煤巷锚杆支护技术与机械化掘进 653工程培训讲义绪 论一、巷道支护在井工矿开采中的重要地位1、井下巷道是构成矿井生产系统的前提条件；2、巷道的稳定控制是保证矿井安全高效开采的保证；3、正确的支护理念和合理的支护形式及支护参数是实现 巷道围岩稳定控制的决定性策略；二、支护理念和支护形式的转变巷道支护理念和支护形式的转变过程：由传统支护理念（被动支护）到现代支护理念（主动支护）的转变；对应之支护形式亦发生转变：棚式支护向锚杆支护的转 变；1 支护理念1）传统支护理念 被动支护：认为支护体被动承载，采用抵抗地压的方法控制围岩稳定；2）现代支护理念 主动支护：支护体与围岩共同承载，支护体的主要作用是加固围岩，调动围岩的强度，相互协调作用抵抗地压；（亦即认为围岩是天然支架，目的是充分利用和发挥围岩的自承能力） 2 支护形式1）棚式支护：工字钢棚、木棚、U型钢棚、料石碹等；2）锚杆支护：以锚杆为基本支护构件的复合支护形式很多，如：锚杆-锚索支护、锚杆-锚索-网-喷支护、锚杆 -锚索-金属网-W钢带（钢筋梯）支护等；3）复杂条件下的联合支护形式：锚网索+棚支护等；三、锚杆支护的优点目前，锚杆支护是各国煤矿巷道主要的支护形式之一。锚杆支护与传统支护相比较其优点：1）明显改善围岩应力状态；2）劳动强度低；3）支护成本低、维护费用低；4）工序简单，掘进速度快；四、煤巷锚杆支护的发展历程及趋势发展历程： 1 国外： 1）最早使用锚杆支护技术的国家是英国和德国。 （1872年英国露天页岩矿用于边坡加固；1912 年德国在井下使用锚杆支护技术；50年代以后 ，锚杆土木工程和地下工程得到广泛应用） 2）美国是的锚杆支护技术一直处于世界领先水平 ； 3）澳大利亚是使用锚杆支护技术比较先进和成熟 的国家，推广全长树脂锚固锚杆，形成比较完 善的锚杆支护体系和设计方法； 4）国外锚杆支护技术的发展特点如下：a 发展适合本国地质条件的锚杆支护类型； b 锚杆向高强度发展； c 建立了一整套合理的锚杆支护设计方法； d 完善锚杆施工工艺； e 完善锚杆支护监测系统； 2 国内：我国1956年起，在岩巷中使用锚杆支护；60年代，在煤巷中开始使用锚杆支护；我国煤巷锚杆支护技术发展三个阶段：1）、起步阶段（60-80年代初期）：钢丝绳水泥砂浆锚 杆、低强度楔缝式、水泥锚固剂端头锚固为代表。锚杆 间没有托梁，相互间没有联系；2）、普通锚杆支护阶段（80年代中期-90年代中期）锚杆支护用于软岩巷道支护，进行公关和现场试验。以锚网和锚网梁组合锚杆支护技术为代表。锚固剂使用树脂锚固剂，锚固性能大大提高；锚杆直径小（14-16mm），支护强度低；在I-III类顶板条件下，形成适合我国的锚杆支护技术 ； 3）、高强锚杆支护阶段（95年至现在）对困难条件下锚杆支护技术进行公关。锚杆直径增大至20-22mm，使用螺纹钢锚杆。工程检测得到重视（离层监测、锚固力动态监测等）。发展趋势 锚杆支护的安全性取决于： 1）、围岩性质； 2）、应力环境； 3）、支护强度；为实现煤巷锚杆支护巷道的稳定，需进行以下几方面工 作：a、设计前围岩状况调查；b、锚杆-锚索协调支护设计研究；c、经济安全型锚杆研制；d、冒顶危险性监测；第一章 锚杆支护理论与设计方法第一节 锚杆支护理论 1 锚杆支护理论锚杆的支护理论主要有：悬吊理论、组合梁理论、加固 拱理论和最大水平应力理论。1）悬吊理论认为：锚杆支护的作用是将巷道顶板较弱岩层悬吊在上 部稳固的岩层上，增强较软弱岩层的稳定性。适用于锚杆锚固范围内具有稳定岩层的巷道顶板。2）组合梁理论认为：煤层顶板为层状顶板岩层时，锚杆将锚固范围内 的岩层挤紧，增加层间摩擦力，防止层间滑动，避免离 层现象，增强自承能力。 3）加固拱（压缩拱）理论认为：在拱形巷道围岩破裂区安装预应力锚杆时，在杆 体两端形成圆锥形分布的压应力，如果锚杆间距足够小 ，各个锚杆的压应力锥体相互交错，这样在巷道周围岩 层中形成一种连续的压缩带（压缩拱）。