高强锚注支护技术

2、支护机理-锚固性能
研究锚杆的锚固性能在现 场通过短锚固拉拔试验的 方法。 在实验室采用拉拔或对杆 体压出进行试验。
2、支护机理-锚固性能
澳大利亚 卧龙岗大 学对该国 所使用的 锚杆，在 实验室进 行了短锚 固试验。
2、支护机理-锚固性能
肋间距37.5mm拉 拔力最大
2、支护机理-锚固性能
我们对中 空注浆锚 杆的外形 也进行测 试。
试件类型 螺纹形态 直径/mm 螺距/mm 肋 /mm 宽 肋高/mm
试件1
试件2 试件3 试件4 试件5 试件6
梯形螺纹
梯形螺纹 梯形螺纹 光面 梯形螺纹 波形螺纹
24.7
24.7 24.7 25.0 25.0 25.0
20
25 30
3
3 3
1.5
1.5 1.5
10 12.7
2、支护机理-锚固性能
主要影响因素（1）少放树脂（2）搅拌不充分或过搅，（3）产生手套 效应 （4）树脂流失到围岩裂隙中。 在澳大利亚近三分之一未达到设计的锚固长度。
2、支护机理-锚固性能
手套效应。
2、支护机理-锚固性能
树脂流失： 钻孔内存在大量 的裂隙、弱面。 假如 锚杆机的推 力10kN,推进直径 22的锚杆，将生 产多大的压力？
25
20
压力（MPa）
15
hi1 hi2 hi3 hi4
10
5
0 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 距离（（m）
2.支护机理 ---岩石性质（1）
岩石的性质: 岩石的强度在 单向受力、双 向受力及三向 受力状态是不 同的； 岩石的强度随 着围岩的升高 而升高。 σ1
应力传感器 顶板岩层
应力传感器
应力传感器
应力传感器
沿空巷道
L1 L2 L3 L4
2 支护机理—地应力（17）
东滩煤矿4307综放工作面沿空巷道次生应力观测
垂直应力分布图
32.28MPa
垂直应力（MPa）
40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 距采空区的距离（m）
28.35MPa
粉砂岩
2.支护机理 ---锚固性能（1）
锚杆锚索主要两个作用： 一是对围岩提供约束，限制或阻止所 支护范围内/外的围岩发生位移或破坏， 保持围岩的整体性。 二是向围岩施加围压，提高锚固体的 强度。
2、支护机理-锚固性能
锚杆在轴向上通过杆体、锚固剂、孔壁岩石之 间的结合约束围岩离层或位移。 巷道围岩发生位移，锚杆受力的特性，叫做锚 杆的载荷传递特性。 锚杆的载荷传递特向包括两方面的内容，一 是将围岩发生位移所产生的载荷传递给锚杆； 二是将不稳定的围岩传递到稳定的围岩中。 影响锚杆载荷特性的因素有： 1. 锚杆的强度与外形； 2. 锚固材料的强度与特性； 3. 三径匹配； 4. 围岩的强度及钻孔表面的粗糙度。
б1/бv 1.26 1.70 1.52
б1/б3 1.40 2.59 3.04
最大水平应力б1明显大于 垂直应力бv，б1/бv =1.26～ 1.70，且地应力场呈现 б1>бv>б3的应力关系，说明 水平应力比垂直应力对巷道 稳定性的影响要大，地应力 场中水平应力占优势地位， 为典型的构造应力场。
10 12.7
5 6.35
1.5 1.5
2、支护机理-锚固性能
试件类型 螺纹形态 直径/mm 螺距/mm 拉拔力 KN
试件1
试件2 试件3 试件4 试件5 试件6
梯形螺纹 24.7
梯形螺纹 24.7 梯形螺纹 24.7 光面 25.0 梯形螺纹 25.0 波形螺纹 25.0
20
25 30
84
96 82 18 40 6.3
卧龙岗大学阿吉兹 教授在试验室也进 行了短锚固拉拔试 验，他得出的试验 结果与SCT公司的现 场略有不同。但杆 体与钻孔直径之差 为4-6mm为最大。
2、支护机理-锚固性能
最大水平 主应力 a) 巷道状况好 掘进方向 最大水平 主应力
最大水平主应力
掘进方向
最大水平主应力
b) 巷道状况差 应力集中 应力集中
最大水平
方
向
主应力
掘 进
向
最大水
掘 进
c) 巷道左侧发生变形
方
主应力
d) 巷道右侧发生变形
2 支护机理—地应力（15）
2 支护机理—地应力（16）
在我国工作面存在一条 沿空掘巷，与采空区存 在3-7m的煤柱，将巷道 布置在低应力区。巷道 的应力环境是怎样的？ 我们可以通过实测可以 测量三维应力分布。
