煤巷锚杆支护技术讲解课件.ppt
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- 煤巷锚杆 支护 技术 讲解 课件
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1、煤巷新型支护材料的研制煤巷新型支护材料的研制高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆第六节第六节 锚杆支护监测技术锚杆支护监测技术一、巷道表面位移一、巷道表面位移二、顶板离层二、顶板离层三、锚杆三、锚杆(索索)受力受力第七节第七节 特种锚杆与锚索支护技术特种锚杆与锚索支护技术一、特种锚杆一、特种锚杆1注浆锚杆注浆锚杆 2自钻注浆锚杆和接长锚杆自钻注浆锚杆和接长锚杆二、小孔径树脂锚索二、小孔径树脂锚索第八节第八节 煤巷锚杆支护技术的应用煤巷锚杆支护技术的应用第九节第九节 改进与发展改进与发展煤巷锚杆支护技术煤巷锚杆支护技术 绪绪 论论一、锚杆支护的技术经济优越性一、锚杆支护的技术经济优越性 在巷道支护中
2、,锚杆支护与传统的棚式支在巷道支护中,锚杆支护与传统的棚式支护相比,具有显著的技术经济优越性。其主要护相比,具有显著的技术经济优越性。其主要表现在:(表现在:(1)锚杆支护可充分利用围岩的自)锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体;(承能力将载荷体变为承载体;(2)一般棚式)一般棚式支护属于支护属于“被动被动”支护,支而通常使用的锚杆支护,支而通常使用的锚杆支护属于支护属于“主动主动”支护,在锚杆安装以后,锚支护,在锚杆安装以后,锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力,且随杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力,且随围岩变形支护阻力不断增加;围岩变形支护阻力不断增加; v(3)锚杆支护的
3、巷道围岩变形量通常要比棚式支护减)锚杆支护的巷道围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上;(少一半以上;(4)减少支护材料的运输和装卸支架工)减少支护材料的运输和装卸支架工作量,减轻工人的劳动强度和改善作业环境;(作量,减轻工人的劳动强度和改善作业环境;(5)能)能够保持两道和开切眼的畅通,为回采工作面快速推进和够保持两道和开切眼的畅通,为回采工作面快速推进和高产高低成本生产创造有利条件;(高产高低成本生产创造有利条件;(6)锚杆支护巷道)锚杆支护巷道施工简单,机械化程度高,可大幅度降低巷道支护成本,施工简单,机械化程度高,可大幅度降低巷道支护成本,提高掘进速度和生产效率。(提高掘进速度和生产效
4、率。(7)降低支护成本,采用)降低支护成本,采用锚杆支护可以大幅度节约大量钢材、木材等支护材料,锚杆支护可以大幅度节约大量钢材、木材等支护材料,降低支护成本,有利于节约自然资源,改善生态环境。降低支护成本,有利于节约自然资源,改善生态环境。 (8)提高掘进速度,锚杆支护巷道施工简单、机械化)提高掘进速度,锚杆支护巷道施工简单、机械化程度高,随着锚杆机具、掘进机及其配套设备性能的完程度高,随着锚杆机具、掘进机及其配套设备性能的完善与提高,配套材料,如钻头、钎杆性能的提高,以及善与提高,配套材料,如钻头、钎杆性能的提高,以及一大批锚杆支护材料的应用,巷道掘进速度和生产效率一大批锚杆支护材料的应用,
5、巷道掘进速度和生产效率可大幅提高。可大幅提高。 v(9)消除安全隐患)消除安全隐患v采用锚网支护技术,可以消除传统架棚支护方式的采用锚网支护技术,可以消除传统架棚支护方式的不安全因素。若采用架棚支护,由于顶煤较破碎,不安全因素。若采用架棚支护,由于顶煤较破碎,棚与顶板煤层之间出现空隙,则会造成煤的自燃。棚与顶板煤层之间出现空隙,则会造成煤的自燃。采用锚网支护技术,钢筋网能遭与顶板完全接触,采用锚网支护技术,钢筋网能遭与顶板完全接触,可防止顶煤的冒落和煤层裂隙的继续扩展,从而可可防止顶煤的冒落和煤层裂隙的继续扩展,从而可以达到防、灭火的目的。特别是消除了采用架棚支以达到防、灭火的目的。特别是消除
6、了采用架棚支护的切眼在支架安装时、回撤架棚时的不安全因素,护的切眼在支架安装时、回撤架棚时的不安全因素,为安全生产创造了条件。为安全生产创造了条件。v(10)简化工作面超前支护)简化工作面超前支护v综采工作面上、下顺槽采用棚式支护时,必须提前综采工作面上、下顺槽采用棚式支护时,必须提前进行替棚。受工作面采动影响,撤棚、替棚工作十进行替棚。受工作面采动影响,撤棚、替棚工作十分复杂,用工多、速度慢,严重影响综采工作面综分复杂,用工多、速度慢,严重影响综采工作面综采工作面推进速度,提高了工作面单产,有利于高采工作面推进速度,提高了工作面单产,有利于高产高效矿井建设。产高效矿井建设。二、国内外锚杆支护
7、的发展二、国内外锚杆支护的发展 1、 国内外煤巷锚杆应用概况国内外煤巷锚杆应用概况 由于各国的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比由于各国的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比较大,煤巷锚杆支护的发展历程也表现出各自不同的特较大,煤巷锚杆支护的发展历程也表现出各自不同的特点。点。1)1)美国美国 美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家国家(1912(1912年年) ),依据其得天独厚的地质条件及先进的科,依据其得天独厚的地质条件及先进的科技、经济实力,在锚杆支护技术方面一直处于世界领先技、经济实力,在锚杆支护技术方面一直处于世界领先水平
