高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)

1、 巷道支護(hù)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(hù)的對(duì)象，又是錨固體來(lái)承載。錨桿/錨索：是支護(hù)或加固圍巖的一種構(gòu)件。 對(duì)這三方面了解的越充分，支護(hù)設(shè)計(jì)就越合理，技術(shù)管理就越完善。在煤礦井下存在三維應(yīng)力狀態(tài)，在三個(gè)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(gè)主應(yīng)力：H1最大水平應(yīng)力H2最大水平應(yīng)力地應(yīng)力可以通過(guò)應(yīng)力解除法、水壓致裂法進(jìn)行測(cè)試。 我們公司在兗礦集團(tuán)進(jìn)行50多點(diǎn)的原巖應(yīng)力測(cè)量。兗州礦區(qū)原巖應(yīng)力分布規(guī)律兗州礦區(qū)原巖應(yīng)力分布規(guī)律（1 1）最大水平主應(yīng)力為最）最大水平主應(yīng)力為最小

2、水平主應(yīng)力的小水平主應(yīng)力的2.172.17倍，倍，（2 2）垂直應(yīng)力隨深度成線）垂直應(yīng)力隨深度成線性增長(zhǎng)，其值與按上覆巖層容性增長(zhǎng)，其值與按上覆巖層容重和埋深計(jì)算出的垂直應(yīng)力略重和埋深計(jì)算出的垂直應(yīng)力略?。恍?；（3 3）最大水平主應(yīng)力普遍）最大水平主應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力大于垂直應(yīng)力; ;2200應(yīng) 力 （ MPa）深 度 （ m ）46810121416182040060080022242628最 大 水 平 主 應(yīng) 力 S (垂 直 應(yīng) 力 )v最 小 水 平 主 應(yīng) 力 我們公司也在一礦北風(fēng)井也進(jìn)行了三個(gè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力測(cè)試。測(cè)點(diǎn)1（MPa）3（MPa）v（MPa）1/v1/3軌道上山30.8

3、722.1224.471.261.40外水倉(cāng)36.3114.0121.301.702.59回風(fēng)上山39.0212.8325.731.523.04 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(chǎng)呈現(xiàn)1v3的應(yīng)力關(guān)系，說(shuō)明水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響要大，地應(yīng)力場(chǎng)中水平應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)地位，為典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。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

4、應(yīng)力 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(duì)巷道掘進(jìn)期間的頂板內(nèi)的垂直應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)在（Moranbah North Mine）北莫蘭巴礦104工作面運(yùn)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(jìn)。在地點(diǎn)1頂板的不同高度安設(shè)了4個(gè)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器，在地點(diǎn)2安設(shè)了兩個(gè)地應(yīng)力傳感器，用于監(jiān)測(cè)在巷道開挖后，頂板內(nèi)頂應(yīng)力的變化情況。在監(jiān)測(cè)之前，在地點(diǎn)1對(duì)煤層和頂板砂巖進(jìn)行了原巖地應(yīng)力測(cè)量?？梢钥吹皆诿簩又小？梢钥吹皆诿簩又械牡貞?yīng)力非常小，據(jù)他們分析，主要是因?yàn)槊簩又泻袣怏w和水的流失，造成煤層中的應(yīng)力下降，煤層中的垂直

5、應(yīng)力僅為1.3 Mpa.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。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(jìn)工作面的前方7-8m時(shí)，垂直應(yīng)力隨著推進(jìn)逐步減少，2. 在巷道開挖后，垂直應(yīng)力急劇下降。3.5m以后水平應(yīng)力有所恢復(fù)。高水平應(yīng)力作用下的巷道典型破壞模式當(dāng)集中的水平應(yīng)力引起下部巖層破壞時(shí)，水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移1破碎區(qū)；2松動(dòng)區(qū)；3塑性區(qū)；4彈性區(qū)掘進(jìn)方向最大水平應(yīng)力集中掘進(jìn)方向a) 巷道狀況好b) 巷道狀況差c) 巷道左側(cè)發(fā)生變形最大水平最大水平主應(yīng)力最大水平主應(yīng)力掘進(jìn)方向應(yīng)力集中掘進(jìn)方向d