2、支护机理-锚固性能
澳大利亚SCT公司在现场直径 22mm的锚杆，在钻孔直径 25mm、27mm、29mm和 31mm四种钻孔中进行了短锚 固拉拔试验。 得出了不同的拉拔力。在25mm的 钻孔中拉拔力为120kN .而在31mm的钻孔中平均为 60KN。拉拔力降低了一倍。 。
2、支护机理-锚固性能
2 支护机理—地应力（10）
顶煤中垂直应力的变化，每30分钟读一次数，记录垂直 应力随巷道开挖的变化。
2 支护机理—地应力（11）
巷道开挖后，在顶板砂岩内 垂直应力的变化。 在巷道顶板高5.3m，泥岩中 安装的地应力传感器应力的 变化： 1. 在掘进工作面的前方78m时，垂直应力随着推进逐 步减少， 2. 在巷道开挖后，垂直应力 急剧下降。 3.5m以后水平应力有所恢复。
31.9MPa 27.97MPa
12.49MPa 8.72MPa
3m宽小煤柱 4m宽小煤柱
2 支护机理—地应力（19）
工作面推进地应力 的变化
粉砂岩 监测传感器HI1 监测传感器HI3 监测传感器HI2
20
HI1 HI2 HI3
10 15
5
≈2.7m
煤
0
煤层
180
160
140
120
100
80
60
40
最大水平主应力
200
最小水平主应力
400
度 （ m ） 深
600
800
S v (垂直应力)
2 支护机理—地应力（4）
我们公司也在一矿北 风井也进行了三个点 的原岩应力测试。
测点 轨道上山 外水仓 回风上山 б1 б3 бv
（MPa） （MPa） （MPa）
30.87 36.31 39.02 22.12 14.01 12.83 24.47 21.30 25.73
2、支护机理-锚固性能
锚固材料的强度 如果用60MP a与 10MPa的材料进行锚 固，其锚固力相差1倍。
2、支护机理-锚固性能
无机材料水灰比对其强度的影响
2、支护机理-锚固性能
影响树脂锚固质量的另一个主要原因是人为因素： 1. 少放树脂； 2.钻孔打深； 3.搅拌时间不够或过搅拌； 4.使用过期或变质的锚固剂； 5.机具的扭矩或推力达不到要求等。
2 支护机理—地应力（7）
为了研究巷道顶板的稳定性，澳大利亚联邦科学院与SCT公司对巷道掘进期间的顶板内的垂直应 力进行了监测。 监测地点在（Moranbah North Mine）北莫兰巴矿104工作面运输巷。巷道埋藏深度220m，巷道宽 度5.2m，高度3.2m 煤层厚度5.5m，巷道沿煤层底板掘进。
-20m
0m
应力监测仪 安装位置
20m
50m
150m
300m
工作面回采过程中次生应力监测频度
2 支护机理—地应力（23）
在工作面前方117m，垂 直应力几乎没有变化，接 近实测垂直应力7.1MPa。 当工作面推进到离测区 布置70m时，垂直应力开 始增加。
2 支护机理—地应力（24）
2 支护机理—地应力（25）
ANZI4 5.08MPa
ANZI1
ANZI3 YMHI 3 8.46MPa 9.33MPa
13.62MPa 10.27MPa
1
7m
5.
7.
8m
5. 7m
≈2.7m
煤
55°
56°
11
.4
m
煤层
Leabharlann Baidu
45° 30°
采空区 4m宽煤柱 43上07轨道巷 实体煤
2 支护机理—地应力（18）
东滩煤矿沿空巷道所处的应力环境分析
σ3 σ1
2.支护机理 ---岩石性质（2）
岩石的强度随着围 压的提高而提高， 岩石的残余强度也 随着围压的提高而 提高。
锚杆支护的目的之 一就是提高对围岩 的围岩，就等于提 高围岩的强度。
2.支护机理 ---岩石性质（3）
岩 石 的 强 度 （ MPa)
试样的直径（m)
试样的强度随着试样的直径增大而减小。 岩体的强度与试样的强度相差很大； 试样的强度分散性很大。 在利用实验室数据时，应合理取值。
2 支护机理—地应力（8）
在地点1顶板的不同高度安设了4个地应力监测传感器，在地点2安设了两个地应力传感器， 用于监测在巷道开挖后，顶板内顶应力的变化情况。
2 支护机理—地应力（9）
在监测之前，在地点1对煤层和顶板砂岩进行了原岩地应力测量。可以看到在煤层 中。可以看到在煤层中的地应力非常小，据他们分析，主要是因为煤层中含有气 体和水的流失，造成煤层中的应力下降，煤层中的垂直应力仅为1.3 Mpa.
