煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用课件

煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用 朱永辉、申中云生产基建部7.10煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用煤矿巷道锚杆支护成套技术及应用 提纲一、前言二、锚杆支护理论的发展三、锚杆支护成套技术四、应用实例分析五、存在的问题六、展望提提 纲一、前言纲一、前言一、前言掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。安全、有效、快速巷道支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。我国国有大中型煤矿年新掘进巷道总长度10000余km，80%煤巷。如此巨大规模的地下工程在其他行业是不多见的。巷道支护成本、速度、可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。一、前言掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。一、前言掘进与回采是煤矿开采的两个关键环节。一、前言掘进为采煤服务，巷道掘进与支护技术必须满足高产高效回采工作面的要求。我国以综采放顶煤、一次采全高为代表的采煤技术得到迅速发展，不断刷新高产高效的全国记录。如此高的工作面产量与推进速度对巷道掘进与支护提出前所未有的严格要求。成巷速度必须大幅度提高，满足工作面快速推进。回采巷道确保正常使用，在工作面推进过程中基本不需要维修，支护效果满足运输、通风要求。一、前言掘进为采煤服务，巷道掘进与支护技术必须满足高产高效回一、前言掘进为采煤服务，巷道掘进与支护技术必须满足高产高效回q巷道是矿井的生命线，犹如人体的血管，承担行人、通风、运输等任务，巷道不通，则采煤无法进行。q但是随着我国煤炭需求量增大，开采深度不断增加，高强度开采、深部开采、多工作面采动影响等因素导致巷道支护越来越困难，冒顶垮落时有发生，严重影响煤矿安全一、前言巷道是矿井的生命线，犹如人体的血管，承担行人、通风、运输等任巷道是矿井的生命线，犹如人体的血管，承担行人、通风、运输等任一、前言堵塞堵塞“血管血管”，发生事故，造成生产不畅一、前言，发生事故，造成生产不畅一、前言一、前言 巷道支护状况锚杆支护技术得到普遍认可；高强度锚杆支护技术得到推广应用；小孔径锚索支护加固技术大面积应用；破碎煤岩体注浆加固；一些矿区达到90%，很多矿区达到60%；实现高产高效必不可少的关键技术。一、前言一、前言 巷道支护状况巷道支护状况锚杆支护理论的发展过程传统的被动支护（悬吊）到主动支护只重视强度发展到既重视强度又重视刚度复杂困难巷道二次支护、联合支护理论（只提高支护刚度难以有效控制围岩变形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护）发展到强力一次支护。二、锚杆支护理论的发展1、锚杆支护理论锚杆支护理论的发展过程二、锚杆支护理论的发展锚杆支护理论的发展过程二、锚杆支护理论的发展1、锚杆支护理论、锚杆支护理论锚杆支护理论的类型被动地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；在锚固区内形成某种结构(梁、层、拱、壳等)；改善锚固区围岩力学性能与应力状态，控制围岩变形与破坏。锚杆支护本质作用以第3种模式为主。巷道开挖后立即支护，并施加足够高的安装力，即锚杆、锚索预应力，提高锚固体的刚度非常重要。二、锚杆支护理论的发展锚杆支护理论的类型二、锚杆支护理论的发展锚杆支护理论的类型二、锚杆支护理论的发展提高支护刚度途径三方面：一及时支护；二锚杆施加高预应力，并实现有效扩散；三加长或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动敏感。锚杆预应力及其扩散起关键性作用。大幅提高支护刚度与强度，特别是预应力，可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次支护。二、锚杆支护理论的发展提高支护刚度途径三方面：一及时支护；二锚杆施加高预应力，并实提高支护刚度途径三方面：一及时支护；二锚杆施加高预应力，并实三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展2、支护应力场与综合应力场q支护应力场：支护在围岩中产生的应力场与在支护体内部产生的应力场。q综合应力场：原岩应力场、采动应力场及支护应力场n原岩应力场：在漫长地质历史时期中逐渐形成，在未经人为扰动的天然状态下，地壳岩体中具有的内应力。n采动应力场：井下开挖巷道、硐室及开采煤层等采掘活动引起的煤岩体中应力重新分布，出现的次生应力场。采动应力场在空间上分布有一定的范围，而且随着采矿活动的进行与时间的推移不断变化。三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展2、支护应力场与、支护应力场与三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展n支护应力场：出现在与支护体接触的围岩周围，及支护体内部。空间上分布范围较小，而且随着采掘活动的进行与时间的推移发生变化。n三种应力场构成煤矿井下综合应力场。从时间上，先有原岩应力场，然后才有采动应力场与支护应力场，而且是随时间变化的；从空间上，原岩应力场普遍存在于地壳中，采动应力场分布在采掘活动影响的一定范围内，而支护应力场则分布在更小的范围。三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展支护应力场：出现三、采动应力场分布特征二、锚杆支护理论的发展支护应力场：出现三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征0306090q 采动应力场-巷道围岩应力分布不同夹角围岩最大主应力（两帮水平切面）不同夹角围岩最大主应力（两帮水平切面）垂直应力垂直应力水平应力水平应力二、锚杆支护理论的发展三、采动应力场分布特征三、采动应力场分布特征0306090 采动应力场采动应力场-巷巷0306090掘进掘进工作工作面最面最大主大主应力应力分布分布二、锚杆支护理论的发展q 采动应力场-巷道围岩应力分布0306090掘进工作面最大主应力分布二、锚杆支护理掘进工作面最大主应力分布二、锚杆支护理工作面位置工作面位置工作面后工作面后1m工作面后工作面后4m工作面前工作面前1m距掘进工作面不同位置应力分布垂直应力垂直应力水平应力水平应力二、锚杆支护理论的发展q 采动应力场-巷道围岩应力分布工作面位置工作面后工作面位置工作面后1m工作面后工作面后4m工作面前工作面前1m距掘进工作面不距掘进工作面不垂直应力垂直应力水平应力水平应力n垂直应力在工作面前方先出现应力降低区，后出现升高区，集中应力3.5倍；在左前方煤柱出现较高集中应力；后方左侧煤柱，上工作面回采，应力叠加，5.1倍。