4）最大水平应力理论认为：矿井的水平应力是垂直应力的1.3-2.0倍，水平应 力具有明显的方向性，最大水平应力是最小水平应力的 1.5-2.5倍。巷道稳定性在于水平应力的影响：a 与最大水平应力平行的巷道受水平应力的影响最小， 巷道稳定性最好；b 与最大水平应力呈锐角的相交的巷道，其顶板变形破 坏偏向巷道某一帮；c 与最大水平应力垂直的巷道，巷道稳定性最差；5）围岩强度强化理论该理论认为：（1）巷道锚杆支护的实质是锚杆与锚固区的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；（2）锚杆提高了锚固体的力学参数E、C、，改善了锚固体的力学性能；（3）锚固体的峰值强度和残余强度都得到强化。第二节 煤巷锚杆支护的设计方法目前，煤巷锚杆参数设计方法可归纳为：1）理论计算法-以一定的支护理论为基础；应用岩石力学或荷载-结构模式进行计算； 代表性的理论计算方法是：应用冒落拱理论进行支护计算，主要确定锚杆的间排距；冒落拱理论认为：锚杆支护的作用是防止松动破坏区的围岩垮落。2）模拟分析法-基于模拟手段分析围岩应力和变形；模拟方法：数值模拟、相似模拟及物理模拟；3）工程类比法（直接类比和间接类比）-是建立在以往解决岩层控制的经验基础上的 设计方法；4）组合方法-以上方法的结合；对于工程类比法： 是主要的设计方法。 类比法有两种：直接类比和间接类比法。1）直接类比法：是指将设计的工程基于一定的类比条件与已建工程进行对比，根据工程师的经验和工程判断能力，选定待建工程的支护类型和参数。类比条件有：围岩强度、围岩完整性（岩体结构）、地下水的影响程度、工程深度、地应力状态、工程形状和尺寸、施工方法、施工质量及使用要求等；2）间接类比：是根据现行锚杆支护技术规范，按其围岩类别及锚喷支护设计参数表确定待建工程的锚喷支护参数和类型；使用类比法要求：1）对巷道类别进行准确界定，科学的进行围岩分类。分类方法-单指标分类、多指标分类和单指标多因素分类法介绍；巷道类别分为5类：非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定；2）赋予一定的可靠性指标和安全系数；我国在围岩分类基础上，制定了锚杆支护设计规范，规范要点为：1）顶板必须采用金属锚杆；2）巷帮应进行支护；3）锚杆孔径与杆体锚固段直径之差，宜保持在6-10mm之内；4）顶板靠巷道两帮的锚杆，一般应向巷帮倾斜15-30度；第二章 煤巷锚杆支护设计新进展第一节 煤巷锚杆支护冒顶事故分类一、锚杆支护冒顶原因原因有：1)、非稳定岩层变厚超过锚杆（索）的长度；2）、稳定岩层变薄；3）、顶板一定范围内出现软弱夹层；4）、顶板出现小断层；5）、节理发育；6）、围岩出现镶嵌结构；7）、高应力引起的冒顶；8）、次生应力引起的冒顶；9）、地下水影响；10）、空气中水分对顶板的软化；11）、未及时支护；12）、三径匹配不合理；13）、施工偷工减料；14）、锚固剂失效第二节 煤巷顶板岩层赋存结构顶板岩层的赋存结构影响巷道的稳定性。根据结构面分布状况、结构体和工程规模尺寸，煤巷顶板岩层赋存结构分为：1）整体板状结构；2）整体梁状结构；3）规则块状结构；4）碎裂结构；5）散体结构；根据顶板岩层可形成的力学结构形式，巷道顶板岩层可 分为以下几种类型：1）固支岩板；2）简支岩板；3）固支岩梁；4）多块体岩梁；本章其它内容属于理论计算，不做讲述；第三章 煤巷锚杆-锚索的协调支护 第一节 煤巷小孔径预应力锚索的力学性能锚索结构分三部分：内锚固段、钢绞线自由段、外锚固段；钢绞线具有破段力高、韧性好、低松弛特点，具有一定的刚度又具有一定的柔性。影响预应力锚索的力学性能的因素有：锚固段性能、钢绞线性能和索具性能；在实际使用中，预应力锚索的力学性能是由孔内锚固段的性能所决定的。