б
б
4.85
7.11
3.8°
41.3°
实测最大水平主应力与最小水平主应力的大小和方向
2 支护机理—地应力（22）
为了监测工作面回 采在煤柱内的应力 变化情况，我们安 设了四个地应力监 测传感器。
回采方向 回采方向 长 壁 工 作 面
左侧观测方式 每2m 与右侧对称 观测一次 每2m 观测一次 每5m 观测一次 每10m 观测一次 每20m 观测一次
20
0 -5
监测点距工作面的距离（m ）
采空区 4m宽煤柱 43上07轨道巷 实体煤
垂直应力（ M Pa）
2 支护机理—地应力（20）
工作面推进水平应力的变化
2 支护机理—地应力（21）
主应力 б б
1 2 3 v
实测（MPa） 倾角（向下为 正） 10.67 6.52 2.3° 37.4°
方位角 126.4° 134.2°
2.高强锚注支护机理
巷道支护应了解地应力、围岩的性 质和锚杆/锚索的锚固性能。
地应力：作用在巷道围岩上的载荷， 是巷道变形破坏的力源。 围岩：既是我们支护的对象，又是 锚固体来承载。 锚杆/锚索：是支护或加固围岩的一 种构件。 对这三方面了解的越充分，支护设 计就越合理，技术管理就越完善。
2 支护机理—地应力（1）
在煤矿井下存在三维应力状态，在 三个方向上的最大主应力 V—由上覆岩层自重引起的，大小 (YH) 在水平面上存在两个主应力： H1—最大水平应力 H2—最大水平应力
2 支护机理—地应力（2）
地应力可以通过 应力解除法、水 压致裂法进行测 试。 我们公司在兖 矿集团进行50多 点的原岩应力测 量。
2 支护机理—地应力（12）
高水平应力作用下的巷道典型破坏模式 当集中的水平应力引起下部岩层破坏时，水平应力向 深部转移
2 支护机理—地应力（13）
1—破碎区；2—松动区；3—塑性区；4—弹性区
2 支护机理—地应力（14）
最大水平应力理论：
1巷道开挖后引起应力重新分布，垂直应力向两帮转移， 水平应力向顶、底板转移，因而垂直应力的影响主要 显现于两帮，而水平应力的影响则主要显现于顶、底 板岩层； 2、方向呈正交关系的最大水平主应力分量σhmax和最小 水平主应力分量σhmin在量值上通常相差较大。这使得 水平应力对巷道顶、底板影响具有明显的方向性； 3、当巷道轴向与最大水平主应力平行时，受水平应力 影响最小，对顶底板的稳定最有利； 4、当巷道轴向与最大水平主应力垂直时，受水平应力 影响最大，对顶底板的稳定最为不利； 5、与最大水平主应力方向成一定角度斜交的巷道，巷 道一侧出现应力集中，而另一侧应力释放，从而使巷 道顶底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。
2 支护机理—地应力（3）
兖州矿区原岩应力分布规律 （ 1 ）最大水平主应力为最 小水平主应力的2.17倍， （ 2 ）垂直应力随深度成线 性增长，其值与按上覆岩层容 重和埋深计算出的垂直应力略 小； （3）最大水平主应力普遍 大于垂直应力;
应力（ MPa）
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
2 支护机理—地应力（6）
垂直应力 水 平 应 力 水 平 应 力
垂直应力
巷道开挖后改变了围岩的原岩应力状态，引起应力的重新分布. 垂直应力向两帮转移，形成垂直应力在两帮集中；水平应力向顶、底板中 转移，形成水平应力在顶底板集中的现象。 垂直应力的影响主要显现于两帮煤体，而水平应力的影响则主要显现于顶、 底板岩层。
2 支护机理—地应力（26）
煤层开采相邻煤柱(煤 体）垂直应力的升高 ，增加的支承压力的 大致等于： （0.6-0.7）ɤH2/2
2 支护机理—地应力（27）
煤柱内水平主应力实际变化曲线
2 支护机理—地应力（30）
2 支护机理—地应力（29）
天池煤矿103瓦斯尾巷水平应力监测变化图 30