复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术ppt课件.ppt

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1、复杂地质条件下复杂地质条件下巷道围岩主动控制技术巷道围岩主动控制技术山东科技大学山东科技大学 秦忠诚秦忠诚 2010年年8月月一、支护研究背景一、支护研究背景二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索三、巷道支护系统设计方法三、巷道支护系统设计方法四、部分矿井巷道支护案例四、部分矿井巷道支护案例五、部分专利与成果五、部分专利与成果汇汇 报报 提提 纲纲v “复杂地质条件下巷道围岩变形与控制复杂地质条件下巷道围岩变形与控制”是目前深井建设中遇到的普遍是目前深井建设中遇到的普遍难题，针对复杂施工地质条件，探究经济合理的巷道支护技术，对矿井的安难题，针对复杂施工地质条件

2、，探究经济合理的巷道支护技术，对矿井的安全高效生产具有重要的现实意义和工程应用价值。全高效生产具有重要的现实意义和工程应用价值。q我国煤矿开采深度以我国煤矿开采深度以8-12m/年的速度增加，东部矿井年的速度增加，东部矿井10-25m/年。年。q1980年平均开采深度年平均开采深度288m，1995年年428.83m，2000年以后超过了年以后超过了500m。q国有重点煤矿，开采深度达国有重点煤矿，开采深度达1000m深矿井有数十处，最大采深超过深矿井有数十处，最大采深超过1300m。q主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、徐州、淮南、徐州等矿区。主要分布在新汶、淄博、开滦、北票、沈阳、徐州

3、、淮南、徐州等矿区。q到到2009年底，新矿集团年底，新矿集团5个矿采深超过个矿采深超过1000m，开滦、徐州、淮南等矿区平均采深大于，开滦、徐州、淮南等矿区平均采深大于800m。q预计在未来预计在未来20年我国很多煤矿将进入到年我国很多煤矿将进入到1000-1500m的开采深度。的开采深度。一、支护研究背景一、支护研究背景一、支护研究背景一、支护研究背景q高地应力：高地应力：垂直应力明显增大；水平应力甚至超过静水压力；构造应力场复杂。垂直应力明显增大；水平应力甚至超过静水压力；构造应力场复杂。q高高 地地 温：温：地温梯度地温梯度30-50C/km。热应力问题明显，（热应力问题明显，（0.4

4、-0.5 MPa）/1Cq高岩溶水压：高岩溶水压：高裂隙水压使岩石更易破坏且矿井突水严重。高裂隙水压使岩石更易破坏且矿井突水严重。q开采扰动：开采扰动：在高地应力下，叠加采动影响，巷道硐室破坏更加严重。在高地应力下，叠加采动影响，巷道硐室破坏更加严重。q岩体弱化：岩体弱化：不同围压下岩石具有不同的特性，在高围压下脆性岩石转化为塑性。不同围压下岩石具有不同的特性，在高围压下脆性岩石转化为塑性。q流变特性：流变特性：高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，呈现明显的流变或蠕变。高应力作用下，岩石具有较强的时间效应，呈现明显的流变或蠕变。q扩容特性：扩容特性：在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，

5、出现扩容膨胀。在大偏应力下岩石内部节理、裂隙、裂纹张开，出现扩容膨胀。q垮落冒顶增加：垮落冒顶增加：围岩应力高于围岩强度，围岩易失稳性，支护难度大。围岩应力高于围岩强度，围岩易失稳性，支护难度大。q冲击地压：冲击地压：煤岩体应力加大，冲击地压发生的频率、强度和规模增加。煤岩体应力加大，冲击地压发生的频率、强度和规模增加。q矿压显现强烈：矿压显现强烈：巷道变形量明显增大，采面矿压显现强烈。巷道变形量明显增大，采面矿压显现强烈。深井开采矿压特点深井开采矿压特点一、支护研究背景一、支护研究背景q 巷道围岩变形的时间效应巷道围岩变形的时间效应。围岩变形量大，有明显的时间性。初期来压快、围岩变形量大，有

6、明显的时间性。初期来压快、变形显著，不采取有效支护措施，极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳定变形显著，不采取有效支护措施，极易发生冒顶、片帮。即使围岩变形稳定后，围岩还以长期处于流变状态。后，围岩还以长期处于流变状态。q 巷巷道道围围岩岩变变形形的的空空间间效效应应。巷巷道道来来压压方方向向多多表表现现为为四四周周来来压压。不不仅仅顶顶板板、两两帮帮发发生生显显著著变变形形和和破破坏坏，底底板板也也出出现现强强烈烈变变形形和和破破坏坏，如如不不对对底底板板采采取取有有效控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。效控制措施，则强烈底臌会加剧两帮和顶板的变形和破坏。q巷道围岩变形的易受扰动

