锚杆支护理论与技术及常见问题.

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1、1 锚杆支护理论与技术 及常见问题 2.煤巷锚杆支护技术的沿革 我国煤巷锚杆支护技术的发展过程 （1）起步阶段（80年代中后期） （2）攻关阶段（19911995年） （3）引进和消化阶段（19961997年） （4）推广和提高阶段（1998年至今） 2.煤巷锚杆支护技术的沿革 起步阶段 主要进行一些基础性的研究和试验 锚杆支护理论、锚杆支护材料、施工机 具与岩石巷道相同 没有合理的监测仪器 煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几 个矿区 ,如徐州、新汶、淮南、西山等 。 2.煤巷锚杆支护技术的沿革 攻关阶段 煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点 项目进行攻关 ,取得了一大批科研成果： n出

2、现了中性点等新理论 n锚杆型式多样化 n液压和电动钻机相继研究成功 锚杆支护应用范围明显扩大。 n大断面开切眼 n向围岩稳定性差的回采巷道发展 2.煤巷锚杆支护技术的沿革 引进和消化阶段 引进国外技术 ,推动我国煤巷锚杆支护技术的 发展和提高 在引进、吸收和消化的基础上 ,结合我国具体 情况 ,集中现场、科研院所及大专院校等多方 面的优势 ,经过两年大规模研究和试验 ,初步 形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套 技术 2.煤巷锚杆支护技术的沿革 推广和提高阶段 国内各大矿区广泛推广应用 ,取得了显著的技 术经济效益 煤巷锚杆支护的比例已达到 30%以上 ,少数矿 区已超过 80 % 7 煤

3、巷锚杆支护作用机理 从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”支护，可以充 分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳定性，将 载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下，锚杆支 护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。 从技术经济上对比，锚杆支护可以节约大量钢材，减 少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业 环境； 保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工 作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件； 锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降 低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。 8 （1） 悬吊理论 机理：将巷道顶板较软 弱岩层悬吊在上部稳定 岩层上，以避免较软弱 岩层的破坏、

4、失稳和塌 落，锚杆所受的拉力来 自被悬吊的岩层重量。 缺点：没有考虑围岩的 自承能力，而且将被锚 固体与原岩体分开。 适用条件： 锚杆可以锚固到顶板坚硬 稳定岩层 9 （2） 组合梁理论 机理：将锚固范围内的岩层挤紧 ，增加各岩层间的摩擦力，防止岩 石沿层面滑动，避免各岩层出现离 层现象，提高其自撑能力。 将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩 层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁 ）。在上覆岩层载荷的作用下，这 种组合厚岩层内的最大弯曲应变和 应力都将大大减小，组合梁的挠度 亦减小。 缺点：将锚杆作用与围岩的自稳 作用分开；随着围岩条件的变化， 在顶板较破碎、连续性受到破坏时 ，组合梁也就不存在了。 适用

5、条件： 层状地层 顶板在相当距离内不存在 稳定岩层，悬吊作用处于次 要地位。 10 （3） 组合拱（压缩拱）理论 机理：在破裂区中安装预应力锚 杆时，在杆体两端将形成圆锥形分 布的压应力，如果沿巷道周边布置 锚杆群，只要铺杆间距足够小，各 个错杆形成的压应力圆锥体将相互 交错，就能在岩体中形成一个均匀 的压缩带，即承压拱，这个承压拱 可以承受其上部破碎岩石施加的径 向荷载。在承压拱内的岩石径向及 切向均受压，处于三向应力状态， 其围岩强度得到提高，支撑能力也 相应加大。 缺点：一般不能作为准确的定量 设计。 适用条件： 顶板无稳定岩层 11 （4） 最大水平应力理论 机理：矿井岩层的水平应力

6、通常大于垂直应力，水平应 力具有明显的方向性。在最 大水平应力作用下，顶底板 岩层易于发生剪切破坏，出 现错动与松动而膨胀造成围 岩变形，锚杆的作用即是约 束其沿轴向岩层膨胀和垂直 于轴向的岩层剪切错动。 缺点：直观性较差。 12 一、金属锚杆类型 机械式锚杆 管缝式锚杆 粘结式锚杆 13 （1）机械式锚杆 机械式锚杆是使用最早、结构多样、数量较大的锚杆 主要类型。机械式锚杆的锚固机构本身是一个统一体 ，在安装锚杆时，锚固机构主要通过一个楔子系统在 钻孔中进行轴向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上。 锚固机构通过摩擦连接将锚固力大多传递给岩层。机 械式锚杆在安装时，大多都产生预紧力。有时，甚至 锚

