復雜地質條件下巷道圍巖主動控制技術山東科技大學秦忠誠2010年8月一、支護研究背景二、錨桿支護基本理論與新型錨桿、錨索三、巷道支護系統設計方法四、部分礦井巷道支護案例五、部分專利與成果匯報提綱

“復雜地質條件下巷道圍巖變形與控制”是目前深井建設中遇到的普遍難題，針對復雜施工地質條件，探究經濟合理的巷道支護技術，對礦井的安全高效生產具有重要的現實意義和工程應用價值。我國煤礦開采深度以8-12m/年的速度增加，東部礦井10-25m/年。1980年平均開采深度288m，1995年428.83m，2000年以后超過了500m。國有重點煤礦，開采深度達1000m深礦井有數十處，最大采深超過1300m。主要分布在新汶、淄博、開灤、北票、沈陽、徐州、淮南、徐州等礦區。到2009年底，新礦集團5個礦采深超過1000m，開灤、徐州、淮南等礦區平均采深大于800m。預計在未來20年我國很多煤礦將進入到1000-1500m的開采深度。一、支護研究背景一、支護研究背景高地應力：垂直應力明顯增大；水平應力甚至超過靜水壓力；構造應力場復雜。高地溫：地溫梯度30-50°C/km。熱應力問題明顯，（0.4-0.5MPa）/△1°C高巖溶水壓：高裂隙水壓使巖石更易破壞且礦井突水嚴重。開采擾動：在高地應力下，疊加采動影響，巷道硐室破壞更加嚴重。巖體弱化：

不同圍壓下巖石具有不同的特性，在高圍壓下脆性巖石轉化為塑性。流變特性：高應力作用下，巖石具有較強的時間效應，呈現明顯的流變或蠕變。擴容特性：在大偏應力下巖石內部節理、裂隙、裂紋張開，出現擴容膨脹。垮落冒頂增加：圍巖應力高于圍巖強度，圍巖易失穩性，支護難度大。沖擊地壓：煤巖體應力加大，沖擊地壓發生的頻率、強度和規模增加。礦壓顯現強烈：巷道變形量明顯增大，采面礦壓顯現強烈。深井開采礦壓特點一、支護研究背景

巷道圍巖變形的時間效應。圍巖變形量大，有明顯的時間性。初期來壓快、變形顯著，不采取有效支護措施，極易發生冒頂、片幫。即使圍巖變形穩定后，圍巖還以長期處于流變狀態。

巷道圍巖變形的空間效應。巷道來壓方向多表現為四周來壓。不僅頂板、兩幫發生顯著變形和破壞，底板也出現強烈變形和破壞，如不對底板采取有效控制措施，則強烈底臌會加劇兩幫和頂板的變形和破壞。巷道圍巖變形的易受擾動性。圍巖變形對應力的變化非常敏感，受震動、鄰近巷道掘進或回采工作面采動影響后，圍巖變形和破壞均有明顯增加。圍巖的穩定性與巷道斷面形狀、施工工藝等因素都有關系。巷道圍巖變形的沖擊性。在有沖擊傾向的巷道中，圍巖變形有時并不是連續的、逐漸變化的，而是突然劇烈增加，導致斷面迅速縮小，具有強烈的沖擊性。深井巷道變形特點一、支護研究背景新奧法支護理論煤炭行業結合自身特點，完善和發展了新奧法：采用光面爆破；早強噴射混凝土及時封閉巷道周邊，實施密貼支護；采用錨噴支護，主動加固圍巖，提高其自承能力，在圍巖內形成承載圈；實施二次支護；對破碎圍巖實施注漿加固；實施動態設計和動態施工等。

聯合支護理論

對深部巷道，只提高支護剛度難以有效控制圍巖變形，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩定支護。但隨著巷道條件變差，該理論受到挑戰，有些巷道采用聯合支護并不有效，多次維修，圍巖變形一直不能穩定。二次支護理論對深部大變形巷道，應實施二次支護。一次支護在保證圍巖穩定的條件下允許有一定變形，釋放壓力；在合適的時間進行二次支護，保持巷道的長期穩定。

深部巷道支護理論一、支護研究背景錨桿錨噴支護：錨桿錨噴支護性能優越，比較適合深部巷道支護。但必須選擇合理的支護形式與參數，才能取得較好效果。U型鋼可縮性支架：U型鋼具有較好的斷面形狀和幾何參數，型鋼搭接后易于收縮，支架設計合理，使用正確，能獲得較好的力學性能。支架結構分不封閉和封閉。但U型鋼支架畢竟是一種被動支護形式，而且支護費用高，施工比較困難。注漿加固：注漿將破碎巖體固結，改善圍巖結構，提高圍巖強度，增加自身承載能力。水泥─水玻璃、高分子材料。注漿加固適于破碎圍巖，且與其它支護方法聯合使用。聯合支護：兩種或兩種以上支護方式聯合支護。如能充分發揮每種支護方式性能，優勢互補，有更好支護效果和更廣的適用范圍。錨噴+注漿，錨噴+U型鋼支架，U型鋼支架+注漿，錨噴+注漿+U型鋼支架。適用范圍廣，但費用高，支護形式選擇不匹配時，往往造成各個擊破。卸壓技術：將巷道布置在應力降低區，或采取人工卸壓措施，使巷道周邊的高應力向深部轉移，是深部巷道圍巖變形控制的另一個途徑。在應力降低區布置巷道是首選方法，人工卸壓法（切縫、鉆孔、爆破、掘卸壓巷等），由于種種原因，目前還沒有推廣，僅作為一種輔助方法局部采用。

