1、煤礦巷道錨桿支護現(xiàn)狀及存在的問題 康紅普中國煤炭科工集團有限公司煤炭科學研究總院開采分院2013.11.21提 綱一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀二、錨桿支護存在的問題三、解決途徑四、應用實例五、展望一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀錨桿類型直徑/mm拉斷載荷/kN預應力/kN錨固方式低強度14-2050-1200-10端部錨固高強度18-22120-20010-20端錨、加長錨固高預應力高強度20-25200-40060-120加長、全長預應力錨固早期適用于簡單條件(5%)顯著提高了錨桿支護效果解決復雜巷道支護難題低強度錨桿高強度錨桿高預應力強力錨桿不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形連續(xù)變形錨桿支護的本質(zhì)作用與關(guān)鍵參數(shù)n 錨

2、桿預應力及擴散起關(guān)鍵作用：大幅提高預應力，并實現(xiàn)有效擴散，可抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形n 圍巖變形形式：不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形；連續(xù)、整體變形。錨桿主要對前者起作用一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀 形成基于地質(zhì)力學測試、以錨固與注漿加固為核心的煤礦巷道支護成套技術(shù)。 高預力強力錨桿支護系列材料與構(gòu)件高預應力施工機具與工巷道圍巖地質(zhì)力學測試方法與儀器基于地質(zhì)力學測試的動態(tài)信息設(shè)計法 高預應力強力錨桿支護系列材料與構(gòu)件破碎煤巖體系列注漿材料高預應力施工機具與工藝巷道礦壓與安全監(jiān)測儀器1 12 23 34 45 56 6一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀高強度錨桿強力錨桿桿體高強度、高延伸率、高沖擊韌性錨桿。 牌號直徑/

3、mm屈服強度/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%沖擊吸收功/JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-160 一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀小孔徑樹脂錨固錨索119結(jié)構(gòu)錨索及斷面公稱直徑/mm拉斷載荷/kN伸長率( )/%18408720510722607728.69007n 119結(jié)構(gòu)，斷面更加合理n 拉斷載荷顯著提高，最大900kN n 延伸率提高1倍一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀 應用情況l高強度錨桿支護技術(shù)得到推廣應用，小孔徑錨索支護加固技術(shù)大面積應用；l一些礦區(qū)達到90%，很多礦區(qū)達到70%；l破碎煤巖體注漿加固；l實現(xiàn)高產(chǎn)高效必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。l但

4、是，隨著開采深度增加，地質(zhì)條件的復雜化，采動影響加劇，錨桿支護出現(xiàn)了一些問題。一、煤礦錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀1、煤礦頂板事故n近幾年來，頂板事故成為煤礦第一大事故；n2012年煤礦死亡事故起數(shù)779起，死亡人數(shù)1384人，頂板事故起數(shù)366起，死亡人數(shù)459人，占47%、33.2%。n掘進工作面與巷道是頂板事故多發(fā)地點。二、錨桿支護存在的問題所有制事故起數(shù)死亡人數(shù)比例/%鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦25931370.8/68.2國有地方煤礦547514.7/16.3國有重點煤礦537114.5/15.52、頂板冒落原因與分類n地質(zhì)原因l煤巖體巖性l煤巖體結(jié)構(gòu)l應力主導型n支護原因l支護設(shè)計不合理l支護材料不合格l施工質(zhì)

5、量不合格二、錨桿支護存在的問題頂板垮落巷道支護效果差會導致：q 對于圍巖n 巷道變形大，斷面不能滿足生產(chǎn)要求；n 發(fā)生冒頂、片幫，出現(xiàn)安全事故。q 對于支護體巷道大變形n 支護體受力很小，隨圍巖一起位移；n 支護體破壞、失效。二、錨桿支護存在的問題q 巷道支護效果差的原因n 對圍巖地質(zhì)條件及變化認識不清；n 支護設(shè)計不合理；n 支護材料質(zhì)量不合格；n 施工質(zhì)量不滿足設(shè)計要求；n 礦壓監(jiān)測不及時，不能及早發(fā)現(xiàn)問題。二、錨桿支護存在的問題3、錨桿支護構(gòu)件n 錨桿桿體u桿體破斷。原材料力學性能不滿足設(shè)計要求，屈服、拉斷強度低，沖擊吸收功小，延伸率低。u桿尾螺紋破斷。螺紋精度、強度、尺寸不滿足要求，受