n水平应力布趋势与垂直应力类似。二、锚杆支护理论的发展q 采动应力场-采场围岩应力分布垂直应力水平应力垂直应力在工作面前方先出现应力降低区，后出现垂直应力水平应力垂直应力在工作面前方先出现应力降低区，后出现n各种支护均可在围岩中引起应力场。n锚杆、支架、喷层、砌碹，液压支架、单体支柱等支护，都可产生各自特点的支护应力场。n支护应力场分主动与被动支护应力场。锚杆锚索预应力产生的应力场，液压支架与单体支柱初撑力产生的应力场属主动支护应力场；支架、砌碹及无预应力锚杆等支护形式是被动支护应力场。二、锚杆支护理论的发展q 支护应力场各种支护均可在围岩中引起应力场。二、锚杆支护理论的发展各种支护均可在围岩中引起应力场。二、锚杆支护理论的发展 支支预紧力预紧力20kN20kN 预紧力预紧力100kN100kN 二、锚杆支护理论的发展n 锚杆支护应力场预紧力预紧力20kN 预紧力预紧力100kN 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 不同锚杆间距的应力分布不同锚杆间距的应力分布 二、锚杆支护理论的发展不同锚杆间距的应力分布不同锚杆间距的应力分布 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展无钢带无钢带 有钢带有钢带二、锚杆支护理论的发展无钢带无钢带 有钢带二、锚杆支护理论的发展有钢带二、锚杆支护理论的发展锚索周围应力分布锚索周围应力分布 二、锚杆支护理论的发展锚索周围应力分布锚索周围应力分布 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展锚杆与锚索周围应力分布锚杆与锚索周围应力分布 二、锚杆支护理论的发展锚杆与锚索周围应力分布锚杆与锚索周围应力分布 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 单体支柱应力场分布单体支柱应力场分布(初撑力初撑力150kN)二、锚杆支护理论的发展n 支柱与支架应力场 单体支柱应力场分布单体支柱应力场分布(初撑力初撑力150kN)二、锚杆支护理论的发二、锚杆支护理论的发 U型钢金属支架应力场分布型钢金属支架应力场分布二、锚杆支护理论的发展n 支柱与支架应力场 U型钢金属支架应力场分布二、锚杆支护理论的发展型钢金属支架应力场分布二、锚杆支护理论的发展 支柱与支柱与l各种支护形式对围岩产生支护作用的同时，在支护体内部会产生应力场。不同支护形式应力场分布各有特点。l锚杆支护构件在各自内部产生应力场。锚杆杆体在巷道围岩中受拉、弯、剪与扭曲等作用。对于拉伸，BHRB500高强度锚杆杆体，弹性范围可产生高达500MPa的拉应力。二、锚杆支护理论的发展n 支护体内应力场各种支护形式对围岩产生支护作用的同时，在支护体内部会产生应力各种支护形式对围岩产生支护作用的同时，在支护体内部会产生应力l锚杆预紧力100kN，100100mm平托板压应力分布。l托板中心压力最大（超过10MPa），随远离托板中心，压应力迅速减小。一定距离，托板应力很小。平托板压应力分布平托板压应力分布二、锚杆支护理论的发展n 支护体内应力场锚杆预紧力锚杆预紧力100kN，100100mm平托板压应力分布。平平托板压应力分布。平l钢带跨中向下弯曲，受拉部分钢带压槽，受拉面积小，受力较大；上表面受压，面积较大，受力小且平均。l托板处钢带上表面和孔口应力集中明显。钢带压槽受压力，上表面受拉力，最大应力在托板边缘钢带压槽处。W型钢带压应力分布型钢带压应力分布二、锚杆支护理论的发展n 支护体内应力场钢带跨中向下弯曲，受拉部分钢带压槽，受拉面积小，受力较大；上钢带跨中向下弯曲，受拉部分钢带压槽，受拉面积小，受力较大；上五、各应力场之间的关系五、各应力场之间的关系l晋城寺河矿首采工作面。原岩应力7.05-16.44MPa；不受动压影响巷道集中应力9.5-26MPa，回采面集中应力25-36MPa，采动应力变化范围-236MPa；l锚杆在围岩中产生的支护应力-0.112MPa，拉应力出现在锚杆头部，最大压应力出现与托板接触处；l锚杆拉应力达400-600MPa；托板压应力达10MPa；钢带拉应力使钢带屈服（235MPa），拉断（380MPa）。l围岩与支护构件中的应力场多种多样，应力值相差悬殊。l支护在围岩中应力场，对拉应力和剪应力产生明显作用。二、锚杆支护理论的发展n 三种应力场数值比较五、各应力场之间的关系晋城寺河矿首采工作面。原岩应力五、各应力场之间的关系晋城寺河矿首采工作面。原岩应力7.05五、各应力场之间的关系五、各应力场之间的关系l原岩应力越高，应力差异越大，采动影响越强烈、集中应力越高，对支护系统要求越高。围岩条件相同，强烈动压巷道需要高强度、高刚度且具有足够延伸率的支护系统。支护形式与参数设计不合理，可能引起支护体受力过大而失效，支护应力场丧失。l支护对围岩施加约束，改变围岩应力状态，从二向应力转向三向应力状态，影响采动应力场。二、锚杆支护理论的发展n 三种应力场相互作用五、各应力场之间的关系原岩应力越高，应力差异越大，采动影响越五、各应力场之间的关系原岩应力越高，应力差异越大，采动影响越单根锚杆不同裂纹长度单根锚杆不同裂纹长度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素无裂纹无裂纹裂纹长度裂纹长度0.4m裂纹长度裂纹长度0.8m裂纹长度裂纹长度1.2m单根锚杆不同裂纹长度单根锚杆不同裂纹长度 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的单根锚杆不同裂纹位置单根锚杆不同裂纹位置 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹在锚固段裂纹在锚固段裂纹在自有段中部裂纹在自有段中部裂纹在锚杆尾部裂纹在锚杆尾部单根锚杆不同裂纹位置单根锚杆不同裂纹位置 