1、井巷設計優化與施工新技術井巷設計優化與施工新技術第二講第二講 巖石巷道的錨噴支護巖石巷道的錨噴支護湖湖 南南 工工 程程 學學 院院 曾曾 憲憲 桃桃（博士、教授、博士生導師）（博士、教授、博士生導師）二零一零年八月二零一零年八月 井巷維護目的在于保證井巷穩定性井巷維護目的在于保證井巷穩定性 前提是經濟合理，穩定與經濟兼顧，不可偏廢前提是經濟合理，穩定與經濟兼顧，不可偏廢 圍巖應力超過圍巖強度時，井巷處于不穩定狀態圍巖應力超過圍巖強度時，井巷處于不穩定狀態 當圍巖應力恰等于圍巖強度時，井巷處于極限平衡狀態當圍巖應力恰等于圍巖強度時，井巷處于極限平衡狀態 當圍巖應力小于圍巖強度時，井巷才得以穩定

2、當圍巖應力小于圍巖強度時，井巷才得以穩定 提高圍巖強度，降低圍巖應力提高圍巖強度，降低圍巖應力v圍巖巖性、井巷位置、所處深度、巷道軸線圍巖巖性、井巷位置、所處深度、巷道軸線方位、斷面形狀尺寸、掘進破巖方法、掘進方位、斷面形狀尺寸、掘進破巖方法、掘進時間、掘進方案、巷道布置與采動影響、以時間、掘進方案、巷道布置與采動影響、以及支護類型與特征等。及支護類型與特征等。v在以上因素中，巷道斷面形狀尺寸、掘進方在以上因素中，巷道斷面形狀尺寸、掘進方案方法、巷道布置和支護類型與特性等，有案方法、巷道布置和支護類型與特性等，有很廣泛的選擇調節余地。很廣泛的選擇調節余地。 將井巷置于最堅硬的巖層中將井巷置于最

3、堅硬的巖層中 選擇井巷位置選擇井巷位置 調整巖性以提高或降低圍巖強度調整巖性以提高或降低圍巖強度 調整與相鄰巷道或采場的距離調整與相鄰巷道或采場的距離 調整和采空區的相對關系調整和采空區的相對關系 巷道軸線方向巷道軸線方向 斷面形狀與軸比斷面形狀與軸比(跨高比跨高比) 斷面尺寸斷面尺寸 掘進破巖方法掘進破巖方法 掘進時間與沿空護巷掘進時間與沿空護巷 選擇合理的支護方式選擇合理的支護方式v錨噴支護錨噴支護錨桿與噴錨桿與噴(射射)混凝土聯合支護混凝土聯合支護v錨桿和噴混凝土都可獨立使用錨桿和噴混凝土都可獨立使用v聯合應用，支護效果更加完善聯合應用，支護效果更加完善v錨桿的最大特點是置入圍巖內部，錨

4、桿的最大特點是置入圍巖內部，發揮其自身支護作用發揮其自身支護作用v錨桿的支護效果良好，且用料省錨桿的支護效果良好，且用料省v同樣支護效果條件下，錨桿的用鋼量只有同樣支護效果條件下，錨桿的用鋼量只有U型鋼支架的型鋼支架的112115結構類型v國內外錨桿的構造類型不下數十種國內外錨桿的構造類型不下數十種v最常用的有：最常用的有：倒楔式鋼錨桿、鋼絲繩或鋼筋砂漿錨倒楔式鋼錨桿、鋼絲繩或鋼筋砂漿錨 桿、木錨桿、樹脂錨桿、竹錨桿等桿、木錨桿、樹脂錨桿、竹錨桿等v最近發展的有：最近發展的有：快凝水泥砂漿錨桿快凝水泥砂漿錨桿 膨脹水泥砂漿錨桿膨脹水泥砂漿錨桿 管縫式錨桿等管縫式錨桿等v各種錨桿各有特點各種錨桿

