巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展及展望

巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展及展望

提綱0前言1錨桿支護(hù)定義及內(nèi)涵2錨桿支護(hù)的對象3錨桿支護(hù)構(gòu)件的精細(xì)化研究4錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場的研究5煤巷錨桿支護(hù)合理支護(hù)應(yīng)力的研究6基于錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許的頂板離層臨界值的確定7展望前言復(fù)雜困難巷道類型深井高應(yīng)力軟巖（山東、江蘇、河南、安徽等）松散、弱膠結(jié)軟巖（東北、內(nèi)蒙、寧夏、新疆等）強(qiáng)膨脹性軟巖（內(nèi)蒙、山東、東北）強(qiáng)烈動壓巷道（沿空留巷、多巷布置煤柱留巷、沿未穩(wěn)定采空區(qū)掘巷、預(yù)掘回撤通道、受回采影響大巷、沖擊礦壓巷道等）松軟破碎煤層巷道（瓦斯抽采、沖擊礦壓卸壓巷道卸壓等）前言錨桿支護(hù)的應(yīng)用情況巷道支護(hù)首選的支護(hù)方式(無論永久還是臨時(shí)支護(hù))如何用好錨桿支護(hù)，最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用？如何在不同條件選擇合適的支護(hù)方式？1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵在巷道淺層通過錨桿加固形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)錨固加固結(jié)構(gòu)保持整體完整性具有足夠的主動承載能力在內(nèi)部煤巖體變形時(shí)能適當(dāng)讓壓1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵掘進(jìn)工作面附近錨桿支護(hù)應(yīng)力場分布

1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵保持整體完整性錨固加固結(jié)構(gòu)整體完整性是對錨桿支護(hù)的基本要求。錨桿支護(hù)系統(tǒng)局部出現(xiàn)破壞（如錨桿破斷、支護(hù)構(gòu)件失效、頂幫出現(xiàn)網(wǎng)兜等）會導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)喪失整體完整性，將引起連鎖反應(yīng)，加速錨桿支護(hù)巷道的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大多數(shù)巷道的破壞均是由局部開始，進(jìn)而發(fā)展成全斷面的變形破壞，導(dǎo)致巷道片幫、冒頂，甚至引發(fā)事故。1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵足夠的主動承載能力針對不同地質(zhì)和生產(chǎn)條件的巷道，所需的主動承載力差異很大。一般回采巷道和不受動壓影響的大巷要求的主動承載力較小。深井高應(yīng)力巷道、小煤柱護(hù)巷、煤柱下掘進(jìn)的巷道等要求的主動承載力較大。多次動壓影響巷道、沿空留巷巷道要求更大的主動承載能力。1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵讓壓性能錨桿支護(hù)本身是一種柔性支護(hù)，具有很強(qiáng)的讓壓性能。讓壓性能包括兩方面：一是錨桿支護(hù)材料本身的讓壓性能，要求錨桿桿體材料具有足夠的延伸性能；二是支護(hù)結(jié)構(gòu)的讓壓性能，對于錨桿支護(hù)的巷道，支護(hù)結(jié)構(gòu)為錨桿和被加固的圍巖的組合體。不同的地質(zhì)和生產(chǎn)條件下的巷道，對錨桿支護(hù)系統(tǒng)的讓壓性能要求不同。如靜壓巷道對錨桿支護(hù)系統(tǒng)的讓壓性能要求不高深井高應(yīng)力軟巖巷道、強(qiáng)膨脹性軟巖巷道、留巷巷道、小煤柱護(hù)巷等對讓壓性要求較高。在巷道經(jīng)受高應(yīng)力或強(qiáng)烈動壓轉(zhuǎn)移的過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)在保持高承載能力和整體結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)適當(dāng)讓壓。承載結(jié)構(gòu)應(yīng)像一堵墻，可以被整體推動，但仍具有較強(qiáng)承載能力。1錨桿支護(hù)的定義及內(nèi)涵兩大基本原則：及時(shí)、主動預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散2錨桿支護(hù)的對象（支護(hù)范圍）錨桿支護(hù)的對象是巷道圍巖；在巖石地下工程中，由于受開挖影響而發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)改變的周圍巖體，稱為圍巖；工程地質(zhì)學(xué)中把重分布應(yīng)力影響范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖。絕大部分為6r(r為洞室半徑)；切記！并不是圍巖的全部均需要支護(hù)。2錨桿支護(hù)的對象（支護(hù)范圍）2

