1、馬念杰馬念杰中國礦業大學（北京校區） 電話 ：（010）62345357（O） （010）62331888（H） Email: 1.錨桿支護在煤炭生產中的重要地位2.煤巷錨桿支護技術的沿革3.煤巷錨桿支護新的技術體系4.煤巷錨桿支護技術的發展方向1.錨桿支護在煤炭生產中的地位l是伴隨煤礦安全生產的永恒課題煤巷占礦井巷道總長度的，每年新掘萬余公里。傳統支架支護難以滿足現場生產需求。l是實現采煤工作面高產高效的重要途徑實例1實例2l是煤炭行業持久的熱點技術問題國家“七五”和“八五”科技攻關原煤炭部“九五”科技攻關1.錨桿支護在煤炭生產中的地位1.錨桿支護在煤炭生產中的地位1.錨桿支護在煤炭生產中的

2、地位1.錨桿支護在煤炭生產中的地位1.錨桿支護在煤炭生產中的地位l技術效益成巷速度由原來的25m/周提高到100m/周安全狀況得到改善，傷亡降低了90%回采工作面平均單產從1500t/d到4500t/dl經濟效益巷道支護成本降低50%噸煤平均成本降低50%1.錨桿支護在煤炭生產中的地位l技術效益巷道圍巖變形量減少了42.32%63.1%；杜絕了冒頂、瓦斯、火災事故。l經濟效益掘巷速度提高了3倍，成本下降了54.5%；年少掘巖巷10300m，簡化了巷道布置；三年累計增收節支萬元。2.煤巷錨桿支護技術的沿革（1）起步階段（80年代中后期）（2）攻關階段（19911995年）（3）引進和消化階段（1

3、9961997年）（4）推廣和提高階段（1998年至今）2.煤巷錨桿支護技術的沿革l主要進行一些基礎性的研究和試驗l錨桿支護理論、錨桿支護材料、施工機具與巖石巷道相同l沒有合理的監測儀器l煤巷錨桿支護的應用主要集中在少數幾個礦區 ,如徐州、新汶、淮南、西山等。 2.煤巷錨桿支護技術的沿革l煤巷錨桿支護技術作為國家“八五”期間的重點項目進行攻關 ,取得了一大批科研成果：出現了中性點等新理論錨桿型式多樣化液壓和電動鉆機相繼研究成功l錨桿支護應用范圍明顯擴大。大斷面開切眼向圍巖穩定性差的回采巷道發展2.煤巷錨桿支護技術的沿革l引進國外技術 ,推動我國煤巷錨桿支護技術的發展和提高l在引進、吸收和消化的

4、基礎上 ,結合我國具體情況 ,集中現場、科研院所及大專院校等多方面的優勢 ,經過兩年大規模研究和試驗 ,初步形成了適合我國煤礦條件的煤巷錨桿支護成套技術2.煤巷錨桿支護技術的沿革l國內各大礦區廣泛推廣應用 ,取得了顯著的技術經濟效益l煤巷錨桿支護的比例已達到 30%以上 ,少數礦區已超過 80 %l機理：機理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。l缺點：缺點：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。適用條件：適用條件：錨桿可以錨固到頂板堅硬穩定巖層l機理：機理：將錨固范圍內的巖層擠緊，增加各巖層間的摩擦力

5、，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象，提高其自撐能力。l將巷道頂板錨固范圍內的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內的最大彎曲應變和應力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。l缺點：缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩作用分開；隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續性受到破壞時，組合梁也就不存在了。適用條件：適用條件：層狀地層頂板在相當距離內不存在穩定巖層，懸吊作用處于次要地位。l機理：機理：在破裂區中安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿間距足夠小，各個錯桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成

6、一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。l缺點：缺點：一般不能作為準確的定量設計。適用條件：適用條件：頂板無穩定巖層l機理：機理：礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力，水平應力具有明顯的方向性。在最大水平應力作用下，頂底板巖層易于發生剪切破壞，出現錯動與松動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動。l缺點：缺點：直觀性較差。侯朝炯、勾攀峰教授提出的巷道圍巖強度強化理論F巷道錨桿支護的實質是錨桿與錨固區域的巖體相互作用而組成錨固體，

