煤矿高地应力区围岩支护报告

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锚杆布置
当二次应力接近岩体强度时，围岩内部形成两组正交的潜 在滑移面。根据理论分析与试验研究，潜在滑移面与巷道 自由面的法线方向呈45°±φ/2； 不同的锚杆布置方式对围岩支护的效果有很大差别，当锚 固体厚度相同时，锚杆与滑移面呈±22.5°布置的支护效 果最佳。
高强预应力锚杆
+

对 策
四、现场长期监测
为什么要长期监测？
(1) 信息化施工的需要 (2) 岩体应力松弛特性+围岩整体位移逐步向深处发展→锚 杆锚固力随时间下降
现有的监测手段的优缺点
电测：经济方便，但防潮、抗干扰能力和长期稳定性差。 机械式测量：抗干扰能力和长期稳定性好，但防潮、安装 和长期保护困难。 光纤测量：可克服机电式监测的所有缺点，优点多，具有 很好的发展前途。但目前成本高。

→树脂药卷作锚固剂的高强、超高强锚杆最能符合要求
①树脂药卷固化快能在最短的时间内提供锚固力， 高强杆体能够提供足够高的锚固力，能在最短的时 间内使围岩恢复到有利于稳定的三向应力状态。 ②较大的轴向刚度限制了围岩的张开变形，有利于 围岩稳定。 ③高强锚杆具有足够的抗 剪强度与抗剪刚度，能有 效阻止围岩内部的剪切变 形与剪切滑动，提高围岩 体自身的峰值强度、残余 强度、内聚力 c 值和内摩 擦角 f 值。
锚杆 材料 Ⅱ级钢 Ⅲ级钢 Ⅳ级钢 公称直 径/mm 22 22 22 屈服强 度/MPa 280 370 480 极限强 屈服荷 度/MPa 载/kN 380 410 570 106 141 182 极限荷 载/kN 144 156 217 伸长 率/% 17 17 15
Ⅴ级钢
22
600
680
对 策
表3 锚固体强化系数对比
锚杆密度 单向加载 /根*（400cm2 极限强 残余强 Kj ）-1 度/MPa 度/MPa 平面应变加载 Kc 极限强 度/MPa 残余强度 /MPa Kj Kc
0 2
3 4 5 6 8
1.238 1.275
1.35 1.43 1.50 1.575 1.675
0.060 0.065
对煤矿高地应力区围岩稳 定与支护几个问题的认识
总工办 薛俊华
目 录
高地应力作用 高地应力的对策 现场监控量测 结 语
高地应力作用
①垂直原岩应力20MPa以上，水平构造应力 是垂直应力的1.25~2.5倍→接近或超过岩 体强度。 ②岩体从三向应力状态转化为二向应力 状态，二次应力重分布导致应力集中， →超过岩体强度。
C /MPa
0.35 0.36 0.36 0.37 0.37 0.38 0.39
对 策
φ /(°)
3பைடு நூலகம்.5 31.5 33.5 35.6 37.1 38.8 40.4
C*
/MPa 0.017 0.018 0.018 0.018 0.019 0.019 0.021
φ*
/° 31.5 31.5 33.5 35.6 37.1 38.8 40.4
高地应力对策
表2 锚固体力学性能改善汇总
锚杆密度 /根 ×(400cm2)-1 0 2 3 4 5 6 8 弹性模量 E /MPa 280.8 282.6 284.7 288.2 294.0 299.7 310.0 软化模量 M /MPa 32.0 32.6 35.2 39.3 41.9 43.2 46.3 锚固体破坏前 锚固体破坏后
Carrara大理岩强度及变形特性随围压的变化
高地应力问题
三向应力状态 提高 围岩强度
巷道开挖 二向应力状态 支护 加固 恢复 三向应力状态 改善 围岩完整性 围岩稳定
只有锚杆（索）支护能同时实现以上三种功能
改善和恢复应力状态的措施越及时，围岩破裂扩展的程度 越轻，围岩的完整性保持得越好，围岩越稳定。 围岩自由面上的压应力恢复得越高，围岩强度越高，自我 承载能力越高，围岩越稳定。 锚杆抗剪和抗拉强度越高，围岩整体强度越高。 结论： ①巷道开挖后必须立即支护。 ②初期支护力（预应力）必须达到足够的量值→锚固力峰 值提高 --朱浮声（1993）、郑雨天（1995）的研究表明：当锚杆 预拉力达到60～70kN时，就可以有效控制巷道顶板的下沉 量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量； --淮南谢一矿-780水平某底板运输巷的计算与实测结果表 明：当锚杆预拉力达到60～70kN时，锚固力峰值将超过 200kN。 ③ 锚杆应具备足够的抗剪强度和抗拉强度。
二次应力 重分布
γ H
③岩体骨架基质发生滑移和扩容，产生塑性变形， 使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石显示 出明显的塑性变形 和流变性。
二、高地应力的对策
围岩强度
围岩 稳定性
围岩的完整性 所处的应力状态
根据岩石力学试验结果:任何岩石在三向 应力状态下的强度高于二向应力状态高于 单向应力状态下的强度；当围岩处于三向 应力状态时，随着侧向压力增大，其峰值 强度和残余强度都会得到提高，并且峰值 以后的应力-应变曲线由应变软化逐渐向 应变硬化过渡，岩石由脆性向延性转化。
结
语
一．高地应力区巷道最有效的支护手段还是锚杆支
护；及时施加高初锚力，采用超高强的树脂锚杆 及其适当的布置方式是确保围岩稳定的根本保证。 锚杆与围岩潜在滑移面的最佳角度为±22.5°。 二．锚喷之后的注浆固结有利于围岩的破裂损伤修 复，恢复围岩的完整性，因而有利于围岩稳定。 三．光面爆破对锚杆支护的成败起决定性作用。 四．要保证锚杆的有效支护，必须对锚固力和围岩 位移进行长期监控，并根据监测结果及时采取补 强支护措施。
合适的锚杆布置
最佳的锚固效果
对 策
高性能锚杆的概念 杆体材质符合高强度、延伸率要求、外形符合锚 固要求、附件完整、整体强度和几何尺寸匹配、 能够满足钻机连续一体化安装并实现高预应力； 锚杆杆体表面结构优化，实现高粘低阻（左旋无 纵筋）； 外端螺纹部采用低强度损失、无强度损失或增强 加工新工艺； 加两个减摩垫圈，双重减摩措施，保证实现预应 力（初锚力） ；并能够调整锚杆外端受力； 有醒目的标志直观显示安装施工质量； 有应力松弛补偿装置。
1.00 1.00 1.04 1.12
1.11 1.17 1.26 1.32 1.38 1.19 1.27 1.33 1.43 1.56
注：Kj，Kc分别为锚固体峰值强度和残余强度的强化系数
对 策
φ22Ⅴ级建筑螺纹钢杆体可以提供22.8吨的屈服强 度，比Ⅱ级螺纹钢锚杆高50%多，而且价格低廉，每吨 钢材仅比Ⅱ级螺纹钢高400元左右。这就为深部围岩支 护采用高强、超高强锚杆提供了便利条件。 表4 各种锚杆材料强度指标
0.068 0.072 0.075 0.081 0.089
1.00 1.03
1.09 1.16 1.21 1.27 1.35
1.00 1.08
1.13 1.19 1.25 1.35 1.48
1.65 1.725
1.832 1.928 2.075 2.17 2.275
0.525 0.588
0.625 0.668 0.7 0.75 0.82
谢谢大家！
可控预应力超高强锚杆安装图
1 超高强锚杆杆体
2 螺母 3 预应力标示杆 4 应力松弛自补偿弹簧
5 弹簧护筒 6 减摩垫圈 7 应力扩散托盘 8 高强树脂锚固剂 9 围岩