6、力狀況差。u螺紋、螺母拉脫。螺紋、螺母強度、尺寸不合要求。u桿體剪斷。桿體抗剪能力不夠。二、錨桿支護存在的問題n 錨桿桿體破斷部位l 有4個部位易破斷：2個在錨桿尾部；2個在中部。l 螺紋段與球墊接觸部位。l 桿尾與鉆孔口接觸部位。l 錨固與非錨固的交界面。l 桿體與結(jié)構(gòu)面相交部位。二、錨桿支護存在的問題金屬網(wǎng)鋼帶托板減摩墊片扭矩螺母螺紋鋼錨桿樹脂錨固劑錨桿支護構(gòu)件1234u桿尾螺紋破斷 大部分從球形墊圈與托板之間彎曲破斷。二、錨桿支護存在的問題u桿體破斷大部分從錨固與未錨段的分界面破斷二、錨桿支護存在的問題n 錨桿桿體破斷的原因l 井下錨桿與巷道表面不垂直，不是理想拉伸。桿體受拉、彎、剪與扭

7、復合應力。桿體承受過高彎矩及彎曲應力易破斷。二、錨桿支護存在的問題l 受拉、彎、扭、剪切22233432768ttiPMMdddtanbbWWyFKS y錨桿尾部屈服與破斷載荷/51015202530Fs/kN160.9109.982.965.954.145.3Fb/kN214.5146.6110.587.972.160.4若錨桿僅受拉伸，屈服與拉斷載荷294.5 kN、392.7 kN xxxo2oo1yxB12l 錨桿破斷的受力原因尾部受力復雜二、錨桿支護存在的問題n 桿體受力狀態(tài)分析數(shù)值模擬 桿體拉剪組合等效應力 桿體拉彎剪組合等效應力 二、錨桿支護存在的問題n 桿體受力狀態(tài)分析數(shù)值模擬

8、 桿體拉彎扭組合等效應力 桿體拉彎剪扭組合等效應力 二、錨桿支護存在的問題n 螺紋受力拉扭組合F=80kN，T=160N.m二、錨桿支護存在的問題n 螺紋受力拉扭彎組合 1510拉力=80kN、扭矩=160N.m二、錨桿支護存在的問題n 螺紋受力拉扭彎剪組合同向異向二、錨桿支護存在的問題n 錨桿桿體破斷的原因l 托板與調(diào)心球墊尺寸不合理、加工粗糙、配合性差，球墊不起調(diào)心作用。球墊卡住螺紋，施加很大側(cè)向力，引起螺紋受極大彎曲應力是尾部斷裂主要原因。二、錨桿支護存在的問題FN1N2Ftf1f2f2N2f1N1l 中部斷裂主要出現(xiàn)在錨固分界面，受力狀態(tài)復雜，彎、剪應力大。n 錨桿桿體破斷的原因應力腐

9、蝕：潮濕空氣中的O與煤中的 S引起應力腐蝕，且應力腐蝕極易在裂紋表面產(chǎn)生。尾部螺紋斷口形態(tài) 尾部螺紋斷口宏觀形貌 尾部螺紋斷口A區(qū)低倍放大形貌 二、錨桿支護存在的問題n 桿體破斷原因材料與加工l 桿體材料缺陷。中心偏析，降低桿體塑性，滾制螺紋易產(chǎn)生裂紋；非金屬夾雜物多，尤其硅酸鹽含量高，晶粒也較大，嚴重降低材料機械性能，特別是沖擊韌性；一些鋼材強度和延伸率滿足要求，但沖擊韌性沖擊吸收功低，易脆斷。二、錨桿支護存在的問題錨桿鋼的金相照片u桿尾螺紋加工粗糙、存在缺陷，質(zhì)量差牙底裂紋與腐蝕螺紋段外觀 齒牙表面剝離二、錨桿支護存在的問題五、存在的問題五、存在的問題n 托板u托板破裂。原材料強度不夠，托