錨桿支護(hù)的對象（支護(hù)范圍內(nèi)應(yīng)力問題）輕緩構(gòu)造作用地區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果與巖體彈性模量大小直接相關(guān)。彈性模量大的巖體內(nèi)地應(yīng)力高，彈性模量小的巖體內(nèi)地應(yīng)力低。最大主應(yīng)力與巖石彈性模量呈很好的線性關(guān)系。不同巖性巖層中最大水平主應(yīng)力的關(guān)系：2

錨桿支護(hù)的對象煤礦地應(yīng)力測量一般在巖性較好的砂巖或泥質(zhì)砂巖中進(jìn)行；煤體中的水平主應(yīng)力應(yīng)按彈性模量和泊松比進(jìn)行折減計(jì)算；因此，煤巷中的錨桿支護(hù)并不是直接抵抗實(shí)測的原巖應(yīng)力值，而是比其小10倍甚至更多的次生應(yīng)力；錨桿支護(hù)是恢復(fù)三向應(yīng)力狀態(tài)，以保持圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2錨桿支護(hù)的對象（支讓問題）掘進(jìn)工作面前后頂板應(yīng)力變化曲線

2錨桿支護(hù)的對象（支讓問題）

掘進(jìn)工作面前后圍巖位移曲線

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的精細(xì)化研究3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)3.4金屬網(wǎng)的選取和使用3.5組合構(gòu)件的選取3.6全螺紋錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選3.8錨桿尾部螺紋破斷問題3.9錨桿（索）變形特性3.10錨索預(yù)應(yīng)力損失問題3.11錨索的破斷問題3.12錨桿設(shè)計(jì)角度的選取3.13錨索長度的選取3.14錨桿延伸率問題3.15木托板的錨桿應(yīng)力損失問題3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素

提高錨桿預(yù)緊力得到普遍認(rèn)可T=M/kd如何施加高的預(yù)緊力？提高錨桿預(yù)緊力矩提高螺紋加工精度減小螺紋螺距降低螺齒高度減摩墊片高效減摩墊片直接張拉法相關(guān)的文獻(xiàn)表明，在通常情況下，螺栓在擰緊過程中，僅有10%的扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力。預(yù)緊力矩90%用于克服摩擦力，其中螺栓頭與支撐面之間消耗50%，螺紋副之間消耗40%，稱“The50-40-10Rule”。3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素加工質(zhì)量對錨桿扭矩和預(yù)緊力之間的換算關(guān)系有一定的影響，加工質(zhì)量越好，相對的預(yù)緊力越大，影響程度約在10%～20%。

3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素減小螺距可提高錨桿的預(yù)緊力轉(zhuǎn)換率，如φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，尾部螺紋一般為M24×3mm，如采用M24×2.5mm的螺紋，相同扭矩情況下可提高預(yù)緊力20%左右，同時(shí)可增加螺紋破斷強(qiáng)度5%左右。

降低螺齒高度可減少加工損傷，減小摩擦系數(shù)3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素3.1影響錨桿預(yù)緊力轉(zhuǎn)換的因素徹底改變錨桿桿尾受拉、剪、扭、彎作用復(fù)雜受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力施加階段僅受拉應(yīng)力作用；錨桿預(yù)緊力是可控的；張拉力接近或達(dá)到錨桿屈服強(qiáng)度，達(dá)到150kN（以前為50kN）。預(yù)應(yīng)力錨桿液壓張拉器(ZL201010530261.6)3.2錨桿快速安裝螺母的選取普通螺母法蘭螺母扭矩螺母鋼片充填式塑料塞式防松螺母銷釘式3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.2錨桿快速安裝螺母的選取3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

托板是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。托板的形狀、幾何尺寸及強(qiáng)度與剛度都影響錨桿的受力狀況與支護(hù)效果。托板失效就會導(dǎo)致整個(gè)錨桿失去支護(hù)能力，而合理的、與桿體匹配的托板能夠充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。測力托板的制作3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

將制作好的測力托板用螺栓固定在實(shí)驗(yàn)臺上，在實(shí)驗(yàn)臺下方安裝載荷傳感器，使用扭矩倍增器和扭矩扳手來施加逐步增大的載荷，當(dāng)傳感器顯示載荷每增加10kN時(shí)，停止施加載荷，接收應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

縱剖面應(yīng)變與載荷關(guān)系

面支撐四點(diǎn)支承三點(diǎn)支撐3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬分析不同形狀托盤受力不同尺寸托盤受力不同厚度托盤受力不同拱高托盤受力3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