7、固机构必须直接依靠预紧力来固定。 机械式锚杆的优点是，安装迅速，可即时达到承载力 ，可二次张紧，某些结构的锚杆还可以回收。其缺点 是，钻孔中的锚固段较短，在高应力区容易导致岩层 破坏和锚固区松动；因此，它主要用于强度较高的岩 层。 14 （2）管缝式锚杆 管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢板 卷成。沿管全长有一条开缝，管的上端是锥体，在管 的下端焊有一个用钢筋制成的圆环。杆体壁厚为2-4mm 、直径多为35-45mm（要求比钻孔直径大2-5mm），长 度可据需要加工，一般为1.60-2.0M；开缝宽度一般10 -15mm为宜。当杆体被外力强压入钻孔后，开缝管被迫 压缩，与孔壁之间产生

8、径向挤压应力，使杆体牢固的 胀撑在钻孔内；杆体与孔壁间的摩擦力，便成为锚固 力，并且是沿杆体全长分布的。 管缝式锚杆具有锚固可靠、安装方便且易于实现机械 化操作；即可实现全长锚固、又有较大预应力和滑移 让压特性。 15 （3）粘结式锚杆 粘结式锚杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结剂注 入钻孔内，凝固后可将杆体粘固在钻孔中。锚杆锚固 力向岩层的传递，主要是通过粘结的形式，而不是向 钻孔壁通过机械或摩擦胀固等施加的挤压力。 粘结式锚杆的优点是，它能在较深的钻孔中显示出很 好的粘着力，而且可以不可压缩的传递很大的力。由 于它在锚固岩层时，并不产生特别的接触压力，所以 对岩层强度无特殊要求，从而也可在

9、松散岩层中成功 的使用。 16 高强锚杆 锚杆的结构主要由螺纹钢杆体、穹 形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母 、托盘和树脂药卷等组成。 17 国外高强锚杆 高强（s=340360Mpa），超高强 s600 Mpa 延伸率 1727% 澳大利亚研究的高强度锚杆，杆 体（直径）的破断力达； 直径的超高强度锚杆，其杆体的 破断力达。 美国制造锚杆的钢材屈服强度为a 。 而英国制造锚杆的钢材的屈服强度可达 a。 18 二、锚固剂 我国煤矿中主要使用的锚固剂是树脂和 快硬水泥两种类型。 这两种类型的锚固剂在如下几个方面的 性能具有十分显著的差别 19 树脂锚固剂 20 (1)固化时间 超快型树脂锚固剂的凝胶

10、(初凝)时间为 0.5-1.0钟，快硬水泥锚固剂的凝胶(初 凝)时间为3-5分钟。 这就意味着使用树脂锚固剂更能及时地 支护围岩，保证顶板安全和稳定。 21 (2)不同时期的抗压强度 超快型树脂锚固剂在锚杆安装5分钟后强度就可达到 21MPa，相当其最终强度的30%左右;半小时后的强度大 于35MPa。各种类型树脂锚固剂在1天后的强度便可超 过60MPa，达到最终强度的80%以上。 快硬水泥锚固剂的早期强度则很低，锚杆安装5分钟时 强度几乎为零;半小时后的强度为4.3-4.6MPa，一小时 后的强度也仅为8-10MPa；7天以后抗压强度仅可达到 树脂锚固剂强度的一半左右。 树脂锚固剂的强度性能

11、比快硬水泥好得多，尤其是在 早期强度方面树脂锚固剂有更大的优越性。 22 (3)锚固力 树脂锚固和水泥锚固相比最大的优点是锚固力 大。根据邢台矿务局葛权、东庞，邢台等矿煤 巷数百根锚杆拉拔力试验对比分析，树脂锚杆 的拉拔力一般比使用水泥锚固剂大2.7-4.2倍 。 使用CK型树脂锚固剂时，15-25分钟时的锚固 力就是用水泥药卷1天后的锚固力的2.7倍左右 ，这对于及时加固围岩具有重要意义。 23 (4)可靠性 使用树脂锚固剂时锚杆一般使用机具安装，安 装质量容易保证，所以每根树脂锚杆的锚固力 通常都能达到设计能力。 使用快硬水泥锚固剂的锚杆安装都是手工作业 ，许多工序(例如浸水时间、捣固药卷