锚固段性能由：孔壁岩性、锚固剂性能及其搅拌程度、钢绞线、托盘和锚具的性能共同 决定的；在稳定锚固的前提下，力学性能主要由钢绞线、锚具的性能及两者共同作用综合决定；预应力锚索的两个工程性指标：锚索的承载能力（破断力）和锚索的延伸率；第二节 煤巷预应力锚索的支护作用1、围岩体锚固系统与其它支护形式的区别1）、锚固系统是内承载结构，能有效抵抗围岩体内部产生的结构变形并与围岩体共同作用，减小围岩结构大变形，大大较小围岩的变形；2）、对于大变形和具有“流变”特性的巷道，锚固系统具有一定的柔性，锚岩支护体呈随巷道围岩体变形而变化的“动态”特征；3）、锚固系统取得很好的支护效果，要求锚固体与锚固范围以外的围岩体实现耦合或匹配；*预应力锚索的作用有二：1）、将锚固范围内破碎松动区的岩块悬吊在深部稳定的岩层之上，实现工程力的传递功能；2）、其约束作用可以增强顶板的残余强度，提高顶板的承载能力；通过模拟研究，对于高应力破碎围岩条件下采用锚杆与锚索联合支护有以下认识：1）、对于具有软岩大变形工程特征的软弱破碎围岩条件下，通过提高锚索的支护强度来达到控制围岩变形是不可行的；2）、预应力锚索破坏的原因是在围岩强大的变形压力作用下，锚索的变形超过其允许的延伸量而导致破坏；3）、当前煤巷尤其是困难条件下锚杆与锚索联合支护的设计思想和支护方法存在不协调的矛盾；（不耦合）4）、锚杆或锚索与围岩相互作用中，变形压力往往大于其所悬吊的载荷，亦即在变形压力很大的情况下，使用悬吊理论进行参数计算是不科学的，也是危险的；5）、在锚杆-锚索支护时，指考虑支护强度而不考虑围岩和锚索变形指标，也是造成巷道支护失败的一个原因；第二节 锚杆-锚索联合支护作用机理1、锚杆-锚索联合支护系统中锚杆和锚索预期的作用锚杆的作用：具有挤压加固、组合梁、悬吊作用，通过群 体锚杆的作用在巷道围岩中形成一定厚度的压缩带或压缩拱 ；锚索的作用：亦具有加固围岩的作用，但主要是加强支护 的作用，调动深部岩体的强度，主要起悬吊作用；2、在联合支护时，联合支护作用机理和效果不是各自作用 简单的叠加，与围岩条件、施工工艺及其支护参数有关； 3、锚杆-锚索联合支护原理（实质）支护体：锚杆及其锚固范围内的围岩；锚索为加强支护体；1）、联合支护中，锚杆和锚索均具有加固作用-联合加固作用；2）、锚杆-锚索支护作用具有互补性-类似软岩的二次支护方法；3）、支护原理实质：开挖初期，锚杆作用，在巷道围岩形成一定 厚度的锚岩体，在一定的变形范围内可以实现巷道的稳定；随变形增大，锚岩支护体承载能力降低，自稳性也降低，应力 集中向深部转移，围岩变形趋于平稳；在锚岩体失稳之前，通过锚索的悬吊作用，实现锚岩支护体和 围岩的稳定；（注：讲授最佳支护时间和最佳支护时段的意义）第三节 锚杆-锚索协调支护设计方法1、设计遵循原则1）、必须同现场实际情况和施工技术向结合，遵照“初始 设 计-工程监测-修正设计”的设计程序；2）、围岩变形量大于锚索延伸量时，应将锚杆支护参数设 计和锚索支护参数设计结合综合考虑；3）、按照互补原理，锚索支护参数设计出了需要确定锚索 的锚固深度 和悬吊能力外，必须验算锚索的延伸量是 否与围岩变形相适应；2、锚杆-锚索联合支护的初始设计初始设计的可靠性和合理性关系到实验工程的成败和后期修正结构 的完善程度。初始设计的方法：以数值模拟为主，结合理论计算和工程类比法；初始设计步骤：1）、建立数值计算模型；2）、调整支护形式和支护参数，模拟选定效果较好的支护形式和 参数；3）、确定锚索加强支护方法；4）、判定锚索的延伸量、锚索长度和密度；5）、考虑锚索滞后安装时间和木垫板的压缩量，模拟调整支护参 数；6）、采用理论计算，验算锚索的承载能力；3、锚索适应围岩变形的技术措施 1）、防止锚索在围岩变形过程中破断，适应围岩大变形的 技术途径：a 改变锚索的力学性能，提高钢绞线屈服后的延伸率， 增大锚索破坏前的总伸长量；b 改变支护工艺、支护结构和利用锚杆支护巷道的围岩 变形能破坏特点，提高锚索的适应性； 2）、改善锚索加强支护性能的方法：a 使用木垫板提高锚索抗变形能力；b 滞后掘进迎头安装锚索；c 合理