1、2.高強錨注支護機理,巷道支護應(yīng)了解地應(yīng)力、圍巖的性質(zhì)和錨桿/錨索的錨固性能。 地應(yīng)力：作用在巷道圍巖上的載荷，是巷道變形破壞的力源。 圍巖：既是我們支護的對象，又是錨固體來承載。 錨桿/錨索：是支護或加固圍巖的一種構(gòu)件。 對這三方面了解的越充分，支護設(shè)計就越合理，技術(shù)管理就越完善。,2 支護機理地應(yīng)力（1）,在煤礦井下存在三維應(yīng)力狀態(tài)，在三個方向上的最大主應(yīng)力 V由上覆巖層自重引起的，大小(YH) 在水平面上存在兩個主應(yīng)力： H1最大水平應(yīng)力 H2最大水平應(yīng)力,2 支護機理地應(yīng)力（2）,地應(yīng)力可以通過應(yīng)力解除法、水壓致裂法進行測試。 我們公司在兗礦集團進行50多點的原巖應(yīng)力測量。,2 支護機

2、理地應(yīng)力（3）,兗州礦區(qū)原巖應(yīng)力分布規(guī)律 （1）最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的2.17倍， （2）垂直應(yīng)力隨深度成線性增長，其值與按上覆巖層容重和埋深計算出的垂直應(yīng)力略??； （3）最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力;,2 支護機理地應(yīng)力（4）,我們公司也在一礦北風井也進行了三個點的原巖應(yīng)力測試。,最大水平應(yīng)力1明顯大于垂直應(yīng)力v，1/v =1.261.70，且地應(yīng)力場呈現(xiàn)1v3的應(yīng)力關(guān)系，說明水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響要大，地應(yīng)力場中水平應(yīng)力占優(yōu)勢地位，為典型的構(gòu)造應(yīng)力場。,2 支護機理地應(yīng)力（6）,巷道開挖后改變了圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力的重新分布. 垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，形成垂直

3、應(yīng)力在兩幫集中；水平應(yīng)力向頂、底板中轉(zhuǎn)移，形成水平應(yīng)力在頂?shù)装寮械默F(xiàn)象。 垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫煤體，而水平應(yīng)力的影響則主要顯現(xiàn)于頂、底板巖層。,水平應(yīng)力,水平應(yīng)力,垂直應(yīng)力,垂直應(yīng)力,2 支護機理地應(yīng)力（7）,為了研究巷道頂板的穩(wěn)定性，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院與SCT公司對巷道掘進期間的頂板內(nèi)的垂直應(yīng)力進行了監(jiān)測。 監(jiān)測地點在（Moranbah North Mine）北莫蘭巴礦104工作面運輸巷。巷道埋藏深度220m，巷道寬度5.2m，高度3.2m 煤層厚度5.5m，巷道沿煤層底板掘進。,2 支護機理地應(yīng)力（8）,在地點1頂板的不同高度安設(shè)了4個地應(yīng)力監(jiān)測傳感器，在地點2安設(shè)了兩個地應(yīng)力傳

4、感器，用于監(jiān)測在巷道開挖后，頂板內(nèi)頂應(yīng)力的變化情況。,2 支護機理地應(yīng)力（9）,在監(jiān)測之前，在地點1對煤層和頂板砂巖進行了原巖地應(yīng)力測量?？梢钥吹皆诿簩又?。可以看到在煤層中的地應(yīng)力非常小，據(jù)他們分析，主要是因為煤層中含有氣體和水的流失，造成煤層中的應(yīng)力下降，煤層中的垂直應(yīng)力僅為1.3 Mpa.,2 支護機理地應(yīng)力（10）,頂煤中垂直應(yīng)力的變化，每30分鐘讀一次數(shù)，記錄垂直應(yīng)力隨巷道開挖的變化。,2 支護機理地應(yīng)力（11）,巷道開挖后，在頂板砂巖內(nèi)垂直應(yīng)力的變化。 在巷道頂板高5.3m，泥巖中安裝的地應(yīng)力傳感器應(yīng)力的變化： 1. 在掘進工作面的前方7-8m時，垂直應(yīng)力隨著推進逐步減少， 2. 在