7、性。巷道围岩变形的易受扰动性。围岩变形对应力的变化非常敏感，受震动、邻围岩变形对应力的变化非常敏感，受震动、邻近巷道掘进或回采工作面采动影响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩近巷道掘进或回采工作面采动影响后，围岩变形和破坏均有明显增加。围岩的稳定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。的稳定性与巷道断面形状、施工工艺等因素都有关系。q巷道围岩变形的冲击性。巷道围岩变形的冲击性。在有冲击倾向的巷道中，围岩变形有时并不是连续在有冲击倾向的巷道中，围岩变形有时并不是连续的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的冲击的、逐渐变化的，而是突然剧烈增加，导致断面迅速缩小，具有强烈的

8、冲击性。性。深井巷道变形特点深井巷道变形特点一、支护研究背景一、支护研究背景q新奥法支护理论新奥法支护理论 煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用光面爆破；早强喷射混凝煤炭行业结合自身特点，完善和发展了新奥法：采用光面爆破；早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注浆加固；实施动态设计和动态施工等。设计和动态施工等。q联合支护理论联合支护理论 对对

9、深深部部巷巷道道，只只提提高高支支护护刚刚度度难难以以有有效效控控制制围围岩岩变变形形，要要先先柔柔后后刚刚，先先让让后后抗抗，柔柔让让适适度度，稳稳定定支支护护。但但随随着着巷巷道道条条件件变变差差，该该理理论论受受到到挑挑战战，有有些些巷巷道道采采用用联联合合支护并不有效，多次维修，围岩变形一直不能稳定。支护并不有效，多次维修，围岩变形一直不能稳定。q二次支护理论二次支护理论 对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有对深部大变形巷道，应实施二次支护。一次支护在保证围岩稳定的条件下允许有一定变形，释放压力；在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。一定变形，

10、释放压力；在合适的时间进行二次支护，保持巷道的长期稳定。深部巷道支护理论深部巷道支护理论一、支护研究背景一、支护研究背景q锚杆锚喷支护：锚杆锚喷支护：锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。但必须选择合理的支护形锚杆锚喷支护性能优越，比较适合深部巷道支护。但必须选择合理的支护形式与参数，才能取得较好效果。式与参数，才能取得较好效果。qU U型型钢钢可可缩缩性性支支架架：U U型型钢钢具具有有较较好好的的断断面面形形状状和和几几何何参参数数，型型钢钢搭搭接接后后易易于于收收缩缩，支支架架设设计计合合理理，使使用用正正确确，能能获获得得较较好好的的力力学学性性能能。支支架架结结构构分分不不封封

11、闭闭和和封封闭闭。但但U U型型钢钢支支架架毕毕竟竟是是一一种种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难。被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难。q注浆加固：注浆加固：注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强度，增加自身承载能力。水泥注浆将破碎岩体固结，改善围岩结构，提高围岩强度，增加自身承载能力。水泥水玻璃、高分子材料。注浆加固适于破碎围岩，且与其它支护方法联合使用。水玻璃、高分子材料。注浆加固适于破碎围岩，且与其它支护方法联合使用。q联联合合支支护护：两两种种或或两两种种以以上上支支护护方方式式联联合合支支护护。如如能能充充分分发发挥挥每每种种支支护护方方式式性性能能，优优势势互

12、互补补，有有更更好好支支护护效效果果和和更更广广的的适适用用范范围围。锚锚喷喷+注注浆浆，锚锚喷喷+U U型型钢钢支支架架，U U型型钢钢支支架架+注注浆浆，锚锚喷喷+注注浆浆+U U型钢支架。适用范围广，但费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破。型钢支架。适用范围广，但费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破。q卸压技术：卸压技术：将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转将巷道布置在应力降低区，或采取人工卸压措施，使巷道周边的高应力向深部转移，是深部巷道围岩变形控制的另一个途径。移，是深部巷道围岩变形控制的另一个途径。在在应应力力降降低低区区布布置

