煤巷锚杆支护理念及常见的煤矿锚杆支护问题

煤巷锚杆支护理念及常见的煤巷锚杆支护问题矿山压力研究技术团队一、煤巷支护理念二、煤巷锚杆常见的问题三、怎样提高锚杆支护的掘进速度内容一、煤巷支护理念煤矿工程技术和管理人员需要了解一些支护理念：理念一：围岩本身就是支护体理念二：充分利用围岩本身强度是降低支护成本和保证支护安全的必要条件理念三：锚杆支护的“悬吊理论”容易产生误导，应该被“固压理论”所代替理念四：巷帮的支护是煤巷锚杆支护的关键理念五：利用肩角稳定区强化松软围岩的支护理念六：支护系统理念理念七：支护生命期理念理念八：动态设计理念理念1：围岩本身就是支护体1、山洞：围岩是坚硬岩石2、窑洞：围岩是黄土条件：山洞和窑洞围岩所受应力小于围岩的强度。支护成本为零。理念2：充分利用围岩本身强度是降低支护成本、保证支护安全的必要条件有锚杆支护且预应力很大时形成了厚层刚性梁没有形成厚层刚性梁无锚杆支护或有锚杆支护但没有预应力或很小时顶板断裂后（有害变形产生后），锚杆（或其他支护体）被动受力。顶板产生有害变形前，顶板和锚杆共同起作用围岩和支护体共同承担围压淮北矿区锚杆支护巷道典型冒顶示意图不及时阻止有害变形，造成大面积冒顶怎样充分利用围岩的支护能力？煤岩挖掘后，立即进行高强度的临时支护，阻止打锚杆眼、安装锚杆期间围岩的有害变形。实施锚杆的快速安装工艺。给锚杆施加较大的预应力，并通过托板、钢带等构件实现预应力扩散；采用加长锚固或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能及时抑制离层与错动的产生。安装越及时，预应力越大，锚固范围内岩层整体刚度越高。从而使岩层处于受压状态，不发生离层和弯曲等有害变形，岩层的完整性和整体强度得到了保持。只有在围岩产生有害变形前进行主动支护，才能产生好的支护效果、保证支护安全。及时支护和高预应力的重要性邓小平老人家说：“发展才是硬道理”，套用邓小平的这句话：“及时支护和高预应力才是硬道理”；煤矿安全管理有句话：“煤矿安全无论怎样强调也不过分”，套用煤矿安全管理的这句话：“及时支护和高预应力无论怎样强调也不过分”。怎样提高锚杆的预应力？管理上重视锚杆预应力的检查，建立锚杆编号制度。安全措施上规定第一次紧固的预拉力最小值和第二次紧固的时间。紧固手段上采用锚杆钻机或其它专用锚杆安装机具，使用大扭矩安装机具。锚杆选择上使用高预应力锚杆和能传递预应力的W钢带或M钢带。锚杆托锚力0时间托锚力曲线锚杆安装后随时间的变化，其托锚力的变化曲线二次紧固的重要性及时进行二次紧固，防治锚杆松弛造成围岩的有害变形高预应力与锚杆结构预紧力与螺母安装扭矩之间的关系F0=kM预紧力与螺母安装扭矩成正比，同时取决于系数k。影响k值的关键因素：螺母与螺纹段间摩擦系数，越大，k值越小；螺母、垫圈端面间摩擦系数，越小，k值越大；锚杆直径，锚杆越粗，k值越小。考虑各种影响因素，加权平均后k值约为5.25（对高预应力锚杆）；高预应力锚杆1超高强锚杆杆体2螺母3预应力标示杆4应力松弛自补偿弹簧5弹簧护筒6减摩垫圈57应力扩散托盘8高强树脂锚固剂9围岩高预应力锚杆理念三：锚杆支护的“悬吊理论”很容易使人产生误解，影响锚杆支护的推广。为此我们提出了固压理论。悬吊理论的局限性（1）从理念上影响锚杆的推广，给人“没有坚硬岩层，就不能使用锚杆支护的印象”；（2）仅把不稳定岩层作为“被悬吊岩体”；（3）忽略锚杆初始工作阻力的作用；（4）用悬吊理论解释锚杆支护，锚杆还是被动支护；（5）只能解释顶板的锚固。固压理论的基本观点•锚杆（或锚索）的部分杆体（或尾部端头）固定在围岩中，锚头（包括螺母、托盘和托梁）压迫围岩岩面，约束围岩外移（径向移动），锚头对围岩的压力同时转化为锚杆受到的拉力，这种拉力也约束了（通过锚固剂和锚杆杆体本身）围岩的切向移动。•锚头对围岩岩面压力（或锚杆受到的拉力）的大小，等于锚杆初始工作阻力（预应力）加锚固体的膨胀力（或碎胀力，对顶板来说重量也起作用）。