专题-大断面煤巷支护技术研究与应用.doc

1、专 题 部 分大断面煤巷支护技术研究与应用摘要：预应力锚索支护技术理论和工程实践日趋成熟，应用于我国煤矿各种大断面巷道支护，由于锚索承载力大，长度较长，能够锚入到深部较稳定的岩层中，同时可对锚索施加一定预应力，充分发挥锚索主动支护的优势，极大地提高了巷道支护的整体水平，对保证安全生产、实现高产高效起到了重要作用。1 绪论1.1 问题的提出及研究意义锚杆支护是巷道支护的一次重大革命，它可以起到加固、悬吊、合成梁和挤压连接拱等作用，可以改变岩体的受力状态，不仅增加了岩石本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，提高了岩体承载能力。同时，大量工程实践表明，锚杆支护具有用料节省、巷道断面利用率

2、高、支护及时、劳动强度小、经济效益高以及对巷道围岩变形的适应性好等诸多优点。因而，井下巷道采用锚杆支护是一种行之有效的支护手段，成为世界主要产煤国家煤矿支护的主要形式。我国煤巷锚杆支护技术与成套装备已基本形成，煤巷锚杆支护技术已在潞安、晋城、充州、邢台、铁法、开滦等矿区得到广泛应用，从薄及中厚煤层中回采巷道到综采放顶煤工作面沿煤层底板掘进的顶煤巷道，从顶板比较稳定的煤巷到复合破碎顶板巷道，从实体煤巷到沿空掘巷，从小断面巷道到大断面开切眼，锚杆支护的使用范围越来越广，为矿井实现高产高效创造了良好条件，取得了巨大的技术经济效益。探索正确的巷道支护理论、选择安全可靠的支护方法、确定经济合理的支护参数

3、以及实用、快速、高效的施工工艺成了长期以来人们所致力解决的一个重大理论及技术课题1.2 国内外研究现状1.2.1国内外锚杆支护技术的发展和理论研究现状1) 锚杆支护理论的发展随着锚杆支护工程实践的不断丰富，适用于各种围岩条件下的各种锚杆支护理论相继被提出并逐步得到发展和完善。目前，较成熟的锚杆支护理论主要有。（1） 悬吊理论1952一1962年，LonisAPanek经过理论分析、实验室试验及现场测试，提出了锚杆的悬吊理论，认为:锚杆支护的作用就是将巷道顶板较为软弱的岩层悬吊在上部稳定的岩层上，以增强软弱岩层的稳定性。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。（2） 组合梁理论1952年，

4、德国Jacobi发表了锚杆的组合梁作用理论，该理论认为:在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用处于次要地位。该理论适用于顶板由多层厚度小的连续性岩层组成的巷道支护。组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。（3） 组合拱理论组合拱理论认为:在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置间距足够小锚杆群，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际

5、情况存在一定差距，可作为设计和施工的重要参考。（4） 最大水平应力理论最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔提出。该理论认为:矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5一2.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。（5） 围岩松动圈支护理论围岩松动圈理论认为:a 地应力与围岩相互作用会产生围岩松动圈;b 松动圈形成过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象，松动圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难;c 依据松动圈的大小采用不同的原理设计锚杆支护，小松动圈(040cm)采用喷射混凝土支护即可，中松动圈 (4o150

6、cm)采用悬吊理论设计锚杆支护，大松动圈(习50cm)采用组合拱原理设计锚杆支护参数。（6） 锚杆析架支护理论出现于20世纪60年代，人们通过对其支护机理的研究认为析架锚杆的作用原理属于挤压加固一类，锚杆精架对巷道围岩的加固作用主要表现在三个方面:a 改变巷道顶板的应力状态。b 促进顶板裂隙体梁的形成。c 提高顶板裂隙体梁拱座处的抗滑动性能。（7） 锚固平衡拱支护理论根据困难条件下锚杆支护成拱的重要作用，煤炭科学院北京开采研究所的林崇德高工提出了锚固平衡拱支护理论。其主要内容包括:a 软弱顶板岩层在矿山压力作用下经历压缩变形的过程;b 锚固岩层没有整体达到塑性破坏之前，顶板岩层仍可视为岩梁;c