13、置巷巷道道是是首首选选方方法法，人人工工卸卸压压法法（切切缝缝、钻钻孔孔、爆爆破破、掘掘卸卸压压巷巷等等），由由于种种原因，目前还没有推广，仅作为一种辅助方法局部采用。于种种原因，目前还没有推广，仅作为一种辅助方法局部采用。高高强强预预应应力力锚锚杆杆、预预应应力力锚锚索索、让让压压锚锚杆杆、让让压压锚锚索索支支护护已已得得到到大大面面积积应应用用,成成为为我我国国煤煤矿矿巷道首选的、主要的支护方式。巷道首选的、主要的支护方式。深部巷道支护技术深部巷道支护技术一、支护研究背景一、支护研究背景组合梁理论组合梁理论 v机理：机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦

14、力，防止岩石沿层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，面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。提高其自撑能力。v将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层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）。锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。大大减小，组合梁的挠度亦减小。v适用条件：层状复合顶板适用条件：层状复合顶板二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索 1、基本理论、基本

15、理论二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索薄壁梁向深厚梁的转换理论薄壁梁向深厚梁的转换理论v理论要点理论要点深厚梁理论深厚梁理论薄壁梁理论薄壁梁理论锚杆、锚索预应力形成的深厚梁锚杆、锚索预应力形成的深厚梁锚杆无预应力或被动棚式情况下的薄壁梁锚杆无预应力或被动棚式情况下的薄壁梁二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索压缩拱压缩拱(承载拱承载拱)理论理论 v机理：机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如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

16、距果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即压缩带，即承压拱承压拱，这个承压拱可以承受，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。力也相应加大。二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v对扰动围岩进行强度再强化，控

17、制松动圈的扩展。对扰动围岩进行强度再强化，控制松动圈的扩展。v适用条件：拱形巷道适用条件：拱形巷道19451950：机械式锚杆的研究与应用：机械式锚杆的研究与应用19501960：广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究：广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究19601970：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命19701980：发明管缝式、水力涨管式锚杆，研究新的锚杆设计方法，长锚索产生：发明管缝式、水力涨管式锚杆，研究新的锚杆设计方法，长锚索产生19801990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚：混合锚头锚杆、组

18、合锚杆、桁架锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。固材料得到改进。美国作为世界上第二采煤大国，锚杆支护技术是最先进的，美国锚杆支护技术至今已美国作为世界上第二采煤大国，锚杆支护技术是最先进的，美国锚杆支护技术至今已有一百多年的发展历史，但锚杆支护技术的广泛应用，仅是近五、六十年的时间，现有一百多年的发展历史，但锚杆支护技术的广泛应用，仅是近五、六十年的时间，现在美国矿井的锚杆支护率为在美国矿井的锚杆支护率为100。美国每年锚杆使用量在。美国每年锚杆使用量在8000万套以上，每年有万套以上，每年有2.5万万km的煤巷使用锚杆支护。的煤巷使用锚杆支护。v锚杆支护技术发展锚杆支护技术发展

19、二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力、高强度锚杆，对巷道美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力、高强度锚杆，对巷道顶板采取积极主动的支护，极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性，减顶板采取积极主动的支护，极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性，减少了锚杆数量、提高了巷道掘进速度、降低了巷道的支护成本。少了锚杆数量、提高了巷道掘进速度、降低了巷道的支护成本。美国巷道支护理念美国巷道支护理念：锚杆、锚索是支护结构的主体，为了充分实现锚杆主动支护的效：锚杆、锚索是支护结构的主体，

20、为了充分实现锚杆主动支护的效果，通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩，以提高围岩的自身果，通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩，以提高围岩的自身承载能力，控制松动圈的扩展。现矿井喷射的混凝土，由于受巷道初始成型的影响，承载能力，控制松动圈的扩展。现矿井喷射的混凝土，由于受巷道初始成型的影响，混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝土喷层主要作用是封闭围岩，防止围岩风化，保证混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝土喷层主要作用是封闭围岩，防止围岩风化，保证围岩的长期强度。围岩的长期强度。另外，澳大利亚作为第三大采煤国，也几乎全部采用锚网支护。另外，澳大利亚作为第三大采煤国，也几乎全

21、部采用锚网支护。国外发达国家锚网支护的特点国外发达国家锚网支护的特点：(1)单体锚杆强度大；单体锚杆强度大；(2)锚杆安装应力大；锚杆安装应力大；(3)间排距间排距大；大；(4)锚网支护效率高，支护效果良好。锚网支护效率高，支护效果良好。v锚杆支护技术发展锚杆支护技术发展二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索自自50年代以来，锚杆支护技术在我国得到了逐步应用，特别是进入年代以来，锚杆支护技术在我国得到了逐步应用，特别是进入90年代，年代，许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念，开始试用推广锚网支护，大量许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念，开始试用推广锚网支

