连续变形破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，保持锚固区围岩完整性，减小强度降低。q 锚杆与锚索应紧跟掘进工作面及时支护。q 在锚固区产生较大的压应力区，形成预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，改善围岩深部应力分布。q 锚杆支护系统具有足够延伸率，使围岩连续变形释放。q 锚杆预应力起决定性作用，确定合理预应力是支护设计关键。高预应力要求锚杆具有高强度。二、锚杆支护理论的发展q 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
33、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。q 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；三是消除了锚杆端部的拉应力区。q 深部与复杂困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩变形，尽量避免二次支护。二、锚杆支护理论的发展三、锚杆支护成套技术三、锚杆支护成套技术q 巷道围岩地质力学测试q 锚杆支护设计q 锚杆支护材料q 锚杆支护施工机具q 锚杆支护矿压监测 三、锚杆支护成套技术q 煤岩体地质力学参数：应力参数(原岩应力与采动应力)；变形与强度参数；结构参数。q 地质力学参数是巷道布置与支
34、护设计的必要基础。q 随着开采深度增加，井下地质环境发生显著变化，地质力学测试越显重要。煤层结构煤层结构(大同塔山大同塔山)1、巷道围岩地质力学测试q 井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法 l针对煤矿沉积岩强度低、破碎、应力高等特点及井下特殊环境，研发原位测试方法与仪器，实现准确、快速测量。l地应力-小孔径水压致裂法，煤岩体强度-钻孔触探法，围岩结构-钻孔观测法。1、巷道围岩地质力学测试l 单孔：一个小直径钻孔中完成地应力、围岩强度及围岩结构测试；l 多参数：一个钻孔中完成应力、强度与结构测试；l 耦合：同一钻孔中分别测量地应力、强度与结构，得出三者相互影响及耦合关系。地质力学测试过
35、程1、巷道围岩地质力学测试q 地质力学快速测试仪器l SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置。钻孔直径56mm，测量深度50m，水压50MPa。l WQCZ-56型小孔径煤岩体强度测定装置。钻孔直径56mm，测量深度50m，压力140MPa。水压致裂地应力测量装置煤岩体强度测定装置1、巷道围岩地质力学测试l KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪。 采用数字全景技术，实现了钻孔结构参数定量测量。全景探头对裂缝的分辨率0.1 mm，角度分辨率0.1。可提供钻孔360平面展开图像，及虚拟钻孔岩芯图，更加逼真。 数字全景钻孔窥视仪数字全景钻孔窥视仪钻孔结构观测图片钻孔结构观测图片1、巷道围岩地质力学
36、测试q 井下地质力学测试范围l 采用发明的地质力学测试仪器，在27个矿区72个煤矿，进行了395个测站的地应力测试。l 测量深度最小69.2m，最大1283m。l 基本涵盖了我国煤矿的各种地质条件。 地质力学测试分布图新汶郑州呼和浩特太原济南合肥西安银川兰州西宁乌鲁木齐北京平庄平顶山哈密乌海石炭井义马淮南神东彬县华亭晋城潞安汾西华晋阳泉大同平朔轩岗宁武宁煤集团伊泰重煤集团重庆拉萨成都武汉1、巷道围岩地质力学测试l 山西矿区（301个）u北部方向NNE-NEE。u吕梁方向大多NWW。u太原至介休两个趋向：NNE和NWW；阳泉附近为NWW。u长治到晋城：NE和NW。u从北到南，最大水平主应力方向主