10、板形狀和幾何尺寸不合理。u托板變形過大。托板承載力與錨桿不匹配。托板材質(zhì)和尺寸不合理。u托板和調(diào)心墊配合差，托板承受偏載和集中載荷破壞，調(diào)心墊破裂。u托板破壞導致錨桿整體支護強度大大降低甚至喪失。二、錨桿支護存在的問題n 托板受力 100100mm 150 150mm 200 200mm 不同尺寸托板擴散預應力效果 托板受力分布二、錨桿支護存在的問題n 托板受力三點支撐托板變形與破壞形態(tài) 測力托板 托板剖面應變與載荷的關(guān)系 托板拱部應變與載荷的關(guān)系 托板四角應變與載荷的關(guān)系 二、錨桿支護存在的問題n 托板受力托板應力與載荷的關(guān)系 井下巷道錨桿測力托板布置圖 井下測力托板受力監(jiān)測曲線最大主應力最

11、小主應力最大剪應力123456789101112二、錨桿支護存在的問題n 錨固劑u粘結(jié)力低，達不到設(shè)計要求；u其它力學指標(強度、彈模)達不到要求；u三徑不匹配。二、錨桿支護存在的問題樹脂錨固劑l 原因：錨固劑原材料、配方存在問題；錨固劑已經(jīng)過期、失效；損壞的錨固劑。l 表面上已安設(shè)錨桿，實際不起作用或起作用小，肉眼很難看出，極易引起冒頂、片幫，出現(xiàn)傷亡事故。n 鋼帶u鋼帶被撕裂。u錨桿和托板壓穿鋼帶。u鋼帶扭曲。l 原因：鋼帶材質(zhì)幾何尺寸和加工工藝不合理；鋼帶受力狀態(tài)差。l 錨桿失去組合作用，整體支護能力降低，巷道變形加大，甚至出現(xiàn)垮落。二、錨桿支護存在的問題W鋼帶在不同受力狀態(tài)下的應力分布

12、 拉伸 彎曲（簡支） 彎曲（固支）跨中（固支） 多跨 剪切n 鋼帶受力二、錨桿支護存在的問題應變片應變片溫度補償片測力鋼帶應變片分布運輸巷鋼帶受力監(jiān)測曲線 回風巷鋼帶受力監(jiān)測曲線 n 鋼帶受力二、錨桿支護存在的問題n 金屬網(wǎng)u網(wǎng)兜過大；u網(wǎng)撕破，巖石冒落。l網(wǎng)強度和延伸率不合要求，幾何參數(shù)不合理。l過大網(wǎng)兜引起巷道變形量增大；網(wǎng)撕破引起破碎圍巖垮落，導致錨桿失效。二、錨桿支護存在的問題不同種類金屬網(wǎng)的變形鋼筋網(wǎng)菱形網(wǎng)經(jīng)緯網(wǎng)n 金屬網(wǎng)變形二、錨桿支護存在的問題金屬網(wǎng)試驗裝置鋼筋網(wǎng)破壞狀況菱形網(wǎng)破壞狀況n 金屬網(wǎng)變形二、錨桿支護存在的問題n 錨索u索體拉斷，部位中部、錨具接觸部分。u錨具滑動或脫落

13、。u錨具與托板壓穿槽鋼等構(gòu)件。l索體強度不夠，受錨具損傷。錨具質(zhì)量不合格，托板、槽鋼材質(zhì)與參數(shù)不合理、不匹配；l錨索過長，預應力不匹配；l圍巖離層后再打錨索。二、錨桿支護存在的問題n 改善錨桿桿體材質(zhì)，提高沖擊韌性。n 提高錨桿桿體螺紋的加工質(zhì)量，減小加工損傷。n 開發(fā)研制與錨桿螺紋強度、硬度相匹配的螺母，優(yōu)化螺母材質(zhì)、形狀與尺寸，保證螺母符合技術(shù)要求。n 優(yōu)化錨桿托板與球形墊圈尺寸并提高加工質(zhì)量，改善桿尾受力狀態(tài)。n 采用合理的錨固方式改善錨桿受力狀況，充分發(fā)揮桿體的延伸率。三、解決途徑n 改善錨桿桿體材質(zhì)l 錨桿斷裂的重要原因是沖擊韌性差。從煉鋼開始重新研究鋼材配方與軋制工藝，顯著提高鋼材