7、形成統一的承載結構；F系統布置錨桿提高了錨固體的力學參數E、C、，改善錨固體的力學性能。F錨固體的峰值強度和殘余強度都能得到強化 錨桿支護強度錨桿支護強度 t / MPa00.060.080.110.140.170.22等效內聚力等效內聚力C / MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效內摩擦角等效內摩擦角 / 31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4錨桿支護強度錨桿支護強度t / MPa00.060.080.110.140.170.22等效內聚力等效內聚力C* / MPa0.01680.01820.01830.0

8、1840.01860.01940.021等效內摩擦角等效內摩擦角 */ 31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4錨固體應力應變曲線圖錨固體強度隨錨桿支護強度t 的提高而得到強化，達到一定程度就可保持圍巖穩定。F陸士良教授等對錨桿錨固力的內涵及作用進行了深入研究，認為錨桿對圍巖的錨固作用是通過錨固力來實現的，而錨固力是依賴圍巖變形而產生和發展的。F 林崇德博士對煤巷錨桿加固作用機理的研究認為：錨桿加固對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯效果，但在圍巖產生塑性破壞后，對提高圍巖的殘余強度及承載能力有顯著作用。通過錨桿的約束作用和抗剪作用，使塑性破壞后易于松動的巖石構成具

9、有一定承載能力和適應自身變形的錨巖支護體。F楊建輝教授等人在對巷道頂板為板裂結構類型條件下進行頂板穩定跨距分析；F何滿潮教授提出了對軟巖巷道支護采用錨索關鍵部位二次支護概念。l高強錨桿由螺紋鋼桿體、穹形球體、塑料增壓墊圈、驅動螺母、托盤、樹脂藥卷等組成。l還包括護網、剛帶和錨索開灤錢家營礦開灤錢家營礦l 機械式錨桿是使用最早、結構多樣、數量較大的錨桿主要類型。機械式錨桿的錨固機構本身是一個統一體，在安裝錨桿時，錨固機構主要通過一個楔子系統在鉆孔中進行軸向或徑向相互錯動而張緊在鉆孔壁上。錨固機構通過摩擦連接將錨固力大多傳遞給巖層。機械式錨桿在安裝時，大多都產生預緊力。有時，甚至錨固機構必須直接依

10、靠預緊力來固定。l 機械式錨桿的優點是，安裝迅速，可即時達到承載力，可二次張緊，某些結構的錨桿還可以回收。其缺點是，鉆孔中的錨固段較短，在高應力區容易導致巖層破壞和錨固區松動；因此，它主要用于強度較高的巖層。l管縫式錨桿的桿體，由高強度、高彈性鋼管或薄鋼板卷成。沿管全長有一條開縫，管的上端是錐體，在管的下端焊有一個用鋼筋制成的圓環。桿體壁厚為24mm、直徑多為3545mm（要求比鉆孔直徑大25mm），長度可據需要加工，一般為1.602.0M；開縫寬度一般1015mm為。當桿體被外力強壓入鉆孔后，開縫管被迫壓縮，與孔壁之間產生徑向擠壓應力，使桿體牢固的脹撐在鉆孔內；桿體與孔壁間的摩擦力，便成為錨

11、固力，并且是沿桿體全長分布的。l管縫式錨桿具有錨固可靠、安裝方便且易于實現機械化操作；即可實現全長錨固、又有較大預應力和滑移讓壓特性。l 粘結式錨桿是通過粘結劑來取代錨固機構。粘結劑注入鉆孔內，凝固后可將桿體粘固在鉆孔中。錨桿錨固力向巖層的傳遞，主要是通過粘結的形式，而不是向鉆孔壁通過機械或摩擦脹固等施加的擠壓力。l 粘結式錨桿的優點是，它能在較深的鉆孔中顯示出很好的粘著力，而且可以不可壓縮的傳遞很大的力。由于它在錨固巖層時，并不產生特別的接觸壓力，所以對巖層強度無特殊要求，從而也可在松散巖層中成功的使用。l我國煤礦中主要使用的錨固劑是樹脂和快硬水泥兩種類型。l這兩種類型的錨固劑在如下幾個方面