37、体趋向NE向。东部与西部偏向NW；东南部多变。山西省地应力分布图山西省地应力分布图大同市朔州市忻州市阳泉市太原市晋中市吕梁市临汾市运城市晋城市长治市轩岗焦家寨煤矿阳泉矿区潞安矿区晋城矿区潞安整合煤矿汾西矿区华晋沙曲矿汾西离柳矿区潞宁矿区朔州矿区大同矿区q 地应力测量1、巷道围岩地质力学测试l 主应力随埋深增加整体呈现增加趋势，但存在明显的离散性。l 主应力除与埋深有关外，受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显。地质构造区地应力异常，岩层强度与刚度越大，地应力值越高。 地应力与埋深的关系 侧压比与埋深的关系 1、巷道围岩地质力学测试l 煤矿井下地应力分布特征 应力场类型主要分布深度侧压系数主
38、要影响因素Hh vvh250-6001.0-2.0vHh6000.5-1.5k-平均水平主应力与垂直主应力比值H-埋藏深度，m平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化 105.90.644kH1、巷道围岩地质力学测试l 煤岩体强度井下测试 岩岩 性性累计累计厚度厚度/m厚度厚度/m岩层柱岩层柱状状平均强平均强度度MPa煤煤6.30.87.8细砂岩细砂岩5.52.461.8中砂岩中砂岩3.11.1563.6细砂岩细砂岩1.95 0.8546.3粗砂岩粗砂岩1.10.749.7细砂岩细砂岩0.40.453.5新汶协庄矿煤帮强度测试结果 华丰矿-1100大巷顶板岩层强度测试结果1、巷道围岩地质力学测试潞
39、安常村S3皮带下山顶板岩层强度分布 晋城寺河矿2#车场顶板围岩强度分布 l 煤岩体强度井下测试 1、巷道围岩地质力学测试q 煤岩体结构测试l 前视式钻孔窥视 大同塔山矿巷道顶煤观测图片大同塔山矿巷道顶煤观测图片1、巷道围岩地质力学测试l 数字全景钻孔窥视 0-6.8m 6.9-13.6m 13.7-20.4m1、巷道围岩地质力学测试q 地质力学参数之间的关系1010.51111.51212.51313.514应力值/MPa砂岩砂泥岩砂岩砂岩砂岩024681012应力值/MPa砂岩砂岩9.51010.51111.51212.5应力值/MPa砂岩泥岩砂岩泥岩1818.51919.52020.521
40、21.5应力值/MPa细砂岩煤砂岩潞安常村潞安常村潞安司马潞安司马晋城寺河晋城寺河淮南谢一淮南谢一1、巷道围岩地质力学测试l 单个钻孔地应力测量结果：同一钻孔测试段水平主应力测试结果存在明显差异。l 同一测孔中不同岩性地应力值不同，岩石强度越高，应力值越大。弹模高、强度大的岩体积聚应变能高，应力大。岩体初始应力是岩石弹模、强度等的函数。l 地应力值除与埋深有关外，还与岩体强度、弹性模量等有关。工程设计应考虑到这一现象，数值模拟应针对不同岩性进行地应力赋值。1、巷道围岩地质力学测试q 掘进工作面与巷道围岩应力与变形分布 n 根据实测地应力、围岩强度与结构参数建立数值模型。n 分析巷道围岩应力、变
41、形分布与破坏特征。2、锚杆支护设计基于地质力学测试的巷道支护设计垂直切面上水平应力分布 水平切面上垂直应力分布 n确定巷道断面形状与尺寸；n建立数值模型：根据地质力学测试数据及地质条件建立数值模型。n确定模拟方案：一般包括无支护、不同煤柱尺寸，不同支护形式与参数等支护方案。n模拟结果分析：分析巷道围岩变形与破坏的特征，支护形式与参数对支护效果的影响。n通过多方案比较，确定有效、经济的支护方案。2、锚杆支护设计q 巷道支护设计 n 确定支护形式与参数的原则u 一次支护原则； u 高预应力与预应力扩散原则；u “三高一低”原则(高强度、高刚度、高可靠性，低密度)u 临界支护刚度原则；u 相互匹配原
42、则； u 可操作性原则；u 经济合理原则。2、锚杆支护设计n 支护参数选取u预应力l预应力设计原则：控制围岩不出现明显离层与拉应力区。l杆体屈服载荷30-60%（50-100kN，300-600N.m）l锚杆直径、长度越大，强度越高，要求预应力越高。2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计 不同材质与规格锚杆的预应力值牌号屈服强度/MPa预应力值/kN16mm18mm20mm22mm25mmQ235HRB335HRB400HRB500HRB60024033540050060024.133.740.250.360.330.542.650.963.676.337.752.662.878.594.
