巷道錨桿支護(hù)主動(dòng)作用機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)2024.4

基本內(nèi)容1.單個(gè)錨桿支護(hù)效果評(píng)價(jià)2.錨桿支護(hù)主動(dòng)作用機(jī)理3.錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及構(gòu)件4.工程實(shí)例支護(hù)巷道的本質(zhì)要求？

煤巷不變形，巖巷不返修6個(gè)本質(zhì)要求：1）保持巷道圍巖穩(wěn)定，巷道不變形；2）巷道可以小變形，但不發(fā)生大變形；3）可以大變形，但斷面要滿足通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)鹊囊螅?）允許變形，但不要破壞；5）允許破壞，但不要垮冒，堵塞巷道；6）允許垮冒，但不能傷人典型事故案例2001年，兗礦集團(tuán)一礦8732進(jìn)風(fēng)巷頂板垮冒8.0m砸死3人；2001年9月1日晉城成莊礦2229進(jìn)風(fēng)巷頂板垮冒14.0m砸死8人；2003年淮南謝橋礦11123開切眼（錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)）17m、淮北朔里礦S5210綜采開切眼刷大時(shí)突然垮冒120m，所幸未有人員傷亡;原因：支護(hù)強(qiáng)度不夠，參數(shù)不合理；2003年淮北楊莊礦3514機(jī)巷迎頭退后8m垮冒6m，錨固層整體下來(lái)；原因：施工質(zhì)量差，錨桿松動(dòng)不緊；2004年10月淮南謝橋礦一綜掘巷道垮冒10余米,造成人員傷亡;2005年淮北祁南礦7244機(jī)巷迎頭退后200m垮冒4.5m，錨固層整體下來(lái)；原因：巷道一直淋水，開絞車房；等等.

發(fā)生事故主要的原因:

1)施工質(zhì)量差,操作水平低,偷工減料;2)條件好時(shí)盲目樂(lè)觀,為降低成本簡(jiǎn)化支護(hù)參數(shù);3)追求虛名,創(chuàng)錨桿支護(hù)進(jìn)度記錄,“政績(jī)”思想；

4)監(jiān)測(cè)手段跟不上,缺乏有力監(jiān)督,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患;錨固區(qū)內(nèi)離層：松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產(chǎn)生裂隙，錨固強(qiáng)度衰減，進(jìn)而導(dǎo)致錨固區(qū)整體穩(wěn)定性的削弱或破壞；錨固區(qū)外離層：錨固區(qū)的完整性較好，但不能阻止外層巖體的漸進(jìn)破壞，導(dǎo)致外層弱面離層。錨固區(qū)外離層的持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒。兩種支護(hù)失穩(wěn)形式錨固區(qū)整體垮冒2.錨桿支護(hù)主動(dòng)作用機(jī)理錨桿支護(hù)基本示意圖相關(guān)視頻動(dòng)演

1.“支”什么？“護(hù)”什么？整體支、整體護(hù)懸吊理論：錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強(qiáng)較軟弱巖層的穩(wěn)定性堅(jiān)硬巖層軟弱巖層組合梁理論：在層狀巖體中開挖巷道，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，防止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁），梁越厚，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的饒度也就越小。無(wú)錨桿支護(hù)有錨桿支護(hù)組合拱理論：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即組合拱。巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力成一定角度時(shí)，周邊圍巖應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖最大水平應(yīng)力理論：由澳大利壓學(xué)者蓋爾（W.J.Gale）提出：礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5-2.5倍。巷道頂?shù)椎姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，且有三個(gè)特點(diǎn)：

巷道軸向平行、垂直構(gòu)造應(yīng)力條件下，周邊圍巖應(yīng)力分布

圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論：由我國(guó)著名礦壓專家侯朝炯教授提出，主要內(nèi)容為：煤巷錨桿支護(hù)的作用就是對(duì)錨固體提供圍壓，使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，改善峰后巖體力學(xué)性能。該理論主要探討了錨桿加固后巖石峰前區(qū)粘聚力C、內(nèi)磨擦角φ、彈性模量E的改善情況。錨桿布置在破碎圍巖中

