煤礦巷道錨桿支護(hù)現(xiàn)狀和存在若干問題

1、煤礦巷道錨桿支護(hù)現(xiàn)狀和存在若干問題 提 綱一、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀二、錨桿支護(hù)存在的問題三、解決途徑四、應(yīng)用實(shí)例五、展望一、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀錨桿類型直徑/mm拉斷載荷/kN預(yù)應(yīng)力/kN錨固方式低強(qiáng)度14-2050-1200-10端部錨固高強(qiáng)度18-22120-20010-20端錨、加長錨固高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度20-25200-40060-120加長、全長預(yù)應(yīng)力錨固早期適用于簡單條件(5%)顯著提高了錨桿支護(hù)效果解決復(fù)雜巷道支護(hù)難題煤礦巷道錨桿支護(hù)發(fā)展過程低強(qiáng)度錨桿高強(qiáng)度錨桿高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形連續(xù)變形錨桿支護(hù)的本質(zhì)作用與關(guān)鍵參數(shù)對錨桿支護(hù)作用的新認(rèn)識錨桿預(yù)應(yīng)力及擴(kuò)散起關(guān)鍵作用：大幅

2、提高預(yù)應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散，可抑制圍巖不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形圍巖變形形式：不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形；連續(xù)、整體變形。錨桿主要對前者起作用一、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀 形成基于地質(zhì)力學(xué)測試、以錨固與注漿加固為核心的煤礦巷道支護(hù)成套技術(shù)。 高預(yù)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系列材料與構(gòu)件高預(yù)應(yīng)力施工機(jī)具與工巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試方法與儀器基于地質(zhì)力學(xué)測試的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系列材料與構(gòu)件破碎煤巖體系列注漿材料高預(yù)應(yīng)力施工機(jī)具與工藝巷道礦壓與安全監(jiān)測儀器123456一、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀高強(qiáng)度錨桿強(qiáng)力錨桿桿體高強(qiáng)度、高延伸率、高沖擊韌性錨桿。 牌號直徑/mm屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長率/%沖擊吸收功/

3、JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-160 一、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀小孔徑樹脂錨固錨索119結(jié)構(gòu)錨索及斷面公稱直徑/mm拉斷載荷/kN伸長率()/%18408720510722607728.69007119結(jié)構(gòu)，斷面更加合理拉斷載荷顯著提高，最大900kN 延伸率提高1倍一、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀 應(yīng)用情況高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)得到推廣應(yīng)用，小孔徑錨索支護(hù)加固技術(shù)大面積應(yīng)用；一些礦區(qū)達(dá)到90%，很多礦區(qū)達(dá)到70%；破碎煤巖體注漿加固；實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。但是，隨著開采深度增加，地質(zhì)條件的復(fù)雜化，采動(dòng)影響加劇，錨桿支護(hù)出現(xiàn)了一些問題。一、

4、煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀1、煤礦頂板事故近幾年來，頂板事故成為煤礦第一大事故；2012年煤礦死亡事故起數(shù)779起，死亡人數(shù)1384人，頂板事故起數(shù)366起，死亡人數(shù)459人，占47%、33.2%。掘進(jìn)工作面與巷道是頂板事故多發(fā)地點(diǎn)。二、錨桿支護(hù)存在的問題所有制事故起數(shù)死亡人數(shù)比例/%鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦25931370.8/68.2國有地方煤礦547514.7/16.3國有重點(diǎn)煤礦537114.5/15.52、頂板冒落原因與分類地質(zhì)原因煤巖體巖性煤巖體結(jié)構(gòu)應(yīng)力主導(dǎo)型支護(hù)原因支護(hù)設(shè)計(jì)不合理支護(hù)材料不合格施工質(zhì)量不合格二、錨桿支護(hù)存在的問題頂板垮落巷道支護(hù)效果差會(huì)導(dǎo)致：對于圍巖巷道變形大，斷面不能滿足生產(chǎn)要求；發(fā)