高強預應力錨桿、預應力錨索、讓壓錨桿、讓壓錨索支護已得到大面積應用,成為我國煤礦巷道首選的、主要的支護方式。深部巷道支護技術一、支護研究背景組合梁理論

機理：將錨固范圍內的巖層擠緊，增加各巖層間的摩擦力，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。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。適用條件：層狀復合頂板二、錨桿支護基本理論與新型錨桿、錨索1、基本理論二、錨桿支護基本理論與新型錨桿、錨索薄壁梁向深厚梁的轉換理論理論要點深厚梁－理論薄壁梁－理論錨桿、錨索預應力形成的深厚梁錨桿無預應力或被動棚式情況下的薄壁梁二、錨桿支護基本理論與新型錨桿、錨索壓縮拱(承載拱)理論機理：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，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，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。二、錨桿支護基本理論與新型錨桿、錨索對擾動圍巖進行強度再強化，控制松動圈的擴展。適用條件：拱形巷道1945～1950：機機械械式式錨錨桿桿的的研研究究與與應應用用1950～1960：廣廣泛泛采采用用機機械械式式錨錨桿桿，，開開始始對對錨錨桿桿進進行行系系統統研研究究1960～1970：發發明明了了樹樹脂脂藥藥卷卷，，引引發發錨錨桿桿技技術術的的一一次次革革命命1970～1980：發發明明管管縫縫式式、、水水力力漲漲管管式式錨錨桿桿，，研研究究新新的的錨錨桿桿設設計計方方法法，，長長錨錨索索產產生生1980～1990：混混合合錨錨頭頭錨錨桿桿、、組組合合錨錨桿桿、、桁桁架架錨錨桿桿、、各各種種特特種種錨錨桿桿得得到到應應用用，，樹樹脂脂錨錨固固材材料料得得到到改改進進。。美國國作作為為世世界界上上第第二二采采煤煤大大國國，，錨錨桿桿支支護護技技術術是是最最先先進進的的，，美美國國錨錨桿桿支支護護技技術術至至今今已已有有一一百百多多年年的的發發展展歷歷史史，，但但錨錨桿桿支支護護技技術術的的廣廣泛泛應應用用，，僅僅是是近近五五、、六六十十年年的的時時間間，，現現在在美美國國礦礦井井的的錨錨桿桿支支護護率率為為100％。。美美國國每每年年錨錨桿桿使使用用量量在在8000萬套套以以上上，，每每年年有有2.5萬km的煤煤巷巷使使用用錨錨桿桿支支護護。。錨桿桿支支護護技技術術發發展展二、、錨錨桿桿支支護護基基本本理理論論與與新新型型錨錨桿桿、、錨錨索索美國國在在復復雜雜的的地地質質條條件件下下成成功功使使用用錨錨桿桿的的經經驗驗是是采采用用高高預預應應力力、、高高強強度度錨錨桿桿，，對對巷巷道道頂頂板板采采取取積積極極主主動動的的支支護護，，極極大大地地提提高高了了巷巷道道圍圍巖巖的的自自承承載載能能力力和和巷巷道道的的穩穩定定性性，，減減少少了了錨錨桿桿數數量量、、提提高高了了巷巷道道掘掘進進速速度度、、降降低低了了巷巷道道的的支支護護成成本本。。美國國巷巷道道支支護護理理念念：錨錨桿桿、、錨錨索索是是支支護護結結構構的的主主體體，，為為了了充充分分實實現現錨錨桿桿主主動動支支護護的的效效果果，，通通過過提提高高錨錨桿桿預預應應力力去去主主動動加加固固受受掘掘進進破破巖巖影影響響的的松松動動圍圍巖巖，，以以提提高高圍圍巖巖的的自自身身承承載載能能力力，，控控制制松松動動圈圈的的擴擴展展。。