6、) 巷道右側(cè)發(fā)生變形主應(yīng)力主應(yīng)力主應(yīng)力最大水平最大水平主應(yīng)力最大水平應(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(duì)巷道頂、底板影響具有明顯的方向性；3、當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力平行時(shí)，受水平應(yīng)力影響最小，對(duì)頂?shù)装宓姆€(wěn)定最有利；4、當(dāng)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力垂直時(shí)，受水平應(yīng)力影響最大，對(duì)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

7、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?huì)偏向巷道的某一側(cè)。沿空巷道頂板巖層應(yīng)力傳感器應(yīng)力傳感器應(yīng)力傳感器應(yīng)力傳感器L1L2L3L4在我國(guó)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(guò)實(shí)測(cè)可以測(cè)量三維應(yīng)力分布。東灘煤礦4307綜放工作面沿空巷道次生應(yīng)力觀測(cè)43 07軌道巷4511.4m28.35MPa13.62MPa10.27MPa5.7m采空區(qū)實(shí)體煤4m寬煤柱5556YMHI 3ANZI18.46MPa32.28MPa7.8m5.7mANZI45.08MPa粉砂巖煤層2.7m煤上16.7MPa9.33MPaANZI330

8、垂直應(yīng)力分布圖01020304005101520距采空區(qū)的距離（m）垂直應(yīng)力（MPa）3m寬小煤柱4m寬小煤柱8.72MPa31.9MPa27.97MPa12.49MPa東灘煤礦沿空巷道所處的應(yīng)力環(huán)境分析工作面推進(jìn)地應(yīng)力的變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)距工作面的距離（m）-505101520020406080100120140160180 垂直應(yīng)力（M Pa）HI1HI2HI343 07軌道巷采空區(qū)實(shí)體煤4m寬煤柱監(jiān)測(cè)傳感器HI2粉砂巖煤層2.7m煤上監(jiān)測(cè)傳感器HI3監(jiān)測(cè)傳感器HI1工作面推進(jìn)水平應(yīng)力的變化實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的大小和方向?qū)崪y(cè)最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的大小和方向主應(yīng)力主應(yīng)力實(shí)測(cè)

9、（實(shí)測(cè)（MPaMPa）傾角（向下為傾角（向下為正）正）方位角方位角1 110.6710.672.32.3126.4126.42 26.526.5237.437.4134.2134.23 34.854.853.83.841.341.3v v7.117.11工 作 面 回 采 過(guò) 程 中 次 生 應(yīng) 力 監(jiān) 測(cè) 頻 度5 0 m回 采 方 向 與 右 側(cè) 對(duì) 稱左 側(cè) 觀 測(cè) 方 式安 裝 位 置應(yīng) 力 監(jiān) 測(cè) 儀每 2 m觀 測(cè) 一 次- 2 0 m0 m2 0 m觀 測(cè) 一 次每 2 m觀 測(cè) 一 次每 5 m回 采 方 向1 5 0 m觀 測(cè) 一 次每 1 0 m觀 測(cè) 一 次每 2 0 m

10、壁3 0 0 m工長(zhǎng)作面為了監(jiān)測(cè)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(gè)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器。在工作面前方117m，垂直應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，接近實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力7.1MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)到離測(cè)區(qū)布置70m時(shí)，垂直應(yīng)力開始增加。 煤層開采相鄰煤柱(煤體）垂直應(yīng)力的升高，增加的支承壓力的大致等于： （0.6-0.7）H2/2煤柱內(nèi)水平主應(yīng)力實(shí)際變化曲線113巖石的性質(zhì):巖石的強(qiáng)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(qiáng)度隨著圍巖的升高而升高。巖石的強(qiáng)度隨著圍壓的提高而提高，巖石的殘余強(qiáng)度也隨著圍壓的提高而提高。 錨桿支護(hù)的目的之一就是提高對(duì)圍巖的圍巖，就等于提高圍巖的強(qiáng)度。 試樣的直徑（