8、,是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚水平,是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家,每年锚杆使用量在杆使用数量最多的国家,每年锚杆使用量在80008000万根以万根以上,约上,约25000km25000km的煤巷使用锚杆支护。由于使用锚杆有的煤巷使用锚杆支护。由于使用锚杆有效地控制围岩的稳定性,美国所有的井工巷道都布置在效地控制围岩的稳定性,美国所有的井工巷道都布置在煤层中,煤层中,并认为不能采用锚杆支护的煤层,开采是不经并认为不能采用锚杆支护的煤层,开采是不经济的济的。 6060年代末由于树脂锚固剂的发明,锚杆使用的相当一部分年代末由于树脂锚固剂的发明,锚杆使用
9、的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式,并且锚杆的直径和强度比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式,并且锚杆的直径和强度都有所提高都有所提高( (直径大约为直径大约为19mm19mm,强度大约为,强度大约为300MPa)300MPa)。随着人们对。随着人们对全长胶结锚杆的机理及应用条件的认识,认为高预拉力对于更大全长胶结锚杆的机理及应用条件的认识,认为高预拉力对于更大限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意义。限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意义。 在在7070年代末,美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用,年代末,美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用,使得锚杆能够实现很高的预拉力
10、,同时锚杆的直径和强度有了进使得锚杆能够实现很高的预拉力,同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高一步的提高( (直径达到直径达到22mm22mm和和25mm25mm,强度达到,强度达到517MPa)517MPa),锚杆的高,锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的预拉力可以达到杆体本身强度的50%50%75%75%。这种锚杆系统的安装。这种锚杆系统的安装速度很快,安装机具不需等到树脂固结就可以移至安装下一根锚速度很快,安装机具不需等到树脂固结就可以移至安装下一根锚杆的地方,因而可以采用中速或慢速树脂锚固剂。杆的地方,因而可以采用中速或慢速树脂锚固剂。 美国的主要经验是:美国的主要经验是:将锚杆加工产
11、业化;锚杆支护作为一门技将锚杆加工产业化;锚杆支护作为一门技术,而非材料消耗、废品利用,形成了锚杆产品的多样化、多系术,而非材料消耗、废品利用,形成了锚杆产品的多样化、多系列,以适应各种不同的条件;锚杆设计、制造、服务一体化;将列,以适应各种不同的条件;锚杆设计、制造、服务一体化;将高新技术用于锚杆设计;强调锚杆的高强度、高预拉力,并将锚高新技术用于锚杆设计;强调锚杆的高强度、高预拉力,并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计,形成了不同与其杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计,形成了不同与其它国家的锚杆支护方法。它国家的锚杆支护方法。5)5)国内情况国内情况 自自5050年代以来,
12、锚杆支护技术在我国也得到了逐步年代以来,锚杆支护技术在我国也得到了逐步应用,煤矿于应用,煤矿于19561956年开始使用锚杆,主要是机械端锚年开始使用锚杆,主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆,用在较稳定的岩石巷道中,和钢丝绳砂浆无托盘锚杆,用在较稳定的岩石巷道中,70708080年代,国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护列年代,国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护列为主攻方向之一,为主攻方向之一,8080年代末期,开始引进澳大利亚技年代末期,开始引进澳大利亚技术,树脂锚杆研制成功并推广应用,煤巷锚杆进入发术,树脂锚杆研制成功并推广应用,煤巷锚杆进入发展的快车道,展的快车道,、类巷道锚杆支护很快取得成
13、类巷道锚杆支护很快取得成功,功,、类巷道也积累了很多经验,煤巷锚杆的推类巷道也积累了很多经验,煤巷锚杆的推广应用力度进一步加强,但由于我国煤矿地质条件相广应用力度进一步加强,但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂,我国煤巷锚对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂,我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道,而且要使用在软岩回采巷道、类回采巷道,而且要使用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下,所以总体使深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下,所以总体使用比重较低,各地区发展很不平衡。用比重较低,各地