5、巷道開挖后，垂直應(yīng)力急劇下降。 3.5m以后水平應(yīng)力有所恢復(fù)。,2 支護機理地應(yīng)力（12）,高水平應(yīng)力作用下的巷道典型破壞模式 當集中的水平應(yīng)力引起下部巖層破壞時，水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,2 支護機理地應(yīng)力（13）,1破碎區(qū)；2松動區(qū)；3塑性區(qū)；4彈性區(qū),2 支護機理地應(yīng)力（14）,最大水平應(yīng)力理論： 1巷道開挖后引起應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力向頂、底板轉(zhuǎn)移，因而垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫，而水平應(yīng)力的影響則主要顯現(xiàn)于頂、底板巖層； 2、方向呈正交關(guān)系的最大水平主應(yīng)力分量hmax和最小水平主應(yīng)力分量hmin在量值上通常相差較大。這使得水平應(yīng)力對巷道頂、底板影響具有明顯的方向性；

6、3、當巷道軸向與最大水平主應(yīng)力平行時，受水平應(yīng)力影響最小，對頂?shù)装宓姆€(wěn)定最有利； 4、當巷道軸向與最大水平主應(yīng)力垂直時，受水平應(yīng)力影響最大，對頂?shù)装宓姆€(wěn)定最為不利； 5、與最大水平主應(yīng)力方向成一定角度斜交的巷道，巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，而另一側(cè)應(yīng)力釋放，從而使巷道頂?shù)装宓淖冃纹茐臅蛳锏赖哪骋粋?cè)。,2 支護機理地應(yīng)力（15）,2 支護機理地應(yīng)力（16）,在我國工作面存在一條沿空掘巷，與采空區(qū)存在3-7m的煤柱，將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)。巷道的應(yīng)力環(huán)境是怎樣的？我們可以通過實測可以測量三維應(yīng)力分布。,2 支護機理地應(yīng)力（17）,東灘煤礦4307綜放工作面沿空巷道次生應(yīng)力觀測,2 支護機理地應(yīng)力（18

7、）,東灘煤礦沿空巷道所處的應(yīng)力環(huán)境分析,2 支護機理地應(yīng)力（19）,工作面推進地應(yīng)力的變化,2 支護機理地應(yīng)力（20）,工作面推進水平應(yīng)力的變化,2 支護機理地應(yīng)力（21）,實測最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的大小和方向,2 支護機理地應(yīng)力（22）,為了監(jiān)測工作面回采在煤柱內(nèi)的應(yīng)力變化情況，我們安設(shè)了四個地應(yīng)力監(jiān)測傳感器。,2 支護機理地應(yīng)力（23）,在工作面前方117m，垂直應(yīng)力幾乎沒有變化，接近實測垂直應(yīng)力7.1MPa。 當工作面推進到離測區(qū)布置70m時，垂直應(yīng)力開始增加。,2 支護機理地應(yīng)力（24）,2 支護機理地應(yīng)力（25）,2 支護機理地應(yīng)力（26）,煤層開采相鄰煤柱(煤體）垂直應(yīng)力

8、的升高，增加的支承壓力的大致等于： （0.6-0.7）H2/2,2 支護機理地應(yīng)力（27）,煤柱內(nèi)水平主應(yīng)力實際變化曲線,2 支護機理地應(yīng)力（30）,2 支護機理地應(yīng)力（29）,2.支護機理 -巖石性質(zhì)（1）,1,1,3,巖石的性質(zhì): 巖石的強度在單向受力、雙向受力及三向受力狀態(tài)是不同的； 巖石的強度隨著圍巖的升高而升高。,2.支護機理 -巖石性質(zhì)（2）,巖石的強度隨著圍壓的提高而提高，巖石的殘余強度也隨著圍壓的提高而提高。 錨桿支護的目的之一就是提高對圍巖的圍巖，就等于提高圍巖的強度。,2.支護機理 -巖石性質(zhì)（3）,試樣的直徑（m),巖石的強度（MPa),試樣的強度隨著試樣的直徑增大而減小