100×100mm100×100mm200×200mm200×200mm預(yù)緊階段工作階段不同尺寸托盤受力：3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

研究結(jié)論：拱形托板預(yù)緊階段擴(kuò)散預(yù)應(yīng)力的效果好、工作階段抗變形能力強(qiáng)；圓形拱托板受力最好，但由于其加工制作麻煩，故選用拱形方托板為宜；拱形托板的尺寸以不小于120×120mm，不大于200×200mm為宜。錨桿托板以150×150mm的拱形托板為最佳選擇；拱形托板合理厚度8～10mm；拱高以34mm為宜。3-01組3-02組3-03組3-04組3-05組3-06組3-07組3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

托盤載荷曲線錨桿載荷曲線3.3錨桿托盤的設(shè)計(jì)

3.4金屬網(wǎng)的選取和使用鋼筋焊接網(wǎng)菱形金屬網(wǎng)經(jīng)緯網(wǎng)3.4金屬網(wǎng)的選取和使用3.4金屬網(wǎng)的選取和使用3.4金屬網(wǎng)的選取和使用3.4金屬網(wǎng)的選取和使用鋼筋網(wǎng)、菱形網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)所能提供的最大護(hù)表能力分別為0.1MPa、0.024MPa、0.02MPa，現(xiàn)場可根據(jù)具體地質(zhì)與生產(chǎn)條件進(jìn)行選擇。鋼筋網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方式嚴(yán)重影響鋼筋網(wǎng)護(hù)表能力的發(fā)揮，約為鋼筋網(wǎng)極限承載力的11％～23.8％，鋼筋網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)度有待提高。

菱形網(wǎng)隨著護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的增加，護(hù)表能力逐漸增加，護(hù)表力一般在13.3～19.2kN之間，14＃綁絲、50mm聯(lián)接間距與菱形網(wǎng)的強(qiáng)度匹配合理。

3.4金屬網(wǎng)的選取和使用經(jīng)緯網(wǎng)采用14＃綁絲、聯(lián)網(wǎng)間距50mm時(shí)，護(hù)表能力在12.8kN～14.6kN之間，為經(jīng)緯網(wǎng)極限承載力的78.4％～90％，與經(jīng)緯網(wǎng)的強(qiáng)度基本匹配。

在聯(lián)網(wǎng)過程中，對金屬網(wǎng)及時(shí)施加一定的張拉力，可使金屬網(wǎng)及時(shí)支護(hù)圍巖，減小圍巖變形。如何對金屬網(wǎng)及時(shí)施加較大的張拉力以及不同張拉力對圍巖變形的控制作用是今后金屬網(wǎng)研究的方向。3.5組合構(gòu)件的選取組合構(gòu)件的選取原則：將錨桿有機(jī)聯(lián)成一體，發(fā)揮整體支護(hù)效果；應(yīng)有利于錨桿作用的發(fā)揮；應(yīng)有利于錨桿托盤貼幫貼頂效果；應(yīng)有利于錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散效果；不能破壞煤巖體。3.5組合構(gòu)件的選取組合構(gòu)件的種類：W型鋼帶W型鋼護(hù)板M型鋼帶П型鋼帶平鋼帶鋼筋梯梁3.5組合構(gòu)件的選取3.5組合構(gòu)件的選取W型鋼帶(100kN)應(yīng)力等值線W鋼護(hù)板(100kN)應(yīng)力等值線π型鋼帶(100kN)應(yīng)力等值線托盤（100kN）應(yīng)力等值線M鋼帶(100kN)應(yīng)力等值線鋼筋托梁(100kN)應(yīng)力等值線1900mm550mm750mm不連通400mm450mm0mm1900mm1900mm1900mm1900mm1900mm3.5組合構(gòu)件的選取從有利于預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散的角度分析：W鋼帶＞W(wǎng)鋼護(hù)板＞π型鋼帶＞單獨(dú)托板＞M型鋼帶＞鋼筋托梁3.5組合構(gòu)件的選取3.6全螺紋錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿金屬桿體結(jié)構(gòu)3.6全螺紋錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：螺紋右旋，安裝輕松；對頂板及煤幫的適應(yīng)性強(qiáng)，特別是圍巖破碎，出現(xiàn)局部凸凹不平時(shí)，可順利實(shí)現(xiàn)貼幫貼頂；在巷修時(shí)，將錨桿截?cái)嗪螅钥缮贤斜P螺母護(hù)幫，而且錨桿的加工也比較方便。價(jià)格低廉。由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得全螺紋等強(qiáng)錨桿在一些礦區(qū)得到大面積推廣。3.6全螺紋錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：右旋螺紋在使用錨桿機(jī)攪拌樹脂藥卷時(shí)容易造成“倒藥”現(xiàn)象，致使錨固劑在孔內(nèi)充填不密實(shí)，影響錨固效果，使錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度和彈性模量大幅度降低，特別是在使用中速藥卷，攪拌時(shí)間較長時(shí)；螺距較大，雖然上螺母速度快，但錨桿的預(yù)緊力偏小。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，扭矩為300Nm時(shí)，預(yù)緊力僅為10kN左右、預(yù)緊力偏低，極易導(dǎo)致對圍巖的加固效果差，特別是強(qiáng)度低的層狀復(fù)合頂板，致使巖層過早出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，加大了支護(hù)難度；