22、护，大量的实践验证了锚网支护安全、高效、经济的优势。的实践验证了锚网支护安全、高效、经济的优势。同时，在矿井软岩、动压巷道及煤巷中采用锚杆支护也获得了良好的效果。同时，在矿井软岩、动压巷道及煤巷中采用锚杆支护也获得了良好的效果。原煤炭工业部原煤炭工业部1995年提出：年提出：“煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之后的第二次支护技术革命后的第二次支护技术革命”，并将，并将“煤矿锚杆支护技术煤矿锚杆支护技术”列为煤炭工业列为煤炭工业“九九五五”重点科技攻关项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上，在煤矿中大重点科技攻关项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上

23、，在煤矿中大力推广煤巷锚杆支护技术。力推广煤巷锚杆支护技术。但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术细节上尚未完全解决。如锚杆组件、锚杆结构、锚杆施工安装机具和锚杆与细节上尚未完全解决。如锚杆组件、锚杆结构、锚杆施工安装机具和锚杆与其它支护结构的耦合问题等。其它支护结构的耦合问题等。v锚杆支护技术发展锚杆支护技术发展二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索锚杆支护设计主要依靠现场经验，设计理论依据有待完善和补充；锚杆支护设计主要依靠现场经验，设计理论依据有待完善和补充；各

24、类巷道锚杆千篇一律；很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度。各类巷道锚杆千篇一律；很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度。但是不同的锚杆结构和施工工艺会很大的效果差别。但是不同的锚杆结构和施工工艺会很大的效果差别。没有考虑地应力大小、方向、比值的影响；没有考虑地应力大小、方向、比值的影响；没有进行地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析没有进行地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析与选择，所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化，不能实现量体裁衣、与选择，所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化，不能实现量体裁衣、对症下药。对症下药。单根锚杆强度低、预紧力低、

25、可靠性低、间排距小单根锚杆强度低、预紧力低、可靠性低、间排距小(单体锚杆钻机推力小单体锚杆钻机推力小(小于小于0.5t)、扭距小、扭距小(小于小于160Nm)，锚杆基本上没有预应力，锚杆基本上没有预应力)；锚杆消耗量大、施工速度慢、工效低、费用高、安全性较低。锚杆消耗量大、施工速度慢、工效低、费用高、安全性较低。v锚杆支护技术发展锚杆支护技术发展我国现有锚杆支护存在的不足我国现有锚杆支护存在的不足二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索国内外锚杆支护技术对比国内外锚杆支护技术对比比较项目比较项目中中 国国美、澳、英美、澳、英锚杆材料强度（锚杆材料强度（MPa）2

26、35、335、500450、500、600、700锚杆锚固力（锚杆锚固力（t）51520锚杆直径（锚杆直径（mm）16222022锚杆间排距（锚杆间排距（m）0.70.91.01.2锚杆长度（锚杆长度（m）1.62.42.22.6锚杆安装应力（锚杆安装应力（t）0448二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索锚杆和锚固区域围岩体形成统一的承载结构锚杆和锚固区域围岩体形成统一的承载结构锚杆支护可以提高锚固体的力学性质锚杆支护可以提高锚固体的力学性质提高残余强度值提高残余强度值改变围岩的受力状态改变围岩的受力状态,提高承载能力提高承载能力减少破碎区、松动区范围减少破

27、碎区、松动区范围 控制松动圈扩展控制松动圈扩展 预应力锚杆、锚索支护是预应力锚杆、锚索支护是主动强化破碎围岩主动强化破碎围岩的主要方法；的主要方法；后注浆锚杆、锚索是后注浆锚杆、锚索是被动强化围岩被动强化围岩的一种方法。的一种方法。2、主动控制锚杆支护系统、主动控制锚杆支护系统 扰动围岩再强化支护理念扰动围岩再强化支护理念二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索高地应力、软弱破碎围岩巷道平衡支护问题高地应力、软弱破碎围岩巷道平衡支护问题位移平衡支护法位移平衡支护法新型预应力让压锚杆新型预应力让压锚杆 1）巷道开挖后地应力释放的不可抗拒性）巷道开挖后地应力释放的不