5、生冒頂、片幫，出現(xiàn)安全事故。對于支護(hù)體巷道大變形原巷道斷面現(xiàn)巷道斷面頂板下沉煤幫擠出1.5m支護(hù)體受力很小，隨圍巖一起位移；支護(hù)體破壞、失效。二、錨桿支護(hù)存在的問題巷道支護(hù)效果差的原因?qū)鷰r地質(zhì)條件及變化認(rèn)識不清；支護(hù)設(shè)計(jì)不合理；支護(hù)材料質(zhì)量不合格；施工質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求；礦壓監(jiān)測不及時(shí)，不能及早發(fā)現(xiàn)問題。二、錨桿支護(hù)存在的問題3、錨桿支護(hù)構(gòu)件錨桿桿體桿體破斷。原材料力學(xué)性能不滿足設(shè)計(jì)要求，屈服、拉斷強(qiáng)度低，沖擊吸收功小，延伸率低。桿尾螺紋破斷。螺紋精度、強(qiáng)度、尺寸不滿足要求，受力狀況差。螺紋、螺母拉脫。螺紋、螺母強(qiáng)度、尺寸不合要求。桿體剪斷。桿體抗剪能力不夠。二、錨桿支護(hù)存在的問題錨桿桿體破

6、斷部位有4個(gè)部位易破斷：2個(gè)在錨桿尾部；2個(gè)在中部。螺紋段與球墊接觸部位。桿尾與鉆孔口接觸部位。錨固與非錨固的交界面。桿體與結(jié)構(gòu)面相交部位。二、錨桿支護(hù)存在的問題錨桿支護(hù)構(gòu)件1234桿尾螺紋破斷 大部分從球形墊圈與托板之間彎曲破斷。二、錨桿支護(hù)存在的問題桿體破斷大部分從錨固與未錨段的分界面破斷二、錨桿支護(hù)存在的問題錨桿桿體破斷的原因井下錨桿與巷道表面不垂直，不是理想拉伸。桿體受拉、彎、剪與扭復(fù)合應(yīng)力。桿體承受過高彎矩及彎曲應(yīng)力易破斷。二、錨桿支護(hù)存在的問題受拉、彎、扭、剪切錨桿尾部屈服與破斷載荷/51015202530Fs/kN160.9109.982.965.954.145.3Fb/kN21

7、4.5146.6110.587.972.160.4若錨桿僅受拉伸，屈服與拉斷載荷294.5 kN、392.7 kN 錨桿破斷的受力原因尾部受力復(fù)雜二、錨桿支護(hù)存在的問題桿體受力狀態(tài)分析數(shù)值模擬 桿體拉剪組合等效應(yīng)力 桿體拉彎剪組合等效應(yīng)力 二、錨桿支護(hù)存在的問題桿體受力狀態(tài)分析數(shù)值模擬 桿體拉彎扭組合等效應(yīng)力 桿體拉彎剪扭組合等效應(yīng)力 二、錨桿支護(hù)存在的問題螺紋受力拉扭組合F=80kN，二、錨桿支護(hù)存在的問題螺紋受力拉扭彎組合 1510拉力=80kN、扭矩二、錨桿支護(hù)存在的問題螺紋受力拉扭彎剪組合同向異向二、錨桿支護(hù)存在的問題錨桿桿體破斷的原因托板與調(diào)心球墊尺寸不合理、加工粗糙、配合性差，球墊

8、不起調(diào)心作用。球墊卡住螺紋，施加很大側(cè)向力，引起螺紋受極大彎曲應(yīng)力是尾部斷裂主要原因。二、錨桿支護(hù)存在的問題 中部斷裂主要出現(xiàn)在錨固分界面，受力狀態(tài)復(fù)雜，彎、剪應(yīng)力大。錨桿桿體破斷的原因應(yīng)力腐蝕：潮濕空氣中的O與煤中的 S引起應(yīng)力腐蝕，且應(yīng)力腐蝕極易在裂紋表面產(chǎn)生。尾部螺紋斷口形態(tài) 尾部螺紋斷口宏觀形貌 尾部螺紋斷口A區(qū)低倍放大形貌 二、錨桿支護(hù)存在的問題桿體破斷原因材料與加工桿體材料缺陷。中心偏析，降低桿體塑性，滾制螺紋易產(chǎn)生裂紋；非金屬夾雜物多，尤其硅酸鹽含量高，晶粒也較大，嚴(yán)重降低材料機(jī)械性能，特別是沖擊韌性；一些鋼材強(qiáng)度和延伸率滿足要求，但沖擊韌性沖擊吸收功低，易脆斷。二、錨桿支護(hù)存在