3.6全螺紋錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：等強(qiáng)錨桿螺母為精密鑄造件，由于鑄造精度不夠，經(jīng)常造成錨桿出現(xiàn)“退帽”現(xiàn)象；另外在炮掘施工巷道，由于放炮震動，普遍發(fā)生錨桿螺帽被震松的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響支護(hù)效果。

攪拌效果對比3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選隨著我國煤礦開采深度的不斷增加和地質(zhì)條件日益復(fù)雜化,煤礦沖擊礦壓現(xiàn)象日益突出,沖擊強(qiáng)度也不斷加大,其造成的危害性也越來越大。沖擊礦壓現(xiàn)象主要發(fā)生在煤礦巷道中,沖擊礦壓巷道對錨桿支護(hù)材料提出了哪些要求？3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選在靜載條件下具有較高的強(qiáng)度和延伸率在沖擊載荷作用下錨桿桿體應(yīng)具有很好的瞬時(shí)延伸率和吸能作用目前有無此類材料？？？經(jīng)熱處理工藝加工而成的高強(qiáng)度高韌性錨桿的研制已經(jīng)成功并應(yīng)用3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選對目前煤礦巷道支護(hù)常用的熱軋錨桿桿體材料和最新研制的熱處理高強(qiáng)度高韌性錨桿進(jìn)行了詳細(xì)的靜載和沖擊載荷下力學(xué)性能對比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明熱處理高強(qiáng)度高韌性錨桿靜載下力學(xué)性能和普通熱軋錨桿基本一致,但在沖擊載荷作用下其瞬時(shí)延伸性能和吸能能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通熱軋錨桿,非常適合沖擊礦壓巷道錨桿支護(hù)。在河南義馬千秋煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn),取得較好地支護(hù)效果。3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選靜載條件下3種錨桿的力學(xué)性能3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選沖擊載荷下3種錨桿材料的力學(xué)性能3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選從3種錨桿桿體材料在沖擊載荷下吸收能量特征值看，CRM600錨桿材料吸收能量在各階段均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2種熱軋錨桿材料。在彈性階段吸收能量分別為HRB600錨桿材料和HRB400錨桿材料的2.1倍和1.36倍;在塑性階段分別為HRB600錨桿材料和HRB400錨桿材料的1.45倍和1.3倍;裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展能分別為HRB600錨桿材料和HRB400錨桿材料的17.2倍和9.1倍;裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展能分別為HRB600錨桿材料和HRB400錨桿材料的42.3倍和1.38倍;沖擊全過程總吸收能量分別為HRB600錨桿材料和HRB400錨桿材料的4.2倍和2.1倍。從沖擊試驗(yàn)曲線特征也可看出,在沖擊載荷作用下,熱軋錨桿材料在裂紋起裂后一般發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象,而熱處理錨桿材料則呈現(xiàn)出緩慢斷裂的特征。3.7沖擊礦壓巷道錨桿桿體材料優(yōu)選試驗(yàn)巷道為河南義馬千秋煤礦18220回風(fēng)巷。原支護(hù)“全斷面錨網(wǎng)索噴漿+36U型棚+液壓抬棚”復(fù)合支護(hù)形式。在巷道掘進(jìn)期間距掘進(jìn)工作面10m處巷道就出現(xiàn)急劇變形,短時(shí)間內(nèi)兩幫收斂量高達(dá)800mm,出現(xiàn)錨桿破斷現(xiàn)象。新設(shè)計(jì)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索和36U型棚聯(lián)合支護(hù),錨桿由原來的熱軋右旋全螺紋桿體變?yōu)镃RM600高強(qiáng)度高韌性錨桿,并優(yōu)化了錨桿、錨索配套構(gòu)件及間排距,以最大限度發(fā)揮錨桿錨索的支護(hù)作用。礦方為進(jìn)一步提高巷道安全性,增加了36U型棚支護(hù),錨桿和鋼棚排距由原來的600mm加大到900mm。在類似條件原支護(hù)情況下,巷道頂板局部下沉超過1.0m,兩幫移近量超過3.