28、可抗拒性 2）对地应力释放实施有控制让压）对地应力释放实施有控制让压应力平衡支护法应力平衡支护法通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力 1）受构造应力或采动应力的影响，巷道周边应力分布不均一，所）受构造应力或采动应力的影响，巷道周边应力分布不均一，所以不能用均一的支护参数去支护巷道围岩。以不能用均一的支护参数去支护巷道围岩。2）巷道围岩强度的不均一性，应根据围岩的强度设计支护参数。）巷道围岩强度的不均一性，应根据围岩的强度设计支护参数。龙固煤矿在建设期间的硐室和主要大断面巷道均采用了高强让压龙固煤矿在建设期间的硐室和主要大断面巷道均采用了高强让压锚杆，

29、取得了较好的效果。让压锚杆在新矿集团、枣矿集团、兖矿锚杆，取得了较好的效果。让压锚杆在新矿集团、枣矿集团、兖矿集团和潞安集团的动压高地应力巷道支护中被广泛应用。集团和潞安集团的动压高地应力巷道支护中被广泛应用。二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v位移平衡支护法新型的预应力让压锚杆位移平衡支护法新型的预应力让压锚杆单起动防冲让压锚杆单起动防冲让压锚杆双起动点防冲让压锚杆双起动点防冲让压锚杆二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v预应力让压锚杆工作特性曲线预应力让压锚杆工作特性曲线高强高预应力让压锚杆让压前高强高预应力让压锚杆

30、让压前无让压管和有让压管工作特性曲线无让压管和有让压管工作特性曲线高强高预应力让压锚杆让压后高强高预应力让压锚杆让压后 二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v应力平衡支护法通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力应力平衡支护法通过变换支护参数平衡巷道不同位置的地应力二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v预应力锚杆与围岩主动控制支护效果预应力锚杆与围岩主动控制支护效果计算机模拟计算机模拟1.0T1.0T安装载荷时的应力分布和变形图安装载荷时的应力分布和变形图1.0T 1.0T 安装载荷时放大后的顶板离层安装载荷时放大后的顶板

31、离层 2.0T2.0T安装载荷时的应力分布和变形图安装载荷时的应力分布和变形图2.0T 2.0T 安装载荷时放大后的顶板离层安装载荷时放大后的顶板离层 二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索3.0T3.0T安装载荷时的应力分布和变形图安装载荷时的应力分布和变形图3.0T 3.0T 安装载荷时放大后的顶板离层安装载荷时放大后的顶板离层 4.0T4.0T安装载荷时的应力分布和变形图安装载荷时的应力分布和变形图4.0T 4.0T 安装载荷时放大后的顶板离层安装载荷时放大后的顶板离层 二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v预应力锚杆

32、与围岩主动控制支护效果预应力锚杆与围岩主动控制支护效果计算机模拟计算机模拟新矿集团集团新矿集团集团1200m1200m采深巷道支护效果对比采深巷道支护效果对比高强预应力锚杆支护高强预应力锚杆支护全螺纹锚杆等强锚杆支护全螺纹锚杆等强锚杆支护二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索关于预应力让压锚杆关于预应力让压锚杆(锚锚)应用的体会应用的体会第一时间主动控制：第一时间主动控制：复杂围岩条件下，锚网索支护成功的关键是围岩早期控制和复杂围岩条件下，锚网索支护成功的关键是围岩早期控制和主动控制。锚杆锚索第一时间产生预应力是非常重要的。主动控制。锚杆锚索第一时间产生预应力

33、是非常重要的。锚杆、锚索协同支护：锚杆、锚索协同支护：提高锚杆锚索预应力后，锚杆锚索的增阻速度会明显加快。提高锚杆锚索预应力后，锚杆锚索的增阻速度会明显加快。锚杆、锚索的受力匹配和变形匹配是保障支护系统协同完成支护任务的关键。通常锚杆、锚索的受力匹配和变形匹配是保障支护系统协同完成支护任务的关键。通常锚杆的预应力宜在锚杆的预应力宜在35t左右。锚索的预应力应以施打锚索时刻的锚杆受力大小来左右。锚索的预应力应以施打锚索时刻的锚杆受力大小来确定。确定。让压量和让压吨位匹配：让压量和让压吨位匹配：让压锚杆、让压锚索的使用是有条件的。宜在围岩能量让压锚杆、让压锚索的使用是有条件的。宜在围岩能量有积蓄倾