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的单根锚杆不同裂纹宽度单根锚杆不同裂纹宽度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹宽度裂纹宽度1mm裂纹宽度裂纹宽度3mm3mm裂纹宽度裂纹宽度5mm5mm裂纹宽度裂纹宽度10mm裂纹宽度裂纹宽度20mm单根锚杆不同裂纹宽度单根锚杆不同裂纹宽度 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的单根锚杆不同裂纹角度单根锚杆不同裂纹角度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹倾角裂纹倾角20裂纹倾角裂纹倾角30单根锚杆不同裂纹角度单根锚杆不同裂纹角度 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的单根锚杆不同预应力单根锚杆不同预应力二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素预应力预应力100kN预应力预应力130kN单根锚杆不同预应力二、锚杆支护理论的发展单根锚杆不同预应力二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的影响锚杆预应力场的影响锚杆支护不同裂纹长度锚杆支护不同裂纹长度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹长度裂纹长度1m裂纹长度裂纹长度3m锚杆支护不同裂纹长度锚杆支护不同裂纹长度 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的锚杆支护不同裂纹位置锚杆支护不同裂纹位置 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹在锚固段裂纹在锚固段裂纹在自有段中部裂纹在自有段中部裂纹在锚杆尾部裂纹在锚杆尾部锚杆支护不同裂纹位置锚杆支护不同裂纹位置 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的锚杆支护不同裂纹宽度锚杆支护不同裂纹宽度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹宽度裂纹宽度0.5mm裂纹宽度裂纹宽度1mm1mm裂纹宽度裂纹宽度5mm锚杆支护不同裂纹宽度锚杆支护不同裂纹宽度 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的锚杆支护不同裂纹角度锚杆支护不同裂纹角度 二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素裂纹倾角裂纹倾角20裂纹倾角裂纹倾角30锚杆支护不同裂纹角度锚杆支护不同裂纹角度 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的锚杆预应力场的锚杆支护不同预应力锚杆支护不同预应力二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素预应力预应力100kN预应力预应力130kN锚杆支护不同预应力二、锚杆支护理论的发展锚杆支护不同预应力二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的影响锚杆预应力场的影响锚杆支护不同孔隙率锚杆支护不同孔隙率二、锚杆支护理论的发展q 锚杆预应力场的影响因素无孔隙无孔隙孔隙率孔隙率2%2%孔隙率孔隙率10%10%锚杆支护不同孔隙率二、锚杆支护理论的发展锚杆支护不同孔隙率二、锚杆支护理论的发展 锚杆预应力场的影响锚杆预应力场的影响 锚杆支护概念主动支护系数（预应力与杆体屈服强度比值）锚杆主动支护性与预应力分类二、锚杆支护理论的发展 锚杆支护概念二、锚杆支护理论的发展锚杆支护概念二、锚杆支护理论的发展 强度利用系数(轴向拉力与杆体拉断载荷比值）锚杆强度利用率分类 二、锚杆支护理论的发展 强度利用系数强度利用系数(轴向拉力与杆体拉断载荷比值）二、锚杆支护理论轴向拉力与杆体拉断载荷比值）二、锚杆支护理论 预应力长度系数(预应力长度与杆体全长比值）有效压应力区(预应力扩散，抑制拉应力出现的区域)预应力扩散系数(有效压应力区宽度与锚杆长度比值)二、锚杆支护理论的发展 预应力长度系数预应力长度系数(预应力长度与杆体全长比值）二、锚杆支护理论预应力长度与杆体全长比值）二、锚杆支护理论临界支护刚度锚固区不产生明显离层和拉应力区的支护刚度。刚度小于临界值，围岩变形、不稳定。刚度达到临界值，有效控制变形。锚杆临界预应力。受力变化不明显的预应力为临界值。二、锚杆支护理论的发展临界支护刚度二、锚杆支护理论的发展临界支护刚度二、锚杆支护理论的发展q研究巷道支护应从分析掘进工作面周围应力分布与位移特征开始。q掘进工作面开挖后主要有四种效应：n掘进工作面附近煤岩体产生位移；n无支护开挖面不存在正应力与剪应力，一定是主应力面，其中一个主应力为零，对原岩应力场产生扰动；n开挖边界任何煤岩水压力、气体压力降低为大气压；n开挖边界煤岩体温度、湿度变化及风化作用，使煤岩体力学性质发生变化。二、锚杆支护理论的发展 3、预应力锚杆支护理论研究巷道支护应从分析掘进工作面周围应力分布与位移特征开始。二研究巷道支护应从分析掘进工作面周围应力分布与位移特征开始。二掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上0.3m）q顶板应力变化n水平应力：工作面前10m明显变化，4m最大，之后减小。工作面位置，原岩应力25%。之后变得很小。n垂直应力：工作面前6m开始变化，先增加后降低。工作面位置原岩应力20%。之后1m几乎为零。二、锚杆支护理论的发展掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上掘进工作面前后顶板应力变化（顶板表面以上0.3m）顶板应力变）顶板应力变掘进工作面前后位移分布与变化掘进工作面前后位移分布与变化q位移变化n超前工作面6m明显增加，过工作面曲线出现拐点，增加速度变缓。至工作面后方10m，达到稳定。n掘进工作面处，顶板下沉量接近总下沉量的40%；工作面后方1m处50%。井下超前工作面的位移监测不到，如果测点设置滞后，监测到后半部分。二、锚杆支护理论的发展掘进工作面前后位移分布与变化位移变化二、锚杆支护理论的发展掘进工作面前后位移分布与变化位移变化二、锚杆支护理论的发展q破坏区发展n剪切破坏区随工作面距离不同变化。