現現礦礦井井噴噴射射的的混混凝凝土土，，由由于于受受巷巷道道初初始始成成型型的的影影響響，，混混凝凝土土噴噴層層厚厚度度很很不不均均勻勻，，現現混混凝凝土土噴噴層層主主要要作作用用是是封封閉閉圍圍巖巖，，防防止止圍圍巖巖風風化化，，保保證證圍圍巖巖的的長長期期強強度度。。另外外，，澳澳大大利利亞亞作作為為第第三三大大采采煤煤國國，，也也幾幾乎乎全全部部采采用用錨錨網網支支護護。。國外外發發達達國國家家錨錨網網支支護護的的特特點點：(1)單體體錨錨桿桿強強度度大大；；(2)錨桿桿安安裝裝應應力力大大；；(3)間排排距距大大；；(4)錨網網支支護護效效率率高高，，支支護護效效果果良良好好。。錨桿桿支支護護技技術術發發展展二、、錨錨桿桿支支護護基基本本理理論論與與新新型型錨錨桿桿、、錨錨索索自50年代代以以來來，，錨錨桿桿支支護護技技術術在在我我國國得得到到了了逐逐步步應應用用，，特特別別是是進進入入90年代代，，許許多多礦礦井井改改變變傳傳統統的的棚棚式式和和砌砌體體支支護護的的理理念念，，開開始始試試用用推推廣廣錨錨網網支支護護，，大大量量的的實實踐踐驗驗證證了了錨錨網網支支護護安安全全、、高高效效、、經經濟濟的的優優勢勢。。同時時，，在在礦礦井井軟軟巖巖、、動動壓壓巷巷道道及及煤煤巷巷中中采采用用錨錨桿桿支支護護也也獲獲得得了了良良好好的的效效果果。。原煤煤炭炭工工業業部部1995年提提出出：：““煤煤巷巷錨錨桿桿支支護護是是我我國國煤煤礦礦繼繼綜綜合合機機械械化化采采煤煤之之后后的的第第二二次次支支護護技技術術革革命命””，，并并將將““煤煤礦礦錨錨桿桿支支護護技技術術””列列為為煤煤炭炭工工業業““九九五五””重重點點科科技技攻攻關關項項目目的的五五個個項項目目之之一一，，在在攻攻關關研研究究的的基基礎礎上上，，在在煤煤礦礦中中大大力力推推廣廣煤煤巷巷錨錨桿桿支支護護技技術術。。但是煤礦礦錨網支支護作為為一種主主動支護護方式，，要達到到理想的的支護效效果，在在技術細細節上尚尚未完全全解決。。如錨桿桿組件、、錨桿結結構、錨錨桿施工工安裝機機具和錨錨桿與其其它支護護結構的的耦合問問題等。。錨桿支護護技術發發展二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索⑴錨桿支支護設計計主要依依靠現場場經驗，，設計理理論依據據有待完完善和補補充；⑵各類巷巷道錨桿桿千篇一一律；很很多設計計單位只只是籠統統選擇了了錨桿直直徑和長長度。但但是不同同的錨桿桿結構和和施工工工藝會很很大的效效果差別別。⑶沒有考考慮地應應力大小小、方向向、比值值的影響響；⑷沒有進進行地質質力學分分析和巷巷道壓力力顯現與與錨桿支支護參數數的匹配配關系分分析與選選擇，所所以提出出的支護護方案很很難適應應地質條條件的變變化，不不能實現現量體裁裁衣、對對癥下藥藥。⑸單根錨錨桿強度度低、預預緊力低低、可靠靠性低、、間排距距小(單體錨桿桿鉆機推推力小(小于0.5t)、扭距小小(小于160Nm)，錨桿基基本上沒沒有預應應力)；⑹錨桿消消耗量大大、施工工速度慢慢、工效效低、費費用高、、安全性性較低。。錨桿支護護技術發發展我國現有有錨桿支支護存在在的不足足二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索國內外錨錨桿支護護技術對對比比較項目中國美、澳、英錨桿材料強度（MPa）235、335、500450、500、600、700錨桿錨固力（t）5～15>20錨桿直徑（mm）16～2220～22錨桿間排距（m）0.7～0.91.0～1.2錨桿長度（m）1.6～2.42.2～2.6錨桿安裝應力（t）0～44～8二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索錨桿和錨錨固區域域圍巖體體形成統統一的承承載結構構錨桿支護護可以提提高錨固固體的力力學性質質提高殘余余強度值值改變圍巖巖的受力力狀態,提高承載載能力減少破碎碎區、松松動區范范圍控制松動動圈擴展展預應力錨錨桿、錨錨索支護護是主動強化化破碎圍圍巖的主要方方法；后注漿錨錨桿、錨錨索是被動強化化圍巖的一種方方法。