底臌与底板支护
对低应力量区巷道，即使不采取支护措施，也能确保底板 稳定，不至于发生大的底臌量。但对高应力区的巷道，底 部（尤其是在应力高度集中的两角处）岩体很容易破裂失 稳，产生大的底臌。因而必须对深部巷道的底板采取有效 的支护措施。深部巷道的底板支护也可以采用高强锚杆， 但可适当缩短锚杆长度。要实现巷道底板的锚杆支护，选 择适用于底板锚杆施工的机具是关键。
大扭矩施工机具是高强锚杆支护成败的关键： 液压扭矩转换机具是目前条件下最好的选择；
有条件的矿井可采用台车——既能实现全断面任意角度打 眼施工，又能提供锚杆安装必须的大扭矩。
对 策
围岩稳定辅助措施 除了采用高强锚杆支护外，实践证明，辅助以高 强并具有一定韧性的混凝土喷层，并在靠近巷道 表面300~500mm范围内注入适量的浆液，能将巷道 表面由于破裂松动的岩体予以有效的固结与损伤 修复，有利于改善围岩应力状态和岩体完整性、 提高岩体自身强度，维护围岩长期稳定，大大延 长巷道翻修周期、减少翻修量，提高生产率。 光面爆破是确保高强锚杆有效支护的一项关键技 术措施。