煤巷锚杆支护概况1

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,煤巷锚杆支护技术发展状况及锚杆支护理论,1,主要参考书,2,3,4,基本内容,一 锚网支护的技术经济优越性,二 国内外煤巷锚杆支护技术发展概状及比较,二 煤巷锚杆支护理论,5,一 锚杆支护的技术经济优越性,锚杆支护技术是我国煤矿继综采技术之后的第二次重大技术革命，已成为建设“高产高效” 矿井所必须的三大支撑技术。,经济上：初期投入低、直接成本低,技术上：（,1,）由被动支护变为主动支护,（,2,）劳动强度低、施工方便,（,3,）辅助运输简单,（,4,）工作面超前维护简单,6,煤矿顶板控制及巷道支护在煤矿生产中占有极其重要的位置，对矿井生产、安全、经济效益极为重要,全国每年掘进煤巷,15000,多公里，构成运输、通风、排水、行人等煤矿主要生产系统和通道；,巷道成本约占吨煤直接生产成本的,1/3,；,巷道支护状况从根本上制约着矿井的机械化程度和回采效率；,因支护原因产生的顶板事故占矿井生产事故的,20%,以上；,7,棚式支护和锚杆支护的对比,棚式支护：严重制约着矿井的高效生产和安全,被动支护，不能及时对顶板起作用,不适应采动影响，支架变形、损坏严重,变形量达到,5002000mm,以上，不能保证必需的空间,与综掘机不配套，掘进速度慢，劳动强度大,端头处理难度大，速度慢，严重阻碍综采面推进,8,锚杆支护：保障高产高效,主动加固，充分利用围岩自身的稳定性和强度,根本消除棚式支护空顶产生的瓦斯积聚、煤层自燃等隐患,巷道变形量仅为同类条件棚式支护的,1/2,左右,支护成本节约,1/3,以上,与综机配套组成掘、支、运机械化作业线，单进大幅提高,端头处理简单，能保障大功率设备正常工作，工作面快速推进，单产显著提高,9,因此，锚杆支护比棚式支护具有显著的综合效益和技术优势，是国内外公认的煤巷支护技术发展方向。,随着瓦斯治理技术的进步，三软煤层条件下矿井机械化程度不断提高，设备的大型化要求巷道断面越来越大，只有锚杆支护才能适应和满足这一要求。,10,在巷道支护中，锚杆支护与传统棚式支护相比，具有显著技术、经济优越性。这主要表现在以下几个方面：,（,1,）锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体；,（,2,）棚式支护属于,“,被动,”,支护，支护初期基本上不具有支护阻力，只是在围岩变形后，随着围岩变形的增加，支架支护阻力随之增加。锚杆支护属于,“,主动,”,支护，锚杆安装后，锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力，且随围岩变形支护阻力不断增加；,（,3,）与棚式支护相比，锚杆支护更有利于改善巷道的维护状况，保持巷道围岩的长期稳定，在相同的生产地质条件下，锚杆支护巷道的围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上；,11,（,4,）锚杆支护可以节约大量钢材，减少支护材料的运输和装卸支架工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；,（,5,）由于锚杆支护巷道围岩稳定性好，巷道服务期间基本不需要维修，因而能够保持两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；,（,6,）锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。,12,随着锚杆支护技术不断发展与完善，目前已逐渐成为煤巷的一种主要支护形式。一些主要产煤国家，如美国、英国及澳大利亚等，其煤巷锚杆支护比例已达到,80,以上。我国自,80,年代后期开展煤巷锚杆支护技术以来，经过十多年的努力，使该项技术逐渐为人们所接受。特别是,90,年代以来，煤巷锚杆支护技术在我国得到迅速发展，有些矿区煤巷锚杆支护比例已经达到,80,以上，取得了很好的技术经济效果。