14、区发展很不平衡。 如何把握锚杆支护技术的演变趋势,应用预如何把握锚杆支护技术的演变趋势,应用预应力技术成果,应力技术成果,从普通圆钢锚杆、高强度螺纹钢从普通圆钢锚杆、高强度螺纹钢锚杆,进一步发展到预拉力锚杆支护技术,锚杆,进一步发展到预拉力锚杆支护技术,是非是非常值得研究的问题。早在本世纪初,就有人提出常值得研究的问题。早在本世纪初,就有人提出无粘结预应力筋的设想,无粘结预应力筋的设想,2020年代德国人申请了专年代德国人申请了专利,利,5050年代在楼面建筑中应用,近年代在楼面建筑中应用,近2020年发展很快。年发展很快。预应力技术的出现和发展使得预应力平板结构代预应力技术的出现和发展使得预
15、应力平板结构代替了建筑结构中过去大量采用的梁板结构,从而替了建筑结构中过去大量采用的梁板结构,从而大大提高了承载性能,减少了材料用量,减少了大大提高了承载性能,减少了材料用量,减少了结构厚度,增加了有效空间;混凝土建筑材料也结构厚度,增加了有效空间;混凝土建筑材料也经由素混凝土、普通钢筋混凝土发展到预应力钢经由素混凝土、普通钢筋混凝土发展到预应力钢筋混凝土,承载性能明显提升。筋混凝土,承载性能明显提升。三锚杆的种类三锚杆的种类锚杆的种类繁多,总体可归纳为锚杆的种类繁多,总体可归纳为 以下几种类型:以下几种类型:第一节第一节 煤巷锚杆支护理论煤巷锚杆支护理论 传统的锚杆支护理论有传统的锚杆支护理
16、论有悬吊理论、悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是最组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是最早的锚杆支护理论,早的锚杆支护理论,它具有直观、易懂它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层,而其下部存在松散、破碎有稳定岩层,而其下部存在松散、破碎岩层的条件下,这种支护理论应用比较岩层的条件下,这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用,没有涉及其抗剪能力及对破碎拉作用,没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。岩层整体强度的提高。 组合梁理论组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层充分考虑了锚杆
17、对岩层离层与滑动的约束作用,适用于层状岩层。该与滑动的约束作用,适用于层状岩层。该理论认为,锚杆提供的轴向力将对岩层离理论认为,锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束,并且增大了各岩层间的摩擦层产生约束,并且增大了各岩层间的摩擦力,与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩力,与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。层间产生相对滑动。加固拱理论加固拱理论认为,即认为,即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆,使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆,也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小,就能在岩体中产生一个均匀压缩足够小,就能在岩体中产生一个均匀压缩带,它可以
18、承受破坏区上部破碎岩石的载带,它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用,在软岩巷道中得到较为广泛的应体作用,在软岩巷道中得到较为广泛的应用。用。 一、悬吊理论一、悬吊理论 悬吊理论认为:锚杆支护的作用就是将巷道顶板较悬吊理论认为: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。稳定性。 对于回采巷道经常遇到的层状岩体,当巷道开挖后,对于回采巷道经常遇到的层状岩体,当巷道开挖后,直接顶因弯曲、变形与老顶分离,如果锚杆及时将直接直接顶因弯曲、变
19、形与老顶分离,如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上,就能减小和限制直接顶的下沉顶挤压并悬吊在老顶上,就能减小和限制直接顶的下沉和离层,以达到支护的目的,如图和离层,以达到支护的目的,如图1所示。所示。 巷道浅部围岩松软破碎,或者开掘巷道后应力重新巷道浅部围岩松软破碎,或者开掘巷道后应力重新分布,顶板出现松动破裂区,这时锚杆的悬吊作用就是分布,顶板出现松动破裂区,这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展,如吊理论的进一步发展,如2所示。所示。 图1 锚杆的悬吊作用图2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层 根据