0m。采用新支護(hù)方案,在整個(gè)服務(wù)期間頂板最大下沉量160mm,兩幫最大移近量350mm,錨桿錨索受力均勻,無錨桿錨索破斷現(xiàn)象發(fā)生,巷道安全得到顯著改善。該新型支護(hù)材料和形式目前已在全公司推廣使用。

3.8錨桿尾部螺紋破斷錨桿支護(hù)材料向高強(qiáng)度高剛度的方向發(fā)展提高錨桿預(yù)緊力得到普遍認(rèn)可高強(qiáng)度錨桿出現(xiàn)尾部螺紋破斷現(xiàn)象，威脅礦井和人身安全螺紋破斷的原因何在？如何在大幅提高錨桿預(yù)緊力的情況下消除螺紋段的破斷？3.8錨桿尾部螺紋破斷3.8錨桿尾部螺紋破斷延性斷裂脆性斷裂3.8錨桿尾部螺紋破斷錨桿尾部螺紋破斷產(chǎn)生的后果：尾部螺紋突然彈射，危及人身安全錨桿突然破斷造成巷道圍巖變形急劇增加，幾小時(shí)內(nèi)可達(dá)200mm以上如不及時(shí)補(bǔ)設(shè)錨桿可能造成連鎖破斷現(xiàn)象，甚至造成冒頂片幫事故3.8錨桿尾部螺紋破斷造成錨桿尾部螺紋破斷的原因：錨桿材質(zhì)問題應(yīng)力腐蝕螺紋加工損傷復(fù)合應(yīng)力作用錨桿材質(zhì)錨桿材質(zhì)

錨桿的中心偏析

錨桿材質(zhì)錨桿中的非金屬夾雜物

100X

不同錨桿桿體螺紋鋼負(fù)荷—位移對比曲線

錨桿材質(zhì)應(yīng)力腐蝕螺紋加工損傷

齒牙表面剝離牙底折疊裂紋牙底裂紋與腐蝕

螺紋加工損傷兩個(gè)試件的螺紋段外觀

齒牙部分滾絲不當(dāng)而造成的過強(qiáng)化開裂

復(fù)合應(yīng)力作用錨桿井下安裝時(shí)一般受三種應(yīng)力的復(fù)合作用：拉應(yīng)力剪應(yīng)力扭力矩復(fù)合應(yīng)力作用復(fù)合應(yīng)力作用3.8錨桿尾部螺紋破斷消除錨桿螺紋破斷的措施：選擇質(zhì)量好的錨桿材質(zhì)尾部螺紋加工工藝改進(jìn)采用調(diào)心球墊避免錨桿受較大的剪力采用高效減摩墊圈減小緊螺母時(shí)造成錨桿受較大扭矩采用張拉法預(yù)緊錨桿3.9錨桿變形特性分析

錨桿桿體的變形特征是錨桿支護(hù)機(jī)理的重要組成部分，是支護(hù)參數(shù)合理確定的基礎(chǔ)。巷道不同部位錨桿的變形特征不同。選取典型的大變形巷道，對挑頂和刷幫之后外露錨桿進(jìn)行觀測，總結(jié)了巷道錨桿整體變形特征。3.9錨桿變形特性分析3.9錨桿變形特性分析

3.9錨桿變形特性分析

趙莊礦1306工作面11#橫貫變形后幫錨桿3.9錨桿變形特性分析

3.10

錨桿設(shè)計(jì)角度的選取典型的錨桿支護(hù)布置圖頂角錨桿一般15-30°幫上角錨桿10-20°幫下角錨桿10-45°個(gè)別錨索也帶角度3.10錨桿設(shè)計(jì)角度的選取3.10錨桿設(shè)計(jì)角度的選取3.10錨桿設(shè)計(jì)角度的選取3.10錨桿設(shè)計(jì)角度的選取3.10錨桿設(shè)計(jì)角度的選取3.10