前方2.5m出现剪切破坏，工作面位置3m，工作面后1m为4m，后方10m稳定。n拉破坏区随工作面距离不同变化。前方0.5m出现拉破坏，工作面位置1.5m，后1m为2m，后方5m后稳定。剪切屈服剪切屈服 拉伸屈服拉伸屈服掘进工作面前后围岩破坏区变化掘进工作面前后围岩破坏区变化 二、锚杆支护理论的发展破坏区发展剪切屈服破坏区发展剪切屈服 拉伸屈服掘进工作面前后围岩破坏区变化拉伸屈服掘进工作面前后围岩破坏区变化 二二q支护应力场n掘进推进方向，后方支护区域锚杆预应力形成连续分布的压应力带；n空顶区，最近一排锚杆预应力扩散到空顶区。预应力越大，扩散范围越广。虽然压应力小，但对抑制空顶区围岩破碎及降低风化有重要作用。已在多个矿井得到验证。n巷道断面锚杆形成整体压应力结构。掘进工作面锚杆支护应力场掘进工作面锚杆支护应力场 二、锚杆支护理论的发展支护应力场掘进工作面锚杆支护应力场支护应力场掘进工作面锚杆支护应力场 二、锚杆支护理论的发展二、锚杆支护理论的发展q锚杆支护围岩响应曲线n巷道支护：设在开挖表面的支护结构，围岩响应曲线：l连续岩体，初期不需设置刚性支护，允许岩体位移，但要在岩体出现有害位移前达到平衡。l非连续岩体，受结构面影响，岩体强度与完整性劣化，响应曲线趋于平直。岩体越破碎，需要支护力越大。零强度，原岩应力。围岩响应曲线与支护曲线围岩响应曲线与支护曲线 连续岩体连续岩体非连续岩体非连续岩体二、锚杆支护理论的发展锚杆支护围岩响应曲线围岩响应曲线与支护曲线锚杆支护围岩响应曲线围岩响应曲线与支护曲线 连续岩体非连续岩连续岩体非连续岩六、应力场与巷道支护的关系六、应力场与巷道支护的关系q锚杆支护围岩响应曲线n巷道加固：插入或灌入煤岩体内部起加固作用，使煤岩体自稳，锚杆与锚索、注浆加固。n锚杆分为插入煤岩体内部分(杆体、锚固剂)，设置在表面的构件（托板、钢带及网），常用名词“锚杆支护”，确切应称为“锚杆加固”或“锚杆加固与支护”。n煤岩体加固与支护的基本原理有本质区别，不能再用支护的围岩响应曲线。二、锚杆支护理论的发展六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护围岩响应曲线二、锚杆支护理六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护围岩响应曲线二、锚杆支护理q锚杆支护围岩响应曲线n煤矿围岩基本属非连续煤岩体。n锚杆受力变化归纳为5种类型。n曲线1对应预应力低，被动支护，受力小，支护不明显；n曲线5对应高预应力，锚固区位移差小，受力变化不大；n曲线2、3、4，虽然施加一定预应力，但都小于临界值，不能有效控制围岩早期的离层。锚杆受力变化曲线锚杆受力变化曲线二、锚杆支护理论的发展锚杆支护围岩响应曲线曲线锚杆支护围岩响应曲线曲线1对应预应力低，被动支护，受力小，支对应预应力低，被动支护，受力小，支q锚杆支护围岩响应曲线n锚杆支护围岩响应曲线。n水平线及斜线代表零强度和理想连续弹性体。n曲线1-5对受力曲线1-5。n曲线1支护作用不明显，与无支护相差不大；n曲线5，高预应力强力支护有效控制了围岩位移；n曲线2锚杆破断前，围岩位移较小，锚杆破断后，围岩位移急剧增大；曲线3围岩发生较大位移后，能趋于稳定；曲线4围岩发生较大围岩位移，不能稳定。锚杆围岩响应曲线锚杆围岩响应曲线二、锚杆支护理论的发展锚杆支护围岩响应曲线曲线锚杆支护围岩响应曲线曲线1支护作用不明显，与无支护相差不大；支护作用不明显，与无支护相差不大；六、应力场与巷道支护的关系六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护时空效应靠近掘进工作面位置一定范围内，顶板内仍有一定垂直压应力，在这个范围内安装锚杆，可维持或减小垂直压应力降低，减小偏应力。从改善围岩应力状态考虑，锚杆安设位置离工作面位置越近越好。掘进工作面周围拉应力区与剪切破坏区随工作面推进而发展。显然在围岩还没有出现拉、剪破坏或范围小时，安设锚杆对控制围岩进一步破坏有利。从控制围岩破坏考虑，锚杆安设位置离工作面位置越近越好。二、锚杆支护理论的发展六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护时空效应二、锚杆支护理论的六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护时空效应二、锚杆支护理论的六、应力场与巷道支护的关系六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护时空效应掘进工作面位置已经发生一定位移，只有及时安设锚杆才能有效控制围岩进一步位移和离层。从控制位移考虑，锚杆安设位置离工作面位置越近越好。巷道轴线与最大水平主应力方向呈一定夹角时，应在应力集中较大的一侧进行加强支护。在时间上，一开挖就应立即打锚杆，并施加足够预应力。不仅对改善围岩应力状态、控制围岩位移与破坏有利，而且对围岩风化、软化及空顶区破坏有很好的控制作用。二、锚杆支护理论的发展六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护时空效应二、锚杆支护理论的六、应力场与巷道支护的关系锚杆支护时空效应二、锚杆支护理论的锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容、不连续变形破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，保持锚固区围岩完整性，减小强度降低。锚杆与锚索应紧跟掘进工作面及时支护。在锚固区产生较大的压应力区，形成预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，改善围岩深部应力分布。锚杆支护系统具有足够延伸率，使围岩连续变形释放。锚杆预应力起决定性作用，确定合理预应力是支护设计关键。高预应力要求锚杆具有高强度。二、锚杆支护理论的发展锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容预应力扩散更为重要。单根锚杆作用范围有限，须通过托板、钢带等将预应力扩散到更远围岩。钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。锚索作用：一将锚杆承载结构与深部围岩相连；二是与锚杆有效压应力区连接、重叠，形成骨架网状结构；三是消除了锚杆端部的拉应力区。深部与复杂困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩变形，尽量避免二次支护。