5、各有特點作用機理v懸吊作用，減跨作用，組合梁作用，組合拱作懸吊作用，減跨作用，組合梁作用，組合拱作用，加固作用，改善圍巖周邊應力狀態用，加固作用，改善圍巖周邊應力狀態(改雙軸改雙軸為三軸應力狀態為三軸應力狀態)作用等。作用等。v有的能解釋特定情況下錨桿的作用，有的則非有的能解釋特定情況下錨桿的作用，有的則非錨桿所特有的作用錨桿所特有的作用(如改善周邊應力狀態，別的如改善周邊應力狀態，別的支護也有這種功能支護也有這種功能)，但都未能闡明或明確解釋，但都未能闡明或明確解釋為什么錨桿用料極省。為什么錨桿用料極省。錨桿參數的確定方法v錨桿長度計算公式為錨桿長度計算公式為 ll1 1+l2 +l3 式中

6、：式中：l1 1外露長度；外露長度； l2 有效長度；有效長度；l3 錨錨入堅硬穩定巖層內的長度。入堅硬穩定巖層內的長度。v按桿體承載力與錨固力等強度原則確定按桿體承載力與錨固力等強度原則確定桿體直徑桿體直徑v按錨桿所能懸吊的巖體重量計算桿間、按錨桿所能懸吊的巖體重量計算桿間、排距。排距。噴混凝土最突出的支護特點，是在施工過程中表面一經暴露噴混凝土最突出的支護特點，是在施工過程中表面一經暴露可以立即噴射，除了起臨時支護作用以外，還及時將巖面加以封可以立即噴射，除了起臨時支護作用以外，還及時將巖面加以封閉，隔絕水、濕氣和風化對巖體的不利作用，防止巖體強度降低，閉，隔絕水、濕氣和風化對巖體的不利作

7、用，防止巖體強度降低，起到間接提高舉巖強度的作用。這一點對于易風化遇水崩解膨脹起到間接提高舉巖強度的作用。這一點對于易風化遇水崩解膨脹的軟巖，意義十分重要。的軟巖，意義十分重要。噴混凝土配和錨桿應用，可以克服錨桿的最大弱點，起著防噴混凝土配和錨桿應用，可以克服錨桿的最大弱點，起著防止桿間活石風化、冒落作用。止桿間活石風化、冒落作用。 噴混凝土有時也可以單獨作為一種支護方式，或在錨噴聯合支護噴混凝土有時也可以單獨作為一種支護方式，或在錨噴聯合支護中起主要作用。中起主要作用。 性質性質本質是脆性的，巖體變形較大時，噴層容易開裂、剝落本質是脆性的，巖體變形較大時，噴層容易開裂、剝落 缺點：回彈率和粉

8、塵濃度大缺點：回彈率和粉塵濃度大噴層厚度v巖體變形小時，只需素噴混凝土，不必錨桿，巖體變形小時，只需素噴混凝土，不必錨桿，噴厚可為噴厚可為50150mm。v巖體變形大時，應以錨桿為主，噴層為輔。巖體變形大時，應以錨桿為主，噴層為輔。這時噴厚有這時噴厚有2050mm即可。即可。v圍巖變形在圍巖變形在25cm時，用素噴混凝土，變形時，用素噴混凝土，變形較大時用噴混凝土和錨桿聯合支護。較大時用噴混凝土和錨桿聯合支護。v錨桿支護是我國煤巷支護技術改革的發展方向。實際應用表明, 與傳統的支護方式相比, 錨桿支護在改善支護效果、降低支護成本、加快成巷速度、減輕勞動強度、提高巷道斷面利用率、簡化回采面端頭維

9、護工藝等方面的優越性十分突出, 是煤礦發展高產高效生產必不可少的配套技術。我國煤巷錨桿支護技術的發展過程我國煤巷錨桿支護技術的發展過程v 80 年代中后期的起步階段;v 19911995 年的攻關階段;v 19961997 年的引進和消化階段;v 1998 年至今的推廣和提高階段。v 第一階段第一階段 主要進行一些基礎性的研究和試驗, 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。v 第二階段第二階段 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, 錨桿支護應用范圍明顯擴大。v 第三階段第三階段 引進國外技術, 推動我國煤巷錨桿支護技