水平應(yīng)力水平應(yīng)力垂直應(yīng)力水平應(yīng)力水平應(yīng)力垂直應(yīng)力預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論：認(rèn)為錨桿的作用在于給頂板及時(shí)提供很高的初撐力以形成“預(yù)應(yīng)力承載梁（板）”（張農(nóng)教授）高強(qiáng)度

高預(yù)緊力

高剛度

高錨固點(diǎn)3.錨桿支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

圖3.4-1

圍巖的松散擴(kuò)容變形與初始支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系圖3.4-11

支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系圖

“四高”錨桿：高預(yù)拉力高強(qiáng)度高剛度高錨固點(diǎn)1-典型的支護(hù)圍巖關(guān)系曲線；2-傳統(tǒng)支護(hù)特性曲線；3-高強(qiáng)錨桿支護(hù)特性曲線；4-“三高”錨桿支護(hù)特性曲線；5-“四高”錨桿支護(hù)特性曲線支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系圖圖5-3-1MQS90J2型氣動(dòng)錨桿安裝機(jī)1）錨桿

2）鋼帶網(wǎng)托盤等附件

3）錨索

4）讓壓錨索

5）防沖支架（吸能盒）

6）鋼管混凝土支架

7）鉆注錨一體化錨桿4.配套產(chǎn)品及其使用20MnSi335MPa490MPa

BHRB400400MPa570MPaBHRB500500MPa670MPaBHRB600620MPa820MPa桿體材質(zhì)：按照鋼材的屈服強(qiáng)度σs可將錨桿分為三類：

σs<340Mpa，普通錨桿；

340Mpa≤σs<600Mpa,高強(qiáng)度錨桿；

σs≥600Mpa，超高強(qiáng)度錨桿。國(guó)外使用的錨桿桿體直徑多為20mm、22mm、24mm，其材質(zhì)屈服強(qiáng)度為400Mpa—600Mpa或更高，破斷力一般為200—300kN，甚至更高。目前我國(guó)煤礦使用的性能最好的左旋無(wú)縱筋錨桿采用20MnSi材質(zhì)高性能（預(yù)拉力）錨桿特征1）錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高粘低阻2）桿體強(qiáng)度和延伸率符合要求3）外端螺紋部采用無(wú)強(qiáng)度損失或增強(qiáng)加工新工藝4）增加減摩和調(diào)節(jié)錨桿外端受力的附件5）快速機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)6）錨桿系統(tǒng)強(qiáng)度及附件幾何尺寸配套7）有醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量高性能（預(yù)拉力）錨桿桿體性能優(yōu)良整體強(qiáng)度和幾何尺寸匹配鉆機(jī)連續(xù)一體化安裝直觀顯現(xiàn)施工安裝質(zhì)量易于實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力3.4錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程強(qiáng)度粘結(jié)力初錨力(工作阻力)可靠性使用范圍技術(shù)特征50~60年代：機(jī)械點(diǎn)錨固錨桿技術(shù)低低低低很小四低一小80~90年代末：高強(qiáng)螺紋鋼錨桿技術(shù)高高低低較小兩高兩低1999年開始：高性能預(yù)拉力支護(hù)技術(shù)高高高高大四高一大2004年開始三高錨桿支護(hù)技術(shù)高(高)高(剛度)高更大高可靠性我國(guó)使用錨桿：

五十年代巖巷開始光爆錨噴、七十年代進(jìn)入采區(qū)、九十年代進(jìn)入回采巷道支護(hù)預(yù)緊力與錨固力預(yù)拉力指的是錨桿安裝時(shí)錨桿施加給頂板的主動(dòng)力錨固力指的是樹脂膠結(jié)段的錨固強(qiáng)度預(yù)緊力與錨固力之間的關(guān)系？等強(qiáng)錨桿與高強(qiáng)錨桿等強(qiáng)錨桿指的是錨桿桿體與尾部螺紋的強(qiáng)度相等，尾部絲扣處強(qiáng)度沒(méi)有損失；全螺紋錨桿高強(qiáng)錨桿指的是錨桿桿體與尾部螺紋的強(qiáng)度基本相等，減少約5%左右；等強(qiáng)與高強(qiáng)之間的關(guān)系？端頭錨固、加長(zhǎng)錨固、全長(zhǎng)錨固的應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的四個(gè)階段：