9、的問題錨桿鋼的金相照片桿尾螺紋加工粗糙、存在缺陷，質(zhì)量差牙底裂紋與腐蝕螺紋段外觀 齒牙表面剝離二、錨桿支護(hù)存在的問題五、存在的問題托板托板破裂。原材料強(qiáng)度不夠，托板形狀和幾何尺寸不合理。托板變形過大。托板承載力與錨桿不匹配。托板材質(zhì)和尺寸不合理。托板和調(diào)心墊配合差，托板承受偏載和集中載荷破壞，調(diào)心墊破裂。托板破壞導(dǎo)致錨桿整體支護(hù)強(qiáng)度大大降低甚至喪失。二、錨桿支護(hù)存在的問題 托板受力 100100mm 150 150mm 200 200mm 不同尺寸托板擴(kuò)散預(yù)應(yīng)力效果 托板受力分布二、錨桿支護(hù)存在的問題 托板受力三點(diǎn)支撐托板變形與破壞形態(tài) 測力托板 托板剖面應(yīng)變與載荷的關(guān)系 托板拱部應(yīng)變與載荷的

10、關(guān)系 托板四角應(yīng)變與載荷的關(guān)系 二、錨桿支護(hù)存在的問題 托板受力托板應(yīng)力與載荷的關(guān)系 井下巷道錨桿測力托板布置圖 井下測力托板受力監(jiān)測曲線最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力最大剪應(yīng)力二、錨桿支護(hù)存在的問題錨固劑粘結(jié)力低，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；其它力學(xué)指標(biāo)(強(qiáng)度、彈模)達(dá)不到要求；三徑不匹配。二、錨桿支護(hù)存在的問題樹脂錨固劑原因：錨固劑原材料、配方存在問題；錨固劑已經(jīng)過期、失效；損壞的錨固劑。表面上已安設(shè)錨桿，實(shí)際不起作用或起作用小，肉眼很難看出，極易引起冒頂、片幫，出現(xiàn)傷亡事故。鋼帶鋼帶被撕裂。錨桿和托板壓穿鋼帶。鋼帶扭曲。原因：鋼帶材質(zhì)幾何尺寸和加工工藝不合理；鋼帶受力狀態(tài)差。錨桿失去組合作用，整體支護(hù)能力降低

11、，巷道變形加大，甚至出現(xiàn)垮落。二、錨桿支護(hù)存在的問題W鋼帶在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布 拉伸 彎曲（簡支） 彎曲（固支）跨中（固支） 多跨 剪切 鋼帶受力二、錨桿支護(hù)存在的問題測力鋼帶應(yīng)變片分布運(yùn)輸巷鋼帶受力監(jiān)測曲線 回風(fēng)巷鋼帶受力監(jiān)測曲線 鋼帶受力二、錨桿支護(hù)存在的問題金屬網(wǎng)網(wǎng)兜過大；網(wǎng)撕破，巖石冒落。網(wǎng)強(qiáng)度和延伸率不合要求，幾何參數(shù)不合理。過大網(wǎng)兜引起巷道變形量增大；網(wǎng)撕破引起破碎圍巖垮落，導(dǎo)致錨桿失效。二、錨桿支護(hù)存在的問題金屬網(wǎng)試驗(yàn)裝置鋼筋網(wǎng)破壞狀況菱形網(wǎng)破壞狀況 金屬網(wǎng)變形二、錨桿支護(hù)存在的問題錨索索體拉斷，部位中部、錨具接觸部分。錨具滑動(dòng)或脫落。錨具與托板壓穿槽鋼等構(gòu)件。索體強(qiáng)度不夠

12、，受錨具損傷。錨具質(zhì)量不合格，托板、槽鋼材質(zhì)與參數(shù)不合理、不匹配；錨索過長，預(yù)應(yīng)力不匹配；圍巖離層后再打錨索。二、錨桿支護(hù)存在的問題改善錨桿桿體材質(zhì)，提高沖擊韌性。提高錨桿桿體螺紋的加工質(zhì)量，減小加工損傷。開發(fā)研制與錨桿螺紋強(qiáng)度、硬度相匹配的螺母，優(yōu)化螺母材質(zhì)、形狀與尺寸，保證螺母符合技術(shù)要求。優(yōu)化錨桿托板與球形墊圈尺寸并提高加工質(zhì)量，改善桿尾受力狀態(tài)。采用合理的錨固方式改善錨桿受力狀況，充分發(fā)揮桿體的延伸率。三、解決途徑改善錨桿桿體材質(zhì)錨桿斷裂的重要原因是沖擊韌性差。從煉鋼開始重新研究鋼材配方與軋制工藝，顯著提高鋼材的沖擊韌性。煤炭科學(xué)研究總院與首鋼聯(lián)合開發(fā)出BHRB600鋼材。保持原來鋼材