2、主動控控制錨桿桿支護系系統擾動圍巖巖再強化化支護理理念二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索高地應力力、軟弱弱破碎圍圍巖巷道道平衡支支護問題題位移平衡衡支護法法－新型預預應力讓讓壓錨桿桿1）巷道開開挖后地地應力釋釋放的不不可抗拒拒性2）對地應應力釋放放實施有有控制讓讓壓應力平衡衡支護法法－通過變變換支護護參數平平衡巷道道不同位位置的地地應力1）受構造造應力或或采動應應力的影影響，巷巷道周邊邊應力分分布不均均一，所所以不能能用均一一的支護護參數去去支護巷巷道圍巖巖。2）巷道圍圍巖強度度的不均均一性，，應根據據圍巖的的強度設設計支護護參數。。龍固煤礦礦在建設設期間的的硐室和和主要大大斷面巷巷道均采采用了高高強讓壓壓錨桿，，取得了了較好的的效果。。讓壓錨錨桿在新新礦集團團、棗礦礦集團、、兗礦集集團和潞潞安集團團的動壓壓高地應應力巷道道支護中中被廣泛泛應用。。二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索位移平衡衡支護法法－新型型的預應應力讓壓壓錨桿單起動防防沖讓壓壓錨桿雙起動點點防沖讓讓壓錨桿桿二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索預應力讓讓壓錨桿桿工作特特性曲線線高強高預預應力讓讓壓錨桿桿－讓壓壓前無讓壓管管和有讓讓壓管工工作特性性曲線高強高預預應力讓讓壓錨桿桿－讓壓壓后二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索應力平衡衡支護法法－通過過變換支支護參數數平衡巷巷道不同同位置的的地應力力二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索預應力錨錨桿與圍圍巖主動動控制支支護效果果—計算機模模擬1.0T安裝載荷時的應力分布和變形圖1.0T安裝載荷時放大后的頂板離層

2.0T安裝載荷荷時的應應力分布布和變形形圖2.0T安裝載荷荷時放大大后的頂頂板離層層二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索3.0T安裝載荷時的應力分布和變形圖3.0T安裝載荷時放大后的頂板離層

4.0T安裝載荷時的應力分布和變形圖4.0T安裝載荷時放大后的頂板離層

二、錨桿桿支護基基本理論論與新型型錨桿、、錨索預應力錨錨桿與圍圍巖主動動控制支支護效果果—計算機模模擬新礦集團集集團1200m采深巷道支支護效果對對比高強預應力力錨桿支護護全螺紋錨桿桿等強錨桿桿支護二、錨桿支支護基本理理論與新型型錨桿、錨錨索關于預應力力讓壓錨桿桿(錨)應用的體會會第一時間主主動控制：：復雜圍巖條條件下，錨錨網索支護護成功的關關鍵是圍巖巖早期控制制和主動控控制。錨桿桿錨索第一一時間產生生預應力是是非常重要要的。錨桿、錨索索協同支護護：提高錨桿錨錨索預應力力后，錨桿桿錨索的增增阻速度會會明顯加快快。錨桿、、錨索的受受力匹配和和變形匹配配是保障支支護系統協協同完成支支護任務的的關鍵。通通常錨桿的的預應力宜宜在3～5t左右。錨索索的預應力力應以施打打錨索時刻刻的錨桿受受力大小來來確定。讓壓量和讓讓壓噸位匹匹配：讓壓錨桿、、讓壓錨索索的使用是是有條件的的。宜在圍圍巖能量有有積蓄傾向向、動壓、、圍巖變形形速度、地地應力釋放放快的條件件下使用。。讓壓量和和讓壓噸位位的匹配是是讓壓支護護成功的關關鍵。支護一體：：在錨網索支支護體系中中，錨桿、、錨索是“支”的作用；鋼鋼帶、鋼筋筋梯和網子子及噴射混混凝土是“護”作用，良好好的支護系系統應該以以“支”為主、以“護”為輔，支護護一體。綜合控制：：對復雜條件件下的圍巖巖控制，通通常是綜合合控制。錨錨注只能適適用于巷道道的二次維維修，是松松動圈大量量擴展后使使用的一種種支護方法法。成功的的錨網支護護是松動圈圈得到了有有效控制，，此時圍巖巖無需錨注注加固。