11、m)巖石的強(qiáng)度（MPa)試樣的強(qiáng)度隨著試樣的直徑增大而減小。 巖體的強(qiáng)度與試樣的強(qiáng)度相差很大； 試樣的強(qiáng)度分散性很大。 在利用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)合理取值。 錨桿錨索主要兩個(gè)作用： 一是對(duì)圍巖提供約束，限制或阻止所支護(hù)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(qiáng)度。錨桿在軸向上通過(guò)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：1. 錨桿的強(qiáng)度與外形；

12、2.錨固材料的強(qiáng)度與特性；3.三徑匹配；4.圍巖的強(qiáng)度及鉆孔表面的粗糙度。 研究錨桿的錨固性能在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)短錨固拉拔試驗(yàn)的方法。 在實(shí)驗(yàn)室采用拉拔或?qū)U體壓出進(jìn)行試驗(yàn)。澳大利亞臥龍崗大學(xué)對(duì)該國(guó)所使用的錨桿，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了短錨固試驗(yàn)。肋間距37.5mm拉拔力最大試件類型試件類型螺紋形態(tài)螺紋形態(tài)直徑直徑/mm螺距螺距/mm肋寬肋寬/mm肋高肋高/mm試件試件1梯形螺紋24.72031.5試件試件2梯形螺紋24.72531.5試件試件3梯形螺紋24.73031.5試件試件4光面25.0 試件試件5梯形螺紋25.01051.5試件試件6波形螺紋25.012.76.351.5我們對(duì)中空注漿錨桿的外形也進(jìn)行

13、測(cè)試。試件類型試件類型 螺紋形態(tài)螺紋形態(tài) 直徑直徑/mm 螺距螺距/mm拉拔力拉拔力 KN試件試件1梯形螺紋 24.72084試件試件2梯形螺紋 24.72596試件試件3梯形螺紋 24.73082試件試件4光面25.0 18 試件試件5梯形螺紋 25.01040試件試件6波形螺紋 25.012.76.3主要影響因素主要影響因素（1）少放樹脂（少放樹脂（2）攪拌不充分或過(guò)攪，（）攪拌不充分或過(guò)攪，（3）產(chǎn)生手套）產(chǎn)生手套效應(yīng)效應(yīng) （4）樹脂流失到圍巖裂隙中。）樹脂流失到圍巖裂隙中。在澳大利亞近三分之一未達(dá)到設(shè)計(jì)的錨固長(zhǎng)度。在澳大利亞近三分之一未達(dá)到設(shè)計(jì)的錨固長(zhǎng)度。手套效應(yīng)。樹脂流失：鉆孔內(nèi)存在

14、大量的裂隙、弱面。假如 錨桿機(jī)的推力10kN,推進(jìn)直徑22的錨桿，將生產(chǎn)多大的壓力？如果用60MP a與10MPa的材料進(jìn)行錨固，其錨固力相差1倍。錨固材料的強(qiáng)度影響樹脂錨固質(zhì)量的另一個(gè)主要原因是人為因素： 1. 少放樹脂； 2.鉆孔打深；3.攪拌時(shí)間不夠或過(guò)攪拌；4.使用過(guò)期或變質(zhì)的錨固劑； 5.機(jī)具的扭矩或推力達(dá)不到要求等。 澳大利亞SCT公司在現(xiàn)場(chǎng)直徑22mm的錨桿，在鉆孔直徑25mm、27mm、29mm和31mm四種鉆孔中進(jìn)行了短錨固拉拔試驗(yàn)。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。 臥龍崗大學(xué)阿吉茲教授在試驗(yàn)室