14、的沖擊韌性。l 煤炭科學研究總院與首鋼聯(lián)合開發(fā)出BHRB600鋼材。保持原來鋼材力學指標的同時，沖擊吸收功大幅提高。三、解決途徑試件編號抗拉強度/MPa屈服強度/MPa斷后延伸率/%沖擊吸收功/J20-178562523.545.220-279063525.550.822-180565022.034.322-280565022.042.622-380064521.039.5n 提高錨桿螺紋加工質(zhì)量l 螺紋加工粗糙。引進或研制高精度螺紋加工設(shè)備與工藝，減少加工缺陷與損傷，提高加工質(zhì)量。三、解決途徑l 采用美國滾絲機加工螺紋。螺紋表面光潔平滑，加工質(zhì)量與精度得到很大提高。l 還應研制與錨桿螺紋相匹

15、配的螺母，優(yōu)化材質(zhì)、形狀與尺寸。n 優(yōu)化托板與球形墊圈尺寸l 為解決托板與球墊尺寸不合理、配合性差，球墊自鎖，不起調(diào)心作用，應重新設(shè)計托板與球墊形狀與尺寸，使錨桿主要承受拉力，盡量減小其他方向的力。l 還應提高托板與球墊加工精度，提高強度，減少托板與球墊之間的摩擦力。三、解決途徑n 開發(fā)新型錨桿托板與墊圈l 托板與球墊球面配合，回轉(zhuǎn)中心位于鋼帶與托板接觸面之外。l 托板一端平面與鋼帶接觸，另一端球面與球墊窩配合。l 球墊另一端平面與螺母接觸，錨桿處最佳受力狀態(tài)。三、解決途徑錨桿螺母球墊新型托盤W鋼帶O1SRn 改變錨桿預應力施加方法l 擰緊螺母施加預應力。托板或墊圈卡住桿體，較大彎曲應力。桿體

16、還受扭轉(zhuǎn)，易破斷。l 類似張拉錨索張拉錨桿：桿尾取消螺紋，錨具鎖緊尾部；尾部加工螺紋，先張拉至設(shè)計預應力，然后再擰緊螺母。三、解決途徑n 采用合理的錨固方式改善錨桿受力狀況l端錨與加長錨，受力最復雜、最易斷裂的兩個部位：鉆孔口錨桿桿尾，鉆孔內(nèi)錨固與非錨固界面。l全長錨固：鉆孔口錨桿桿尾受力較小，大大降低桿尾斷裂可能性；鉆孔內(nèi)不存在錨固與非錨固界面。l新的錨固方式全長預應力錨固p兼有端錨、全錨優(yōu)點。改善孔口桿尾受力狀態(tài)，消除錨固與非錨固界面，大大降低錨桿斷裂的可能性。三、解決途徑p 充分發(fā)揮錨桿桿體的延伸率桿體斷后延伸率18-25%，頸縮前延伸率8-10%，2.4m長錨桿，頸縮前延伸量可達到18

17、0-240mm。端錨與加長錨，孔口或錨固界面斷裂，延伸量不能發(fā)揮。錨桿與鉆孔因圍巖變形彎曲，孔口延伸無法適應圍巖大變形。三、解決途徑u大變形巷道有效的錨桿支護方式l高強度、高預應力、大延伸率、高沖擊韌性錨桿，并進行全長預應力錨固。l全長錨固杜絕鉆孔內(nèi)瓦斯積聚，避免工作面回采過程中，端頭支架與錨桿、錨索頭碰撞、摩擦，引燃鉆孔內(nèi)瓦斯，導致瓦斯事故。三、解決途徑 上述解決錨桿破斷的技術(shù)途徑在潞安、新汶等礦區(qū)得到應用。采用高強度、高沖擊韌性錨桿；重新設(shè)計了托板與球墊尺寸，減小了球墊厚度，增加了球面接觸夾角；采用全長預應力錨固方式。不僅大幅減少了錨桿破斷數(shù)量，而且顯著提高了巷道支護效果。四、應用實例n 巷道地質(zhì)條件u潞安常村礦S6采區(qū)五條上山。直接頂砂質(zhì)泥巖，2#回風上山寬5m，高3.5m。u1#回風上山先掘進，采用原錨桿支護，離層100mm，兩幫移近600mm，圍巖蠕變，不能穩(wěn)定。10%錨桿錨索破斷，增設(shè)工字鋼支架。129DF9 H=0-3m 70Fj62 H=0.7m 44S翼猴車巷S翼2#回風大巷S翼回風巷S翼5#皮帶巷S翼軌道巷S6 猴車巷S6 2#回風上山S6 1#回風上山S6