二、錨桿支支護基本理理論與新型型錨桿、錨錨索錨桿分類材質：木質錨桿桿、塑料或或是玻璃鋼鋼錨桿、金金屬錨桿錨固：機械械錨固、粘粘結錨固錨固長度：：局部錨固固、全長錨錨固目前90％以上的錨錨固為金屬屬桿體，樹樹脂局部錨錨固錨桿金屬錨桿左旋細絲錨錨桿（Q335、Q500）右旋全螺紋紋鋼錨桿（（Q335）圓鋼麻花錨錨桿（Q215、Q335）3、錨桿形式式與錨桿結結構二、錨桿支支護基本理理論與新型型錨桿、錨錨索左旋預應力力阻尼錨桿桿是一種預應應力錨桿。。阻尼有樹樹脂或塑料料阻尼、銷銷式阻尼、、金屬蓋片片式阻尼三三種;錨固力靠樹樹脂粘結力力實現;阻尼打開實實現樹脂的的充分攪拌拌;等待40－60s后，施加錨錨桿的預應應力操作。。4、新型錨桿桿形式與錨錨桿結構二、錨桿支支護基本理理論與新型型錨桿、錨錨索②左旋細細絲預應力力錨桿該錨桿的缺缺點：加工工過程多了了壓圓、滾滾絲兩個工工藝。該錨桿的優優點：(Ⅰ)錨桿預應力力大。由于該錨錨桿螺紋是是國標螺紋紋，螺紋螺螺距2.5mm，螺紋自鎖鎖效果好，，通過特制制的阻尼螺螺母，錨固固樹脂攪拌拌充分、錨錨固力大，，120型氣動錨索索鉆機即可可實現4噸的預緊力力。(Ⅱ)錨桿錨固力力高。因該錨桿桿桿體設計計的螺紋方方向為左旋旋方向和錨錨桿的攪拌拌樹脂方向向（右旋））相反，在在攪拌樹脂脂的過程中中會對樹脂脂產生一個個軸向擠壓壓力，大量量測試表明明，同樣桿桿體直徑和和同樣樹脂脂的情況下下，左旋細細絲預應力力錨桿的錨錨固力比右右旋等強全全螺紋鋼錨錨桿錨桿，，錨固力可可提高20％以上。(Ⅲ)桿體的有效效斷面大，，錨桿強度度高。大量試驗驗表明，同同直徑同材材質的左旋旋細絲預應應力錨桿的的破斷力比比右旋等強強全螺紋鋼鋼錨桿的破破斷力高出出20％以上。(Ⅳ)左旋細絲預預應力錨桿桿因采用了了合理的阻阻尼螺母，，螺母材質質為球墨鑄鑄鐵，球墨墨鑄鐵和錨錨桿桿體的的摩擦力是是最小的，，另外采用用了減阻特特制塑料墊墊圈，使錨錨桿的扭矩矩應力比大大大提高。。左旋預應力力阻尼錨桿二、錨桿支支護基本理理論與新型型錨桿、錨錨索②左旋細細絲預應力力錨桿A六方螺母預預應力錨桿桿B四方方螺螺母母預預應應力力錨錨桿桿圖2左旋旋細細絲絲預預應應力力錨錨桿桿組組裝裝示示意意圖圖二、、錨錨桿桿支支護護基基本本理理論論與與新新型型錨錨桿桿、、錨錨索索右旋旋無無阻阻尼尼等等強強螺螺紋紋鋼鋼錨錨桿桿二、、錨錨桿桿支支護護基基本本理理論論與與新新型型錨錨桿桿、、錨錨索索該類類錨錨桿桿的的優點點：加加工工制制造造簡簡單單。。該類類錨錨桿桿的的缺點點：(ⅠⅠ)桿體體螺螺距距大大。通通常常在在10-12mm左右右，，大大螺螺距距螺螺母母與與桿桿體體咬咬合合力力低低，，摩摩擦擦力力大大，，時時常常出出現現退退絲絲現現象象，，而而且且錨錨桿桿安安裝裝應應力力低低，，很很難難達達到到2噸以以上上的的預預緊緊力力。。(ⅡⅡ)錨桿桿錨錨固固力力低低。因因該該錨錨桿桿桿桿體體設設計計的的螺螺紋紋方方向向(右旋旋)和錨錨桿桿的的攪攪拌拌樹樹脂脂方方向向(右旋旋攪攪拌拌)旋向向相相同同，，在在攪攪拌拌樹樹脂脂的的過過程程中中會會對對樹樹脂脂產產生生一一個個向向外外的的輸輸送送力力，，大大量量測測試試表表明明，，同同樣樣桿桿體體直直徑徑和和同同樣樣樹樹脂脂的的情情況況下下，，右右旋旋全全螺螺紋紋等等強強錨錨桿桿的的錨錨固固力力比比左左旋旋細細絲絲預預應應力力錨錨桿桿，，錨錨固固力力降降低低20％。。(ⅢⅢ)桿體體的的強強度度低低。大大量量試試驗驗表表明明，，同同直直徑徑同同材材質質的的右右旋旋等等強強錨錨桿桿的的破破斷斷力力比比左左旋旋細細絲絲預預應應力力錨錨桿桿低低20％以以上上。。所以以右右旋旋全全螺螺紋紋鋼鋼等等強強錨錨桿桿已已經經不不能能滿滿足足深深部部錨錨網網支支護護的的要要求求，，現現在在深深部部支支護護中中很很少少選選用用。。