控制技術(shù)-錨桿

煤巷高強預應力支護技術(shù)指能夠在支護構(gòu)件和頂板間實現(xiàn)明顯超過松散巖體自重的預張力、形成頂板預應力承載結(jié)構(gòu)，并有效控制頂板離層的高強支護技術(shù)．這是有別于低強度低初錨力的錨桿支護階段和高強度低初錨力的錨桿支護階段的一個相對的階段性概念，是錨桿類支護技術(shù)發(fā)展的一個新階段。低強度低初錨力的錨桿支護階段高強度低初錨力的錨桿支護階段高強度高預拉力的錨桿支護新階段2/4/20231長期以來極易離層破碎型頂板控制理論未能突破，沒有找到有效的支護技術(shù)和方法；回采工作面兩巷有效斷面不足設(shè)計斷面的1/3，造成通風阻力高、巷道煤層自燃防火、礦井瓦斯治理和安全工作十分被動；被動的棚式支護造成巷道頂板安全狀況差，頂板事故頻繁發(fā)生，事故發(fā)生起數(shù)約占煤礦事故的50%；在根本上制約著煤礦采掘運整體技術(shù)水平的提高，導致礦井機械化水平低，安全狀況差，綜合效益低。我國煤礦每年新掘煤層巷道10000km以上，約60%為較復雜條件頂板，該類頂板控制技術(shù)和瓦斯治理技術(shù)一樣是嚴重制約地下采礦工程的重大技術(shù)難題2/4/20232傳統(tǒng)的機械式點錨固錨桿←→高強樹脂錨桿1945～1950：機械式錨桿的研究與應用。1950～1960：采礦業(yè)廣泛采用機械式錨桿，開始對錨桿進行系統(tǒng)研究。50～60年代，機械點錨固錨桿使用局限使錨桿支護出現(xiàn)徘徊，1960～1970：發(fā)明了樹脂藥卷，引發(fā)錨桿技術(shù)的一次革命，樹脂錨桿在礦山得到應用。隨后樹脂全長錨固錨桿的發(fā)明應用使它成為80年代以后的主要支護形式。1970～1980：發(fā)明管縫式錨桿、水力賬管式錨桿并應用，研究錨桿新的設(shè)計方法，長錨索產(chǎn)生。1980～1990：混合錨頭錨桿、組合錨桿、桁架錨桿及各種特種錨桿得到應用，樹脂錨固材料得到改進。錨固技術(shù)取得突破錨桿支護材料強度迅速提高2/4/2023320世紀80年代我國煤巷錨桿支護技術(shù)取得快速發(fā)展80年代末期，引進澳大利亞錨桿支護技術(shù)主要推廣全長樹脂錨固錨桿，強調(diào)錨桿強度要高。其錨桿設(shè)計方法是將地質(zhì)調(diào)研、設(shè)計、施工、監(jiān)測、信息反饋等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各個部分作為一個系統(tǒng)工程進行考察，使它們形成一個有機的整體，形成了錨桿支護系統(tǒng)的設(shè)計方法。90年代中期，中等穩(wěn)定以上條件樹脂錨桿研制成功并大范圍推廣應用90年代中期，受美國錨桿支護技術(shù)影響高強度高預拉力大排間距支護領(lǐng)域的專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化2/4/20234不重視錨桿加工錨桿加工粗糙、結(jié)構(gòu)單一、規(guī)格單一、品種單一；沒有統(tǒng)一的標準，不規(guī)范。在錨桿產(chǎn)品加工方面沒有形成產(chǎn)業(yè)化、系列化、多樣化，不能滿足煤礦錨網(wǎng)支護日益發(fā)展的需要。這是制約煤礦錨桿支護技術(shù)發(fā)展的根本原因之一。掘、支、運不配套，巷道掘進速度較慢，工效低常常低于架棚巷道速度，制約了錨桿支護技術(shù)的進一步發(fā)展。機具不能滿足特殊條件的施工要求困難的地質(zhì)條件下支護效果仍不甚理想我國錨桿支護存在的問題2/4/20235“九五”以來煤巷高強螺紋鋼樹脂錨桿支護技術(shù)取得了快速發(fā)展

傳統(tǒng)的機械式點錨固錨桿←→高強樹脂錨桿已解決的問題支護系統(tǒng)的強度問題錨桿與圍巖的錨固技術(shù)形成了理論到實踐的相對完整的技術(shù)體系存在的一些問題設(shè)計思想偏于保守復雜條件支護效果不甚理想惡性事故時有發(fā)生，安全可靠性沒有根本解決技術(shù)經(jīng)濟效益不顯著2/4/20236安全可靠性問題錨固技術(shù)取得突破錨桿支護材料強度迅速提高頂板的穩(wěn)定問題仍很突出錨固區(qū)外的弱面離層是高強錨桿支護技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)，必須圍繞確保大大減緩頂板離層或根本消除離層這一中心開展控制理論和技術(shù)研究，才可能取得突破。煤巷錨桿支護巷道冒頂事故時有發(fā)生

