钻锚注技术

潞安五阳矿7508工作面风巷 潞安五阳矿7508工作面风巷 属于受两次动压影响，并且已经 在掘进后由于底臌修复过一次底 板，底板已经破碎。经注浆施工 时发现，底板裂隙相当发育。
Flac3D数值模型——原始模型 数值模型——
Flac3D数值模型——底板无支护 数值模型——
巷道围岩破坏状况图
Flac3D数值模型—— 4根锚杆补加锚索 数值模型——
钻锚注加固机理
充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形 成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、 锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱， 从而扩大了支护结构有效承载范围，提 高了支护结构的整体性和承载能力。 软岩或高应力破碎底板经钻锚注加固后， 阻止底板煤层流变继续发生，使巷道两 底角不会继续向里移动，从而有利两帮 和顶板支护。
5、破碎煤岩体钻锚注加固设计
破碎煤岩体钻锚注加固设计程序包 括现场调查、实验室相似模拟、计算机 软件模拟、加固初始设计和现场动态调 整设计。现场调查是实验室相似模拟和 计算机软件模拟的基础，其内容包括采 区综合柱状图、巷道围岩岩性和强度、 地质构造和围岩结构、地应力及环境影 响等。
5.1 地质力学测试
7、实例——五阳煤矿7508工作 、实例——五阳煤矿7508工作 面风巷底臌治理
试验点调查与地质力学评估
（1）巷道围岩岩性和强度 3#煤层平均厚度为6.26m，倾角为30。煤层平 均单轴抗压强度为9.93MPa。 （2）地质构造和围岩结构 在巷道长度范围内无大型地质构造。 （3）地应力 7516放水巷现场地应力测试结果表明，巷 道最大水平主应力为15.16MPa，方向为北偏东 84.8°，最小水平主应力为8.30MPa，方向为北 偏西5.2°；垂直应力为9.25MPa。 （4）环境影响
钻锚注加固机理
注浆后使得作用在拱顶的压力能有效地传递到 两墙，通过对墙的加固，又能把荷载传到底板； 同时由于组合拱厚度的加大，能减小作用在底 板上的载荷集中度而且减小底板岩石中的应力， 减弱底板的塑性变形，减小底臌量。而底板的 稳定，有助于两墙的稳定，在底板、两墙稳定 的情况下又能保持拱顶的稳定 。 锚杆经注浆后使普通端锚变为全长锚固锚杆， 从而提高了锚杆的锚固力和可靠性，保证了支 护结构的稳定；且将多层组合拱联成一个整体， 共同承载，提高了支护结构的整体性 。
7508工作面位置示意图 7508工作面位置示意图
75 0 6 工 作 面 8米 煤柱 距 停 采 线 70 米 测 站 采 空 区 距停采 线3米测站
距 停 采 线 19 米 测 站 底臌治理 段 2米回 撤通道
7508工作面
7508巷道矿压显现带示意图
σt
σr γH
Ⅳ
KγH
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
A－卸载带 B－支撑压力显现带 C－原岩应力带 Ⅰ－塑性流动区 Ⅱ－塑性软化区 Ⅲ－塑性硬化区 Ⅳ－弹性区
•
高活性粉煤灰
近两三年来，一种新型材料——高活性粉煤
灰注浆材料的研制成功，既可以获得较高的颗 粒细度(一般为325目)，可满足工程的防渗抗 渗要求，又可以大大降低材料成本，有利于大 规模推广使用，是一种大有发展前途的新型注 浆材料的。
双液注浆施工工艺系统
便携式单液注浆泵工艺系统
气缸体
连接套
注浆管 排浆孔 进气孔
破碎煤岩体钻锚注 加固技术
主要内容
1、前言 2、钻锚注加固机理 3、钻锚注材料和注浆工艺 4、钻锚注支护参数的确定 5、破碎煤岩体钻锚注加固设计 6、破碎煤岩体钻锚注加固施工监测 7、实例—五阳煤矿7508工作面风巷底 臌治理
1、前 言
随着开采深度和广度的发展，出现了一大类 极破碎围岩条件，它们共同的特点是整体性差、 破碎、松散，普通锚杆支护困难；并且部分成孔 困难，无法实现先钻孔、后安装锚杆（索）的施 工过程，锚注支护也相当困难。在煤矿中，这种 条件主要表现在以下几个方面： • 沿空掘巷 • 掘进工作面过断层或破碎带 • 软岩巷道底臌治理 • 破碎围岩巷道维修