右旋旋無無阻阻尼尼等等強強螺螺紋紋鋼鋼錨錨桿桿二、、錨錨桿桿支支護護基基本本理理論論與與新新型型錨錨桿桿、、錨錨索索左旋旋與與右右旋旋螺螺紋紋鋼鋼錨錨桿桿強強度度對對比比左旋旋滾滾絲絲螺螺紋紋鋼鋼錨錨桿桿桿桿體體強強度度右旋旋等等強強螺螺紋紋鋼鋼錨錨桿桿桿桿體體強強度度桿體直徑(mm)鋼材級別（MPa）屈服強度（噸）抗拉強度（噸）國標實測國標實測Ф18MG3358.7≥9.112.6≥13.0Ф20MG33510.8≥10.215.6≥15.0Ф22MG33513.1≥13.3518.9≥20.25桿體直徑鋼材級別屈服強度(kN)抗拉強度(kN)國標實測國標實測Ф16MG33563≥9092≥130Ф18MG33583≥110121≥160Ф18MG500125≥150163≥200Ф20MG335110≥125160≥185Ф20MG500153≥180202≥240Ф22MG335127≥154186≥220Ф22MG500178≥200235≥270二、、錨錨桿桿支支護護基基本本理理論論與與新新型型錨錨桿桿、、錨錨索索③鳥鳥巢巢錨錨索索目前前國國內內所所使使用用的的光光面面錨錨索索（（如如上上圖圖））都都是是簡簡單單的的一一條條鋼鋼絞絞線線。。其其缺缺點點有有：：①錨錨索索直直徑徑主主要要為為15.24mm和17.8mm兩種種規規格格，，而而鉆鉆孔孔直直徑徑是是28mm。錨錨索索樹樹脂脂和和孔孔壁壁之之間間很很難難達達到到理理想想的的配配合合，，影影響響錨錨索索的的錨錨固固力力。。②錨錨索索表表面面光光滑滑，，影影響響錨錨固固力力。。相相同同錨錨固固長長度度的的情情況況下下，，光光面面錨錨索索的的錨錨固固力力小小于于螺螺紋紋鋼鋼的的錨錨固固力力。。③錨索長度度大，安裝時時很可能靠到到孔壁一側，，造成錨索一一側有樹脂，，另一側無樹樹脂的現象。。這會大大影影響錨索的抗抗拉拔力。傳統的錨索是是鋼絞線＋錨錨索托盤＋錨錨具組成，因因鋼絞線為高高碳鋼材料、、表明光滑，，且鋼絞線纏纏繞角度很小小，造成鋼絞絞線的錨固力力小；為增加加錨固力，需需增加錨固劑劑使用量，但但是錨固劑使使用量增加會會帶來錨索安安裝困難，有有時候會出現現大尾巴現象象。鑒于此，需開開發新型錨索索5、錨索形式與與結構二、錨桿支護護基本理論與與新型錨桿、、錨索③鳥巢錨索索①對中、增加錨錨固面積：鳥籠的大小一般比比錨索鉆孔小小2mm，可保證錨索索在孔中對中中,使得樹脂在錨錨索周圍均勻勻分布,并增加錨固面面積，從而用用較少的樹脂脂用量取得最最大的抗拉拔拔力。②更好的攪拌樹樹脂：可起到均勻勻攪拌樹脂作作用，從而增增加錨索抗拉拉拔力。③樹脂-錨索有機結合合：鳥籠為中空，在樹樹脂攪拌過程程中，樹脂充充滿鳥籠，可使樹脂和和錨索融為一一體，從而進進一步增加錨錨索抗拉拔力力。加強管：為了安裝方方便，增加加加強管，在錨錨索接觸樹脂脂后，更容易易送入孔中。。鳥籠具有以下下作用新型籠形錨索索二、錨桿支護護基本理論與與新型錨桿、、錨索③鳥巢錨索索注漿鳥巢錨索索預應力鳥巢錨錨索國外球形索具具國外雙股組合合錨索二、錨桿支護護基本理論與與新型錨桿、、錨索科學的錨桿支支護設計，不不是簡單地在在頂板安裝錨錨桿，而應該該使每一根安安裝的錨桿都都發揮它的最最大作用。煤礦頂板是由由不同層狀巖巖體組合成的的層狀組合梁梁，為達到最最佳組合梁的的錨桿系統設設計應滿足下下列條件：1、支護系統設設計的基本原原則三、巷道支護護系統設計方方法①通過調整錨錨桿長度及安安裝應力，使使錨桿支護系系統應能夠控控制錨固范圍圍內的頂板離離層，這需要要選擇合理的的錨桿類型、、長度和安裝裝應力。②錨固系統應應能夠減少或或消除頂板的的拉應力區。。③錨桿應能夠夠錨固在穩定定的巖層中。。④錨固系統應應有足夠的能能力來控制頂頂板，并且在在整個需要支支護期間內不不失效。松動圈加固與與控制：巷道道開挖后必然然要形成松動動圈，但圍巖巖松動圈實際際上是動態的的，它與施加加的支護體系系的強度、預預應力大小、、預應力施加加時間及圍巖巖結構、地壓壓強度都有關關系。施加合合理的支護結結構，控制圍圍巖松動圈的的發展和松動動煤巖體的自自身強度是巷巷道支護的主主要目標。三、巷道支護護系統設計方方法2、煤礦巷道支支護的關鍵要要素合理的安裝應應力錨桿安裝應力力的作用和液液壓支架的初初撐力的作用用很相似。對對于高應力軟軟巖巷道，合合適的安裝應應力對頂板支支護效果影響響很大。它是是防止離層發發生，增加圍圍巖自承能力力和減少圍巖巖變形的關鍵鍵因素；是巷巷道支護成功功的關鍵因素素之一。