15、也進(jìn)行了短錨固拉拔試驗(yàn)，他得出的試驗(yàn)結(jié)果與SCT公司的現(xiàn)場(chǎng)略有不同。但桿體與鉆孔直徑之差為4-6mm為最大。 錨桿對(duì)圍巖的橫向約束作用 當(dāng)巖層沿層面或節(jié)理裂隙發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)對(duì)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(duì)巖層的錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生約束。阻擋巖層的水平移動(dòng)。 2、支護(hù)機(jī)理-錨固性能一般鋼材的抗剪為抗拉強(qiáng)度的60%。如果施加預(yù)應(yīng)力后其抗剪強(qiáng)度降低。澳大利亞DSI 公司對(duì)鋼絞線在不同的預(yù)緊力的條件下進(jìn)行了剪切試驗(yàn)。 端錨與全長(zhǎng)錨固：1. 全長(zhǎng)錨固比端錨的載荷傳遞特性要高。全長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)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(duì)兩端之間圍巖

16、發(fā)生離層提供的約束要小得多，難以保證圍巖的穩(wěn)定。2. 全長(zhǎng)錨固比端錨抗剪能力要高。3. 錨稈的全長(zhǎng)錨固要比端錨支護(hù)的剛性要高。限制圍巖變形。錨桿全長(zhǎng)錨固時(shí)，通過(guò)錨固劑使錨桿全長(zhǎng)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(diǎn)發(fā)生離層和變形時(shí)都能有效地提供錨固力。4. 全長(zhǎng)錨固支護(hù)的可靠性高。端錨錨桿的工作阻力只作用在兩端，錨桿托盤的受力較大，極易引起孔口破裂、巖層被“壓酥”而破壞，產(chǎn)生卸載；而全長(zhǎng)錨固錨桿的軸力在錨桿中部最大，孔口較小，因而對(duì)孔口附近頂板的穩(wěn)定有利。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100

17、mm，未錨固段1600mm。當(dāng)發(fā)生0.5mm離層時(shí)，錨桿的拉力F=.s=E.S=E.L/L.S1600mm 光面鋼絲破斷載荷為75.08kN;5根 螺旋類鋼絲的抗拉強(qiáng)度為67.12kN.(4根） 錨索的的破斷力為680KN; 錨索的抗剪力為448kN 對(duì)錨索進(jìn)行注漿，然后進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。 未注漿為抗剪力448kN, 注無(wú)機(jī)材料為800kN,注有機(jī)材料772KN55索體Cable索體Locker鎖頂板Grouts 漿液 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注漿改變了巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)：1.1.提高巷道圍巖的強(qiáng)度提高巷道圍巖的強(qiáng)度和整體性。和整體性。2.2.網(wǎng)絡(luò)骨架作

18、用網(wǎng)絡(luò)骨架作用3.3.粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用4.4.高壓注漿的壓密作用高壓注漿的壓密作用注漿提高巷道圍巖的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角。巷道支護(hù)的基本原則 1.巷道開挖后，應(yīng)及時(shí)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(qiáng)度。具體措施：提高錨桿/錨索的預(yù)緊力和鋼帶及網(wǎng)的護(hù)表構(gòu)件的剛度等 2. 保持巷道圍巖的整體性并對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效的約束，限制巷道圍巖的離層和位移。有效措施：高強(qiáng)全錨支護(hù)。 3. 改善圍巖的性質(zhì)，最大發(fā)揮圍巖的承載作用，達(dá)到巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定.最有效的措施：注漿加固煤巷錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)法 聲波探頭多點(diǎn)位移計(jì)2.支護(hù)機(jī)理位移 (mm)頂板高度 (mm)砂巖7317回風(fēng)巷頂 板多點(diǎn) 位移計(jì) 觀測(cè)結(jié)果 (巷道中 線位置 )迎頭距離 粉砂 巖煤粉砂 巖煤通過(guò)測(cè)量煤巷錨桿支護(hù)巷道圍巖的破壞范圍及大小，確定錨桿/錨索的支護(hù)參數(shù) 聲波探頭多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)可得到以下信息： 巖層移動(dòng)的程度；巖層發(fā)生移動(dòng)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。是否打錨索? 測(cè)力錨桿軸向載荷分布軸向應(yīng)變 測(cè)力錨桿觀測(cè)結(jié)果 日常監(jiān)測(cè)頂板離層指示儀的安設(shè) 頂板離層與時(shí)間的關(guān)系軌道順