•锚杆对围岩的压力提高了锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数（E、C、φ等），改善锚固体的力学性能。锚杆所受的力F=F涨+F预，F涨锚固体的膨胀力，F预是预拉力，应占锚杆受力的50%及以上。前者是围岩变形力。伸入不同区域的锚杆这种理论既强调“固”，又重视“压”。二者是矛盾的统一体，缺一不可。“固”：锚杆固定在相对稳定的区域。如原岩应力区、弹性区、塑形区（主要承重区）、松动圈（能形成次生承载区，如压缩拱等）。“压”：早期重视预应力的作用。没有锚杆对破碎岩体的挤压，就无法形成次生承载区，也不能提高锚固体的力学性能。本理论的提出参考了下列理论：中矿侯朝炯教授提出的锚固体围岩强度强化理论；康红普博士（侯教授的学生）提出的“关键承载圈”和“扩容-稳定”理论；中矿董方庭教授提出的“围岩松动圈”理论。锚杆支护结构的固压作用使巷道围岩实现了三个功能：（1）提高了围岩强度；（2）恢复了围岩的三向应力状态；（3）保证了围岩的完整性和协同变形。巷道开挖围岩支护三向应力状态稳定围岩恢复三向应力状态改善围岩完整性二向应力状态提高围岩强度锚杆两端对围岩的挤压约束是同时实现以上三种功能的必要条件锚杆类支护替代工字钢、U型钢支护是目前技术阶段的必然选择，是技术追求的方向。只有锚杆支护才能才能实现以下三种功能锚杆的一端固定在稳定围岩里，另一端通过托盘、钢带挤压不稳定围岩，使稳定和不稳定岩层形成统一的支护体，减少了整个围岩的径向位移。锚杆的一端固定在层状岩层中，另一端通过托盘、钢带的挤压使锚固范围内的岩层形成统一的次生承载层，限制上部围岩进一步扩容。锚杆群对围岩的挤压形成的压缩带，压缩带形成后生结构或次生结构单个锚固体对围岩的挤压形成的压缩块侧帮破裂趋势线巷道侧帮跨落角slidingangleofaroadwayside巷帮的破坏趋势预测理念四：巷帮的支护是煤巷锚杆支护的关键煤巷巷道围岩稳定性分析：帮的稳定是关键怎样加大帮的锚固力？锚杆的锚固力来源于锚固段与孔壁的摩擦力，合理的三径配合、加大锚固段长度、强化锚杆系统强度、钻孔的受压变形都会增加这种摩擦力。为提高煤帮的锚固力，可以采取如下措施：帮锚杆使用全长锚固或加长锚固；“三径匹配”孔径28mm（或26mm），药卷23mm，锚杆直径20mm。提高帮顶支护的整体性使用钢丝网和W钢带护邦。或者采用锚注一体化的锚杆，滞后注浆，提高煤帮的强度，同时起到封密采空区的作用。帮锚杆改善巷道稳定性的原理帮锚杆使极限自稳隐形拱缩小unstablesurroundings由于有帮锚杆的有效锚固，巷道围岩中最为不利的极限自稳隐性拱消失理念五：利用肩角稳定区强化松软围岩的支护为什么肩角是稳定的？肩角稳定区肩角稳定区以巷道肩角稳定区域岩石作为锚固区域，通过斜锚索、顶锚索固定槽钢，建立“锲形”的强化承载结构，控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。理念六：支护系统理念支护系统由围岩环境和支护结构组成。围岩环境包括围岩顶、底和帮的岩体强度、以及围岩周围的垂直应力和水平应力。支护结构是有“支”和“护”两个方面组成的体系；“支”的方面包括锚杆和锚索的规格和布置等；“护”的方面包括金属网、梯子梁或W钢带、M钢带的规格和铺设等。选择的支护结构要适应围岩环境。支护结构的各组成部分强度要匹配。支护系统的破坏总是先从某个薄弱环节开始。理念七：支护生命期理念支护生命期是指巷道从开挖和报废的全过程。在支护生命期内，围岩的松动圈从小到大动态变化；支护结构和围岩的相互作用关系也在变化。在煤巷锚杆支护的早期、中期和后期要根据矿压监控信息采取不同的措施，确保煤矿安全。煤巷支护生命期内巷道的维护问题早期掘进时强化煤巷顶帮的支护，提高锚杆预应力和工作阻力，强化护帮、护顶（利用钢丝网和W钢带等）。中期进行日常矿压监控，发现异常离层或松动圈异常增大的，及时补打锚杆或架棚支护，确保巷道的整体完好，不出现局部冒落。后期必要时，在回采过程中风巷超前支护。