合理的錨桿長長度錨桿長度是錨錨桿支護系統統成功的另一一關鍵因素。。合理的錨桿桿長度應保證證錨桿錨固在在相對比較堅堅硬穩定的巖巖層中。但是，若一定定范圍內難找找到合適的穩穩定巖層，應應保證錨固區區形成能承載載一定壓力、、合理厚度的的梁或拱。合理的錨桿強強度和直徑選用錨桿強度度與直徑應考考慮合理的效效費比，即在在提供同等支支護強度的條條件下，單一一支護面積內內支護單元所所提供的支護護強度與所需需費用的比值值。合理的表面控控制由于巷道在軟軟巖或煤層中中掘進，表面面控制對于充充分發揮錨桿桿支護系統的的作用非常重重要。有效的的表面控制系系統應保證無無片幫和冒頂頂現象。三、巷道支護護系統設計方方法錨桿安裝與施施工錨桿安裝過程程中要實現兩兩個及時①及時施打打錨桿。實現現對圍巖的盡盡早控制，避避免松動圈的的擴展。②及時實現現錨桿的安裝裝應力。實現現主動早期加加固圍巖，擬擬制松動圈擴擴展。錨桿施工安裝裝過程中注意意事項①三徑匹配問問題②確保保一定定的扭扭矩③盡可可能選選用大大扭矩矩幫頂頂鉆機機錨桿安安裝扭扭矩放放大器器合格的的錨桿桿安裝裝應該該滿足足下列列標準準螺母阻阻尼必必須全全部脫脫落，，否則則錨桿桿無法法達到到安裝裝載荷荷;塑料墊墊圈必必須溶溶化掉掉;錨桿外外露長長度不不超過過20~30mm;扭矩不不能低低于240Nm(經驗值值)。三、巷巷道支支護系系統設設計方方法螺紋鋼鋼桿體體與球球墨鑄鑄鐵螺螺母的的摩擦擦系數數最小小，可可提高高安裝裝應力力。摩摩擦系系數比比螺紋紋鋼桿桿體＋＋鋼螺螺母降降低低50％以上上。特制塑塑料墊墊圈能能夠使使錨桿桿安裝裝旋轉轉時產產生的的熱量量熔化化塑料料墊圈圈，以以降低低螺母母與桿桿體的的摩擦擦力。。桿體螺螺母組組合摩摩擦系系數螺桿和螺母材料μs值①淬火鋼對青銅0.06～0.08鋼對青銅0.08～0.10鋼對耐磨鑄鐵0.10～0.12鋼對灰鑄鐵0.12～0.15鋼對鋼0.11～0.17鋼對球墨鑄鐵0.07～0.10預應力力錨桿桿結構構與組組成：：桿體＋＋托盤盤＋阻阻尼螺螺母＋＋承載載墊圈圈＋減減阻墊墊圈3、支護護系統統構件件匹配配問題題三、巷巷道支支護系系統設設計方方法錨桿預預應力力控件件：控控制噸噸位3～6t，錨索索預應應力控控件：：控制制噸位位6～10t。錨桿預預應力力控件件：控控制噸噸位3～6t，錨索索預應應力控控件：：控制制噸位位6～10t。預應力力控件件三、巷巷道支支護系系統設設計方方法普板Q235-150××150××10火山口口加球球形墊墊圈－－28.8T普板Q235-150××150××10火山口口不加加球形形墊圈圈－23.6T錳板Q345150×150×6負差（5.5mm）19.0T以上150×150×8負差（（7.5mm）23.0T以上150×150×10負差（（9.5mm）28.0T以上中板分分剪、、沖壓壓成型型的球球形托托盤，，承載載力明明顯提提高。。托盤盤的承承載力力與鋼鋼材材材質有有直接接關系系，并并且還還與托托盤的的球面面大小小、曲曲率半半徑有有很大大的關關系。。托盤及及鋼帶帶等三、巷巷道支支護系系統設設計方方法W鋼帶示示意圖圖單邊鋼鋼筋梯梯示意意圖雙邊鋼鋼筋梯梯示意意圖M鋼帶示示意圖圖梯型鋼鋼帶示示意圖圖三、巷巷道支支護系系統設設計方方法雙向高高分子子聚酯酯網－普通通的塑塑料編編制網網的優優點是是成本本低、、輕便便、抗抗腐蝕蝕等，，但其其強度度和剛剛度較較低。。－雙向向高分分子聚聚酯網網具有有強度度大、、重量量輕、、剛度度好等等諸多多優點點。但但由于于價格格較高高，還還沒有有廣泛泛使用用。三、巷巷道支支護系系統設設計方方法注漿錨錨桿三、巷巷道支支護系系統設設計方方法四、部部分礦礦井巷巷道支支護案案例厚松散散層深深埋構構造復復雜礦礦井開開拓巷巷道－－山東魯魯西南南地區區(菏澤及及濟寧寧周邊邊一帶帶)新近施施工建建設的的一批批礦井井均為為厚松松散層層深埋埋礦井井，如如滕東東、唐唐口、、梁寶寶寺、、龍固固、趙趙樓、、郭屯屯、彭彭莊、、楊營營、霄霄云、、陽城城等煤煤礦，，均遇遇到了了深井井高地地壓軟軟巖巷巷道支支護難難的問問題。。