2/4/20237采用高強度、超高強度材料制造錨桿，加工精細，將錨桿作為產(chǎn)品、實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化，而不是簡單的支護材料，并形成適用于不同條件的系列化產(chǎn)品。形成一整套比較科學的設(shè)計方法有比較可靠的配套機具，采用掘錨一體化聯(lián)合掘進機或性能良好的單體錨桿鉆機，滿足施工要求，并能實現(xiàn)快速掘進。采用可靠的監(jiān)測手段。堅持科學管理，嚴格質(zhì)量監(jiān)測，形成了從理論到實踐的完善的錨桿支護技術(shù)體系。國外錨桿支護的發(fā)展現(xiàn)狀—成功經(jīng)驗2/4/20238類比混凝土建筑材料的發(fā)展歷史素混凝土←→鋼筋混凝土←→預應力鋼筋混凝土回采面支護的演進木點柱←→金屬摩擦支柱←→單體支柱（液壓支架）預應力技術(shù)的應用梁板結(jié)構(gòu)←→預應力平板結(jié)構(gòu)2/4/20239安全：安全可靠性要求更高，“零死亡率”是研究錨桿支護技術(shù)的首要目標。快速：成巷速度必須與快速推進的現(xiàn)代化長壁綜采相適應。高效：在服務(wù)期間不進行任何翻修即能滿足長壁面生產(chǎn)所需的有效斷面，并努力簡化回采動壓影響期間的超前加強支護，最終取消加強支護。錨桿支護的效益更多地表現(xiàn)在對采煤的貢獻上?！鞍踩焙汀爸ёo效果”已經(jīng)取代“支護成本”成為支護技術(shù)先進性和支護設(shè)計的出發(fā)點和評價標準。

目前主導的錨桿支護技術(shù)（主要是“九五”期間完成的煤巷高強螺紋鋼樹脂錨桿成套技術(shù)）不能滿足上述目標。

3.錨桿支護的發(fā)展方向2/4/202310高強預應力支護思想的提出高強錨桿支護體系：兩高兩低

高強度、高粘結(jié)力、低初錨力（工作阻力）、低可靠性高強預應力支護體系：四高一大

高強度、高粘結(jié)力、高預拉力（工作阻力）、高可靠性、大間排距2/4/202311高強預拉力（錨桿）支護體系高性能（預拉力）錨桿支護小孔徑預拉力短錨索支護鋼絞線預拉力桁架支護M型鋼帶組合支護2/4/202312問題：錨桿應該具有那些性能？實際受力狀況？過去主要圍繞強度開展研究;現(xiàn)在進一步圍繞錨桿的承載性能開展研究更全面理解強度的內(nèi)含:抗拉強度抗剪強度系統(tǒng)強度錨固性能：三徑匹配結(jié)構(gòu)和安裝性能:實現(xiàn)預拉力承載性能：理論支護強度、實際支護能力、有效支護強度、初始支護強度第一種技術(shù)：高性能（預拉力）錨桿2/4/202313高性能（預拉力）錨桿指桿體材質(zhì)符合高強度、延伸率要求、外形符合錨固要求、附件完整、整體強度和幾何尺寸匹配、能夠滿足鉆機連續(xù)一體化安裝并實現(xiàn)預拉力的新型錨桿；為強調(diào)預拉力的作用，這種錨桿又稱高性能（預拉力）錨桿。按鋼材屈服強度σs大小進行的錨桿分類：σs＜340MPa，為普通錨桿；340MPa≤σs＜600MPa，為高強錨桿；σs≥600MPa，為超高強錨桿。2/4/202314高性能（預拉力）錨桿特征1）錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)高粘低阻2）桿體強度和延伸率符合要求3）外端螺紋部采用無強度損失或增強加工新工藝4）增加減摩和調(diào)節(jié)錨桿外端受力的附件5）快速機械安裝結(jié)構(gòu)6）錨桿系統(tǒng)強度及附件幾何尺寸配套7）有醒目的標志直觀顯示安裝施工質(zhì)量2/4/202315實現(xiàn)了錨桿安裝的機械化、連續(xù)化；保證了20~30kN以上的預拉力；控制了頂板的松脫垮冒，初始支護強度達到30~45kN/m2。高性能預拉力錨桿支護技術(shù)本項目尾部等強加工扭矩螺母桿體外型結(jié)構(gòu)優(yōu)化原尾部損傷加工高性能托盤2/4/202316具體要求錨桿桿體強度高、鋼材的屈服強度應在300MPa以上，延伸率應不低于15%；結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)錨桿的快速安裝、容易實現(xiàn)錨桿高預拉力的要求；錨桿、托盤、鋼帶三者的承載能力匹配，并與錨固強度適應；錨桿、托盤、鋼帶加工規(guī)范、系統(tǒng)，產(chǎn)品實現(xiàn)系列化、規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化；安裝質(zhì)量顯性化。下節(jié)鐓頭11002235110110030金屬墊圈上節(jié)塑料墊圈定位銷釘兩節(jié)式預拉力錨桿下節(jié)兩節(jié)式加長預拉力錨桿的結(jié)構(gòu)2/4/202318與普通高強錨桿的比較對比項目普通錨桿預拉力等強錨桿錨桿破斷力100％120％錨桿可延伸量10mm大于200mm材料成本100％83％錨桿井下斷裂有很少國際相關(guān)技術(shù)有無機械安裝性能無有安全標志有