錨桿設(shè)計(jì)角度的選取帶角度錨桿有以下缺點(diǎn)：使圍巖中壓應(yīng)力區(qū)相互分離，大大減弱支護(hù)效果；兩角錨桿受力偏小，甚至受壓，大大減弱了錨桿的支護(hù)作用；使錨桿尾部螺紋受力狀態(tài)惡化，大大增加尾部螺紋破斷的機(jī)率。綜合分析，錨桿垂直巖面施工效果最佳。3.11錨桿延伸率問題Ag最大力（Fm）非比例伸長率Agt最大力（Fm）總伸長率A斷后伸長率At斷裂總伸長率3.11錨桿延伸率問題3.11錨桿延伸率問題3.12木托板的預(yù)應(yīng)力損失問題木托板對錨桿預(yù)應(yīng)力傳遞的影響3.12木托板的預(yù)應(yīng)力損失問題木托盤預(yù)緊力在剛施加后迅速降低，50秒左右即會有10%的預(yù)緊損失，5分鐘內(nèi)損失即達(dá)到15%，1小時(shí)后損失達(dá)23%，16h左右損失達(dá)30%。3.13

錨索長度的選取目前在煤巷支護(hù)中，錨索的使用長度越來越長，好像越長越安全；條件越困難錨索越長；動壓巷道錨索甚至更長；目前最長的煤巷錨索為20m，施工1根錨索需2-3h。錨索長度到底如何選??？3.13錨索長度的選取錨索長度的選取取決于它的作用原理：懸吊作用：長度取決于穩(wěn)定巖層的位置；加固作用：長度取決于穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)的厚度，作用原理和錨桿相同。3.13錨索長度的選取錨索長度4m的應(yīng)力分布圖

錨索長度8m的應(yīng)力分布圖

3.13錨索長度的選取隨著錨索長度增加，有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍在高度方向上逐漸增加，表明錨索主動支護(hù)作用的范圍不斷擴(kuò)大；但在寬度方向上變化不明顯，而且隨著錨索長度增加有減小的趨勢。隨著錨索長度增加，錨索長度中部及以上部分的壓應(yīng)力逐步減小，表明錨索對中部及上部圍巖的支護(hù)作用不斷減?。浑S著錨索長度增加，兩錨索之間中部圍巖的壓應(yīng)力逐步減小，表明錨索對其間圍巖的支護(hù)作用不斷減小。3.13錨索長度的選取當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，短錨索的主動支護(hù)作用優(yōu)于長錨索；錨索越長，施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)越大，才能充分發(fā)揮錨索的支護(hù)作用；通過提高錨索的預(yù)應(yīng)力，可適當(dāng)減少錨索長度；特別是在強(qiáng)烈動壓巷道支護(hù)中，切記不要選擇長度過大的錨索和對穿錨索，否則非常容易大面積破斷。3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題預(yù)緊力是錨索設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，它關(guān)系到錨索的支護(hù)質(zhì)量和加固效果。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，煤礦一般將錨索的預(yù)緊力設(shè)計(jì)為錨索破斷載荷的30%～50%。φ15.24mm的錨索，破斷力260kN，一般設(shè)計(jì)預(yù)緊力為80～100kN；19股φ22mm錨索，破斷力560kN，設(shè)計(jì)預(yù)緊力250～300kN。3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題誤區(qū)：直接將設(shè)計(jì)預(yù)緊力值轉(zhuǎn)化為壓力表讀數(shù)作為驗(yàn)收預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)。錨索預(yù)緊力在張拉預(yù)緊過程中是有損失的：理論損失實(shí)際損失3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題錨索張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力損失原因：限位板尺寸與使用的夾片不配套限位板相對于工作錨夾片太淺限位板相對于工作錨夾片太深工作錨夾片與限位板匹配由于施工人員沒有將夾片均勻地放置，使得三瓣夾片有前有后，這也會使限位板頂住夾片，從而使應(yīng)力損失。3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題錨索鎖定時(shí)的應(yīng)力損失原因：卸載時(shí)錨索的彈性回縮多次張拉，工作錨夾片內(nèi)齒已被磨損，使得鎖定時(shí)發(fā)生滑移在錨索鎖定后，錨索的預(yù)緊力損失很大。在今后的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工中，必須考慮預(yù)緊力的損失問題。3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題解決途徑：錨索張拉設(shè)備和鎖具的選擇張拉設(shè)備和鎖具原則上應(yīng)選擇同一生產(chǎn)廠家，并經(jīng)過設(shè)備配套試驗(yàn)改進(jìn)現(xiàn)有張拉設(shè)備采用超張拉法3.14錨索預(yù)應(yīng)力損失問題3.15錨索的破斷問題現(xiàn)場錨索破斷主要兩種形式：鎖具附近破斷和實(shí)驗(yàn)室偏斜拉伸試驗(yàn)一致加固圍巖內(nèi)部破斷和實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)斷口有明顯區(qū)別3.15錨索的破斷問題現(xiàn)場破斷錨索3.15錨索的破斷問題現(xiàn)場破斷錨索3.15錨索的破斷問題現(xiàn)場破斷錨索3.15錨索的破斷問題現(xiàn)場破斷錨索3.15錨索的破斷問題實(shí)驗(yàn)室破斷錨索3.15錨索的破斷問題實(shí)驗(yàn)室破斷錨索3.15錨索的破斷問題實(shí)驗(yàn)室破斷錨索3.15錨索的破斷問題實(shí)驗(yàn)室破斷錨索礦用錨索鋼絞線偏斜拉伸性能試驗(yàn)臺3.15錨索的破斷問題3.15錨索的破斷問題3.15錨索的破斷問題3.15錨索的破斷問題3.15錨索的破斷問題3.15錨索的破斷問題錨索安裝角度應(yīng)≤15°，以確保錨索處于較好受力狀態(tài)；錨索中部破斷主要是在較高載荷下受巖層錯(cuò)動引起偏斜拉伸引起的；個(gè)別錨索中部破斷是圍巖淺層碎脹造成的拉伸破壞。4錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場的傳遞特征CCRI

