錨桿支護(hù)理論與工程實(shí)踐培訓(xùn)PPT[詳細(xì)]

1、中國礦業(yè)大學(xué) 柏建彪（博士、教授） ,錨桿支護(hù)理論與工程實(shí)踐,主 要 內(nèi) 容,1 錨桿支護(hù)發(fā)展 2 錨桿支護(hù)理論 3 錨桿支護(hù)體系 4 設(shè)計(jì)方法 5 施工 6監(jiān)測(cè) 7 錨桿支護(hù)巷道冒頂調(diào)查分析,3,1 錨桿支護(hù)發(fā)展,2個(gè)階段：以1995年引進(jìn)澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)為分界點(diǎn)。 錨桿支護(hù)理論、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法、施工機(jī)具、小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)、錨桿孔徑、錨固劑及錨固方式、監(jiān)測(cè)技術(shù)等均發(fā)生了變化。 美國、澳大利亞接近100%，英國80%，美國錨桿支護(hù)為巷道頂板的唯一支護(hù)方式。 我國1995年時(shí)約15.15%，目前約70%。,錨桿支護(hù)使用范圍,、類全面推廣，、類得到推廣應(yīng)用 綜放沿空掘巷錨桿支護(hù) 軟弱

2、、破碎煤巷錨桿支護(hù) 三軟煤巷錨桿支護(hù) 深井煤巷錨桿支護(hù),錨桿支護(hù)效果 錨桿支護(hù)與架棚支護(hù)相比，其優(yōu)越性表現(xiàn)在： 屬于主動(dòng)支護(hù) 將巷道圍巖變成承載體 對(duì)巷道不規(guī)則斷面適應(yīng)性強(qiáng) 巷道圍巖變形量顯著減小，安全生產(chǎn)得到保證，大幅度減少 了冒頂、瓦斯、火災(zāi)事故 簡化巷道布置，減少巖石工程 實(shí)現(xiàn)沿空掘巷，提高煤炭資源采出率，延長礦井壽命 錨桿支護(hù)具有巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是我國煤炭行業(yè)繼綜合機(jī)械化之后的第二次支護(hù)技術(shù)革命,柏建彪教授,6,拱型可縮性支架破壞,木支架嚴(yán)重?fù)p壞,支架破壞實(shí)況,架棚巷道變形和支架損壞情況,柏建彪教授,7,沿空掘巷維護(hù)狀況

3、 煤柱寬度5m,柏建彪教授,8,錨桿支護(hù)巷道維護(hù)狀況,柏建彪教授,9,2 錨桿支護(hù)理論,柏建彪教授,10,（1）懸吊理論 機(jī)理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩(wěn)定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。 缺點(diǎn)：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。,柏建彪教授,11,（1）懸吊理論 適用條件：錨桿可以錨固到頂板堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層,柏建彪教授,12,（2）組合梁理論,機(jī)理：通過錨桿將幾層薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）。

4、增加巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，提高自撐能力。 缺點(diǎn)：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時(shí)，難以形成組合梁。,適用條件： 層狀地層 頂板在相當(dāng)距離內(nèi)不存在穩(wěn)定巖層，懸吊作用處于次要地位。,柏建彪教授,13,（3）組合拱理論,機(jī)理：在錨桿兩端形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，錨桿間距合理時(shí)，形成的壓應(yīng)力圓錐體相互交錯(cuò)，在巖體中形成均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受外部荷載。承壓拱內(nèi)的巖石處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。,缺點(diǎn)：一般不能作為準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì)。 適用條件：頂板無穩(wěn)定巖層 拱形巷道,柏建彪教授 13951

5、359087，,14,（4）最大水平應(yīng)力理論,機(jī)理：水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性。在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)與松動(dòng)而膨脹造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯(cuò)動(dòng)。,柏建彪教授,15,（4）最大水平應(yīng)力理論,柏建彪教授,16,圍巖與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系,隨支護(hù)強(qiáng)度增加，圍巖的極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度提高，圍巖殘余強(qiáng)度提高到一定程度就能保持巷道穩(wěn)定。,（5）錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論,柏建彪教授,17,（5）錨桿支護(hù)強(qiáng)度強(qiáng)化理論,錨桿與圍巖相互作用，形