2/4/2023192/4/202320技術(shù)優(yōu)勢1）及時主動高阻加固，支護效果明顯；2）錨桿鉆機連續(xù)一體化安裝，施工規(guī)范，安裝質(zhì)量有保證，安全可靠性高；3）大間排距控制圍巖變形，省時省力省錢；4）系列化產(chǎn)品能夠滿足多種條件要求，使用范圍廣。

可以在很大程度上替代普通錨桿（索）組合支護。2/4/202321破碎頂板施工時：超前預拉力錨桿可用于控制頂板垮冒

離層破碎型煤巷頂板的自穩(wěn)時間極短，常常隨綜掘機割煤出現(xiàn)垮冒，頂板穩(wěn)定性極差，影響錨桿支護的實施，甚至無法正常安裝。在單排循環(huán)的基礎(chǔ)上，割煤前，超前斜角施工預拉力錨桿，通過大扭矩鉆機的安裝，在兩排鋼帶之間安裝3～4根高性能錨桿，可以很好地穩(wěn)定住頂板松動巖層，錨桿規(guī)格一般采用M16×1800mm。

2/4/202322通過多層易離層巖體的整體錨固，消弱層狀頂板沿弱面的漸次離層和垮冒。第二項技術(shù)：小孔徑鋼絞線預拉力錨索梁技術(shù)機械張拉實現(xiàn)高預拉力；預拉力范圍50～150kN；提出了低張、短錨、適當滯后的錨索使用原則；

開發(fā)了幾種新的組合錨索結(jié)構(gòu)；預拉力錨索梁技術(shù)雙斜拉錨索技術(shù)幫部錨索加固技術(shù)錨索存在的缺陷和φ20mm的20MnSi螺紋鋼錨桿強度區(qū)別不明顯；錨索常出現(xiàn)破斷、抽冒現(xiàn)象；鋼絞線和錨桿承載不同步，易超前錨桿集中受力；外端頭受力不良，與圍巖點接觸，頂板強化效果不明顯。內(nèi)錨固端的三徑匹配不合理，錨固性能不可靠；錨索難以從根本上控制頂板的離層。2/4/202324第三項技術(shù)：高預拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)

概念：將巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點，專用張拉機具通過桁架連接器將高強度的預應力鋼絞線鎖緊，并傳遞張拉力，實現(xiàn)對頂板淺部圍巖的兜護和對頂板結(jié)構(gòu)的加固；它由預應力高強度鋼絞線、桁架連接器、鎖具和錨固劑組成。2/4/202325肩角穩(wěn)定區(qū)肩角穩(wěn)定區(qū)高預拉力鋼絞線桁架支護技術(shù)機械張拉實現(xiàn)高預拉力；預拉力范圍50～150kN；抗剪切破壞能力強；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，防止頂板垮冒，確保頂板安全；結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。國內(nèi)首次研制和使用以巷道肩角穩(wěn)定區(qū)域巖石作為內(nèi)錨固支撐點，通過桁架連接裝置將兩根鋼絞線對拉，形成可靠的護頂結(jié)構(gòu)，控制頂板的離層、防止頂板加固區(qū)整體垮冒。高預拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)鉆眼施工機具、錨固材料及攪拌方式沿用樹脂錨桿相關(guān)技術(shù)，較傳統(tǒng)的錨索大大簡化了施工難度；鋼絞線具有柔性，因而長度可以適當加長；錨固深度大大提高；專用設(shè)備施加預拉力，預緊力大小隨意可調(diào)。能夠解決厚層復合破碎頂板（不穩(wěn)定層厚累計超過5.0m）、高水平地應力、松散煤層頂板等條件下的支護難題，彌補錨索支護的不足。2/4/202327鋼絞線預拉力桁架技術(shù)特征內(nèi)錨固點為巷道兩肩窩深部巖體，十分可靠，水平預緊力可以改善頂板的應力狀態(tài)，可以消除離層。桁架是通過拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸，作用范圍大，加固效果好；鋼絞線抗剪性能強，能夠緩解水平應力導致的頂板支護結(jié)構(gòu)的剪切破壞；2/4/202328鋼絞線預拉力桁架技術(shù)特征受力隨頂板巖體彎曲，兩幫錨固點內(nèi)移，能形成閉鎖結(jié)構(gòu)，受力增加較慢，支護結(jié)構(gòu)不易失效；而錨索隨頂板變形，載荷直線上升，易拉斷失效；錨固深度一般不需超過3.0-4.0m，施工方便。