43、245.663.776.095.0114.058.982.298.2122.7147.32、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计l 预应力与螺母力矩、规格、加工精度、减摩垫片等有关。高预应力对锚杆结构、加工精度提出高要求。)(1 ()(2)1 (40111210dDfffdsMfPoP0=kMf1螺母与螺纹段摩擦系数；fo螺母、垫圈端面摩擦系数；d2螺纹中径，mm；d0垫片内径，mm；D1螺母端部有效接触面外接圆直径，mm；s螺纹导程，mm, s=nt：n螺纹头数；t螺距，mm；M螺母预紧力矩，N.m；2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计l 螺母扭矩n螺母扭矩越大，预应力越高。n螺纹钢
44、锚杆：300-600N.mn扭矩倍增器，气动、液压扳手。l 螺母与垫圈端面摩擦系数fonf0越小，k值越大 n减摩垫圈：高效减摩塑料垫圈，减少螺母、垫圈摩擦阻力。塑料垫圈的材质起关键作用。2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计050100150200250100200300400500600700800锚杆预紧扭矩(Nm)锚杆轴向预应力（KN）240242243244 M24 锚杆预紧力矩与预紧力关系240-不使用减摩垫片；242-1010尼龙；243-改性1010尼龙；244-高密度聚乙烯2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计l 螺母与螺纹段摩擦系数f1nf1越小，k值越大 n提高锚
45、杆螺纹与螺母加工精度n优化螺母与螺纹段的强度、刚度、几何尺寸的配合。(a) 美国加工 (b) 国内加工国内外锚杆螺纹加工精度对比2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计国内外锚杆螺纹扭矩与预应力关系对比（M24）美国国内2、锚杆支护设计u锚杆长度l锚杆长度增加，有效压应力区范围扩大。l锚杆中上部压应力减小，两锚杆间中部围岩压应力减小。锚杆越长，预应力作用越不明显。l锚杆越长，预应力应越大。通过提高预应力，可减小锚杆长度。 1.8m2.4m2、锚杆支护设计u锚杆密度l单根锚杆形成锥形压力区，尾部大，锚固起始次之，中部小；l间距过大，锚杆压应力区独立，不能形成整体支护结构；l间距缩小，锚杆锥形压
46、应力区叠加，连成一体，整体支护结构；l提高预应力，可降低支护密度。2、锚杆支护设计u锚固方式l端锚有效压应力区大；加长锚固次之；全锚最小。 l提高加长锚、全锚锚杆预应力扩散有效途径，先施加预应力，锚固剂后固化，实现全长预应力锚固。 端锚端锚加长锚加长锚全锚全锚2、锚杆支护设计u锚杆角度l锚杆角度增加，角锚杆与中部锚杆有效压应力区分离，叠加区变小。15明显分离，独立支护单元。 l近水平煤层，角锚杆最好垂直布置，最大不超过10 010302、锚杆支护设计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构件锚杆支护构件图图q 锚杆及附件q 锚固剂q 钢 带 q 锚 索q 网 3、锚杆支护材
47、料 在借鉴国外先进技术的基础上，经过集中攻关，开发出适合我国煤矿巷道的高强度螺纹钢锚杆支护系列材料及配件。通过杆体结构与形状优化，更有利于提高锚杆的锚固效果；通过开发锚杆专用钢材或调质处理，达到高强度和超高强度级别。高强度锚杆成为锚杆支护的主要形式。3、锚杆支护材料q 高强锚杆及附件n 杆体几何形状u合理孔径差的条件下，保证杆体能顺利插入钻孔；u有利于提高锚固剂的粘结力与锚固效果；u尽量使杆体各个部位等强度；u杆体尾部有利于施加较大的预应力。u螺纹钢锚杆杆体主要有以下三种形式：普通建筑螺纹钢；右旋全螺纹钢；左旋无纵筋螺纹钢。3、锚杆支护材料n 杆体几何形状u左旋无纵筋螺纹钢。有利于增加锚固剂密
48、实度，提高锚固力；尾部螺纹加工采用合理工艺，保证强度接近和达到杆体强度；尾部滚压成型螺纹，加工精度较高，可施加较大预应力。u左旋无纵筋螺纹钢杆体是基本满足杆体形状设计四准则、较理想的锚杆杆体。 LL13、锚杆支护材料n 杆体尾部结构（杆尾螺纹结构，受力复杂、易破坏）u螺纹部分不仅受拉，而且受剪切、弯曲；u螺纹直径与杆体不等，变径应力集中（23倍）。 为保证螺纹强度接近或等于杆体，可采用以下结构：u滚圆加工后滚丝，减少强度损失；u螺纹段进行调质处理，提高螺纹强度；u墩粗杆体尾部，再加工螺纹，增加螺纹面积；u取消螺纹，制成墩头锚杆，从根本上消除螺纹影响；u细牙全螺纹杆体，螺母直接拧入杆体。3、锚杆
49、支护材料3、锚杆支护材料细牙全螺纹杆体n杆体材质u开发专用锚杆钢材配方(BHRB400、500、600、700)。u保证杆体延伸率，强度大幅提高。u将冲击吸收功列入锚杆力学检测参数。u22mm、BHRB600强力锚杆：破断力300kN，预应力级别120kN。3、锚杆支护材料牌号公称直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/JBHRB500BHRB600BHRB70018-2550060070067078085018-2560-160 n杆体受力状态分析 设计锚杆与巷道表面垂直，但由于施工、煤岩面凹凸不平，绝大多数锚杆与巷道表面呈一定角度。3、锚杆支护材料xxxo2oo1y
50、xB12加预应力后施加预应力前gap between w strap and rock surfaceoo1l 锚杆试件，一端为螺纹，另一端焊接短螺纹钢。l 加工倾角5、10、15、30的斜面铁块。l 锚杆受力采用测力计，扭矩采用指针式扭矩扳手。l 施加100-1000 N.m扭矩，测量锚杆受力。3、锚杆支护材料AAA-A123456781-test bed 2-bolt 3-plate 4-washer 5-iron block6-dynamometer7-sleeve8-torque spanner锚杆不同安装角度受力试验台n 杆体受力状态分析实验室试验n 杆体受力状态分析实验室试验 3、