12、的性能具有十分顯著的差別3.煤巷錨桿支護新的技術體系l超快型樹脂錨固劑的凝膠(初凝)時間為0.51.0鐘，能及時地支護圍巖，保證頂板安全和穩定。l錨桿安裝5分鐘后強度就可達到21MPa，相當其最終強度的30%左右;半小時后的強度大于35MPa。各種類型樹脂錨固劑在1天后的強度便可超過60MPa，達到最終強度的80%以上。l樹脂錨桿的拉拔力一般比使用水泥錨固劑大2.74.2倍。l超快型樹脂錨固劑的凝膠(初凝)時間為0.51.0鐘，快硬水泥錨固劑的凝膠(初凝)時間為35分鐘。l這就意味著使用樹脂錨固劑更能及時地支護圍巖，保證頂板安全和穩定。l超快型樹脂錨固劑在錨桿安裝5分鐘后強度就可達到21MPa

13、，相當其最終強度的30%左右;半小時后的強度大于35MPa。各種類型樹脂錨固劑在1天后的強度便可超過60MPa，達到最終強度的80%以上。l快硬水泥錨固劑的早期強度則很低，錨桿安裝5分鐘時強度幾乎為零;半小時后的強度為4.34.6MPa，一小時后的強度也僅為810MPa；7天以后抗壓強度僅可達到樹脂錨固劑強度的一半左右。l樹脂錨固劑的強度性能比快硬水泥好得多，尤其是在早期強度方面樹脂錨固劑有更大的優越性。l樹脂錨固和水泥錨固相比最大的優點是錨固力大。根據邢臺礦務局葛權、東龐，邢臺等礦煤巷數百根錨桿拉拔力試驗對比分析，樹脂錨桿的拉拔力一般比使用水泥錨固劑大2.74.2倍。l使用CK型樹脂錨固劑時

14、，1525分鐘時的錨固力就是用水泥藥卷1天后的錨固力的2.7倍左右，這對于及時加固圍巖具有重要意義。l使用樹脂錨固劑時錨桿一般使用機具安裝，安裝質量容易保證，所以每根樹脂錨桿的錨固力通常都能達到設計能力。l使用快硬水泥錨固劑的錨桿安裝都是手工作業，許多工序(例如浸水時間、搗固藥卷等)的施工質量不好控制，很難保證錨桿安裝質量。根據實測結果，水泥藥卷錨固時各根錨桿的錨固力相差很大，達不到設計錨固力的錨桿往往占較大比例。l1彈性階段l2屈服階段l3強化階段l4頸縮階段l(1) 普通錨桿 s340 MPal(2) 高強(度)錨桿s=340600 MPal(3) 超高強(度)錨桿s600 MPa澳大利亞

15、研究的高強度錨桿，桿體（直徑）的破斷力達；直徑的超高強度錨桿，其桿體的破斷力達。美國制造錨桿的鋼材屈服強度為a。而英國制造錨桿的鋼材的屈服強度可達a。全長錨固時錨桿及圍巖的受力狀態好，實際錨固力大。全長錨固不但可以使錨桿有較高的錨固力，還可以有一定的抗剪切能力。全長錨固錨桿能有效地提高錨桿支護系統的剛度，限制圍巖變形的發生。全長錨固錨桿可以有效地約束頂板圍巖的變形和位移。不僅可以在很大程度上減小圍巖 變形，提高巷道的穩定性，更重要是能夠大大改善錨桿支護的可靠性，保證巷道安全。l螺紋的加工方法攻絲和套絲的加工車削螺紋銑削螺紋磨削螺紋滾壓螺紋 l螺紋鋼錨桿的粘結力與桿體的攪拌特性、螺紋的螺距、牙高

16、、桿長等密切相關：l螺紋鋼錨桿表面帶有螺紋，當桿體右旋推進時，樹脂錨固劑由孔口向孔底縱向流動，有利于充填鉆孔，能夠將藥卷充分混合，達到良好的攪拌效果；由于螺紋有一定的高度，桿體在旋轉過程中，使藥劑由孔心向孔壁橫向流動，藥劑能夠填滿所有空間，與桿體充分粘結， 達到最大粘結強度。l由于螺紋鋼錨桿的螺紋牙形為梯形，具有一定的螺距和牙高，它與樹脂藥卷的粘合面面積要比與圓鋼反麻花錨桿的粘合面面積大。顯然，在粘結強度一定的條件下，螺紋鋼錨桿的 粘結力要大，錨固效果好。l由于螺紋鋼錨桿有沿桿體全長的螺紋，錨固端與桿體無界限，而常用的反麻花錨桿的錨固長度是一定的。這樣，前者無疑可通過增加其錨固長度來提高錨固力