34、向、动压、围岩变形速度、地应力释放快的条件下使用。让压量和让压吨有积蓄倾向、动压、围岩变形速度、地应力释放快的条件下使用。让压量和让压吨位的匹配是让压支护成功的关键。位的匹配是让压支护成功的关键。支护一体：支护一体：在锚网索支护体系中，锚杆、锚索是在锚网索支护体系中，锚杆、锚索是“支支”的作用；钢带、钢筋梯和的作用；钢带、钢筋梯和网子及喷射混凝土是网子及喷射混凝土是“护护”作用，良好的支护系统应该以作用，良好的支护系统应该以“支支”为主、以为主、以“护护”为为辅，支护一体。辅，支护一体。综合控制：综合控制：对复杂条件下的围岩控制，通常是综合控制。锚注只能适用于巷道的对复杂条件下的围岩控制，通常

35、是综合控制。锚注只能适用于巷道的二次维修，是松动圈大量扩展后使用的一种支护方法。成功的锚网支护是松动圈得二次维修，是松动圈大量扩展后使用的一种支护方法。成功的锚网支护是松动圈得到了有效控制，此时围岩无需锚注加固。到了有效控制，此时围岩无需锚注加固。二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v锚杆分类锚杆分类材质材质：木质锚杆、塑料或是玻璃钢锚杆、金属锚杆：木质锚杆、塑料或是玻璃钢锚杆、金属锚杆锚固：机械锚固、粘结锚固锚固：机械锚固、粘结锚固锚固长度：局部锚固、全长锚固锚固长度：局部锚固、全长锚固目前目前90以上的锚固为金属杆体，树脂局部锚固锚杆以上的锚固为金属杆体

36、，树脂局部锚固锚杆v金属锚杆金属锚杆左旋细丝锚杆（左旋细丝锚杆（Q335、Q500）右旋全螺纹钢锚杆（右旋全螺纹钢锚杆（Q335）圆钢麻花锚杆（圆钢麻花锚杆（Q215、Q335）3、锚杆形式与锚杆结构、锚杆形式与锚杆结构二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索v左旋预应力阻尼锚杆左旋预应力阻尼锚杆是一种预应力锚杆。阻尼有树脂或是一种预应力锚杆。阻尼有树脂或塑料阻尼、销式阻尼、金属盖片式塑料阻尼、销式阻尼、金属盖片式阻尼三种阻尼三种;锚固力靠树脂粘结力实现锚固力靠树脂粘结力实现;阻尼打开实现树脂的充分搅拌阻尼打开实现树脂的充分搅拌;等待等待4060s后，施加锚杆的

37、预应后，施加锚杆的预应力操作。力操作。4、新型锚杆形式与锚杆结构、新型锚杆形式与锚杆结构二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索 左旋细丝预应力锚杆左旋细丝预应力锚杆 v该锚杆的缺点：加工过程多了压圆、滚丝两个工艺。该锚杆的缺点：加工过程多了压圆、滚丝两个工艺。v该锚杆的优点：该锚杆的优点：()锚杆预应力大锚杆预应力大。由于该锚杆螺纹是国标螺纹，螺纹螺距。由于该锚杆螺纹是国标螺纹，螺纹螺距2.5mm，螺纹自锁效果好，螺纹自锁效果好，通过特制的阻尼螺母，锚固树脂搅拌充分、锚固力大，通过特制的阻尼螺母，锚固树脂搅拌充分、锚固力大，120型气动锚索钻机即可实现型气动锚

38、索钻机即可实现4吨的预紧力。吨的预紧力。()锚杆锚固力高锚杆锚固力高。因该锚杆杆体设计的螺纹方向为左旋方向和锚杆的搅拌树脂方向。因该锚杆杆体设计的螺纹方向为左旋方向和锚杆的搅拌树脂方向（右旋）相反，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个轴向挤压力，大量测试表明，（右旋）相反，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个轴向挤压力，大量测试表明，同样杆体直径和同样树脂的情况下，左旋细丝预应力锚杆的锚固力比右旋等强全螺纹同样杆体直径和同样树脂的情况下，左旋细丝预应力锚杆的锚固力比右旋等强全螺纹钢锚杆锚杆，锚固力可提高钢锚杆锚杆，锚固力可提高20以上。以上。()杆体的有效断面大，锚杆强度高杆体的有效断面大，锚杆强

39、度高。大量试验表明，同直径同材质的左旋细丝预应。大量试验表明，同直径同材质的左旋细丝预应力锚杆的破断力比右旋等强全螺纹钢锚杆的破断力高出力锚杆的破断力比右旋等强全螺纹钢锚杆的破断力高出20以上。以上。()左旋细丝预应力锚杆因采用了合理的阻尼螺母，螺母材质为球墨铸铁，球墨铸铁左旋细丝预应力锚杆因采用了合理的阻尼螺母，螺母材质为球墨铸铁，球墨铸铁和锚杆杆体的摩擦力是最小的，另外采用了减阻特制塑料垫圈，使锚杆的扭矩应力比和锚杆杆体的摩擦力是最小的，另外采用了减阻特制塑料垫圈，使锚杆的扭矩应力比大大提高。大大提高。左旋预应力左旋预应力阻尼阻尼锚杆锚杆二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本