高地應應力深深井回回采支支護－－新汶礦礦區有有5個礦井井華豐豐、協協莊、、孫村村、潘潘西、、良莊莊開采采深度度超過過1000m，其中中孫村村煤礦礦延深深水平平－1100，采深深達到到1300m。華東東地區區的徐徐州礦礦區、、淮南南礦區區、淮淮北礦礦區的的老區區礦井井和附附近的的新建建礦井井開采采深度度很多多接近近1000m或超過過1000m。深井開開采的的巷道道支護護問題題已經經成為為一個個普遍遍的技技術難難題。。深井軟巖巖圍巖巷巷道支護護理念應應該是－采用主動動圍巖控控制方法法，提高高圍巖的的自身承承載能力力，使支支護結構構－錨桿桿、錨索索、金屬屬網和混混凝土噴噴層協同同有效抵抵抗地應應力釋放放，以平平衡巷道道圍巖的的變形，，真正實實現錨網網主動支支護。滕東生建建煤礦：主井井井筒深度度921m，副井井井筒深度度949m，主副井井井壁均均采用素素混凝土土。井筒筒施工至至700m左右時，，滕東煤煤礦與山山東科技技大學合合作，采采用高強強預應力力錨桿、、錨索主主動預加加固井壁壁圍巖，，在井底底硐室群群施工過過程也同同樣采用用了高強強預應力力錨桿＋＋錨索＋＋金屬網網＋鋼帶帶(鋼筋梯)＋噴射混混凝土等等復合支支護技術術，取得得了顯著著的支護護效果，，所有硐硐室和巷巷道達到到了預期期的支護護效果，，巷道維維修率不不到2％。四、部分分礦井巷巷道支護護案例唐口煤礦礦：是全國國唯一一一個主井井、付井井、風井井均超1000m的新建礦礦井，是是當時濟濟西礦區區最早建建設的新新井，設設計年產產300萬噸。在在礦井建建設時期期采用了了設計院院的原有有設計，，但是硐硐室施工工完畢后后，很短短時間內內多處發發生了較較大的變變形。針針對這種種情況采采用了錨錨索、加加長高強強錨桿和和注漿錨錨桿等綜綜合二次次加固措措施，取取得了較較好的加加固效果果，最終終獲得了了國家科科技進步步二等獎獎。但是是該成果果是巷道道二次加加固維修修取得的的，并沒沒有硐室室開始施施工時采采用加強強支護的的預案，，造成工工期延長長。魯能彭莊莊煤礦：彭莊煤煤礦礦井井設計生生產能力力0.45Mt/a，服務年年限51.5年。主付付井井底底車場深深度500m，揭露巖巖性以細細砂巖為為主，巖巖性相對對穩定，，巖石硬硬度系數數平均f＝4~6。個別地地段裂隙隙發育，，巖性松松軟，砂砂巖裂隙隙水較多多。井底底車場及及硐室支支護以錨錨索網噴噴支護為為主，錨錨桿主要要采用高高強預應應力錨桿桿，個別別地段因因施工后后變形較較大采用用了錨注注加U型鋼棚支支護。四、部分分礦井巷巷道支護護案例霄云煤礦礦：霄云煤煤礦是由由濟寧礦礦業集團團投資興興建的中中型現代代化礦井井，礦井井由濟南南煤炭設設計院設設計，采采用立井井開拓，，設主、、副兩個個井筒，，設計生生產能力力0.9Mt/a。主井深深度840m，付井深深度860m，表土段段423m，凍結深深度472m。從主、付付井檢查查孔得知知，部分分井下硐硐室和巷巷道要揭揭露一層層2米左右的的膨脹性性泥巖。。因此該該礦與山山東科技技大學合合作進行行了軟巖巖深井巷巷道支護護研究，，由于通通過加強強支護預預案，礦礦井建設設順利，，現在礦礦井所有有硐室和和巷道全全部順利利施工完完畢。龍固煤礦礦：是由新新礦集團團開發建建設的國國家重點點特大型型礦井，，設計能能力600萬t/a，設計深深度為840m。井下硐室室聯絡復復雜，穿穿過巖性性變化很很大，以以粉砂巖巖、細砂砂巖為主主，中砂砂巖相對對較少，，且處于于構造破破碎帶，，巖石平平均硬度度在f＝3～5之間，巷巷道支護護難度大大。同時時，該礦礦井在建建設施工工過程中中砂巖裂裂隙水大大，給巷巷道支護護帶來很很大困難難。通過過與科研研機構合合作，因因地制宜宜地采取取了不同同支護形形式，確確保了95％的巷道道一次支支護成功功，并為為礦井的的按時投投產提供供了可靠靠的技術術保障。。四、部分分礦井巷巷道支護護案例楊營煤礦礦：肥礦集團團投資興興建，井井田位于于梁山縣縣楊營鎮鎮。濟南南煤炭設設計院設設計，采采用立井井開拓，，設主、、副兩個個井筒，，設計生生產能力力0.9Mt/a，礦井服服務年限限為42.0年。主井井深度681m，付井深深度668m。井筒采采用凍結結法施工工，主、、副井凍凍結深度度定為540m、588m。自09年6月井筒施施工剛