煤巷锚杆支护理论及技术简介.ppt

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1、煤巷锚杆支护理论及技术简介阚甲广博士中国矿业大学2011年2月24日一、引言二、锚杆支护基本理论三、高性能预拉力锚杆支护技术体系四、锚杆支护设计方法五、锚杆支护监测系统提纲引言一1956年开始在岩巷使用锚杆支护，机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆1974年，管缝式锚杆、涨壳式锚杆等早期锚杆支护强度、刚度低，支护原理上仍属于被动支护，锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具不成熟，锚杆支护技术发展缓慢1996年，从澳大利亚引进树脂锚固锚杆1999年以来，针对我国煤矿条件进行了大量二次开发和完善提高锚杆支护发展历程国内外煤巷锚杆支护比重（1998

2、）厚层复合顶、动压、小煤柱煤巷支护属于国际性难题美、澳煤层条件相对简单，不必研究；英国等该类煤层条件比重较小，认为不能采用锚杆支护的煤层不具备开采价值，实质上回避该类难题；我国60%以上的煤层巷道维护困难，无法回避；我国能源产业政策与国外也不同，不能回避；完全依赖于U型钢可缩支架支护，成本高，效果很差。锚杆支护：保障高产高效主动加固，充分利用围岩自身的稳定性和强度；根本消除棚式支护空顶产生的瓦斯积聚、煤层自燃等隐患；端头处理简单，不用替换U型棚，能保障大功率设备正常工作，工作面快速推进，单产显著提高；巷道变形量仅为同类条件棚式支护的1/2

3、左右；与综机配套组成掘、支、运机械化作业线，单进大幅提高；辅助运输量小，施工搬运携带方便、安全。锚杆支护基本理论二软弱岩层坚硬岩层锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。悬吊理论锚杆支护示意图根据悬吊岩层的质量就可以进行锚杆支护设计。悬吊理论直观地揭示出了锚杆的悬吊作用适用条件顶板直接顶一般为较软岩层；顶板上部有较稳定岩层；围岩整体稳定，存在不规则岩体弱面(节理、裂隙、滑面），但规模不大。悬吊理论存在问题没有考虑围岩的自承载能力，而是将锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距。只适用于巷道顶板

4、，不适用于巷道帮、底。如果顶板没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，悬吊理论不适用。没有考虑岩体应力对锚杆的作用，没有考虑锚杆对岩体性质改变的作用。组合梁理论组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增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；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而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），梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的饶度也就越小。无锚杆支护有锚杆支护适用条件巷道顶板有若干层

5、层状较软岩层；巷道顶板的结构弱面、沉积滑面不发育；采深较浅，地应力较小，没有明显的构造应力作用。组合梁理论存在问题将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁就不存在了。只适合与层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道帮、底不适用。组合拱（压缩）理论组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装锚杆时，在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，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。压缩拱示意图优点

6、组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理。适用条件一般不能作为准确的定量设计，但可以作为锚杆加固设计和施工的重要参考。缺点在分析过程中没有深入考虑围岩支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到符合结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算与实际情况存在一定差距。组合拱（压缩）理论最大水平应力理论：由澳大利压学者盖尔（W.J.Gale）提出：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.5倍。巷道顶底的稳定性主要受水平应力的影响

7、，且有三个特点：与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶、底板稳定性最好;与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏偏向巷道某一帮；与最大水平应力垂直的巷道，顶、底板稳定性最差。最大水平应力理论最大水平应力理论巷道受最大水平应力作用图最大水平应力理论最大水平应力理论的特点：论述了巷道围岩水平应力对巷道的稳定性的影响及锚杆支护所起的作用。在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计。在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。在最大水平应力作用下，顶、底板岩层易于发生剪切破坏

8、，出现错动与松动而造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层的膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩的变形作用。由我国著名矿压专家侯朝