12、等)的施 工质量不好控制，很难保证锚杆安装质量。根 据实测结果，水泥药卷锚固时各根锚杆的锚固 力相差很大，达不到设计锚固力的锚杆往往占 较大比例。 24 三、托梁及护网 25 托梁 钢带主要使用在顶板。 在巷道两帮煤体较破碎、松软时可使用钢筋梯 子梁护帮。 钢筋梯子梁也使用在顶板。 26 护网 网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的 岩石，防止小岩块掉落，同时对提高锚 杆支护的整体效果也有一定的作用。 网可分为金属网和非金属网。 27 钢（铁）丝网 一般采用-的钢（铁）丝编织而成。 根据网孔形状和结构的不同，可分为经纬网和 菱形网，经纬网孔的尺寸为 -。而菱形网孔的尺 寸为 - 。 由于菱形网具有

13、柔性好、强度高、孔形不变、 连接方便等优点，现在逐步取代了经纬网。 28 钢筋网 由钢筋焊接而成的大网格金属网，它由受力筋 和分布筋构成。 钢筋网横向筋一般为受力筋，直径左 右，纵向筋一般为左右。网格 左右。 这种网强度和刚度都比较大，不仅能够阻止松 动岩块掉落，而且可以有效地增加锚杆支护的 整体效果，适用于大变形、高地应力巷道。 29 塑料、聚脂网 塑料网的优点是成本低、轻便、抗腐蚀 等，但其强度和刚度较低。 聚脂网具有强度大、重量轻、刚度好等 诸多优点。但由于价格较高，还没有广 泛使用。 30 四、锚杆钻机、钻头钻杆 从动力区分有风动、电动、液压三种。 从破岩方式区分有旋转、冲击两种。 为

14、了实现树脂锚杆的快速安装，保证有 较大的扭矩，一般采用旋转式锚杆钻机 。 31 液压锚杆钻机 钻孔应特别注意在开孔时钻机的推力要小 ，正常钻进时保持推力与钻进速度相匹配 ，防止钻杆弯曲及造成孔壁不光滑而影响 锚杆的安装。 在更换钻杆时不要挪动锚杆钻机，以免第 二根钻杆不能沿第一根钻杆原有的轴线进 行钻进，使钻孔不能保持直线，给锚杆安 装带来困难。 安装锚杆时，也不要挪动锚杆钻机，以免 锚杆不能沿钻孔的轴线前进，使锚杆与钻 孔的摩擦阻力过大，安装困难。 32 风动锚杆钻机 33 钻头钻杆 钻头一般使用-。 钻杆使用19或六方钻杆，其长度根据 设计孔深选择。 当锚杆长度大于时，因单体锚杆钻机最低高

15、度在 .左右，而巷道高度大多小于，不能用一根 钻杆一次成孔，需换钻杆； 即使巷道高度满足一次成孔高度要求，因过长的钻杆 露在孔外易产生弯曲变形，在钻机推力大而钻进速度 慢的情况下易出现钻杆折断、伤人事故，所以钻时先 用短钻杆再换长钻杆。 34 五、快速安装器 35 开槽销钉式快速安装器的安装过程 钻孔至设计深度； 将树脂药卷轻轻送入钻孔内，一般使用超快或快速 和中速两种凝结速度的树脂药卷，超快或快速的药卷 放在孔底，中速的药卷放在孔的外段； 用组装好的锚杆将药卷轻轻送人孔底并与钻机联结 ； 开动锚杆钻机边推进边搅拌，直到将锚杆送人孔底 ，时间大约-； 等待树脂药卷固化，大约-； 开动钻机将剪切销剪断后，用钻机上紧螺母； 关闭旋转及气腿开关，放下钻机。 36 六、小孔径预应力锚索加强支护 预应力锚索主要材料为：钢绞线、锁具、锚固剂。 由于它锚固深度大，将下部不稳定岩层锚固在上部 稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力，主动 支护围岩，因而是支护技术中一种可靠有效的手段 。 在大断面、地质构造破坏地段、顶板软弱且较厚、 高地应力、综放巷道等困难、复杂的巷道中， 37 注水泥浆及树脂胶泥锚固 注水泥浆及树脂胶泥锚固，需一套小型注浆泵 ，施工工艺相对采用普通树脂药卷锚固要复杂 ，尤其采用注水泥浆，需养护较长时间才能安 装锚具、张