为了解决这些困难条件下的支护问题，国内 外进行了大量的试验和研究，结果都未取得良 好的效果。为此，本文介绍了一种新型支护方 法—钻锚注一体化加固，这种方法可以归入到 锚注体系中，是锚注的一种特殊形式。钻锚注 是锚杆和注浆的又一种结合方式。
国内外注浆技术的发展
注浆技术已有近200年的发展历史 人工“压浆泵”的首次使用是在1845年 化学浆液用于固砂是在1884年 二十世纪40年代，注浆技术的研究和应用得到 了迅速的发展，各种水泥浆材和化学浆材相继 问世。 “八五”重大科技攻关课题提出了将锚杆和注 浆结合起来。到目前为止锚注技术已经发展相 当成熟。
2）新型水泥材料 •超细水泥 •高水速凝材料 •硅粉水泥浆材 •纳米水泥材料
• 化学基浆材 1）特点 化学浆液可注性好，能注入土层中的细小 裂隙或孔隙。其缺点是结石体强度较低、耐久 性较差、对周围环境和地下水源有污染、价格 较贵。 2）分类 一是水玻璃类化学注浆材料 二是有机高分子化学注浆材料 三是有机高分子复合化学注浆材料 3）聚氨酯
巷道治理底臌支护设计
锚杆形式和规格 锚固方式 托板 锚杆角度 锚杆布置 锚索 （接长锚杆） 一次性钻头
钻锚注支护的示意说明
钻锚注支护的示意说明
注浆加固作用分析
直线型包络线: τ = C + σ tg ϕ
莫尔强度准则表示的注浆前后岩体强度变化
钻锚注加固机理
自钻锚杆钻进后，不抽拔出杆体，使钻孔内壁 自由空间小，从而使钻进对围岩的破坏减弱。 同时，解决了钻孔塌陷给施工造成不利。 自钻锚杆注浆加固的巷道，可利用浆液形成的 胶结体封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风 化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身 强度。 松散破碎岩体经自钻锚杆注浆后，在注浆范围 内破碎岩块和锚杆胶结成整体，提高了岩体的 内聚力、内摩擦角和弹性模量，从而提高了岩 体强度，实现利用围岩本身作为支护结构的一 部分。
5.1.1 井下巷道围岩强度测试
5.1.2 巷道围 岩结构测试 测量仪器： 测量仪器：
•钻孔窥视仪观测围岩节理裂隙等结构面分
以及变化。 布，以及变化。 •美国FS75型光导纤维钻孔窥视仪。 美国FS75型光导纤维钻孔窥视仪。 FS75型光导纤维钻孔窥视仪 •仪器重量轻，携带方便； 仪器重量轻，携带方便； •可测钻孔直径小，长度大(6m); 可测钻孔直径小，长度大(6m); (6 •矿灯作为光源，无需其它配件。 矿灯作为光源，无需其它配件。
地质力学快速测试系统包括 井下巷道围岩强度测试、围岩结 构观察和地应力测量。
5.1.1 井下巷道围岩强度测试 测量仪器： 测量仪器：
• WQCZ－Ⅱ型围岩强度测 WQCZ－
定装置； 定装置； • 强度测试值更接近岩体； 强度测试值更接近岩体； • 可测出软弱破碎岩层的 强度； 强度； • 简单、快速、方便。 简单、快速、方便。
巷道破坏状况图
最终支护方式：4根锚杆补加锚索
底板支护每排3根锚杆补加锚索时，底板 出现了两个突起的峰，随着底板的鼓起，两 帮也随之向内移动。当底板锚杆为4根锚杆 补加锚索时，底板变形得到了明显控制，底 臌量为281mm。而5根锚杆补加锚索与4根锚 杆补加锚索底臌量几乎没有变化。只有4根 锚杆支护底臌量349mm。 通过以上4种方案的比较，说明两个问题 ：一是锚杆间距不宜过大，否则无法控制围 岩的变形；二是锚杆和锚索长短组合是比较 合理的方案。
Flac3D数值模型建立
• • • • •
建立模型网格 选择岩石力学参数 模型边界条件 模型的选择 运算
6、破碎煤岩体钻锚注 加固施工监测
6.1 锚杆测力计
6.2 测力锚杆
6.3 LBY-3型顶板离层指示仪 LBY-
6.4 ZW-4型多点位移计 ZW-
6.5 监测技术
监测站一般分为两种，综合监测和日 常监测。综合测站一般设置在新技术试 验巷道、首采工作面、地质条件变化地 段等。根据需要，一条巷道中设置3-8个 测站，监测的主要目的是探究锚杆作用 机理，验证或修改初始设计，及监测巷 道安全。日常监测主要是为了监测巷道 安全，每30-50m设一个测站。
钻锚注应用现状