7、 锚固岩层整体进入破坏阶段后，岩层已经不是一个连续体;d 固支架是否具有较大的承载能力和变形能力，取决于顶板岩层的力学性质和锚杆的成拱作用大小;e 锚固支架形成锚固平衡拱的关键是通过锚杆的作用保持锚固岩层的整体性。（8） 巷道锚杆支护围岩强度强化理论该理论是由中国矿业大学矿山压力研究所提出的。其理论要点是:a 锚杆支护的实质是锚杆和岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构;b 锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，改善被锚固体的力学性能;c 锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化;d 巷道锚杆支护可以改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况;e

8、 巷道围岩锚固体强度提高后，可以减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区塑性区的发展，从而有利于巷道围岩的稳定。此外，一些专家学者通过建立力学模型、数值模拟、实验室模拟以及现场观测的方法对锚杆钻孔、杆体、树脂卷直径合理匹配、锚杆与围岩作用机理及祸合问题、锚杆锚索互补原理等进行研究，取得一定的成果。对回采巷道支护稳定性进行可靠性分析，建立了可靠度计算模型，为优化回采巷道锚杆支护参数提供了新方法。将锚杆锚固范围岩体作为一个整体，即锚固体。运用相似材料模拟试验，结合理论分析，研究锚固体的变形特性和强度特性，从而对锚杆的支护机理进行分析。目前，我国己逐渐形成了高强度锚杆、树脂锚

9、固剂、W钢带、特种锚杆与锚索以及锚网共同作用的锚杆支护体系，使锚杆支护的使用范围逐渐加大。2) 锚杆支护技术的发展几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历程:1945一1950年，机械式锚杆研究与应用;1950-1960年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究; 1960一1970年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用;1973一1980年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用，研究新的设计方法，长锚索产生;1980一1990年，混合锚头锚杆、组合锚杆、析架锚杆、特种锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进。对锚杆的材质也曾选用了许多不同的材料，有钢丝绳、钢筋、螺纹钢、玻璃钢、木、竹等。（1

10、） 国外锚杆支护技术的发展过程自从19世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，随着锚杆支护技术的不断改进和提高，锚杆支护理论的不断发展和完善，锚杆支护在国内外逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等工程领域。1912年，德国谢列兹矿最先用锚杆支护井下巷道。20世纪40年代，锚杆支护技术开始在西方发达国家得到系统的试验研究，20世纪50年代起便在世界许多国家的矿山、交通等领域的地下工程中得到了广泛的应用。美国和澳大利亚是世界上最早使用锚杆的国家，也是目前几乎都用锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。美国每年锚杆使用量在8000万根以上，每年有25000km的煤巷使用锚杆支护。英国于198

11、7年引进了澳大利亚先进的锚杆支护技术，并在此基础上研究提高，使得锚杆技术在英国获得迅速的推广，并成为英国煤矿扭亏为盈的一个重要原因。（2） 国内锚杆支护技术的发展过程我国1956年开始在煤矿岩巷中使用锚杆，至今已有50年的历史，上世纪60年代锚杆支护开始进入采区。我国锚杆支护技术发展大体上经历了四个阶段:80年代中后期的起步阶段。在此期间主要是进行一些基础性的研究和试验，锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区，如徐州、新汉、淮南、西山等。19911995年的攻关阶段。锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关，取得了一大批科研成果，锚杆支护在各大煤矿得到全面的推广和应用，锚杆支护在煤矿的

12、支护比例逐渐提高。19961997年的引进和消化阶段。19961997年我国引进国外技术，推动了我国锚杆支护技术的发展和提高。在引进、吸收和消化的基础上，结合我国具体情况，集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势，经过两年大规模研究和试验，初步形成了适合我国煤矿条件的锚杆支护成套技术。1998年至今推广和提高阶段。国内各大矿区广泛推广应用，取得显著技术经济效益。锚杆支护比例已达20%以上，少数矿区已超过50%，全国每年约有260 krn的巷道采用锚杆支护。但和世界先进水平相比存在较大差距，因此锚杆支护发展有很大潜力。1.2.2国内外煤巷综合掘进机械及锚杆支护装备的的研究现状国外掘进机设备可分