10、術的發展和提高。在引進、吸收和消化的基礎上, 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。v 第四階段第四階段 國內各大礦區廣泛推廣應用, 取得了顯著的技術經濟效益。煤巷錨桿支護的比例已達到20 %以上, 少數礦區已超過50 % , 全國每年約260 km的煤巷采用錨桿支護。v煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術 經過近5 年來的快速發展, 煤巷錨桿支護技術已基本形成了由設計方法、支護材料、施工機具、工程監測等構成的煤巷錨桿支護成套技術。煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術設計方法設計方

11、法 在多年錨桿支護實踐經驗的基礎上, 借鑒國外先進經驗, 逐步形成了一整套適合我國特點的錨桿支護設計方法動態設計法, 包括地質力學評估初始設計井下監測和信息反饋修正初始設計日常監測等幾個步驟。這種設計方法的科學性、合理性和可靠性受到國內外的普遍認可。 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術地質力學測試地質力學測試 巷道圍巖是一個極其復雜的地質體, 一切與圍巖有關的工作, 如巷道布置和支護設計等, 都離不開對圍巖地質力學特征的充分了解。對于煤巷錨桿支護, 需要進行以下幾個方面的地質力學測試。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術地質力學測試地質力學測試 (1) 圍巖強度測試。可采用WQC

12、Z 型圍巖強度測定裝置在井下鉆孔中進行巷道圍巖強度測試,與實驗室巖塊強度測試相比, 其強度測試值更接近巖體, 還可測出軟弱破碎巖層的強度, 測試方法簡單、快速、方便。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術地質力學測試地質力學測試 (2) 圍巖結構測試。可采用FS75X20 型光導纖維鉆孔窺視儀在井下巷道圍巖鉆孔中觀測圍巖節理、裂隙等結構面的分布, 以及這些結構面的發展變化。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術地質力學測試地質力學測試 (3) 圍巖深部位移和破壞范圍測試。可采用GK- 701 型聲波位移測試系統在井下巷道圍巖鉆孔中測量圍巖深部位移值, 進而確定巷道圍巖破壞范圍和頂板

13、發生離層的位置。該儀器測量精度高,每個鉆孔測點數多達20 個, 而且快速方便, 重量輕, 攜帶方便。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術地質力學測試地質力學測試 (4) 地應力測試。可采用便攜式水壓致裂地應力測試裝置在井下巷道圍巖鉆孔中測試巖體的主應力大小和方向。與應力解除法相比, 它無需鉆取巖芯, 方法簡單, 速度快, 測試深度大。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術地質力學測試地質力學測試 (5) 錨固性能測試。按設計要求(包括鉆孔規格、錨桿規格、錨固劑規格與數量等) , 在現場進行一定數量的錨桿拉拔破壞性試驗, 檢測錨固劑與巖層、 錨固劑與錨桿之間的粘結性能以及桿體的破斷

14、力, 以此作為錨桿支護參數設計的重要依據。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術初始設計初始設計初始設計可采用有限差分軟件FLAC3.3 和離散元軟件UDEC 進行數值模擬設計, 根據圍巖參數和已有實測數據確定出比較合理的初始設計。前者非常適合軟巖大變形巷道的力學分析, 后者在計算節理裂隙發育的破碎巖體方面有明顯優勢。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料我國在錨桿支護材料(包括桿體、樹脂錨固劑、鋼帶、錨索等) 方面做了大量工作, 并形成了有自己特色的產品。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料高強度錨桿桿體高強度錨桿桿體經過近

15、幾年的研究和試驗, 我國目前已經能夠軋制無縱筋左旋螺紋鋼錨桿, 并采用優質鋼材或經中頻調質,達到高強度和超高強度級別。直徑22mm 的桿體極限載荷高達342 kN, 比以前采用的普通桿體強度提高了34 倍。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料樹脂錨固劑樹脂錨固劑樹脂錨固劑是保證錨桿支護高剛度的關鍵材料,我國在樹脂錨固劑配方改進和生產技術方面做了大量工作, 現已形成系列產品, 其主要性能指標已達到或超過國外先進國家的水平。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料W 鋼帶及其軋制技術鋼帶及其軋制技術 W 型鋼帶是煤巷錨桿支護中的重要構件,

