煤矿巷道锚杆支护现状及存在的问题康红普院士

煤矿巷道锚杆支护现状及存在的问题康红普中国煤炭科工r集团有限公司煤炭科学研究总院开采分院201X.11.21提纲一、煤矿锚杆支护技术现状二、锚杆支护存在的问题三、解决途径四、应用实例五、展望一、煤矿锚杆支护技术现状锚杆类型直径/mm拉断载荷/kN预应力/kN锚固方式低强度14-2050-1200-10端部锚固高强度18-22120-20010-20端锚、加长锚固高预应力高强度20-25200-40060-120加长、全长预应力锚固早期适用于简单条件(5%)显著提高了锚杆支护效果解决复杂巷道支护难题低强度锚杆高强度锚杆高预应力强力锚杆不连续、不协调变形连续变形锚杆支护的本质作用与关键参数锚杆预应力及扩散起关键作用：大幅提高预应力，并实现有效扩散，可抑制围岩不连续、不协调变形围岩变形形式：不连续、不协调变形；连续、整体变形。锚杆主要对前者起作用一、煤矿锚杆支护技术现状形成基于地质力学测试、以锚固与注浆加固为核心的煤矿巷道支护成套技术。高预力强力锚杆支护系列材料与构件高预应力施工机具与工巷道围岩地质力学测试方法与仪器基于地质力学测试的动态信息设计法高预应力强力锚杆支护系列材料与构件破碎煤岩体系列注浆材料高预应力施工机具与工艺巷道矿压与安全监测仪器123456一、煤矿锚杆支护技术现状高强度锚杆强力锚杆杆体高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆。牌号直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-160一、煤矿锚杆支护技术现状小孔径树脂锚固锚索1×19结构锚索及断面公称直径/mm拉断载荷/kN伸长率()/%18408720510722607728.690071×19结构，断面更加合理拉断载荷显著提高，最大900kN延伸率提高1倍一、煤矿锚杆支护技术现状应用情况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；一些矿区达到90%，很多矿区达到70%；破碎煤岩体注浆加固；实现高产高效必不可少的关键技术。但是，随着开采深度增加，地质条件的复杂化，采动影响加剧，锚杆支护出现了一些问题。一、煤矿锚杆支护技术现状1、煤矿顶板事故近几年来，顶板事故成为煤矿第一大事故；2012年煤矿死亡事故起数779起，死亡人数1384人，顶板事故起数366起，死亡人数459人，占47%、33.2%。掘进工作面与巷道是顶板事故多发地点。二、锚杆支护存在的问题所有制事故起数死亡人数比例/%乡镇煤矿25931370.8/68.2国有地方煤矿547514.7/16.3国有重点煤矿537114.5/15.52、顶板冒落原因与分类地质原因煤岩体岩性煤岩体结构应力主导型支护原因支护设计不合理支护材料不合格施工质量不合格二、锚杆支护存在的问题顶板垮落巷道支护效果差会导致：对于围岩巷道变形大，断面不能满足生产要求；发生冒顶、片帮，出现安全事故。对于支护体巷道大变形支护体受力很小，随围岩一起位移；支护体破坏、失效。二、锚杆支护存在的问题巷道支护效果差的原因对围岩地质条件及变化认识不清；支护设计不合理；支护材料质量不合格；施工质量不满足设计要求；矿压监测不及时，不能及早发现问题。二、锚杆支护存在的问题3、锚杆支护构件锚杆杆体杆体破断。原材料力学性能不满足设计要求，屈服、拉断强度低，冲击吸收功小，延伸率低。杆尾螺纹破断。螺纹精度、强度、尺寸不满足要求，受力状况差。螺纹、螺母拉脱。螺纹、螺母强度、尺寸不合要求。杆体剪断。杆体抗剪能力不够。二、锚杆支护存在的问题锚杆杆体破断部位有4个部位易破断：2个在锚杆尾部；2个在中部。螺纹段与球垫接触部位。杆尾与钻孔口接触部位。锚固与非锚固的交界面。杆体与结构面相交部位。二、锚杆支护存在的问题金属网钢带托板减摩垫片扭矩螺母螺纹钢锚杆树脂锚固剂锚杆支护构件1234杆尾螺纹破断大部分从球形垫圈与托板之间弯曲破断。