13、为两类:一类是欧洲国家普遍使用的悬臂式掘进机，它适应范围广，但掘进、支护不能平行作业，掘进效率低，开机率低;另一类是以美国和澳大利亚为代表的连续采煤机和掘锚机组。两者均可实现煤巷的快速掘进。前者采用多巷掘进交叉换位施工工艺，即采用连续采煤机和锚杆机交叉换位进行掘进，在美国应用较广。后者在前者的基础上发展起来，目前在澳大利亚广泛采用，它可以实现掘锚平行作业。采掘锚一体化快速掘进成巷技术，由于其核心设备采掘锚机组本身带有打锚杆眼、安装锚杆部件，不仅取消了锚杆钻车，而且设备不用经常进行移动换位，可以适应各种巷道布置形式的掘进巷道需要，设备配置也比较灵活，可以根据需要掘进巷道数目配备不同的后继设备。掘

14、锚一体化快速掘进成巷技术，广泛地采用综合机械化掘进机。这种掘进机的截割部大多采用纵轴式截割头，巷道的掘进是靠截割头的上下、左右摆动切割煤体实现，切割成的巷道断面是矩形或拱形。在切出巷道断面后进行巷道的支护作业成巷，掘进与支护的分离使得掘进成巷速度受到限制，尤其在巷道顶板条件不好的情况。为了提高不同巷道顶板条件下的掘进成巷速度和掘进效率，结合煤巷锚杆支护技术的研究，发展了掘锚一体化设备及技术。掘锚一体化设备有两种形式，一种是与单纵轴式截割部掘进机复合的掘锚一体化设备，另一种是与双纵轴式滚筒截割部掘进机复合的掘锚一体化设备。掘锚机组是在综合掘进设备上发展起来的，它的截割部一般采用纵轴式截割头，掘进

15、巷道的宽度是靠截割头摆动或移动获得的，截割破煤的能力较低。故它是单纯为了提高巷道掘进成巷速度的设备，尽管这类设备不适合采煤，但设备质量和机长一般较小，配置比较简单，掘进巷道的断面可以是拱形或矩形，掘进与锚杆打眼、安装的有机结合，大大地提高了巷道掘进成巷速度和掘进效率，以及支护作业的安全性。采掘锚一体化设备。最早的采掘锚一体化设备是在第一台连续式采煤机面世后的七年，生产于美国，它是在连续式采煤机上安装了一台锚杆机，只能打两个锚杆，在采煤机换位后，人工或独立的锚杆机补打其余的锚杆。之后美国推出了14CM10一15BD型卫星式连续采掘/锚杆机，并广泛用于西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州的长壁工作面掘进顺槽

16、。该机的截割头很宽，可以一次成巷。其外侧滚筒的宽度、装载部的侧板可以液压收缩，来减少设备的宽度，便于倒面。该机在一个自由活动的平台上安装有二个顶板锚杆机，并带有临时支护装置。其工作循环是:连续式采煤机定位后，进行切割煤层，钻机司机调节油缸使平台与采煤机机身分开，并升起临时支护装置支撑巷道顶板。当采煤机推进到相当于锚杆排距的距离时，钻机司机在临时支护装置下，进行锚杆作业，而采煤机割煤不受锚杆作业的影响。打完锚杆、钻工回到机后，收缩临时支护和千斤顶，平台放回连续式采煤机的托架上，连续式采煤机两侧的千斤顶把卫星平台向前推进，开始下一个循环作业。之后美国又推出不同机型的采掘锚一体化机组。目前，我国煤巷、半煤岩巷道掘进分为两类:一类是采用国产的综掘设备组成的综掘生产线;另一类是采用引进的连续式采煤机组成的采掘生产线。国产综掘设备的代表机组有5100、AM50、