6、成錨桿圍巖的共同承載結(jié)構(gòu)，改善錨固體力學(xué)性能，提高錨固體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，特別是殘余強(qiáng)度的提高，有效提高圍巖的自承能力，控制圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)發(fā)展，促使巷道圍巖由不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。,柏建彪教授,18,錨固體C、C*、* 隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度t的增加而提高。,不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞前的C、 值,不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞后的C*、* 值,柏建彪教授,19,圖 錨固體應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 注：曲線上數(shù)字為錨桿支護(hù)強(qiáng)度t（MPa）,錨固體強(qiáng)度隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度t 的提高而得到強(qiáng)化，達(dá)到一定程度就可保持圍巖穩(wěn)定。,錨固體 1、1*的表達(dá)式：,式中：

7、 1 錨固體極限強(qiáng)度，MPa， 1*錨固體殘余強(qiáng)度，MPa。 t 錨桿支護(hù)強(qiáng)度，MPa 提高支護(hù)強(qiáng)度t ，可使C、C*、* 提高；它們的提高，使1、1*顯著增強(qiáng)。,3 錨桿支護(hù)體系,（1）錨桿 高強(qiáng)度、大直徑。破斷載荷一般在200 300kN以上，近年應(yīng)用破斷載荷400kN以上的錨桿。 延伸率均大于15% 錨桿直徑2022mm 穩(wěn)定性較高、維護(hù)要求低、服務(wù)時(shí)間短的巷道兩幫可以采用Q235圓鋼錨桿和玻璃鋼錨桿。,柏建彪教授,22,玻璃鋼錨桿,柏建彪教授,23,采用左旋、無縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，等強(qiáng)（錨桿尾部螺紋部分采用墩粗或熱處理、滾絲） 錨桿

8、成套：桿體、托盤（鋼板軋制，厚度根據(jù)礦壓確定）、球形墊圈（鑄鋼）、減摩墊圈（1個(gè)聚氨酯、1個(gè)鋁合金）、螺母（高強(qiáng)度、快速安裝螺帽）,柏建彪教授,24,（2）錨固劑及錨固方式 錨固劑：樹脂藥卷，一般采用凝結(jié)速度為超快與中速的樹脂藥卷配合。,柏建彪教授,25,錨固方式 全長錨固：錨桿中部受力最大；增阻速度快。具有較大的抗剪切能力。增加巖層間的法向力，阻止層間錯(cuò)動(dòng)，防止離層。在錨固范圍內(nèi)錨桿伸長1mm，可產(chǎn)生1020kN的錨固力，支護(hù)剛度大。 端頭錨固：類。全長或加長錨固：類,柏建彪教授,26,使用藥卷長度一般CK2335

9、、Z2360mm，復(fù)合頂板一般采用雙速2360和Z2360。,柏建彪教授,27,（3）三徑匹配 鉆孔直徑比錨桿直徑大610mm 鉆孔直徑比樹脂藥卷大6mm左右 一般鉆孔直徑29mm，錨桿直徑20、22mm，樹脂藥卷直徑23mm。,錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑的關(guān)系,柏建彪教授,28,（4）網(wǎng)及鋼帶 網(wǎng)：采用金屬網(wǎng)、塑料網(wǎng)。嚴(yán)禁將最前排錨桿螺帽松開或等待后壓網(wǎng)。 鋼帶：鋼筋梯子梁、M型鋼帶、W型鋼帶等。要求鋼筋梯子梁采用高強(qiáng)度焊條焊接，防止開焊。鋼帶的厚度或鋼筋直徑根據(jù)礦壓確定。,柏建彪教授,29,（5）施工機(jī)具 機(jī)載錨

10、桿鉆機(jī) 鉆機(jī) 頂板：風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、鑿巖機(jī) 兩幫：強(qiáng)力煤電鉆、幫錨桿鉆機(jī) 鉆頭：合金鋼鉆頭、金剛石鉆頭 鉆桿：B19、B22六方中空合金鋼鉆桿 安裝器：頂板錨桿采用錨桿鉆機(jī)，幫錨桿采用風(fēng)炮 聯(lián)接器：快速聯(lián)接器,聯(lián)接器,快速安裝螺母,柏建彪教授,30,（5）施工機(jī)具 頂板鉆機(jī)：風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)、液壓鉆機(jī)、鑿巖機(jī) 兩幫鉆機(jī)：強(qiáng)力煤電鉆、幫錨桿鉆機(jī),當(dāng)f8，優(yōu)先選用錨桿機(jī)；當(dāng)f 8時(shí)，宜選用鑿巖機(jī)。 錨桿安裝：應(yīng)采用錨桿機(jī)，嚴(yán)禁采用鑿巖機(jī)。,柏建彪教授,31,鉆頭：合金鋼鉆頭、金剛石鉆頭,在f6時(shí)，使用兩種鉆頭鉆速基本一致，而普通型鉆頭消耗費(fèi)用