低強(qiáng)度低初錨力的初級(jí)階段（0高階段）高強(qiáng)度低初錨力的“一高”階段高強(qiáng)度高初錨力的“兩高”階段高強(qiáng)度高初錨力高剛度的“三高”階段高強(qiáng)度高初錨力高剛度高錨固點(diǎn)的“新四高”階段

實(shí)現(xiàn)了錨桿安裝的機(jī)械化、連續(xù)化；保證了20~30kN以上的預(yù)拉力；控制了頂板的松脫垮冒，初始支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到30~45kN/m2。本項(xiàng)目尾部等強(qiáng)加工扭矩螺母桿體外型結(jié)構(gòu)優(yōu)化原尾部損傷加工高性能托盤墊圈螺母與小托盤之間加設(shè)塑料減摩墊圈與金屬減摩墊圈，減小摩擦阻力，使錨桿鉆機(jī)的輸出扭距更多的傳遞給錨桿,使錨桿剛安裝時(shí)就產(chǎn)生較大的預(yù)拉力，給圍巖主動(dòng)支撐。本課題組正在開發(fā)的新型墊圈有：凹型墊圈、O型防松墊圈。墊圈形狀扭矩螺母：

實(shí)現(xiàn)錨桿樹脂攪拌與安裝一體化，這是錨桿支護(hù)的核心技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)外比較普遍的方法是采用扭矩螺母，扭矩螺母有鋼片充填式螺母、樹脂（或尼龍）充填式螺母、銷釘式螺母等等。

樹脂錨固劑：

由樹脂泥與固化劑兩部分分隔包裝而成，是樹脂錨桿支護(hù)的關(guān)鍵材料，它采用現(xiàn)代高分子不飽和聚酯樹脂，結(jié)合有機(jī)過(guò)氧化物，混合反應(yīng)成為牢固不溶不融的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。具有常溫下固化快、粘結(jié)強(qiáng)度高、錨固力可靠、耐久性好等優(yōu)良性能。

高剛度、高粘接力、低粘度、快速固化樹脂錨固劑樹脂錨固劑專用樹脂；高粘接力，保證錨固效果；低粘度，滿足安裝要求；高剛度，抗壓強(qiáng)度60MPa；超快固化，快速施工。

通過(guò)多層易離層巖體的整體錨固，消弱層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒。2）小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索(梁)技術(shù)機(jī)械張拉實(shí)現(xiàn)高預(yù)拉力；預(yù)拉力范圍50～150kN；提出了低張、短錨、適當(dāng)滯后的錨索使用原則；

開發(fā)了幾種新的組合錨索結(jié)構(gòu)；預(yù)拉力錨索梁技術(shù)雙斜拉錨索技術(shù)幫部錨索加固技術(shù)錨索的缺陷和φ20mm的20MnSi螺紋鋼錨桿強(qiáng)度區(qū)別不明顯；錨索常出現(xiàn)破斷、抽冒現(xiàn)象；鋼絞線和錨桿承載不同步，易超前錨桿集中受力；外端頭受力不良，與圍巖點(diǎn)接觸，頂板強(qiáng)化效果不明顯。內(nèi)錨固端的三徑匹配不合理，錨固性能不可靠；錨索難以從根本上控制頂板的離層。直徑17.8mm，破斷力350kN；直徑