在大排距（超過兩排錨桿）下可以防止頂板垮落，加密排距（小于兩排錨桿）可以進一步控制變形。2/4/202329錨桿桁架支護的缺陷頂板受壓區(qū)頂板受壓區(qū)留頂煤時的桁架使用情況（M型鋼帶作基礎(chǔ)）2/4/202331留頂煤時的桁架使用情況（M型鋼帶作基礎(chǔ)）2/4/202332抗撕裂，容易與圍巖密貼，適應破碎不平整煤巷頂板條件,保障了整體錨固效果；

克服了W型鋼帶、鋼筋梯子梁等常用鋼帶的主要缺陷。第四種技術(shù)：新型M型鋼帶和Π型鋼帶M型鋼帶及井下應用Π型鋼帶及井下應用2/4/202333第五項技術(shù)：新“三徑”匹配的錨固技術(shù)進一步細化錨桿鉆孔、桿體、樹脂卷三種直徑的合理匹配技術(shù)，解決松散煤體的錨固技術(shù)根據(jù)錨桿規(guī)格，推廣應用科學合理的“φ28mm—φ20mm—φ25mm”、“φ27mm—φ18mm—φ23mm”、“φ30mm—φ22mm—φ25mm”等三種新“三徑”匹配模式，錨固力比原來提高120～147%。2/4/202334樹脂技術(shù)

油基樹脂收縮性攪拌要求高成本高水基樹脂中性或略具膨脹性1：1配比，易均勻攪拌成本低2/4/202335多樣化的錨固技術(shù)樹脂錨固技術(shù)注漿錨固松散煤層鉆孔成形不宜控制鉆錨注技術(shù)中空螺紋管錨注技術(shù)注漿錨索機械錨固2/4/202336其它錨固形式2/4/2023374.三維錨索可在巷道煤巖表面主動形成徑向、切向、軸向三個方向的預應力，增強煤巖的整體抗壓強度，縮短圍巖達到平衡狀態(tài)的時間，并使兩錨索之間中部的表面巖體成為受壓應力區(qū)，即主動將巖體應力曲線上移，使巖體整體支承結(jié)構(gòu)不受破壞，從而提高巷道煤巖的整體穩(wěn)定性和承載能力，從而控制巷道煤巖移動，合理支護巷道。2/4/202338三維錨索的支護機理：在圍巖表面主動形成若干個具有X、Y、Z三個反向應力的支護體，把圍巖支撐壓力分解到各個單元支護體上，在圍巖表面主動形成一個三維支護體系，增強圍巖表面整體應力強度，在圍巖表面及時形成高強應力環(huán)，與圍巖共同形成組合拱結(jié)構(gòu)，使圍巖提早達到一個動態(tài)的應力平衡狀態(tài)。2/4/202339圖2三維錨索布置示意圖2/4/202340圖7φ6×4圓柱型四孔雙向?qū)i具鎖緊（現(xiàn)場實拍）2/4/202341圖10支護效果圖（現(xiàn)場實拍）2/4/202342圖12三維錨索支護示意圖（現(xiàn)場實拍）2/4/20234350~60年代，機械式點錨固錨桿支護階段：“四低一小”：低強度、低粘結(jié)力、低初錨力(工作阻力)、低可靠性；使用范圍很小80~90年代，高強螺紋鋼樹脂錨桿支護階段：“兩高兩低”：高強度、高粘結(jié)力、低初錨力(工作阻力)、低可靠性；使用范圍受限制90年代中后期開始，高強預應力支護階段（本項成果）：“四高一大”：高強度、高粘結(jié)力、高預拉力(工作阻力)、高可靠性；實現(xiàn)了大間排距支護，使用范圍進一步拓展煤巷