早期：加强顶帮的支护帮锚杆使极限自稳隐形拱缩小unstablesurroundings由于有帮锚杆的有效锚固，巷道围岩中最为不利的极限自稳隐性拱消失早期：加强顶帮的支护无锚杆支护或有锚杆支护但没有预应力或很小时没有形成厚层刚性梁有锚杆支护且预应力很大时形成了厚层刚性梁无锚杆支护或有锚杆支护但没有预应力或很小时无锚杆支护或有锚杆支护但没有预应力或很小时没有形成厚层刚性梁无锚杆支护或有锚杆支护但没有预应力或很小时早期：既要重视“支”也要重视“护”锚杆、W钢带、金属网等形成统一的人工支护体系，与巷道围岩形成统一的支护系统。支护系统使锚固体成为一个整体。早期，围岩完整时，金属网和W钢带可以起到扩散应力的作用；后期，围岩破碎时，金属网、W钢带对锚固体形成次生承载圈起关键作用。破碎体挤压加固试验图1后期：锚杆也有加固作用破碎体挤压加固试验图2碎石后期：锚杆也有加固作用破碎体挤压加固试验图2后期：锚杆也有加固作用破碎体挤压加固试验图2后期：锚杆也有加固作用后期：锚杆也有加固作用条件是：利用钢带和钢丝网保证巷道的整体性，使围岩协同变形，不出现局部冒落，在工作阻力（锚杆对围岩的压力）达到某个数值，形成次要承载圈（扩容-稳定理论）顶板稳定机理--碹的启示1从碹的稳定看锚网和钢带的作用顶板稳定机理--碹的启示2从碹的稳定看锚网和钢带的作用淮北袁庄煤矿大倾角复合顶板支护效果谢桥煤矿12228区段煤巷支护效果机巷风巷（沿空）理念八：巷道锚杆支护动态设计理念煤巷锚杆支护设计应采用动态设计方法。设计应在地质力学评估的基础上按以下程序进行：初始设计—井下监测—信息反馈—正式设计。当巷道围岩条件发生变化时，要及时改变巷道锚杆支护设计，做到既不过度支护又能保证支护安全。要贯彻“动态设计”的思想，不能生搬硬套已有设计。根据具体地质条件的不同，同一矿井、同一煤层、同一巷道的不同区域、不同地段，可选择不同的支护形式和参数。二、常见的锚杆支护问题煤矿锚杆支护常常存在如下问题：问题一：“三径不匹配”问题；问题二：锚杆结构问题；问题三：机具问题问题四：锚杆支护监测缺失或不完善问题五：支护设计问题问题六：锚杆安装质量问题问题一：三径不匹配合理的三径是“钻孔直径与锚杆直径之差为4～10mm；钻孔直径与树脂锚固剂直径之差为3～5mm”。现钻孔直径为32mm，建议改为28mm，帮锚杆直径直径18mm改为20或22mm。三径不匹配的直接后果是降低锚杆和锚索的锚固力。原因是锚杆对锚固剂的搅拌不均匀，固化后的锚固剂与眼孔的摩擦力小。问题二：锚杆结构不合理使用全螺纹锚杆，螺距大，摩擦力大，容易出现退丝现象。建议把锚杆螺纹螺距改为2.5mm国标螺距，这样的螺纹自锁效果好，很少退丝。锚杆没有附件：锚杆仅有杆体、托盘和螺母，没有球形垫圈和塑料垫圈。建议锚头加减阻附件，从技术上提高预应力。锚杆钻机及配套施工机具品种单一、功率小、可靠性差。由于施工机具单一，大部分单位锚杆安装工艺依然是：搅拌药卷、安装托盘分开进行，螺母基本靠人工扭紧，锚杆预紧力低、初撑力小、安装速度慢。建议采用钻机快速安装锚杆，并用扭矩放大器风动扳手紧固螺母，预紧扭矩达到350N.m以上，对围岩初撑力可达50～60kN，锚杆安装后即对围岩很大的支护阻力，将层里发育的软弱岩层紧固在一起，阻止岩层间的水平滑动，提高围岩抗压、抗剪强度，最大限度地减小巷道的收敛变形。问题3：机具问题巷道锚杆支护监测缺失和不到位。锚杆支护监测，不但要监测围岩表面收敛变形、锚杆拉拔力、顶板离层，还要监测对支护质量和支护效果影响较大的锚杆工作阻力、围岩松动圈、深部围岩位移等。完善的监测既能保证支护安全，又能防止巷道过度支护，节约支护成本。问题四：锚杆支护监测问题问题五：锚杆支护设计问题锚杆设计没有地质力学参数，甚至没有锚杆支护监测数据；很多煤矿技术人员锚杆设计能力差，习惯于套用别人的设计，而不分析围岩的差别；甚至一种支护断面就对应一种锚杆支护形式，基本没有变化。对支护条件的研究不够，设计马虎了事。生搬硬套，一成不变。一种锚杆