18.96mm，破斷力400kN；最近開發(fā)直徑22mm，破斷力達(dá)到600kN；進(jìn)一步提高索體的延伸率；強(qiáng)度、剛度與強(qiáng)力錨桿匹配。圖3-2錨索工程量與自由長(zhǎng)度的關(guān)系錨桿---錨索支護(hù)性能怎么協(xié)調(diào)匹配？1—圍巖特性曲線；2—錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)特性曲線；3—錨巖支護(hù)體特性曲線；4—錨索特性曲線；U0—圍巖表面位移；—錨索延伸量圖3-16圍巖與支護(hù)的相互作用關(guān)系1—圍巖特性曲線；2—錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)特性曲線；3—錨巖支護(hù)體特性曲線；4—錨索特性曲線；—錨索延伸量圖3-17軟弱圍巖與支護(hù)的相互作用關(guān)系1—圍巖特性曲線；2—錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)特性曲線；3—錨巖支護(hù)體特性曲線；4—錨索特性曲線；U0—圍巖表面位移；—錨索延伸量圖3-18圍巖-支護(hù)相互作用原理圖讓壓錨索（專利）肩角穩(wěn)定區(qū)肩角穩(wěn)定區(qū)3）高預(yù)拉力鋼絞線桁架支護(hù)技術(shù)機(jī)械張拉實(shí)現(xiàn)高預(yù)拉力；預(yù)拉力范圍50～150kN；抗剪切破壞能力強(qiáng)；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，防止頂板垮冒，確保頂板安全；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。國(guó)內(nèi)首次研制和使用

以巷道肩角穩(wěn)定區(qū)域巖石作為內(nèi)錨固支撐點(diǎn)，通過(guò)桁架連接裝置將兩根鋼絞線對(duì)拉，形成可靠的護(hù)頂結(jié)構(gòu)，控制頂板的離層、防止頂板加固區(qū)整體垮冒。W型鋼帶

解決思路：支護(hù)原理、技術(shù)、施工工藝過(guò)程、支護(hù)效果、產(chǎn)品更新?lián)Q代升級(jí)的整體提高。1）錨桿支護(hù)技術(shù)的精髓2）支護(hù)構(gòu)件的不同效果3）支護(hù)構(gòu)件的相互匹配礦壓監(jiān)測(cè)表1監(jiān)測(cè)內(nèi)容、目的及手段序號(hào)觀測(cè)內(nèi)容觀測(cè)目的測(cè)試手段1巷道表面位移監(jiān)測(cè)巷道相對(duì)變形量，從而判定穩(wěn)定性測(cè)桿、測(cè)槍2頂板離層監(jiān)測(cè)頂板穩(wěn)定狀況，及時(shí)采取安全措施離層指示儀3錨桿受力檢測(cè)錨桿強(qiáng)度是否合適，以調(diào)整密度錨桿液壓枕4螺母擰緊力矩檢查錨桿安裝質(zhì)量扭力扳手

井下施工三級(jí)質(zhì)量控制小班自檢、區(qū)隊(duì)日檢、礦井抽檢新型安全監(jiān)測(cè)技術(shù)智能在線連續(xù)的離層儀更大范圍精確量測(cè)的多點(diǎn)位移計(jì)錨桿載荷特性(拉、剪)巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)儀器：6米可彎曲光導(dǎo)纖維巖層窺視儀外圍結(jié)構(gòu)特性：紅外線鉆孔探測(cè)攝像儀

光導(dǎo)纖維鉆孔窺視儀GK-701聲波多點(diǎn)位移計(jì)數(shù)顯式拉拔儀頂板賦存結(jié)構(gòu)開展精密探測(cè)

0.5m處頂板裂縫1.18m處頂板離層巖層錯(cuò)位情況

完整巖體狀態(tài)巖層鉆孔探測(cè)儀光導(dǎo)纖維鉆孔窺視儀全長(zhǎng)和加長(zhǎng)錨固錨桿受力監(jiān)測(cè)。量程400kN，分辨率0.01kN，精度±2%錨桿受力監(jiān)測(cè)曲線CM型測(cè)力錨桿