9、。 巖體的強度與試樣的強度相差很大； 試樣的強度分散性很大。 在利用實驗室數(shù)據(jù)時，應(yīng)合理取值。,2.支護機理 -錨固性能（1）,錨桿錨索主要兩個作用： 一是對圍巖提供約束，限制或阻止所支護范圍內(nèi)/外的圍巖發(fā)生位移或破壞，保持圍巖的整體性。 二是向圍巖施加圍壓，提高錨固體的強度。,錨桿在軸向上通過桿體、錨固劑、孔壁巖石之間的結(jié)合約束圍巖離層或位移。 巷道圍巖發(fā)生位移，錨桿受力的特性，叫做錨桿的載荷傳遞特性。 錨桿的載荷傳遞特向包括兩方面的內(nèi)容，一是將圍巖發(fā)生位移所產(chǎn)生的載荷傳遞給錨桿；二是將不穩(wěn)定的圍巖傳遞到穩(wěn)定的圍巖中。 影響錨桿載荷特性的因素有： 錨桿的強度與外形； 錨固材料的強度與特性；

10、三徑匹配； 圍巖的強度及鉆孔表面的粗糙度。,2、支護機理-錨固性能,2、支護機理-錨固性能,研究錨桿的錨固性能在現(xiàn)場通過短錨固拉拔試驗的方法。 在實驗室采用拉拔或?qū)U體壓出進行試驗。,2、支護機理-錨固性能,澳大利亞臥龍崗大學(xué)對該國所使用的錨桿，在實驗室進行了短錨固試驗。,2、支護機理-錨固性能,肋間距37.5mm拉拔力最大,2、支護機理-錨固性能,我們對中空注漿錨桿的外形也進行測試。,2、支護機理-錨固性能,2、支護機理-錨固性能,主要影響因素（1）少放樹脂（2）攪拌不充分或過攪，（3）產(chǎn)生手套效應(yīng) （4）樹脂流失到圍巖裂隙中。 在澳大利亞近三分之一未達到設(shè)計的錨固長度。,2、支護機理-錨固

11、性能,手套效應(yīng)。,2、支護機理-錨固性能,樹脂流失： 鉆孔內(nèi)存在大量的裂隙、弱面。 假如 錨桿機的推力10kN,推進直徑22的錨桿，將生產(chǎn)多大的壓力？,2、支護機理-錨固性能,如果用60MP a與10MPa的材料進行錨固，其錨固力相差1倍。,錨固材料的強度,無機材料水灰比對其強度的影響,2、支護機理-錨固性能,2、支護機理-錨固性能,影響樹脂錨固質(zhì)量的另一個主要原因是人為因素： 1. 少放樹脂； 2.鉆孔打深； 3.攪拌時間不夠或過攪拌； 4.使用過期或變質(zhì)的錨固劑； 5.機具的扭矩或推力達不到要求等。,2、支護機理-錨固性能,澳大利亞SCT公司在現(xiàn)場直徑22mm的錨桿，在鉆孔直徑25mm、2

12、7mm、29mm和31mm四種鉆孔中進行了短錨固拉拔試驗。 得出了不同的拉拔力。在25mm的鉆孔中拉拔力為120kN .而在31mm的鉆孔中平均為60KN。拉拔力降低了一倍。 。,2、支護機理-錨固性能,臥龍崗大學(xué)阿吉茲教授在試驗室也進行了短錨固拉拔試驗，他得出的試驗結(jié)果與SCT公司的現(xiàn)場略有不同。但桿體與鉆孔直徑之差為4-6mm為最大。,錨桿對圍巖的橫向約束作用 當巖層沿層面或節(jié)理裂隙發(fā)生錯動時對錨桿桿體以及錨固劑產(chǎn)生剪切應(yīng)力，錨桿以及錨固劑則以反作用力的形式對巖層的錯動產(chǎn)生約束。阻擋巖層的水平移動。,2、支護機理-錨固性能,2、支護機理-錨固性能,一般鋼材的抗剪為抗拉強度的60%。如果施加