,13,二 国内外煤巷锚杆支护技术发展概状及比较,国外锚杆支护的发展概状,2,我国锚杆支护的发展概状,3,国内外煤巷锚杆支护技术比较,14,国外锚杆支护的发展概状,40,年代在国外得到了迅速发展，主要历程：,1945,1950,：机械式锚杆的研究与应用,1950,1960,：采矿业广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究,1960,1970,： 发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命，树脂锚杆在矿山得到应用,1970,1980,：发明管缝式锚杆、水力账管式锚杆并应用，研究锚杆新的设计方法，长锚索产生,1980,1990,：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆及各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进,15,美国,美国是世界第二大煤炭生产国（仅次于中国,），但按连续采煤机和顶板锚杆机的数量来分析，它的煤矿机械化程度最高。美国,840,个井工矿几乎全部采用连续采煤机采煤、机械化运煤（梭车批量运输或带式连续输送）方式和顶板锚杆机支护设备。美国一半多的煤炭产量来自房柱式开采工作面，许多房柱式开采系统采用位置变换方法（,place change methods,）。,采用位置变换法时，连续采煤机在煤巷中掘进，当超过最后一排顶板锚杆,15m,时（操作人员在安全位置使用无线电遥控设备操纵连续采煤机），连续采煤机被开进另一条煤巷，此时使用一台移动式锚杆机在,15m,长的煤巷顶板上安装锚杆。,在美国，即使是长壁工作面也采用多巷掘进系统，但在欧洲一般采用单巷掘进系统。这是美国大量采用移动式锚杆机的原因。,美国是世界上,最早使用,锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家,(1912,年,),，,依据其得天独厚的地质条件及先进的科技、经济实力，在锚杆支护技术方面一直处于世界领先水平，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在,8000,万根以上，约,25000km,的煤巷使用锚杆支护。在加强锚杆安装作业安全的同时，美国重点注意提高锚杆安装的速度和质量。,16,世界上以锚杆作为唯一巷道支护方式的国家,产业化,作为一门技术，而非材料消耗、废品利用,锚杆种类比较多，有涨壳式、树脂式、复合锚杆等，组合件有钢带和桁架。,多样化、多系列，以适应各种不同的条件,锚杆设计、制造、服务一体化,高新技术用于锚杆设计,美国锚杆支护的精髓：两高一大：高预拉力、高强度、大间排距,美国,17,英国,英格兰剩下的,17,座井工矿和苏格兰的,Castlebridge,煤矿均采用顶板锚杆作为,长壁工作面,的主要支护方式。英国几乎不采用房柱式开采方式，由于开采深度大，长壁工作面采用单巷掘进，各工作面之间留有足够宽的煤柱。开采深度在,700,1 200m,的煤巷的顶板锚杆安装密度比较大，一般每掘进,2.4m,安装,7,12,根顶板锚杆，沿每侧煤壁每隔,1.8m,安装,2,3,根锚杆。,英国,80,年代以前使用锚杆支护技术效果并不好；,80,年代中后期引进澳大利亚锚杆技术开始重新发展锚杆支护技术，使用比重达到,80%,。英国基本承袭了澳大利亚的整套锚杆技术。,1952,年大规模使用机械式锚杆，但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆,到,60,年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术,1987,年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。,现在英国进一步表明：不能使用锚杆支护的煤层就没有开采价值,18,澳大利亚,主要推广全长树脂锚固锚杆、玻璃钢锚杆；,澳大利亚的,51,座井工矿中，有,34,座至少拥有,1,个长壁工作面。,长壁工作面采用双巷掘进系统,。长壁工作面采区煤巷掘进速度滞后是影响澳大利亚煤炭工业发展的一个主要因素。每掘进,1m,煤巷，安装,6,根顶板锚杆和,2,根煤壁锚杆，每班安装锚杆,100,120,根。根据不同地质条件，安装锚杆的根数也会变化。目前一些煤矿采用了,安设有锚杆机的连续采煤机,，但由于锚杆安装速度跟不上工作面回采速度，一些煤矿逐渐采用了位置变换开采法。澳大利亚主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。,澳大利亚锚杆支护率,。