錨桿(索)的長(zhǎng)度測(cè)定錨桿(索)的錨固長(zhǎng)度測(cè)定錨桿(索)的工作載荷測(cè)定錨桿的無(wú)損檢測(cè)4

.工程實(shí)例

1）城郊深部-800軌道運(yùn)輸大巷支護(hù)2）平頂山十一礦深部破壞巖巷修復(fù)3）永煤新橋礦北翼軌道大巷底鼓治理

城郊礦深部軟巖巷道變形破壞狀況1）城郊深部巖巷支護(hù)課題研究技術(shù)路線圖5.1永城礦區(qū)地應(yīng)力水平整體概況5.1.1車集礦深部巷道圍巖地應(yīng)力測(cè)定

測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)位置距地表深度m主應(yīng)力大小MPa主應(yīng)力與坐標(biāo)軸方向夾角（°）P1/P2/P3東西向鉛垂向南北向128軌道下山83018.9338.3100.153.515.8952.789.4142.79.4282.410.183.45.1.2陳四樓礦地應(yīng)力狀況

測(cè)點(diǎn)編號(hào)測(cè)點(diǎn)位置距地表深度M主應(yīng)力大小a主應(yīng)力與坐標(biāo)軸方向夾角（°）P1/P2/P3東西向鉛垂向南北向1北四采區(qū)下部軌道巷68017.038.815128.8190.3869.1661.29352.846129.507.066.25260.50639.4982南五采區(qū)75019.3975.018110.18154.463.2986.134157.7268.091.7215.49580.9577.529

圖3-2陳四樓北四采區(qū)下部集中軌道巷

圖3-3陳四樓南五采區(qū)-720水平軌道大750巷5.1.3礦區(qū)深部圍巖地應(yīng)力整體狀況

5.2城郊礦深部巷道地應(yīng)力水平預(yù)測(cè)

圖3-7鉆取巖芯

圖3-8未加工巖芯5.3深部巷道典型圍巖力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定

圖3-9試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件圖3-10試驗(yàn)加載過(guò)程巖石組號(hào)（式樣位置）試

樣編

號(hào)試樣尺寸(mm)破壞荷載（KN）抗拉強(qiáng)度（MPa）直徑（D）厚度（H）11149.5499.3678.3142.0922149.0899.59168.7490.1833148.8197.89213.05112.7644149.2799.65102.9453.9955148.6797.49158.3182.17表3-3巖樣抗壓強(qiáng)度測(cè)定表3-4巖石抗拉強(qiáng)度測(cè)定報(bào)告巖石組號(hào)（式樣位置）試樣編號(hào)試樣尺寸（mm）破壞荷載（kN）抗拉強(qiáng)度（Mpa）平均抗拉強(qiáng)度（MPa）直徑D厚度H1（頂板

）1249.3421.361.200.720.761349.4521.351.600.961449.1621.720.990.592（頂板

）2248.6623.222.261.271.342348.9323.383.111.732448.5823.341.871.013（頂板

）3248.3723.3518.9210.679.623348.1923.9417.289.543448.5223.7415.628.644（底板

）4249.1323.2110.515.875.614349.1624.1415.758.454449.2323.304.542.525（底板

）5248.9123.2412.717.128.135349.1623.3416.249.025448.9723.5114.938.26表3-5巖石抗剪強(qiáng)度測(cè)定報(bào)告巖石組號(hào)（式樣位置）試

驗(yàn)編

號(hào)剪切角度（o）直徑D（mm）高度H（mm）破壞載荷P（kN）正應(yīng)力σ（MPa）剪應(yīng)力τ（MPa）凝聚力C（MPa）內(nèi)摩擦角φ（o）1（頂板

）154549.4151.6540.703.751753.751751.130435.79165549.4951.5825.501.902252.71418176549.4551.6412.800.704801.509582（頂板

）254549.8951.8545.704.131984.131981.454632.82265549.9251.6424.501.796302.56301276549.8651.7818.400.996562.134483（頂板

）354549.0251.1190.008.428798.428794.4976