二、锚杆支护理论的发展预应力扩散更为重要。单根锚杆作用范围有限，须通过托板、钢带等预应力扩散更为重要。单根锚杆作用范围有限，须通过托板、钢带等三、锚杆支护成套技术三、锚杆支护成套技术巷道围岩地质力学测试锚杆支护设计锚杆支护材料锚杆支护施工机具锚杆支护矿压监测三、锚杆支护成套技术三、锚杆支护成套技术巷道围岩地质力学测试三、锚杆支护成套技术三、锚杆支护成套技术巷道围岩地质力学测试三、锚杆支护成套技术q煤岩体地质力学参数：应力参数(原岩应力与采动应力)；变形与强度参数；结构参数。q地质力学参数是巷道布置与支护设计的必要基础。q随着开采深度增加，井下地质环境发生显著变化，地质力学测试越显重要。煤层结构煤层结构(大同塔山大同塔山)1、巷道围岩地质力学测试煤岩体地质力学参数：应力参数煤岩体地质力学参数：应力参数(原岩应力与采动应力原岩应力与采动应力)；变形与强；变形与强q井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法l针对煤矿沉积岩强度低、破碎、应力高等特点及井下特殊环境，研发原位测试方法与仪器，实现准确、快速测量。l地应力-小孔径水压致裂法，煤岩体强度-钻孔触探法，围岩结构-钻孔观测法。1、巷道围岩地质力学测试井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法 1、巷道围岩、巷道围岩l单孔：一个小直径钻孔中完成地应力、围岩强度及围岩结构测试；l多参数：一个钻孔中完成应力、强度与结构测试；l耦合：同一钻孔中分别测量地应力、强度与结构，得出三者相互影响及耦合关系。地质力学测试过程1、巷道围岩地质力学测试单孔：一个小直径钻孔中完成地应力、围岩强度及围岩结构测试；地单孔：一个小直径钻孔中完成地应力、围岩强度及围岩结构测试；地q地质力学快速测试仪器lSYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置。钻孔直径56mm，测量深度50m，水压50MPa。lWQCZ-56型小孔径煤岩体强度测定装置。钻孔直径56mm，测量深度50m，压力140MPa。水压致裂地应力测量装置煤岩体强度测定装置1、巷道围岩地质力学测试地质力学快速测试仪器水压致裂地应力测量装置煤岩体强度测定装置地质力学快速测试仪器水压致裂地应力测量装置煤岩体强度测定装置lKDBC-56型数字全景钻孔窥视仪。采用数字全景技术，实现了钻孔结构参数定量测量。全景探头对裂缝的分辨率0.1mm，角度分辨率0.1。可提供钻孔360平面展开图像，及虚拟钻孔岩芯图，更加逼真。数字全景钻孔窥视仪数字全景钻孔窥视仪钻孔结构观测图片钻孔结构观测图片1、巷道围岩地质力学测试KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪。数字全景钻孔窥视仪钻孔结型数字全景钻孔窥视仪。数字全景钻孔窥视仪钻孔结q井下地质力学测试范围l采用发明的地质力学测试仪器，在27个矿区72个煤矿，进行了395个测站的地应力测试。l测量深度最小69.2m，最大1283m。l基本涵盖了我国煤矿的各种地质条件。地质力学测试分布图1、巷道围岩地质力学测试井下地质力学测试范围地质力学测试分布图井下地质力学测试范围地质力学测试分布图1、巷道围岩地质力学测、巷道围岩地质力学测l山西矿区（301个）u北部方向NNE-NEE。u吕梁方向大多NWW。u太原至介休两个趋向：NNE和NWW；阳泉附近为NWW。u长治到晋城：NE和NW。u从北到南，最大水平主应力方向主体趋向NE向。东部与西部偏向NW；东南部多变。山西省地应力分布图山西省地应力分布图q 地应力测量1、巷道围岩地质力学测试山西矿区（山西矿区（301个）山西省地应力分布图个）山西省地应力分布图 地应力测量地应力测量1、巷道围、巷道围l主应力随埋深增加整体呈现增加趋势，但存在明显的离散性。l主应力除与埋深有关外，受地质构造、煤岩体强度与刚度等因素影响明显。地质构造区地应力异常，岩层强度与刚度越大，地应力值越高。地应力与埋深的关系 侧压比与埋深的关系 1、巷道围岩地质力学测试主应力随埋深增加整体呈现增加趋势，但存在明显的离散性。地应力主应力随埋深增加整体呈现增加趋势，但存在明显的离散性。地应力l煤矿井下地应力分布特征k-平均水平主应力与垂直主应力比值H-埋藏深度，m平均水平应力与垂直应力比值随埋深变化 1、巷道围岩地质力学测试煤矿井下地应力分布特征煤矿井下地应力分布特征 k-平均水平主应力与垂直主应力比值平平均水平主应力与垂直主应力比值平 煤岩体强度井下测试新汶协庄矿煤帮强度测试结果 华丰矿-1100大巷顶板岩层强度测试结果1、巷道围岩地质力学测试 煤岩体强度井下测试煤岩体强度井下测试 新汶协庄矿煤帮强度测试结果新汶协庄矿煤帮强度测试结果 华丰矿华丰矿-潞安常村S3皮带下山顶板岩层强度分布晋城寺河矿2#车场顶板围岩强度分布l 煤岩体强度井下测试1、巷道围岩地质力学测试潞安常村潞安常村S3皮带下山晋城寺河矿皮带下山晋城寺河矿2#车场车场 煤岩体强度井下测试煤岩体强度井下测试 煤岩体结构测试前视式钻孔窥视 大同塔山矿巷道顶煤观测图片大同塔山矿巷道顶煤观测图片1、巷道围岩地质力学测试 煤岩体结构测试大同塔山矿巷道顶煤观测图片煤岩体结构测试大同塔山矿巷道顶煤观测图片1、巷道围岩地质力、巷道围岩地质力 数字全景钻孔窥视 0-6.8m 6.9-13.6m 13.7-20.4m1、巷道围岩地质力学测试 数字全景钻孔窥视数字全景钻孔窥视 0-6.8m 地质力学参数之间的关系潞安常村潞安常村潞安司马潞安司马晋城寺河晋城寺河淮南谢一淮南谢一1、巷道围岩地质力学测试 地质力学参数之间的关系潞安常村潞安司马晋城寺河淮南谢一地质力学参数之间的关系潞安常村潞安司马晋城寺河淮南谢一1、单个钻孔地应力测量结果：同一钻孔测试段水平主应力测试结果存在明显差异。同一测孔中不同岩性地应力值不同，岩石强度越高，应力值越大。弹模高、强度大的岩体积聚应变能高，应力大。岩体初始应力是岩石弹模、强度等的函数。地应力值除与埋深有关外，还与岩体强度、弹性模量等有关。工程设计应考虑到这一现象，数值模拟应针对不同岩性进行地应力赋值。1、巷道围岩地质力学测试单个钻孔地应力测量结果：同一钻孔测试段水平主应力测试结果存在单个钻孔地应力测量结果：同一钻孔测试段水平主应力测试结果存在 掘进工作面与巷道围岩应力与变形分布根据实测地应力、围岩强度与结构参数建立数值模型。分析巷道围岩应力、变形分布与破坏特征。