,19,德国,自,1932,年发明型钢支架以来，主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到,90%,以上；自,80,年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护；,80,年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功；,南非,一般地讲，南非大部分井工矿煤层是硬砂岩顶板，开采条件良好。,南非,57,个井工矿均采用了不同的顶板锚杆安装形式，,由于地质条件良好，锚杆安装作业并不构成采煤作业的“瓶颈”。为了阻止顶板岩层的局部冒落，一些煤矿安装了,严格的顶板岩层监控系统,。大部分煤矿采用了房柱式开采方式，长壁工作面所占的比重不足,10%,。,20,俄罗斯,俄罗斯煤炭工业正在发生重大改革和重组，一些亏损的煤矿被迫关闭。,俄罗斯目前约有,200,座井工矿，全部采用单巷长壁开采系统。,西伯利亚库兹巴斯矿区的一些煤矿采用顶板锚杆（点固锚杆或点固树脂锚杆）支护形式，,锚杆长度,1.6,1.8m,，承载能力,6,8t,。随着经验的积累，这种支护系统将不断得到完善。但由于缺乏资金，对现代化锚杆支护设备的维护和改进工作进展非常缓慢。,21,波兰,尽管波兰是,世界第,4,大,井工矿煤炭生产国（年产量约,120Mt,，位居中国、美国和俄罗斯之后），,但是波兰没有一个煤矿将锚杆支护用作永久顶板支护技术,。所有井工矿采用被动受力的钢型,（,U,型钢）支架,。随着高产高效长壁工作面的采用，工作面端头的,U,型钢支架的缓慢拆除速度和缓慢、昂贵的采区煤巷掘进速度严重阻碍了工作面的回采速度。由于缺乏操作经验、作业标准和地质条件差（尽管其它国家在相同地质条件下取得了锚杆支护作业的成功），波兰向锚杆支护技术的转变过程最缓慢。为了获得最大的煤炭回采率，采区巷道需要重复使用，这导致了顶板支护条件恶劣，不利于巷道快速掘进和工作面快速回采。,印度,印度井工矿年产煤炭,80Mt,，其中,90%,来自非机械化和半机械化（钻眼、爆破和采用侧卸式装载机装载）房柱式开采工作面。,大多数井工矿采用锚杆支护方式，采用点固锚杆或承载能力为,6,8t,的水泥锚杆。近几年一些井工矿对连续采煤机和全部机械化房柱式开采系统很感兴趣，同时全脂锚杆也将得到使用。,22,我国煤巷锚杆发展概状,作为世界上最大的井工矿煤炭生产国，中国采用了各种各样的顶板支护技术，从梯形支架到,U,型钢支架、钢梁，现在大多数主要煤矿采用了锚杆支护技术。全部机械化顶板锚杆安装技术（采用位置变换系统并使用移动式锚杆机）在神华集团得到了使用。目前中国有,9,台移动式锚杆安装机，预计将来会逐渐增加。中国大部分煤矿使用手持钻机安装锚杆。,1956,年我国煤矿开始使用锚杆，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在较稳定的岩石巷道中，,80,年代末期，开始引进澳大利亚技术，树脂锚杆研制成功并推广应用，煤巷锚杆进入发展的快车道，,、,、,类巷道锚杆支护很快取得成功，,、,类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推广应用力度进一步加强。,23,但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂，我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的,、,、,类回采巷道，而且要使用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下，所以总体使用比重较低，各地区发展很不平衡。经过“九五”攻关，我国煤矿巷道锚杆支护已基本形成系统并相对成熟，使用范围也从煤巷扩大到岩巷、各类硐室、大跨度切眼等特殊地下工程，目前已成为煤炭企业建设高产高效矿井的支撑技术和自主推广应用的主导支护技术，对煤炭企业产生了十分积极和深远的影响。在一般条件下，特别是实体煤巷道，基本上都有把握控制巷道的变形。对于沿空巷道，目前我们也有了新的解决办法。