13、預(yù)應(yīng)力后其抗剪強度降低。澳大利亞DSI 公司對鋼絞線在不同的預(yù)緊力的條件下進行了剪切試驗。,2、支護機理-錨固性能,端錨與全長錨固： 全長錨固比端錨的載荷傳遞特性要高。全長錨固錨桿對錨固范圍內(nèi)的圍巖都受到約束，可有效限制圍巖離層，保證頂板巖層的整體穩(wěn)定。而端頭錨固對兩端之間圍巖發(fā)生離層提供的約束要小得多，難以保證圍巖的穩(wěn)定。 全長錨固比端錨抗剪能力要高。 錨稈的全長錨固要比端錨支護的剛性要高。限制圍巖變形。錨桿全長錨固時，通過錨固劑使錨桿全長范圍內(nèi)的桿體與圍巖粘結(jié)緊密，因而在錨固范圍內(nèi)任一點發(fā)生離層和變形時都能有效地提供錨固力。 全長錨固支護的可靠性高。端錨錨桿的工作阻力只作用在兩端，錨桿托盤

14、的受力較大，極易引起孔口破裂、巖層被“壓酥”而破壞，產(chǎn)生卸載；而全長錨固錨桿的軸力在錨桿中部最大，孔口較小，因而對孔口附近頂板的穩(wěn)定有利。,2、支護機理-錨固性能,端錨0.5mm的變形提供2.5噸的約束力,全錨0.5mm的變形提供15噸的約束力,假如22x2400的錨桿端錨600mm，外露100mm，未錨固段1600mm。當發(fā)生0.5mm離層時， 錨桿的拉力 F=.s=E.S=E.L/L.S,1600mm,2、支護機理-錨固性能,光面鋼絲破斷載荷為75.08kN;5根 螺旋類鋼絲的抗拉強度為67.12kN.(4根） 錨索的的破斷力為680KN; 錨索的抗剪力為448kN,2、支護機理-錨固性能

15、,對錨索進行注漿，然后進行抗剪試驗。,2、支護機理-錨固性能,未注漿為抗剪力448kN, 注無機材料為800kN,注有機材料772KN,3.支護機理錨固性能,55,Point Anchored Cable 端錨錨索,全錨錨索,索體,Cable索體,Locker鎖,頂板,Grouts 漿液,注漿是實現(xiàn)全長錨固最有效的手段,3.支護機理錨固性能,謝橋煤礦錨注鉆孔窺視結(jié)果,注漿后取出巖芯,注漿改變了巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)： 1.提高巷道圍巖的強度和整體性。 2.網(wǎng)絡(luò)骨架作用 3.粘結(jié)補強作用 4.高壓注漿的壓密作用,3.支護機理錨固性能,注漿提高巷道圍巖的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角。,2、支護機理-錨固性能,巷

16、道支護的基本原則 1.巷道開挖后，應(yīng)及時向巷道圍巖施加圍壓（3）將巷道圍巖由雙向受力轉(zhuǎn)化為三向受力，提高巷道圍巖的強度。具體措施：提高錨桿/錨索的預(yù)緊力和鋼帶及網(wǎng)的護表構(gòu)件的剛度等 2. 保持巷道圍巖的整體性并對巷道圍巖進行有效的約束，限制巷道圍巖的離層和位移。有效措施：高強全錨支護。 3. 改善圍巖的性質(zhì)，最大發(fā)揮圍巖的承載作用，達到巷道的長期穩(wěn)定.最有效的措施：注漿加固,2、錨注支護機理-設(shè)計方法,煤巷錨桿支護動態(tài)反饋設(shè)計法,聲波探頭多點位移計,2.支護機理監(jiān)測,通過測量煤巷錨桿支護巷道圍巖的破壞范圍及大小，確定錨桿/錨索的支護參數(shù) 聲波探頭多點位移計觀測可得到以下信息： 巖層移動的程度；巖層發(fā)生移動的位置；頂板破壞高度或稱巖層軟化高度；巷道兩幫的破壞區(qū)深度。,2.支護機理監(jiān)測,是否打錨索?,2.支護機理監(jiān)測,測力錨桿,2.支護機理監(jiān)測,2.支護機理監(jiān)測,軸向載荷分布,軸向應(yīng)變,2.支護機理監(jiān)測,測力錨桿觀測結(jié)果,2.支護機理監(jiān)測,日常監(jiān)測,頂板離層指示儀的安設(shè),2.支護機理監(jiān)測,頂板