11、低，因此應(yīng)優(yōu)先選用普通型鉆頭；在6f 8時(shí)，使用金剛石鉆頭的鉆速提高4倍以上，而且費(fèi)用接近，因此應(yīng)優(yōu)先選用金剛石鉆頭。,柏建彪教授,32,（6）小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù) 是一種主動(dòng)加強(qiáng)支護(hù) 以錨桿支護(hù)為主，以錨索為輔 樹脂錨固端加粗，鉆孔與錨索直徑不匹配 錨固在穩(wěn)定煤巖層中均可以 高應(yīng)力巷道可以采用直徑17.8、18.9mm的錨索,柏建彪教授,33,（7）桁架支護(hù) 桁架改變頂板的應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力將減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力；預(yù)緊力增加裂隙體間的摩擦作用，提高頂板穩(wěn)定性；提高頂板兩肩窩的抗剪切能力，防止剪切冒落。,柏建彪教授

12、,34,單式雙拉桿桁架錨桿 1錨頭；2錨桿；3托架；4水平拉桿,柏建彪教授,35,復(fù)式桁架錨桿 1錨桿；2拉桿；3拉緊器；4墊木,柏建彪教授,36,4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法,可歸納為三大類，分別是工程類比法、理論計(jì)算法、以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。,柏建彪教授,37,（1）工程類比法 是一種實(shí)用的方法，在我國錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位。 在已有的大量、成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)巷道的生產(chǎn)地質(zhì)條件確定支護(hù)參數(shù)。 主要有以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的工程類比法；巷道圍巖松動(dòng)圈分類為基礎(chǔ)的工程類比法。 采用我國緩傾斜

13、、傾斜煤層回采巷道穩(wěn)定性分類方案，將巷道分為5類。制訂相應(yīng)的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范。,柏建彪教授,38,（2）理論計(jì)算法 根據(jù)懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論計(jì)算錨桿長度、間排距、破斷載荷等。 （3）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 首先進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估（含地應(yīng)力測(cè)試），將地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、錨桿參數(shù)等輸入計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件，以圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論為依據(jù)，按控制圍巖變形效果和經(jīng)濟(jì)合理的原則選擇最優(yōu)方案，組織施工，并對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿載荷監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息確定是否調(diào)整錨桿支護(hù)參數(shù)，經(jīng)反復(fù)實(shí)踐，在動(dòng)態(tài)中修改完善設(shè)計(jì)。,柏建彪教授,39,5 錨桿支護(hù)施工,（1）保證

14、錨桿高預(yù)緊力 錨桿預(yù)緊力的作用 主動(dòng)支護(hù)，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力或減小拉應(yīng)力，有效抑制巷道圍巖破裂區(qū)向深部發(fā)展，發(fā)揮圍巖的自身承載能力，提高穩(wěn)定性。,柏建彪教授,40,預(yù)緊力的確定 ：采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算相耦合的方法確定錨桿預(yù)緊力的合理值,巷道變形量與預(yù)緊力的關(guān)系,柏建彪教授,41,實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力 大扭矩 ：大扭矩的錨桿鉆機(jī)、風(fēng)炮保證大扭矩，大于200Nm。 采用成套錨桿，主要指使用減摩墊圈（ 1個(gè)鋁合金墊圈、1個(gè)塑料墊圈）。 錨桿螺紋加工精細(xì)，減小摩擦阻力。 建議不采用粗螺紋的等強(qiáng)錨桿，頂板不得采用粗螺紋的等強(qiáng)錨桿。,柏建彪教授 1395135

15、9087，,42,預(yù)緊力的檢查 采用扭力扳手 固定專人負(fù)責(zé)上緊螺母 當(dāng)班驗(yàn)收員檢查 有關(guān)職能部門抽查，并及時(shí)上緊。 抽查迎頭14排錨桿,柏建彪教授,43,（2）錨桿外露長度 錨桿外露不超長，小于70mm，最好控制在50mm內(nèi)。 外露超長：錨固長度、錨桿有效長度減小 （3）使用快速安裝器 提高巷道掘進(jìn)速度 保證錨桿支護(hù)質(zhì)量,柏建彪教授,44,（4）錨桿孔要求 錨桿孔深度比錨桿長度少50100mm。鉆桿與錨桿長度相等 鉆孔直徑比錨桿直徑大612mm。 頂角錨桿向兩幫傾斜，錨固端在兩幫煤體內(nèi)300mm以上，其它頂錨桿與頂板垂直。 （5）巷道成型,柏