2、锚杆支护设计基于地质力学测试的巷道支护设计垂直切面上水平应力分布 水平切面上垂直应力分布 掘进工作面与巷道围岩应力与变形分布掘进工作面与巷道围岩应力与变形分布 2、锚杆支护设计基于、锚杆支护设计基于确定巷道断面形状与尺寸；建立数值模型：根据地质力学测试数据及地质条件建立数值模型。确定模拟方案：一般包括无支护、不同煤柱尺寸，不同支护形式与参数等支护方案。模拟结果分析：分析巷道围岩变形与破坏的特征，支护形式与参数对支护效果的影响。通过多方案比较，确定有效、经济的支护方案。2、锚杆支护设计q 巷道支护设计确定巷道断面形状与尺寸；确定巷道断面形状与尺寸；2、锚杆支护设计、锚杆支护设计 巷道支护设计巷道支护设计 确定支护形式与参数的原则一次支护原则；高预应力与预应力扩散原则；“三高一低”原则(高强度、高刚度、高可靠性，低密度)临界支护刚度原则；相互匹配原则；可操作性原则；经济合理原则。2、锚杆支护设计 确定支护形式与参数的原则确定支护形式与参数的原则2、锚杆支护设计、锚杆支护设计支护参数选取预应力预应力设计原则：控制围岩不出现明显离层与拉应力区。杆体屈服载荷30-60%（50-100kN，300-600N.m）锚杆直径、长度越大，强度越高，要求预应力越高。2、锚杆支护设计支护参数选取支护参数选取2、锚杆支护设计、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计 不同材质与规格锚杆的预应力值2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计、预应力锚杆支护参数设计 不同材质与规格锚杆的预应力值不同材质与规格锚杆的预应力值2、3、预应力锚杆支护参数设计l预应力与螺母力矩、规格、加工精度、减摩垫片等有关。高预应力对锚杆结构、加工精度提出高要求。P0=kMf1螺母与螺纹段摩擦系数；fo螺母、垫圈端面摩擦系数；d2螺纹中径，mm；d0垫片内径，mm；D1螺母端部有效接触面外接圆直径，mm；s螺纹导程，mm,s=nt：n螺纹头数；t螺距，mm；M螺母预紧力矩，N.m；2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计预应力与螺母力矩、规格、加工精度、预应力锚杆支护参数设计预应力与螺母力矩、规格、加工精度、3、预应力锚杆支护参数设计l螺母扭矩n螺母扭矩越大，预应力越高。n螺纹钢锚杆：300-600N.mn扭矩倍增器，气动、液压扳手。l螺母与垫圈端面摩擦系数fonf0越小，k值越大n减摩垫圈：高效减摩塑料垫圈，减少螺母、垫圈摩擦阻力。塑料垫圈的材质起关键作用。2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计螺母扭矩螺母与垫圈端面摩擦系数、预应力锚杆支护参数设计螺母扭矩螺母与垫圈端面摩擦系数fo3、预应力锚杆支护参数设计 M24锚杆预紧力矩与预紧力关系240-不使用减摩垫片；242-1010尼龙；243-改性1010尼龙；244-高密度聚乙烯2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计、预应力锚杆支护参数设计 M24 锚杆预紧力矩与预紧力关系锚杆预紧力矩与预紧力关系3、预应力锚杆支护参数设计l螺母与螺纹段摩擦系数f1nf1越小，k值越大n提高锚杆螺纹与螺母加工精度n优化螺母与螺纹段的强度、刚度、几何尺寸的配合。(a)美国加工(b)国内加工国内外锚杆螺纹加工精度对比2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计螺母与螺纹段摩擦系数、预应力锚杆支护参数设计螺母与螺纹段摩擦系数f1(a)美美3、预应力锚杆支护参数设计国内外锚杆螺纹扭矩与预应力关系对比（M24）美国国内2、锚杆支护设计3、预应力锚杆支护参数设计国内外锚杆螺纹扭矩与预应力关系对比、预应力锚杆支护参数设计国内外锚杆螺纹扭矩与预应力关系对比锚杆长度锚杆长度增加，有效压应力区范围扩大。锚杆中上部压应力减小，两锚杆间中部围岩压应力减小。锚杆越长，预应力作用越不明显。锚杆越长，预应力应越大。通过提高预应力，可减小锚杆长度。1.8m2.4m2、锚杆支护设计锚杆长度锚杆长度1.8m2.4m2、锚杆支护设计、锚杆支护设计锚杆密度单根锚杆形成锥形压力区，尾部大，锚固起始次之，中部小；间距过大，锚杆压应力区独立，不能形成整体支护结构；间距缩小，锚杆锥形压应力区叠加，连成一体，整体支护结构；提高预应力，可降低支护密度。2、锚杆支护设计锚杆密度锚杆密度2、锚杆支护设计、锚杆支护设计锚固方式端锚有效压应力区大；加长锚固次之；全锚最小。提高加长锚、全锚锚杆预应力扩散有效途径，先施加预应力，锚固剂后固化，实现全长预应力锚固。端锚端锚加长锚加长锚全锚全锚2、锚杆支护设计锚固方式端锚加长锚全锚锚固方式端锚加长锚全锚2、锚杆支护设计、锚杆支护设计锚杆角度锚杆角度增加，角锚杆与中部锚杆有效压应力区分离，叠加区变小。15明显分离，独立支护单元。近水平煤层，角锚杆最好垂直布置，最大不超过10 010302、锚杆支护设计锚杆角度锚杆角度010302、锚杆支护设计、锚杆支护设计锚杆支护构件锚杆支护构件图图q 锚杆及附件q锚固剂q钢带q锚索q网3、锚杆支护材料锚杆支护构件图锚杆支护构件图 锚杆及附件锚杆及附件3、锚杆支护材料、锚杆支护材料 在借鉴国外先进技术的基础上，经过集中攻关，开发出适合我国煤矿巷道的高强度螺纹钢锚杆支护系列材料及配件。通过杆体结构与形状优化，更有利于提高锚杆的锚固效果；通过开发锚杆专用钢材或调质处理，达到高强度和超高强度级别。高强度锚杆成为锚杆支护的主要形式。3、锚杆支护材料 在借鉴国外先进技术的基础上，经过集中攻关，开在借鉴国外先进技术的基础上，经过集中攻关，开q 高强锚杆及附件n杆体几何形状u合理孔径差的条件下，保证杆体能顺利插入钻孔；u有利于提高锚固剂的粘结力与锚固效果；u尽量使杆体各个部位等强度；u杆体尾部有利于施加较大的预应力。u螺纹钢锚杆杆体主要有以下三种形式：普通建筑螺纹钢；右旋全螺纹钢；左旋无纵筋螺纹钢。3、锚杆支护材料 高强锚杆及附件高强锚杆及附件3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n杆体几何形状u左旋无纵筋螺纹钢。有利于增加锚固剂密实度，提高锚固力；尾部螺纹加工采用合理工艺，保证强度接近和达到杆体强度；尾部滚压成型螺纹，加工精度较高，可施加较大预应力。u左旋无纵筋螺纹钢杆体是基本满足杆体形状设计四准则、较理想的锚杆杆体。3、锚杆支护材料杆体几何形状杆体几何形状3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n杆体尾部结构（杆尾螺纹结构，受力复杂、易破坏）u螺纹部分不仅受拉，而且受剪切、弯曲；u螺纹直径与杆体不等，变径应力集中（23倍）。