13、力學(xué)指標(biāo)的同時(shí)，沖擊吸收功大幅提高。三、解決途徑試件編號抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa斷后延伸率/%沖擊吸收功/J20-178562523.545.220-279063525.550.822-180565022.034.322-280565022.042.622-380064521.039.5提高錨桿螺紋加工質(zhì)量螺紋加工粗糙。引進(jìn)或研制高精度螺紋加工設(shè)備與工藝，減少加工缺陷與損傷，提高加工質(zhì)量。三、解決途徑采用美國滾絲機(jī)加工螺紋。螺紋表面光潔平滑，加工質(zhì)量與精度得到很大提高。還應(yīng)研制與錨桿螺紋相匹配的螺母，優(yōu)化材質(zhì)、形狀與尺寸。優(yōu)化托板與球形墊圈尺寸為解決托板與球墊尺寸不合理、配合性差，球墊

14、自鎖，不起調(diào)心作用，應(yīng)重新設(shè)計(jì)托板與球墊形狀與尺寸，使錨桿主要承受拉力，盡量減小其他方向的力。還應(yīng)提高托板與球墊加工精度，提高強(qiáng)度，減少托板與球墊之間的摩擦力。三、解決途徑開發(fā)新型錨桿托板與墊圈托板與球墊球面配合，回轉(zhuǎn)中心位于鋼帶與托板接觸面之外。托板一端平面與鋼帶接觸，另一端球面與球墊窩配合。球墊另一端平面與螺母接觸，錨桿處最佳受力狀態(tài)。三、解決途徑改變錨桿預(yù)應(yīng)力施加方法擰緊螺母施加預(yù)應(yīng)力。托板或墊圈卡住桿體，較大彎曲應(yīng)力。桿體還受扭轉(zhuǎn)，易破斷。類似張拉錨索張拉錨桿：桿尾取消螺紋，錨具鎖緊尾部；尾部加工螺紋，先張拉至設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力，然后再擰緊螺母。三、解決途徑采用合理的錨固方式改善錨桿受力狀況端

15、錨與加長錨，受力最復(fù)雜、最易斷裂的兩個(gè)部位：鉆孔口錨桿桿尾，鉆孔內(nèi)錨固與非錨固界面。全長錨固：鉆孔口錨桿桿尾受力較小，大大降低桿尾斷裂可能性；鉆孔內(nèi)不存在錨固與非錨固界面。新的錨固方式全長預(yù)應(yīng)力錨固兼有端錨、全錨優(yōu)點(diǎn)。改善孔口桿尾受力狀態(tài)，消除錨固與非錨固界面，大大降低錨桿斷裂的可能性。三、解決途徑大變形巷道有效的錨桿支護(hù)方式高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力、大延伸率、高沖擊韌性錨桿，并進(jìn)行全長預(yù)應(yīng)力錨固。全長錨固杜絕鉆孔內(nèi)瓦斯積聚，避免工作面回采過程中，端頭支架與錨桿、錨索頭碰撞、摩擦，引燃鉆孔內(nèi)瓦斯，導(dǎo)致瓦斯事故。三、解決途徑 上述解決錨桿破斷的技術(shù)途徑在潞安、新汶等礦區(qū)得到應(yīng)用。采用高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿；重新設(shè)計(jì)了托板與球墊尺寸，減小了球墊厚度，增加了球面接觸夾角；采用全長預(yù)應(yīng)力錨固方式。不僅大幅減少了錨桿破斷數(shù)量，而且顯著提高了巷道支護(hù)效果。四、應(yīng)用實(shí)例 巷道地質(zhì)條件潞安常村礦S6采區(qū)五條上山。直接頂砂質(zhì)泥巖，2#回風(fēng)上山寬5m，高。1#回風(fēng)上山先掘進(jìn)，采用原錨桿支護(hù)，離層100mm，兩幫移近600mm，圍巖蠕變，不能穩(wěn)定。10%錨桿錨索破斷，增