16、 有利于發揮錨桿支護的整體作用。在借鑒國外先進技術和經驗的基礎上, 研制了W 型鋼帶及其軋制機組, 該機組生產能力達5 000 kg/ h , 成型出材率高達98 %。經過軋制的鋼帶, 強度可提高10 %15 %。目前, W 型鋼帶有多種規格, 形成了系列產品。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料特種錨桿特種錨桿對于軟弱破碎、高地應力、大斷面等巷道和硐室, 它們共同的特點是圍巖自穩時間短、破碎范圍大、變形強烈。僅采用常規的錨桿支護很難達到有效的支護效果, 有的甚至影響礦井的正常生產, 而且支護和維修費用極為昂貴。針對這一現狀, 開發研制了多種特種錨桿。v 煤巷錨

17、桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料特種錨桿特種錨桿 (1) 注漿錨桿。錨桿用鋼管制成, 既可起到錨固作用, 又可作為注漿管進行注漿, 它將錨固和注漿結合在一起, 用于軟弱破碎巖層。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料特種錨桿特種錨桿(2) 自鉆錨桿。這種錨桿集鉆頭、鉆桿和錨桿的作用為一體, 用于無法成孔的極軟巖層。 (3) 接長錨桿。兩根或兩根以上的高強錨桿用特制連接套連接, 成倍增加錨桿長度, 適用于需要深錨固的巖層。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料特種錨桿特種錨桿此外, 還開發了玻璃鋼錨桿、可回收錨

18、桿等新型錨桿, 對于巷道兩幫特別是靠回采工作面一側的巷幫支護具有明顯的優越性。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術錨桿支護材料錨桿支護材料系列錨索系列錨索 針對回采巷道特點開發研制的小孔徑樹脂錨固預應力錨索可以作為復合破碎頂板、 煤層頂板等困難條件下錨桿支護的補強加固措施。這種錨索的最大特點是采用樹脂錨固劑錨固, 可以像安裝普通樹脂錨桿那樣直接攪拌樹脂錨固劑對錨索錨固端進行加長錨固, 適用于直徑為28 mm 鉆孔。與傳統錨索技術相比, 省去了比較復雜的注漿工藝、設備和材料, 而且樹脂錨固劑固化速度快, 錨索可及時主動承載, 技術經濟效果十分明顯。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套

19、技術錨桿支護材料錨桿支護材料系列錨索系列錨索 這種錨索的制作工藝簡單、安裝速度快、承載快( 10 min) 、錨固力大( 260 kN) 、預緊力可達100 kN 以上, 安裝質量可靠。對于軟巖大巷、硐室和交岔點等重點工程, 可采用錨固長度更長和錨固力更大的多鋼鉸線系列注漿錨索。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術工程監測工程監測 工程監測是錨桿支護動態設計法不可缺少的重要內容。根據井下巷道圍巖變形和支護體受力監測結果, 驗證初始設計的合理性和可靠性, 最大限度地保證巷道的安全程度。煤巷錨桿支護工程監測的內容主要有: 錨桿受力監測、頂板離層監測及位移量監測。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷

20、錨桿支護成套技術工程監測工程監測錨桿受力監測錨桿受力監測根據錨桿受力大小及分布, 可以判斷錨桿滿載程度,是否發生屈服、斷裂, 進而判定頂板是否穩定, 錨桿支護參數是否合理。監測儀器可采用YGS 100 型液壓式錨桿(索) 測力計及CM 200型測力錨桿。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術工程監測工程監測錨桿受力監測錨桿受力監測 錨桿測力計主要用于端頭錨固錨桿和錨索的受力監測。測力錨桿是一種特殊結構的專用錨桿, 作為普通錨桿安裝在巷道中, 但其桿體上各段的受力可以隨時測取, 主要用于全長錨固錨桿桿體全長受力大小和分布的監測。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術工程監測工程監測頂

21、板離層監測頂板離層監測 頂板離層監測的常規儀器是LBY- 3 型頂板離層指示儀, 其主要功能是以不同的顏色段對頂板錨固范圍內及錨固范圍外離層情況提供連續的直觀顯示, 以便向井下作業人員隨時警示頂板變形情況,及早發現頂板失穩的征兆。同時, 它本身又帶有精確的刻度可直接測讀頂板錨固范圍內及錨固范圍外的頂板離層值, 可兼作簡易多點位移計使用, 測讀結果是綜合反映錨桿支護參數是否合理的重要依據。v 煤巷錨桿支護成套技術煤巷錨桿支護成套技術工程監工程監測測位移量監測位移量監測位移量監測是最常規的監測項目, 除表面位移監測外, 更重要的是深部位移監測。深部位移監測可采用ZW - 4 型遙測多點位移計, 該