为保证螺纹强度接近或等于杆体，可采用以下结构：u滚圆加工后滚丝，减少强度损失；u螺纹段进行调质处理，提高螺纹强度；u墩粗杆体尾部，再加工螺纹，增加螺纹面积；u取消螺纹，制成墩头锚杆，从根本上消除螺纹影响；u细牙全螺纹杆体，螺母直接拧入杆体。3、锚杆支护材料杆体尾部结构（杆尾螺纹结构，受力复杂、易破坏）杆体尾部结构（杆尾螺纹结构，受力复杂、易破坏）3、锚杆支护材、锚杆支护材3、锚杆支护材料细牙全螺纹杆体3、锚杆支护材料细牙全螺纹杆体、锚杆支护材料细牙全螺纹杆体n杆体材质u开发专用锚杆钢材配方(BHRB400、500、600、700)。u保证杆体延伸率，强度大幅提高。u将冲击吸收功列入锚杆力学检测参数。u22mm、BHRB600强力锚杆：破断力300kN，预应力级别120kN。3、锚杆支护材料杆体材质杆体材质3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n杆体受力状态分析设计锚杆与巷道表面垂直，但由于施工、煤岩面凹凸不平，绝大多数锚杆与巷道表面呈一定角度。3、锚杆支护材料加预应力后施加预应力前杆体受力状态分析杆体受力状态分析3、锚杆支护材料加预应力后施加预应力前、锚杆支护材料加预应力后施加预应力前l锚杆试件，一端为螺纹，另一端焊接短螺纹钢。l加工倾角5、10、15、30的斜面铁块。l锚杆受力采用测力计，扭矩采用指针式扭矩扳手。l施加100-1000N.m扭矩，测量锚杆受力。3、锚杆支护材料锚杆不同安装角度受力试验台n 杆体受力状态分析实验室试验锚杆试件，一端为螺纹，另一端焊接短螺纹钢。锚杆试件，一端为螺纹，另一端焊接短螺纹钢。3、锚杆支护材料锚、锚杆支护材料锚n杆体受力状态分析实验室试验3、锚杆支护材料5101530径缩扭转变形 杆体受力状态分析杆体受力状态分析实验室试验实验室试验 3、锚杆支护材料、锚杆支护材料51n杆体受力状态分析实验室试验结果l安装角度小，锚杆与球形垫圈配合较好，侧向力较小，杆体弯曲变形不明显。l安装角度大，球垫不但不起调心作用，且卡住锚杆一侧，很大侧向力与弯矩，使锚杆弯曲变形，甚至螺纹底部产生裂缝，锚杆破断。l球垫内侧卡住螺纹是螺纹段受很大侧向力与断裂的主要原因。l扭矩加至700N.m左右时杆体屈服。继续增加扭矩，不但预应力增加幅度明显减小，且会导致杆体径缩与过大的扭曲变形。l安装角度大于15，且杆体最大拉应力达屈服点后，锚杆长期受载会造成螺纹弯曲并出现裂缝，锚杆根本达不到额定拉断载荷就破断。3、锚杆支护材料杆体受力状态分析杆体受力状态分析实验室试验结果实验室试验结果3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n杆体受力状态分析理论分析l锚杆受拉伸、弯曲、扭转引起的复合应力。3、锚杆支护材料2拉伸应力：扭转应力：弯曲应力：弯矩：复合应力：计算实例：扭矩600N.m，角度15。复合应力554.9MPa，远大于拉伸应力345.9MPa，接近杆体屈服强度。杆体受力状态分析杆体受力状态分析理论分析理论分析3、锚杆支护材料、锚杆支护材料2拉伸应力：扭转应拉伸应力：扭转应n杆体受力状态分析数值模拟l有限元分析软件ANSYSl受拉：杆体一端固定，另一端受拉应力。l受弯：杆体一端固定，另一端受集中力15kN。l受剪：杆体一端固定，相隔10mm受集中力10kN。l受扭：杆体一端固定，另一端受集中力偶。l复合应力：另一端受集中力、截面拉力和集中力偶。3、锚杆支护材料杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n杆体受力状态分析数值模拟3、锚杆支护材料杆体受拉等效应力云图 杆体受弯等效应力云图 杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟 3、锚杆支护材料杆体受拉等效应力、锚杆支护材料杆体受拉等效应力n杆体受力状态分析数值模拟3、锚杆支护材料杆体剪应力分布 杆体受扭等效应力云图 杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟 3、锚杆支护材料杆体剪应力分布、锚杆支护材料杆体剪应力分布 n杆体受力状态分析数值模拟3、锚杆支护材料杆体拉剪组合等效应力 杆体拉弯剪组合等效应力 杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟 3、锚杆支护材料杆体拉剪组合等效、锚杆支护材料杆体拉剪组合等效n杆体受力状态分析数值模拟3、锚杆支护材料杆体拉弯扭组合等效应力 杆体拉弯剪扭组合等效应力 杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟 3、锚杆支护材料杆体拉弯扭组合等、锚杆支护材料杆体拉弯扭组合等n杆体受力状态分析数值模拟l受拉：杆体应力分布和变形与普通杆体大体一致。有肋截面由于肋不连续，肋上所受应力比中心区域明显减小。l受弯：杆体截面应力分布同样是有肋的地方偏小。圆形截面的应力分布和普通杆件一致。l受剪：剪应力在整个横截面基本均布。l受扭：等效应力在截面上从内到外逐渐增大，肋上的应力有所减小。截面上以剪应力为主。3、锚杆支护材料杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n杆体受力状态分析数值模拟l拉剪组合：受力最不利位置为剪力作用处，在井下即为岩层错动界面。拉弯剪组合受力亦是如此。l拉弯剪组合：最大应力出现在固定端，因此最不利位置为固定端。杆体应力基本为从自由端开始逐渐增大。l拉弯扭、拉剪扭及拉弯剪扭组合：越靠近固定端应力越大，肋上的应力相对较小，因此最不利位置为固定端。井下锚杆锚固分解面，是极易发生破断的部位。3、锚杆支护材料杆体受力状态分析杆体受力状态分析数值模拟数值模拟3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n螺纹受力单项扭转n螺纹受力单项拉伸3、锚杆支护材料螺纹受力螺纹受力单项扭转螺纹受力单项扭转螺纹受力单项拉伸单项拉伸3、锚杆支护材料、锚杆支护材料510n螺纹受力纯弯曲n螺纹受力单项剪切 1 10kN3、锚杆支护材料510螺纹受力螺纹受力纯弯曲螺纹受力纯弯曲螺纹受力单项剪切单项剪切 1 10kn螺纹受力拉扭组合F=80kN，T=160N.m3、锚杆支护材料螺纹受力螺纹受力拉扭组合拉扭组合F=80kN，T=160N.m3、锚杆支护、锚杆支护n螺纹受力拉弯组合 1510拉力=80kN3、锚杆支护材料螺纹受力螺纹受力拉弯组合拉弯组合 1510拉力拉力=80kN3、锚杆支、锚杆支n螺纹受力拉扭弯组合 1510拉力=80kN、扭矩=160N.m3、锚杆支护材料螺纹受力螺纹受力拉扭弯组合拉扭弯组合 1510拉力拉力=80kN、扭、扭n螺纹受力拉扭弯剪组合同向异向3、锚杆支护材料螺纹受力螺纹受力拉扭弯剪组合同向异向拉扭弯剪组合同向异向3、锚杆支护材料、锚杆支护材料n螺母u螺母作用:压紧托板给锚杆施加预应力；围岩变形后通过托板传递到杆体，杆体工作阻力增大，控制围岩变形。