16、建彪教授,45,（1）監(jiān)測(cè)的必要性 保證安全 掌握巷道圍巖活動(dòng)規(guī)律和錨桿載荷變化規(guī)律 為優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)提供依據(jù),6 錨桿支護(hù)巷道監(jiān)測(cè),柏建彪教授,46,（2）監(jiān)測(cè)內(nèi)容,柏建彪教授,47,（3）監(jiān)測(cè)要求 錨桿錨固力：測(cè)量圍巖、樹脂藥卷、錨桿桿體三者之間的可錨性，合理確定錨固長度、檢驗(yàn)樹脂藥卷質(zhì)量等。每300根測(cè)量1組，不少于6根，頂板、兩幫錨桿均要拉拔。,柏建彪教授,48,頂板離層狀況：判斷頂板錨固區(qū)內(nèi)、錨固區(qū)外穩(wěn)定狀況及錨桿支護(hù)參數(shù)的合理性。在迎頭安裝，一般每5080m安裝1套頂板離層指示

17、儀，每天觀測(cè)1次，穩(wěn)定后12周觀測(cè)1次。,柏建彪教授,49,巷道表面位移：反映巷道表面位移的大小及斷面收縮程度，判斷圍巖穩(wěn)定狀況。一般測(cè)量頂?shù)装濉蓭拖鄬?duì)移近量。在迎頭設(shè)置測(cè)站,柏建彪教授,50,深部位移：反映巷道深部位移的大小，判斷圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的大小及圍巖穩(wěn)定狀況。在迎頭設(shè)置測(cè)站,柏建彪教授,51,錨桿載荷：反映錨桿載荷大小，判斷錨桿處于彈性狀態(tài)，還是塑性狀態(tài)，確定頂板是否穩(wěn)定，錨桿支護(hù)參數(shù)是否合理。頂板采用測(cè)力錨桿觀測(cè)，兩幫采用錨桿液壓枕測(cè)量。,柏建彪教授,52,7 錨桿支護(hù)巷道冒

18、頂調(diào)查分析,2005、2006年全國煤礦死亡事故按事故性質(zhì)統(tǒng)計(jì)頂板事故占34.66%，巷道頂板事故超過冒頂事故的一半。,柏建彪教授,53,18個(gè)礦區(qū)調(diào)研結(jié)果 開灤、鐵法、大同、汾西、潞安、晉城、邢臺(tái)、平頂山、鶴壁、鄭州、徐州、淮南、淮北、兗州、新汶、邯鄲、焦作、義馬等,7 錨桿支護(hù)巷道冒頂調(diào)查分析,柏建彪教授,54,（1）巖層組合劣化型,1）非穩(wěn)定巖層變厚超過錨桿（索）長度 冒頂原因:直接頂板泥巖厚度由設(shè)計(jì)時(shí)的4.4m變?yōu)槊绊敃r(shí)的6.3m, 超過了設(shè)計(jì)的 錨索長度(5m)。 共發(fā)生48起，占總事故數(shù)的29.63%。,柏建彪教授 1395135

19、9087，,55,（1）巖層組合劣化型,2）穩(wěn)定巖層變薄 冒頂原因:煤層間的粉砂巖厚79m變?yōu)槊奥鋾r(shí)的4.06m。錨索錨在了煤層中，錨固能力大大降低.冒落長40m，寬6m，高6.5m. 此類事故共發(fā)生19起，占總事故數(shù)的11.73%。,柏建彪教授,56,（1）巖層組合劣化型,3）頂板一定范圍內(nèi)出現(xiàn)軟弱夾層 此類事故共發(fā)生32起，占總事故數(shù)的19.75%。 冒頂原因:直接頂板泥巖與基本頂砂巖間突然出現(xiàn)50mm厚的一層煤線。長9.4m，寬4.2m，高2.35m,柏建彪教授,57,（2）巖層結(jié)構(gòu)缺陷型,4）頂板出現(xiàn)小斷層 此類事故共發(fā)生15起，占總事故數(shù)的9.26 。 巷道附近出現(xiàn)隱含小斷層 事故共發(fā)生10起，占總事故數(shù)的6.17% 。,柏建彪教授,58,（2）巖層結(jié)構(gòu)缺陷型,5）節(jié)理發(fā)育 褶曲構(gòu)造引起頂板局部變化，斜交節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致巷道頂板楔形冒落。長寬高為（2030）(2.83.2)（0.82.5）m 此類事故共有7起，占總事故數(shù)的4.