钻锚注加固技术在美国和德国等 西方国家研究应用有一定发展，但在 煤矿应用和研究仍是一项空白,我国各 行业在这方面的研究刚刚起步。 2000年，该支护方法在我国柳州 铁路局南昆线路基高挡墙加固工程中 首次使用。
钻锚注应用现状
钻锚注应用现状
钻锚注支护优点
钻锚注支护能适应各种复杂地 质条件和施工现场环境。施工时将 钻进、放杆、注浆、张拉、锚固在 一个流程中完成，具有施工工艺简 单、成孔率高、工期短、强度高、 经济效益好等优点 。
3、钻锚注材料和注浆工艺
3.1自钻锚杆 3.1自钻锚杆
自钻锚杆的主要特点
自钻锚杆适用于破碎易塌孔岩体中， 集钻杆、注浆杆、锚杆三者为一体， 施工工艺简单； 自钻锚杆强度高，与注浆材料粘结力 强； 自钻锚杆注浆饱满，并能实现高压注 浆，使浆液充满岩土裂缝； 可根据施工需要，截成任意长度和任 意连接。
5.1.2 巷道围岩结构测试
5.1.3 地应力测量
测量仪器： 测量仪器：
小直径便携式水压致裂地应力测量装置 •小直径，55mm； 小直径，55mm mm；
• 无需钻取岩芯， 无需钻取岩芯，
对钻机要求低； 对钻机要求低；
进行大面积测量； 进行大面积测量；
• 测量工序简单； 测量工序简单； • 测量速度快，可 测量速度快， • 测量深度大。 测量深度大。
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钻锚注加固机理
注浆使得支护结构面尺寸加大，围岩作 用在支护结构上的载荷所产生的弯矩减 小，从而降低了支护结构中的拉应力和 压应力，因此能承受更大的荷载，提高 了支护结构的承载能力，扩大了支护结 构的适应性。 锚喷支护或金属支架、砌碹支护基础上， 进行锚杆注浆，可以使壁后充填密实， 保证荷载均匀地作用在喷层或砌碹壁上， 避免出现应力集中点而首先破坏。
止浆塞 自钻锚杆 搅拌器 煤岩钻孔 泵体部分
搅拌桶
搅拌叶片
进浆口
4、钻锚注支护参数的确定
自钻锚杆参数的确定：
• 锚杆杆体的破坏 • 岩体的破坏 • 钢筋与灰浆接触处粘结的破坏 • 岩石与灰浆接触处粘结的破坏
注浆材料参数的确定
• 浆液浓度 • 注浆压力 • 注浆量 • 浆液扩散半径 • 注浆时间 • 注浆孔的布置 • 注浆深度确定 • 注浆加固体强度的确定
2、钻锚注加固机理
破碎岩体受力破坏过程
在巷道开挖后，破碎岩体根据不同条 件从不同时间、不同阶段开始受力破坏， 形成了一个反复循环过程。这一过程大 概分为四个阶段： 1）压密阶段 2）弹性阶段 3）塑性阶段 4）破坏阶段
治理破碎围岩的三个着重点： 1）如何阻止表层岩体进一步破 碎，减小松动圈的范围？ 2）如何增强岩块之间的粘聚力 从而使岩体抗剪抗拉能力增强？ 3）如何增加岩石松动圈本身整 体性来抵抗周围岩体的压力？
钻锚注锚杆配件
自钻锚杆的施工
（1）准备机具； （2）锚杆与钎尾连接，安装钻头； （3）与钻机连接； （4）开始钻孔； （5）送风或送水冷却钻头； （6）钻孔完毕后卸下钎尾和钻机； （7）注浆 ； （8）加预应力（根据浆液凝固情况决定）。
3.2 注浆材料
水泥基浆材 化学基浆材 高活性粉煤灰
• 水泥基浆材 1）特点： 结石强度高、耐久性好、材料来源丰富、 工艺设备简单、成本较低、抗渗性较好、注 浆设备品种齐全等特点。容易离析和沉淀、 稳定性较差，并且由于其颗粒度大，使浆液 难以注入土层的细小裂隙或孔隙中从而扩散 半径小，凝结时间不易控制，结石率低。
新的速度 和位移 应力／应变关系 （本构方程）
新的应力 或力
Flac3D的特点
应用范围广泛，可以模拟复杂的岩土工程或力 学问题，有静力、动力、蠕变、渗流、温度5 种计算模式。 Flac3D具有强大的内嵌程序语言FISH，使得用 户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特 殊需要。 Flac3D具有强大的前后处理功能。
5.1.3 地应力测量
5.2 Flac3D程序
Flac3D程序简介
Flac3D程序建立在拉格朗日算法基础上 ，特别适合模拟大变形和扭曲。Flac3D采用 显示算法来获得模型全部运动方程（包括 内变量）的时间步长解，从而可以跟踪材 料的渐进破坏和垮落，这对研究采矿设计 是非常重要的。
计算循环
平衡方程 （运动方程）