4.1單根錨桿預(yù)應(yīng)力的傳遞特征4.2多根錨桿錨桿預(yù)應(yīng)力的傳遞特征預(yù)緊力20kN預(yù)緊力50kN預(yù)緊力70kN預(yù)緊力100kN5煤巷錨桿支護(hù)合理支護(hù)應(yīng)力的研究

不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬研究煤巷圍巖主應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬研究煤巷錨桿合理支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)研究5.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬試塊尺寸試塊結(jié)構(gòu)5.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬應(yīng)變片布置設(shè)計(jì)應(yīng)變片貼設(shè)5.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬試塊粘接加載（單軸加載四周約束）5.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬硬1分層應(yīng)力場云圖軟分層應(yīng)力場云圖3.3MPa加載作用下橫向應(yīng)力場云圖A=0.36a=0.135.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬硬2分層應(yīng)力場云圖軟分層應(yīng)力場云圖3.3MPa加載作用下縱向應(yīng)力場云圖B=0.86C=0.65b=0.18C=0.155.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬硬分層彈模10.08GPa軟分層彈模4.16GPaE硬=2.42E軟硬分層試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟分層試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力場比值2.5≈應(yīng)力場與彈模成正比5.1不同彈模煤巖層應(yīng)力分布規(guī)律物理模擬埋深/mσv/MPaσH/MPaσh/MPa1894.7311.866.2埋深/mσv/MPaσH/MPaσh/MPa20051276001518121000252417埋深/mσv/MPaσH/MPaσh/MPa20051.71.0600152.61.71000253.42.4推算不同埋深煤層地應(yīng)力（1/7）假設(shè)不同埋深巖層地應(yīng)力何家塔煤礦巖層地應(yīng)力1395.2煤巷圍巖主應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬細(xì)砂巖粉砂巖中砂巖煤泥巖中砂巖40m43m4m3m0.5m0.5mP1P2P35.2煤巷圍巖主應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬臨空面距煤幫0.5m距煤幫1m5.3煤巷錨桿合理支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)研究150mm150mm150mm獲取煤樣過程及尺寸150×150×150mm300×300×300mm控制器計(jì)算機(jī)加載系統(tǒng)攝像機(jī)聲發(fā)射系統(tǒng)5.3煤巷錨桿合理支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)研究加載路徑卸載路徑卸+恢復(fù)圍壓路徑5.3煤巷錨桿合理支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)研究(200m)恢復(fù)圍壓0.2MPa恢復(fù)圍壓0.1MPa恢復(fù)圍壓0MPa卸荷點(diǎn)卸圍壓至0MPa破壞軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線恢復(fù)圍壓0.2MPa恢復(fù)圍壓0.1MPa恢復(fù)圍壓0MPa卸荷點(diǎn)卸圍壓至0MPa破壞聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)5.3煤巷錨桿合理支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)研究(600m)恢復(fù)圍壓0.2MPa恢復(fù)圍壓0.1MPa恢復(fù)圍壓0MPa卸荷點(diǎn)卸圍壓至0MPa破壞軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線恢復(fù)圍壓0.2MPa恢復(fù)圍壓0.1MPa恢復(fù)