,24,进展历程：,50,年代首先用在岩巷，,60,年代进采区，发展缓慢,八五、九五煤炭部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行了攻关，特别是,96-97,年引进澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局现场演示，树脂锚杆研制成功并推广应用,研制开发了价廉物美的快硬水泥锚杆,引进管缝式锚杆技术并推广应用,开始研究“三小”锚杆技术,试验成功了几种可拉伸锚杆,各种组合锚杆锚索和桁架开始试用,25, 国内外煤巷锚杆支护技术比较,a),锚杆钻机的发展代表着锚杆技术的发展,：国际锚杆钻机市场上锚杆钻机可分为三类：（,1,）手持式钻机，如,gophers,、,wombats,和,superoo,钻机。（,2,）移动式钻机。这种钻机采用履带或橡胶轮，可安装,1,台、,2,台、,3,台或,4,台钻机。（,3,）机载钻机，即钻机被固定在连续采煤机和巷道掘进机上。久益采矿设备公司（,Joy Mining Machinery,）研制了一种移动式顶板锚杆钻车,JOY,型多钻机平台操作锚杆钻车。该钻车已在澳大利亚和美国的煤矿创造了顶板锚杆钻进的新纪录,。,多钻机锚杆钻机结构图,26,b),煤层赋存地质条件的差异,美、澳等国先天的优越条件我国煤层赋存的复杂条件,c),煤矿作业人员素质的巨大差异,美国：,以上具有大专以上学历,我国：万煤矿职工中具有中转及以上学历者不足,；目前毕业学生基本无 人愿意去煤矿企业况且企业原有技术人员大量流失：跳槽、调离、辞职另谋它路。 原因：国家大环境的不协调、不正常；煤矿职工社会地位的不公平； （目前稍有好转但为根本改变，与煤炭工业协会副会长朱德仁在矿大座谈会上的交流）,27,国外主要先进采矿国家煤巷以锚杆支护为主：,澳、美、英锚杆支护比重已达,90%,以上,德、俄、波正在大力发展，比重在,50%,以上,我国煤巷以棚式支护为主，只在简单条件下少量采用锚杆支护：,95,年仅为,15.15%,98,年仅为,20.14%,28,国内外煤巷锚杆支护比重（,1998,）,29,三 现有煤巷,锚杆支护理论,1,悬吊理论,2,组合梁理论,3,组合拱理论,4,最大水平应力理论,5,刚性梁理论,6,围岩强度强化理论,30,悬吊理论认为,：,锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性,坚硬岩层,软弱岩层,31,组合梁理论认为：,在层状岩体中开挖巷道，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁），梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的饶度也就越小。,无锚杆支护,有锚杆支护,32,组合拱理论认为：,在拱形巷道围岩的破裂区中安装锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。,33,最大水平应力理论,：,由澳大利压学者盖尔（,W.J.Gale,）提出：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的,1.5-2.5,倍。巷道顶底的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点：,34,刚性梁理论,：,认为锚杆的作用在于给顶板及时提供很高的初撑力以形成,“,刚性,”,顶板，,“,刚性,”,顶板本身提供了一个压力自撑结构。锚杆杆体本身不是承载结构。大量实测表明,“,刚性,”,梁顶板的建立使得锚杆后期增加的载荷等于零，也就是说，杆体本身除维持锚杆预拉力外已不起任何别的作用,水平应力,垂直应力,35,水平应力,水平应力,垂直应力,水平应力,水平应力,垂直应力,“,刚性梁”与组合梁的区别,36,围岩强度强化理论：,由我国著名矿压专家侯朝炯教授提出，主要内容为：煤巷锚杆支护的作用就是对锚固体提供围压，使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度，改善峰后岩体力学性能。巷道围岩的稳定性除了支护的作用外，主要取决于围岩的强度和应力状态。对于煤层巷道，由于围岩松软、埋藏深、受采动和构造应力影响，地应力大，巷道围岩破坏严重，其周围存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域中，相应地锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。该理论主要探讨了锚杆加固后岩石峰前区粘聚力,C,、内磨擦角,、弹性模量,E,的改善情况。,锚杆布置在破碎围岩中,37,