二、锚杆支护存在的问题杆体破断大部分从锚固与未锚段的分界面破断二、锚杆支护存在的问题锚杆杆体破断的原因井下锚杆与巷道表面不垂直，不是理想拉伸。杆体受拉、弯、剪与扭复合应力。杆体承受过高弯矩及弯曲应力易破断。二、锚杆支护存在的问题受拉、弯、扭、剪切22233432768ttiPMMdddtan'bbWWyFKSy锚杆尾部屈服与破断载荷α/°51015202530Fs/kN160.9109.982.965.954.145.3Fb/kN214.5146.6110.587.972.160.4若锚杆仅受拉伸，屈服与拉断载荷294.5kN、392.7kNxxxo2oo1ΔyxαB12锚杆破断的受力原因––尾部受力复杂二、锚杆支护存在的问题杆体受力状态分析–数值模拟杆体拉剪组合等效应力杆体拉弯剪组合等效应力二、锚杆支护存在的问题杆体受力状态分析–数值模拟杆体拉弯扭组合等效应力杆体拉弯剪扭组合等效应力二、锚杆支护存在的问题螺纹受力–拉扭组合F=80kN，T=160N.m二、锚杆支护存在的问题螺纹受力–拉扭弯组合1°5°10°拉力=80kN、扭矩=160N.m二、锚杆支护存在的问题螺纹受力–拉扭弯剪组合同向异向二、锚杆支护存在的问题锚杆杆体破断的原因托板与调心球垫尺寸不合理、加工粗糙、配合性差，球垫不起调心作用。球垫卡住螺纹，施加很大侧向力，引起螺纹受极大弯曲应力是尾部断裂主要原因。二、锚杆支护存在的问题θFN1N2Ftf1f2f2N2'f1''N1'中部断裂主要出现在锚固分界面，受力状态复杂，弯、剪应力大。锚杆杆体破断的原因––应力腐蚀：潮湿空气中的O与煤中的S引起应力腐蚀，且应力腐蚀极易在裂纹表面产生。尾部螺纹断口形态尾部螺纹断口宏观形貌尾部螺纹断口A区低倍放大形貌二、锚杆支护存在的问题杆体破断原因––材料与加工杆体材料缺陷。中心偏析，降低杆体塑性，滚制螺纹易产生裂纹；非金属夹杂物多，尤其硅酸盐含量高，晶粒也较大，严重降低材料机械性能，特别是冲击韧性；一些钢材强度和延伸率满足要求，但冲击韧性—冲击吸收功低，易脆断。二、锚杆支护存在的问题锚杆钢的金相照片杆尾螺纹加工粗糙、存在缺陷，质量差牙底裂纹与腐蚀螺纹段外观齿牙表面剥离二、锚杆支护存在的问题五、存在的问题托板托板破裂。原材料强度不够，托板形状和几何尺寸不合理。托板变形过大。托板承载力与锚杆不匹配。托板材质和尺寸不合理。托板和调心垫配合差，托板承受偏载和集中载荷破坏，调心垫破裂。托板破坏导致锚杆整体支护强度大大降低甚至丧失。二、锚杆支护存在的问题托板受力100×100mm150×150mm200×200mm不同尺寸托板扩散预应力效果托板受力分布二、锚杆支护存在的问题托板受力三点支撑托板变形与破坏形态测力托板-5000-4000-3000-2000-100001030507090110130150载荷/kN应变值/μεε90°ε45°ε0°-10000-50000500010000150001030507090110130150载荷/kN应变值/μεε90°ε45°ε0°-5000-4000-3000-2000-10000153540110115135测点位置/mm应变值/με10KN50KN100KN130KN140KN150KN托板剖面应变与载荷的关系托板拱部应变与载荷的关系托板四角应变与载荷的关系二、锚杆支护存在的问题托板受力托板应力与载荷的关系井下巷道锚杆测力托板布置图井下测力托板受力监测曲线-400-20002004001030507090110130载荷/kN主应力值/MPa1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#-800-600-400-20001030507090110130载荷/kN主应力值/MPa1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#01002003004005001030507090110130载荷/kN最大剪应力/MPa1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#最大主应力最小主应力最大剪应力123456789101112010020030006152127.235.44248.6距迎头距离/mVonMises应力/MPa1#2#3#4#二、锚杆支护存在的问题锚固剂粘结力低，达不到设计要求；其它力学指标(强度、弹模)达不到要求；三径不匹配。