圍壓0MPa卸荷點(diǎn)卸圍壓至0MPa破壞聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)5.3煤巷錨桿合理支護(hù)應(yīng)力試驗(yàn)研究(1000m)恢復(fù)圍壓0.2MPa恢復(fù)圍壓0.1MPa卸荷點(diǎn)卸圍壓至0MPa破壞恢復(fù)圍壓0.2MPa恢復(fù)圍壓0.1MPa卸荷點(diǎn)卸圍壓至0MPa破壞軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)5.4結(jié)論

物理模擬試驗(yàn)表明：應(yīng)力場分布與彈性模量近似成正比；數(shù)值模擬表明：不同埋深地應(yīng)力等級下煤巷圍巖最大主應(yīng)力均是先減小后增加至穩(wěn)定，中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力先減小后穩(wěn)定；真三軸試驗(yàn)表明：在煤樣臨界破壞時(shí)立即恢復(fù)圍壓，內(nèi)部破裂得到明顯抑制，煤樣變形穩(wěn)定。但當(dāng)?shù)陀谝欢ǖ膰鷫簳r(shí)，煤樣就會立即失穩(wěn)破壞。對于200m淺埋深煤巷，其錨桿合理支護(hù)應(yīng)力為0-0.1MPa；對于600m中等埋深煤巷，其錨桿合理支護(hù)應(yīng)力為0.1MPa左右；對于1000m大埋深煤巷，其錨桿合理支護(hù)應(yīng)力為0.1-0.2MPa。6頂板離層臨界值的確定方法頂板離層臨界值的確定獲得頂板離層數(shù)據(jù)后，如何分析？如何判斷巷道安全與否？如不安全是否需要加固？什么時(shí)間加固？6頂板離層臨界值的確定方法國外：澳大利亞錨桿長度一般為2400mm，按1/100計(jì)算，則為24mm，但為便于記憶通常按1英寸(25.4mm)考慮。澳大利亞向英國、印尼、日本、波蘭等國輸出錨桿支護(hù)技術(shù)時(shí)，頂板離層臨界值一律按1英寸考慮。波蘭規(guī)定，如果錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層量超過巖層厚度的2%，或頂板巷道跨度范圍內(nèi)的巖層離層量超過巖層厚度的1.5%，就認(rèn)為頂板處于不安全狀態(tài)，需要進(jìn)行加固處理。

6頂板離層臨界值的確定方法國內(nèi)：我國主要依據(jù)影響巷道頂板離層的主要因素如地應(yīng)力、圍巖力學(xué)性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、錨桿支護(hù)參數(shù)、巷道斷面、護(hù)巷煤柱尺寸等參數(shù)確定頂板離層臨界值。由于各礦區(qū)甚至一個(gè)礦區(qū)內(nèi)各礦井地質(zhì)和生產(chǎn)條件都不盡相同，各礦必須結(jié)合具體的地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件試驗(yàn)確定頂板離層臨界值，應(yīng)用難度較大。如何確定具有普遍適用性的巷道頂板離層臨界值一直是困擾我國煤炭行業(yè)的難題。6頂板離層臨界值的確定方法在以錨桿支護(hù)為主的巷道中，頂板圍巖的穩(wěn)定性和變形不僅和巷道的地質(zhì)和生產(chǎn)條件有關(guān)，還和采用的錨桿支護(hù)系統(tǒng)本身有著密切的聯(lián)系。無論何種生產(chǎn)和地質(zhì)條件，一旦采用的支護(hù)系統(tǒng)失效，就意味著支護(hù)的失效，最終將導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞甚至發(fā)生大的冒頂事故。本文將詳細(xì)探討錨桿支護(hù)巷道頂板離層臨界值的確定方法。

6頂板離層臨界值的確定方法錨桿支護(hù)系統(tǒng)允許變形量的影響因素：錨桿桿體的材質(zhì)錨桿的結(jié)構(gòu)錨桿的錨固方式

錨桿的預(yù)緊力

錨桿桿體的材質(zhì)不同錨桿桿體螺紋鋼負(fù)荷—位移對比曲線錨桿桿體的材質(zhì)錨桿桿體的材質(zhì)錨桿桿體最大的可利用變形量應(yīng)為最大力伸長率，而不是破斷伸長率。不同強(qiáng)度等級的錨桿鋼、甚至不同廠家生產(chǎn)的同等強(qiáng)度的錨桿