40、理论与新型锚杆、锚索 左旋细丝预应力锚杆左旋细丝预应力锚杆 A A 六方螺母预应力锚杆六方螺母预应力锚杆B B 四方螺母预应力锚杆四方螺母预应力锚杆图图2 左旋细丝预应力锚杆组装示意图左旋细丝预应力锚杆组装示意图二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索该类锚杆的该类锚杆的优点优点：加工制造简单。：加工制造简单。该类锚杆的该类锚杆的缺点缺点：()杆体螺距大杆体螺距大。通常在。通常在10-12mm左右，大螺距螺母与杆体咬合力低，摩擦力大，时常左右，

41、大螺距螺母与杆体咬合力低，摩擦力大，时常出现退丝现象，而且锚杆安装应力低，很难达到出现退丝现象，而且锚杆安装应力低，很难达到2吨以上的预紧力。吨以上的预紧力。()锚杆锚固力低锚杆锚固力低。因该锚杆杆体设计的螺纹方向。因该锚杆杆体设计的螺纹方向(右旋右旋)和锚杆的搅拌树脂方向和锚杆的搅拌树脂方向(右旋右旋搅拌搅拌)旋向相同，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个向外的输送力，大量测试表旋向相同，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个向外的输送力，大量测试表明，同样杆体直径和同样树脂的情况下，右旋全螺纹等强锚杆的锚固力比左旋细丝预明，同样杆体直径和同样树脂的情况下，右旋全螺纹等强锚杆的锚固力比左旋细丝预应

42、力锚杆，锚固力降低应力锚杆，锚固力降低20。()杆体的强度低杆体的强度低。大量试验表明，同直径同材质的右旋等强锚杆的破断力比左旋细。大量试验表明，同直径同材质的右旋等强锚杆的破断力比左旋细丝预应力锚杆低丝预应力锚杆低20以上。以上。所以右旋全螺纹钢等强锚杆已经不能满足深部锚网支护的要求，现在深部支护中很少所以右旋全螺纹钢等强锚杆已经不能满足深部锚网支护的要求，现在深部支护中很少选用。选用。右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索左旋与右旋螺纹钢锚杆强度对比左旋与右旋螺纹钢锚杆强度对比 左旋滚丝螺纹钢锚杆杆体强度左旋

43、滚丝螺纹钢锚杆杆体强度右旋等强螺纹钢锚杆杆体强度右旋等强螺纹钢锚杆杆体强度杆体直径杆体直径(mm)钢材级别钢材级别（MPa）屈服强度（吨）屈服强度（吨）抗拉强度（吨）抗拉强度（吨）国标国标实测实测国标国标实测实测18MG3358.79.112.613.020MG33510.810.215.615.022MG33513.113.3518.920.25杆体直径杆体直径钢材级别钢材级别屈服强度屈服强度(kN)抗拉强度抗拉强度(kN)国标国标实测实测国标国标实测实测16MG33563909213018MG3358311012116018MG50012515016320020MG335110125160

44、18520MG50015318020224022MG33512715418622022MG500178200235270二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索 鸟巢锚索鸟巢锚索u 目前国内所使用的光面锚索（如上图）都是简单的一条钢绞线。其缺点有：目前国内所使用的光面锚索（如上图）都是简单的一条钢绞线。其缺点有：锚索直径主要为锚索直径主要为15.24mm和和17.8mm两种规格，而钻孔直径是两种规格，而钻孔直径是28mm。锚索树脂和孔。锚索树脂和孔壁之间很难达到理想的配合，影响锚索的锚固力。壁之间很难达到理想的配合，影响锚索的锚固力。锚索表面光滑，影响锚固力。相