22、儀器通過鉆孔測量巖層深部位移, 其位移量采用電信號傳輸, 可實現遠距離遙測。v 煤巷錨桿支護技術的發展方向煤巷錨桿支護技術的發展方向 (1) 加緊制定錨桿支護技術規范。隨著錨桿支護技術的推廣和成熟, 越來越需要一部適合全行業的“錨桿支護技術規范”。在原煤炭部科教司的主持下, 已經做了許多基礎工作, 形成了初稿, 需要進一步完善后, 在全行業內推廣應用。 v 煤巷錨桿支護技術的發展方向煤巷錨桿支護技術的發展方向 (2) 進一步完善和普及煤巷錨桿支護設計方法。現在已經有了比較好的設計方法, 也具備了一定的設計手段, 問題在于目前還僅限于少數研究單位掌握, 煤礦現場至今仍然以工程類比法為主。 因此,

23、 應盡快將動態設計方法進行完善和普及。 v 煤巷錨桿支護技術的發展方向煤巷錨桿支護技術的發展方向 (3) 規范錨桿材料生產。現在錨桿支護材料生產廠家多, 規模小, 技術水平低, 產品質量良莠不齊。應該借鑒國外經驗, 搞集約化規模生產, 以保證質量, 降低成本。 v 煤巷錨桿支護技術的發展方向煤巷錨桿支護技術的發展方向 (4) 加強錨桿支護工程監測。近年來錨桿支護工程監測技術有了很大的發展, 開發了多種監測儀器, 在錨桿支護技術試驗研究中起到了重要的作用。但在日常生產中, 一些必要的監測工作沒有很好開展, 使其應有的作用沒有得到很好的發揮。因此, 應在大力宣傳的基礎上, 進行必要的強制約束, 進

24、一步加強這方面的工作, 以保證安全生產。v 煤巷錨桿支護技術的發展方向煤巷錨桿支護技術的發展方向 (5) 完善和發展錨桿機具。目前, 錨桿機具存在的主要問題是: 鉆機質量不夠高, 缺乏大功率錨索鉆機和實用的錨桿安裝機具, 鉆頭、鉆桿質量也需進一步提高。這些問題都需盡快解決。 該方法最簡單，但意義很重要。例如，將該方法最簡單，但意義很重要。例如，將巖體表面位移量測資料，形成位移與時間的關巖體表面位移量測資料，形成位移與時間的關系曲線，最常見的三種情況。其實質就是蠕變系曲線，最常見的三種情況。其實質就是蠕變曲線。對于斜率持續不變或不斷增長，可以預曲線。對于斜率持續不變或不斷增長，可以預見趨向不穩定

25、的情況，通過采取適當措施，如見趨向不穩定的情況，通過采取適當措施，如加強支護，改善排水條件等，使位移時間曲線加強支護，改善排水條件等，使位移時間曲線斜率減小或趨于穩定。斜率減小或趨于穩定。一、巷道圍巖收斂測試一、巷道圍巖收斂測試圍巖收斂關系曲線收斂計及測點布置v圍巖位移是指圍巖的絕對位移，該項測試可以反圍巖位移是指圍巖的絕對位移，該項測試可以反映圍巖的時空變化情況。映圍巖的時空變化情況。二、圍巖位移測量v圍巖松動圈是反映巷道圍巖破壞范圍的重要參數，一般圍巖松動圈是反映巷道圍巖破壞范圍的重要參數，一般用聲波方法測試。目前多采用單孔一發雙收的方法測試。用聲波方法測試。目前多采用單孔一發雙收的方法測試。根據聲波的速度變化來判別巷道圍巖的破壞情況。根據聲波的速度變化來判別巷道圍巖的破壞情況。三、圍巖松動圈的測量F 當巖