20、悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。计。 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用,在悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用,在分析过程中不考虑围岩的自承能力,而且将被锚分析过程中不考虑围岩的自承能力,而且将被锚固体与原岩体分开,与实际情况有一定差距,计固体与原岩体分开,与实际情况有一定差距,计算数据存在误差。算数据存在误差。 悬吊理论只适用于巷道顶板,不适用于巷道悬吊理论只适用于巷道顶板,不适用于巷道帮、底。帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软如果顶板中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,无法将锚杆弱岩层较厚,围岩破碎区范围较大,无法将
21、锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上,悬吊理锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上,悬吊理论就不适用。论就不适用。二、组合梁理论二、组合梁理论 组合梁理论认为,在层状岩体中开挖巷道,组合梁理论认为,在层状岩体中开挖巷道,当顶板当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时,在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时,锚杆的悬吊作用锚杆的悬吊作用居次要地位。居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层,顶板锚杆的作用,如果顶板岩层中存在若干分层,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;另一方止岩石沿层面滑动
22、,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,阻止岩层间的面,锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度,阻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紧成一个较厚的岩层(组合梁组合梁)。这种组合厚岩层在上覆。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下,其最大弯曲应变和应力都将大大减岩层载荷的作用下,其最大弯曲应变和应力都将大大减小,组合梁的挠度亦减小,而且组合梁越厚,梁内的最小,组合梁的挠度亦减小,而且组合梁越厚,梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小,如图大应力、应变和梁的挠度也就越小,如图3所示。所示。
23、根据组合梁的强度大小,可以确定锚杆支护参数。根据组合梁的强度大小,可以确定锚杆支护参数。图3 顶板锚杆组合梁作用(a)未打锚杆(b)布置顶板锚杆 组合梁理论,是对锚杆将顶板岩层锁紧组合梁理论,是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。成较厚岩层的解释。在分析中,将锚杆作用与在分析中,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,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,组合梁也就不存在了。续性受到破坏时,组合梁也就不存在了。 组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支
24、护的设计,对于巷道的帮、底不适用。设计,对于巷道的帮、底不适用。三、组合拱三、组合拱(压缩拱压缩拱)理论理论 组合拱理论认为:在拱形巷道围岩的破裂区组合拱理论认为:在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形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,如果沿巷道周边布置锚杆群,只分布的压应力,如果沿巷道周边布置锚杆群,只要锚杆间距足够小,各个锚杆形成的压应力圆锥要锚杆间距足够小,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压体将相互交错,就能在岩体中形成一个均匀的压缩带,即承压拱缩带,即承压拱(亦称组合拱或压缩拱亦称组合拱或压缩拱),这个承,
25、这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。压拱可以承受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,处于三向在承压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,支撑能力也相应力状态,其围岩强度得到提高,支撑能力也相应加大,如图应加大,如图4所示。因此,锚杆支护的关键在所示。因此,锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度,其厚度于获取较大的承压拱厚度和较高的强度,其厚度越大,越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。越大,越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。 组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理,支护的作用
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