45、同锚固长度的情况下，光面锚索的锚固力小于螺纹锚索表面光滑，影响锚固力。相同锚固长度的情况下，光面锚索的锚固力小于螺纹钢的锚固力。钢的锚固力。锚索长度大，安装时很可能靠到孔壁一侧，造成锚索一侧有树脂，另一侧无树脂的锚索长度大，安装时很可能靠到孔壁一侧，造成锚索一侧有树脂，另一侧无树脂的现象。这会大大影响锚索的抗拉拔力。现象。这会大大影响锚索的抗拉拔力。u传统的锚索是钢绞线锚索托盘锚具组成，因钢绞线为高碳钢材料、表明光滑，且传统的锚索是钢绞线锚索托盘锚具组成，因钢绞线为高碳钢材料、表明光滑，且钢绞线缠绕角度很小，造成钢绞线的锚固力小；为增加锚固力，需增加锚固剂使用量，钢绞线缠绕角度很小，造成钢绞线

46、的锚固力小；为增加锚固力，需增加锚固剂使用量，但是锚固剂使用量增加会带来锚索安装困难，有时候会出现大尾巴现象。但是锚固剂使用量增加会带来锚索安装困难，有时候会出现大尾巴现象。u鉴于此，需开发新型锚索鉴于此，需开发新型锚索5、锚索形式与结构、锚索形式与结构二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索 鸟巢锚索鸟巢锚索对中、增加锚固面积对中、增加锚固面积：鸟笼鸟笼的大小一般比锚索钻孔小的大小一般比锚索钻孔小2mm2mm，可保证锚索在孔，可保证锚索在孔中对中中对中,使得树脂在锚索周围均匀分布使得树脂在锚索周围均匀分布,并增加锚固面积，从而用较少的树脂用并增加锚固面积，从而

47、用较少的树脂用量取得最大的抗拉拔力。量取得最大的抗拉拔力。更好的搅拌树脂更好的搅拌树脂：可起到均匀搅拌树脂作用，从而增加锚索抗拉拔力。：可起到均匀搅拌树脂作用，从而增加锚索抗拉拔力。树脂树脂-锚索有机结合锚索有机结合：鸟笼鸟笼为中空，在树脂搅拌过程中，树脂充满为中空，在树脂搅拌过程中，树脂充满鸟笼鸟笼，可，可使树脂和锚索融为一体，从而进一步增加锚索抗拉拔力。使树脂和锚索融为一体，从而进一步增加锚索抗拉拔力。加强管加强管：为了安装方便，增加加强管，在锚索接触树脂后，更容易送入孔中。：为了安装方便，增加加强管，在锚索接触树脂后，更容易送入孔中。u鸟笼具有以下作用鸟笼具有以下作用新型笼形锚索新型笼形

48、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索 鸟巢锚索鸟巢锚索注浆鸟巢锚索注浆鸟巢锚索预应力鸟巢锚索预应力鸟巢锚索国外球形索具国外球形索具国外双股组合锚索国外双股组合锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索二、锚杆支护基本理论与新型锚杆、锚索科学的锚杆支护设计，不是简单地在顶板安装锚杆，而应该使每一根安装的锚杆都发挥科学的锚杆支护设计，不是简单地在顶板安装锚杆，而应该使每一根安装的锚杆都发挥它的最大作用。它的最大作用。煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁，为达到最佳组合梁的锚杆系统设计应煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁，为达到最佳组合梁的锚杆系统

49、设计应满足下列条件：满足下列条件：1、支护系统设计的基本原则、支护系统设计的基本原则三、巷道支护系统设计方法三、巷道支护系统设计方法通过调整锚杆长度及安装应力，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层，通过调整锚杆长度及安装应力，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层，这需要选择合理的锚杆类型、长度和安装应力。这需要选择合理的锚杆类型、长度和安装应力。锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区。锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区。锚杆应能够锚固在稳定的岩层中。锚杆应能够锚固在稳定的岩层中。锚固系统应有足够的能力来控制顶板，并且在整个需要支护期间内不失效。锚固系统应有足够的能力来控制顶

50、板，并且在整个需要支护期间内不失效。松动圈加固与控制：巷道开挖后必然要形成松动圈，但围岩松动圈实际上是动态的，它松动圈加固与控制：巷道开挖后必然要形成松动圈，但围岩松动圈实际上是动态的，它与施加的支护体系的强度、预应力大小、预应力施加时间及围岩结构、地压强度都有关与施加的支护体系的强度、预应力大小、预应力施加时间及围岩结构、地压强度都有关系。施加合理的支护结构，控制围岩松动圈的发展和松动煤岩体的自身强度是巷道支护系。施加合理的支护结构，控制围岩松动圈的发展和松动煤岩体的自身强度是巷道支护的主要目标。的主要目标。三、巷道支护系统设计方法三、巷道支护系统设计方法2、煤矿巷道支护的关键要素、煤矿巷道