二、锚杆支护存在的问题树脂锚固剂固化剂树脂胶泥原因：锚固剂原材料、配方存在问题；锚固剂已经过期、失效；损坏的锚固剂。表面上已安设锚杆，实际不起作用或起作用小，肉眼很难看出，极易引起冒顶、片帮，出现伤亡事故。钢带钢带被撕裂。锚杆和托板压穿钢带。钢带扭曲。原因：钢带材质几何尺寸和加工工艺不合理；钢带受力状态差。锚杆失去组合作用，整体支护能力降低，巷道变形加大，甚至出现垮落。二、锚杆支护存在的问题W钢带在不同受力状态下的应力分布拉伸弯曲（简支）弯曲（固支）跨中（固支）多跨剪切钢带受力二、锚杆支护存在的问题应变片应变片温度补偿片测力钢带应变片分布运输巷钢带受力监测曲线回风巷钢带受力监测曲线钢带受力二、锚杆支护存在的问题金属网网兜过大；网撕破，岩石冒落。网强度和延伸率不合要求，几何参数不合理。过大网兜引起巷道变形量增大；网撕破引起破碎围岩垮落，导致锚杆失效。二、锚杆支护存在的问题不同种类金属网的变形钢筋网菱形网经纬网金属网变形二、锚杆支护存在的问题金属网试验装置钢筋网破坏状况菱形网破坏状况金属网变形二、锚杆支护存在的问题锚索索体拉断，部位中部、锚具接触部分。锚具滑动或脱落。锚具与托板压穿槽钢等构件。索体强度不够，受锚具损伤。锚具质量不合格，托板、槽钢材质与参数不合理、不匹配；锚索过长，预应力不匹配；围岩离层后再打锚索。二、锚杆支护存在的问题改善锚杆杆体材质，提高冲击韧性。提高锚杆杆体螺纹的加工质量，减小加工损伤。开发研制与锚杆螺纹强度、硬度相匹配的螺母，优化螺母材质、形状与尺寸，保证螺母符合技术要求。优化锚杆托板与球形垫圈尺寸并提高加工质量，改善杆尾受力状态。采用合理的锚固方式改善锚杆受力状况，充分发挥杆体的延伸率。三、解决途径改善锚杆杆体材质锚杆断裂的重要原因是冲击韧性差。从炼钢开始重新研究钢材配方与轧制工艺，显著提高钢材的冲击韧性。煤炭科学研究总院与首钢联合开发出BHRB600钢材。保持原来钢材力学指标的同时，冲击吸收功大幅提高。三、解决途径试件编号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后延伸率/%冲击吸收功/J20-178562523.545.220-279063525.550.822-180565022.034.322-280565022.042.622-380064521.039.5提高锚杆螺纹加工质量螺纹加工粗糙。引进或研制高精度螺纹加工设备与工艺，减少加工缺陷与损伤，提高加工质量。三、解决途径采用美国滚丝机加工螺纹。螺纹表面光洁平滑，加工质量与精度得到很大提高。还应研制与锚杆螺纹相匹配的螺母，优化材质、形状与尺寸。优化托板与球形垫圈尺寸为解决托板与球垫尺寸不合理、配合性差，球垫自锁，不起调心作用，应重新设计托板与球垫形状与尺寸，使锚杆主要承受拉力，尽量减小其他方向的力。还应提高托板与球垫加工精度，提高强度，减少托板与球垫之间的摩擦力。三、解决途径开发新型锚杆托板与垫圈托板与球垫球面配合，回转中心位于钢带与托板接触面之外。托板一端平面与钢带接触，另一端球面与球垫窝配合。球垫另一端平面与螺母接触，锚杆处最佳受力状态。三、解决途径锚杆螺母球垫新型托盘W钢带O1SR改变锚杆预应力施加方法拧紧螺母施加预应力。托板或垫圈卡住杆体，较大弯曲应力。杆体还受扭转，易破断。类似张拉锚索张拉锚杆：杆尾取消螺纹，锚具锁紧尾部；尾部加工螺纹，先张拉至设计预应力，然后再拧紧螺母。三、解决途径采用合理的锚固方式改善锚杆受力状况端锚与加