u要求:承载能力与杆体匹配；螺母结构形状、规格与加工精度有利于给锚杆施加大预应力；有利于锚杆安装。3、锚杆支护材料标准螺母标准螺母加厚螺母加厚螺母大螺距螺母大螺距螺母阻尼式螺母阻尼式螺母销钉式螺母销钉式螺母压片式螺母压片式螺母球形螺母球形螺母螺母螺母普通螺母普通螺母扭矩螺母扭矩螺母螺母螺母3、锚杆支护材料标准螺母加厚螺母大螺距螺母阻尼式螺母销钉、锚杆支护材料标准螺母加厚螺母大螺距螺母阻尼式螺母销钉n托板u托板的作用：通过螺母施加扭矩，压紧托板给锚杆提供预应力，并使预应力扩散；围岩变形后载荷作用于托板，通过托板将载荷传递到杆体，增大锚杆工作阻力，进而控制围岩变形。u要求：承载能力应与杆体匹配；变形能力，当载荷较大时可压缩，不致脆裂、失效；一定面积，有利于锚杆预应力扩散；调心能力，避免锚杆受偏载而降低支护能力。3、锚杆支护材料托板托板3、锚杆支护材料、锚杆支护材料平托板平托板拱形托板拱形托板金属托板金属托板木托板木托板非金属托板非金属托板混凝土托板混凝土托板塑料托板塑料托板托板托板其它形状其它形状可调心托板可调心托板不可调心托板不可调心托板3、锚杆支护材料u 托板分类平托板拱形托板金属托板木托板非金属托板混凝土托板塑料托板托板平托板拱形托板金属托板木托板非金属托板混凝土托板塑料托板托板3、锚杆支护材料u 托板受力 100100mm 150 150mm 200 200mm 不同尺寸托板扩散预应力效果托板受力分布3、锚杆支护材料、锚杆支护材料 托板受力托板受力 100100mm 3、锚杆支护材料u 与钢筋托梁配套的锚杆与锚索托板l钢筋托梁与巷道表面为线接触，预应力扩散效果差；l无法施加较高的预应力；l开发与钢筋托梁配套的锚杆与锚索，显著提高托板与围岩的接触面积，可施加较大预应力，并实现有效扩散。锚索托板锚杆托板3、锚杆支护材料、锚杆支护材料 与钢筋托梁配套的锚杆与锚索托板钢筋托梁与巷与钢筋托梁配套的锚杆与锚索托板钢筋托梁与巷3、锚杆支护材料u 与钢筋托梁配套的锚杆与锚索托板煤帮支护顶板支护3、锚杆支护材料、锚杆支护材料 与钢筋托梁配套的锚杆与锚索托板煤帮支护顶板与钢筋托梁配套的锚杆与锚索托板煤帮支护顶板n 减摩垫圈采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托板之间的摩擦阻力。在螺母与托板之间加金属垫圈和塑料垫圈，可减少摩擦阻力，而且塑料减摩垫圈的材质起着关键作用。3、锚杆支护材料 减摩垫圈减摩垫圈3、锚杆支护材料、锚杆支护材料 树脂锚固剂对树脂锚固剂的要求：固化后有较高粘结力、较高变性模量；固化快，快速安装，及时施加预应力；固化时间可调，满足加长、全长锚固要求；固化后收缩率低；有利于钻孔中安装和搅拌。全长锚固树脂锚固剂：采用高聚合度树脂锚固剂专用树脂；低粘度，满足预应力全长锚固；高粘结力、高强度，保证锚固效果。3、锚杆支护材料 树脂锚固剂树脂锚固剂3、锚杆支护材料、锚杆支护材料树脂锚固剂力学性能的实验室试验3、锚杆支护材料树脂锚固剂力学性能的实验室试验树脂锚固剂力学性能的实验室试验3、锚杆支护材料、锚杆支护材料温度对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料l温度升高或者降低都会对树脂锚杆锚固力产生影响。25时锚固力最大。随着温度升高，锚固力明显下降。l低温环境下，应适当延长锚固剂搅拌时间；高温环境下，一方面应加强通风和采用井下空调等降温措施；另一方面要研制耐高温树脂锚固剂，并适当增加锚固长度。温度对树脂锚固剂力学性能的影响温度对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料温度升高或者降、锚杆支护材料温度升高或者降水对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料钻孔淋水量与锚固力的关系及试验装置水对树脂锚固剂力学性能的影响水对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料钻孔淋水量与锚固、锚杆支护材料钻孔淋水量与锚固水对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料钻孔积水率与锚固力的关系及实物水对树脂锚固剂力学性能的影响水对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料钻孔积水率与锚固、锚杆支护材料钻孔积水率与锚固水对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料l水将反应过程中的热量部分吸收，降低了聚合反应中自由基活性，使固化反应速度减缓。l钻孔水量较大，锚固剂不饱和聚酯、固化剂等在搅拌过程中都可能与水形成相溶或者不相溶的混合溶液浮在锚固剂上面，不参与固化反应。l钻孔流水将部分锚固剂冲出钻孔，减少锚固长度，同时水滴分散到树脂胶泥中，使固化物强度降低。l围岩含水量较大，一应进行探放水，或注浆封堵，切断水流通路；二研制防水锚固剂，加大锚固长度。水对树脂锚固剂力学性能的影响水对树脂锚固剂力学性能的影响3、锚杆支护材料水将反应过程中的、锚杆支护材料水将反应过程中的横肋对锚固剂起到明显的机械剪切摩擦作用。螺纹钢锚杆更能发挥树脂锚固剂传力介质作用，杆体受力可更好地传递到围岩中。3、锚杆支护材料横肋对锚固剂起到明显的机械剪切摩擦作用。横肋对锚固剂起到明显的机械剪切摩擦作用。3、锚杆支护材料、锚杆支护材料不同围岩强度下锚固剂中剪应力分布曲线 围岩强度不同，锚固剂受力、变形情况不同，围岩中最大主应力分布也不同，岩体强度对锚杆锚固性能有很大的影响，围岩强度越高，锚固剂与围岩之间的粘结越紧密。3、锚杆支护材料不同围岩强度下锚固剂中剪应力分布曲线不同围岩强度下锚固剂中剪应力分布曲线 围岩强围岩强环形厚度的影响钻孔直径 拉拔载荷20kN下锚固剂中剪应力分布 当拉拔载荷较小时，5种情况下锚固剂中剪应力差别不大，锚固剂均处于弹性变形阶段，剪应力近似负指数函数形式分