17、，達到最佳錨固效果。l意義l錨固失效形式l合理鉆孔直徑l合理錨桿直徑l 合理樹脂直徑l結論l提高錨固力 l改善錨固效果l提高錨桿支護煤巷圍巖穩定性l減少巷道支護和維護費用l無縱筋錨桿l帶縱筋左旋螺紋鋼錨桿l錨固卷沿鉆孔孔壁滑動錨固卷沿鉆孔孔壁滑動l錨桿直徑過大，沒有足夠的空間使錨固劑混合固化錨桿直徑過大，沒有足夠的空間使錨固劑混合固化l錨桿直徑小，錨固劑不能得到均勻攪拌錨桿直徑小，錨固劑不能得到均勻攪拌l錨桿直徑過小，不能有效的刺破樹脂藥卷錨桿直徑過小，不能有效的刺破樹脂藥卷l錨桿不能有效地刺破樹脂藥卷和均勻地攪拌混合錨固劑，導致錨固力很低；l鉆孔時間過長；l需要較多的樹脂，造成成本過高。31

18、.2344262.202040608026283343Drills diameter（m m）The cost(Yuan)3755.544.3347901020304050607080902627282933Drills diameter（m m）The bolt anchor force(kN)22無縱筋2 2020406080100456711Difference in diameters of bolts and drills（m m）The bolt anchorforce(kN)2976010203040506070802627282933Drills diameter（m m）Th

19、e bolt anchor force(kN)22有縱筋65138001020304050607080902627282933Drills diameter（m m）The bolt anchor force(kN)20有縱筋55.438.227.63.801020304050602627282933Drills diameter（mm）The bolt anchor force(kN)18有縱筋02040608010078910111315Difference in diameters of bolts and drills（mm）The bolt anchorforce(kN)1 82 0

20、2 2lthe rational stick resins diameter should make resin adhesive and firming agent be mixed up successfully and solidified3max DDlLdDD/)(22minl鉆孔直徑對錨桿支護成本和錨固力大小影響很大。在目前技術條件下宜選擇28mm左右的鉆孔，可以獲得最佳的鉆孔效率、較高的錨固力和較好的技術經濟效益。l當使用無縱筋螺紋鋼錨桿時鉆孔直徑與錨桿直徑之差應在410mm之間，最佳值為56mm；當使用帶縱筋螺紋鋼錨桿時鉆孔直徑與錨桿直徑之差在612mm之間，最佳值為78mm。

21、l樹脂卷最佳直徑應使錨桿安裝時能夠完全混合樹脂膠泥和固化劑，使它得到充分固化，以使錨桿獲得最大的錨固力。在保證能夠順利安裝的條件下，樹脂卷直徑應盡量增大，這樣當錨桿安裝時可使樹脂在孔中向孔口方向移動的同時不斷攪拌使樹脂混合更充分。l鋼帶主要使用在頂板。l在巷道兩幫煤體較破碎、松軟時可使用鋼筋梯子梁護幫。l鋼筋梯子梁也使用在頂板。l網的作用主要是維護錨桿間比較破碎的巖石，防止小巖塊掉落，同時對提高錨桿支護的整體效果也有一定的作用。l網可分為金屬網和非金屬網。l一般采用的鋼（鐵）絲編織而成。l根據網孔形狀和結構的不同，可分為經緯網和菱形網，經緯網孔的尺寸為。而菱形網孔的尺寸為。l由于菱形網具有柔性

22、好、強度高、孔形不變、連接方便等優點，現在逐步取代了經緯網。l由鋼筋焊接而成的大網格金屬網，它由受力筋和分布筋構成。l鋼筋網橫向筋一般為受力筋，直徑左右，縱向筋一般為左右。網格左右。l這種網強度和剛度都比較大，不僅能夠阻止松動巖塊掉落，而且可以有效地增加錨桿支護的整體效果，適用于大變形、高地應力巷道。l塑料網的優點是成本低、輕便、抗腐蝕等，但其強度和剛度較低。l聚脂網具有強度大、重量輕、剛度好等諸多優點。但由于價格較高，還沒有廣泛使用。l從動力區分有風動、電動、液壓三種。l從破巖方式區分有旋轉、沖擊兩種。l為了實現樹脂錨桿的快速安裝，保證有較大的扭矩，一般采用旋轉式錨桿鉆機。l風動、電動、液壓

23、旋轉式錨桿鉆機可實現樹脂錨桿的快速安裝，保證有較大的扭矩。l鉆孔應特別注意在開孔時鉆機的推力要小，正常鉆進時保持推力與鉆進速度相匹配，防止鉆桿彎曲及造成孔壁不光滑而影響錨桿的安裝。l在更換鉆桿時不要挪動錨桿鉆機，以免第二根鉆桿不能沿第一根鉆桿原有的軸線進行鉆進，使鉆孔不能保持直線，給錨桿安裝帶來困難。l安裝錨桿時，也不要挪動錨桿鉆機，以免錨桿不能沿鉆孔的軸線前進，使錨桿與鉆孔的摩擦阻力過大，安裝困難。l鉆頭一般使用。l鉆桿使用19或六方鉆桿，其長度根據設計孔深選擇。l當錨桿長度大于時，因單體錨桿鉆機最低高度在左右，而巷道高度大多小于，不能用一根鉆桿一次成孔，需換鉆桿；l即使巷道高度滿足一次成孔

24、高度要求，因過長的鉆桿露在孔外易產生彎曲變形，在鉆機推力大而鉆進速度慢的情況下易出現鉆桿折斷、傷人事故，所以鉆時先用短鉆桿再換長鉆桿。l鉆孔至設計深度；l將樹脂藥卷輕輕送入鉆孔內，一般使用超快或快速和中速兩種凝結速度的樹脂藥卷，超快或快速的藥卷放在孔底，中速的藥卷放在孔的外段；l用組裝好的錨桿將藥卷輕輕送人孔底并與鉆機聯結；l開動錨桿鉆機邊推進邊攪拌，直到將錨桿送人孔底，時間大約；l等待樹脂藥卷固化，大約；l開動鉆機將剪切銷剪斷后，用鉆機上緊螺母；l關閉旋轉及氣腿開關，放下鉆機。l預應力錨索主要材料為：鋼絞線、鎖具、錨固劑。l由于它錨固深度大，將下部不穩定巖層錨固在上部穩定的巖層中，可靠性較大

25、；可施加預應力，主動支護圍巖，因而是支護技術中一種可靠有效的手段。l在大斷面、地質構造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高地應力、綜放巷道等困難、復雜的巷道中，孔徑：國外大（50-55mm），我們使用28mm鉆機：國外為錨索鉆機 ，我們用錨桿鉆機錨固方式和承載時間：國外用水泥漿，24小時后承載。我們用樹脂錨固，5-10分鐘承載專用設備施加預拉力，預緊力大小隨意可調l注水泥漿及樹脂膠泥錨固，需一套小型注漿泵，施工工藝相對采用普通樹脂藥卷錨固要復雜，尤其采用注水泥漿，需養護較長時間才能安裝錨具、張拉，不能及時支護。l但注水泥漿及樹脂膠泥錨固可靠性較高，錨固力大，在鉆孔含水時，采用普通樹脂藥卷錨固，其錨固力

26、較小，有可能達不到設計錨固力。l采用普通樹脂藥卷加長錨固，與注水泥漿和樹脂膠泥相比，不需注漿泵，使用錨桿鉆機帶動錨索攪拌樹脂藥卷，簡化了錨索安裝工序，由于樹脂藥卷凝結時間短，一般等待后即可安裝鎖具、張拉，實現了錨索快速安裝、及時承載，有利于巷道快速施工和圍巖穩定。l但樹脂藥卷錨固時，其錨固力不穩定，鉆孔出水時，錨固力更小。在巷道圍巖較破碎時，常出現不能將樹脂藥卷送人孔底，錨固在鉆孔的中部，藥卷擠入圍巖裂隙后，錨固長度達不到設計要求，另外受巷道高度及錨桿鉆機的扭矩所限，錨固長度受到限制，一般小于，不如注水泥漿和樹脂膠泥靈活。和20mm的20MnSi螺紋鋼錨桿強度區別不明顯；錨索常出現破斷、抽冒現象錨索和錨桿承載不同步，易超前錨桿集中受力外端頭受力不良，與圍巖點接觸，頂板強化效果不明顯內錨固端的三徑匹配不合理，錨固性能不可靠錨索難以從根本上控制頂板的離層 比較項目中國美、澳、英錨桿材料強度（MPa）235（Q235）340（20MnSi）45