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1、锚杆支护理论与工程实践主 要 内 容,1 锚杆支护发展 2 锚杆支护理论 3 锚杆支护体系 4 锚杆支护巷道冒顶调查分析 5 设计方法 6施工 7 监测,2,1995年时国内外状况,澳、美、英锚杆支护比重已达90%以上，德、俄、波正在大力发展，比重在50%以上；我国为15.15%（低水平）。,1 锚杆支护发展,3,世界上最早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。 美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪30年代初，1943年开始有计划有系统地使用锚杆。 1947年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到2年的时间内，锚杆在采矿工业中得到普及。,国外,美
2、国,4,60年代末发明树脂锚固剂，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。 在70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%。,5,美国锚杆技术精髓 “两高一大”,高强度 高预拉力 大排间距,支护领域的专业化、产业化。 锚杆设计、制造、服务一体化。 锚杆等支护产品精细加工，而非材料消耗、废品利用 支护手段多样化、多系列，以适应各种不同的条件。 高新技术用于锚杆设计。,美国的成功经验,6,1952年大规模使用机械式端部锚固锚杆（楔缝式、倒楔式、涨壳式），锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差。但最终证明
3、英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆。 到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。 1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。,英国,7,主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。 其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统的设计方法。,澳大利亚,8,自1932年发明型钢支架以来，主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上。 自80年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维
4、护日益困难，开始使用锚杆支护。 80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。,德国,9,采用高强度、超高强度材料制造锚杆，加工精细，将锚杆作为产品、实现了产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的系列化产品。 形成一整套比较科学的设计方法，以巷道围岩地质力学评估及井下实测数据为基础，强调最大水平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用。,国外锚杆支护的发展现状成功经验,10,采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥视仪、顶板离层指示仪、围岩深部多点位移计、测力锚杆等监测仪器。 坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支护技术体系。 有比较可靠的配套机具，采用掘锚
5、一体化联合掘进机或性能良好的单体锚杆钻机，满足施工要求，并能实现快速掘进。,11,国内支护发展,2个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。（之前机械锚固、钢丝绳砂浆锚杆以及开发研制的快硬水泥锚杆；之后高强度树脂锚固锚杆） 锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固方式、监测技术等均发生了变化。 美国、澳大利亚接近100%，英国80%，美国锚杆支护为巷道顶板的唯一支护方式。 我国1995年时约15.15%，目前约50%。,12,锚杆支护使用范围,、类全面推广，、类得到推广应用 综放沿空掘巷锚杆支护 软弱、破碎煤巷锚杆支护 三软煤巷锚杆
6、支护 深井煤巷锚杆支护,13,锚杆支护效果 锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在： 属于主动支护 将巷道围岩变成承载体 对巷道不规则断面适应性强 巷道围岩变形量显著减小，安全生产得到保证，大幅度减少 了冒顶、瓦斯、火灾事故 简化巷道布置，减少岩石工程 实现沿空掘巷，提高煤炭资源采出率，延长矿井寿命 锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是我国煤炭行业继综合机械化之后的第二次支护技术革命,14,拱型可缩性支架破坏,木支架严重损坏,支架破坏实况,架棚巷道变形和支架损坏情况,15,沿空掘巷维护状况,16,锚杆支护巷道维护状况,17,2 锚杆支护理论,18,（1）悬吊理论 机理：将巷道顶板较软弱
7、岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、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。,19,（1）悬吊理论 适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层,20,（2）组合梁理论,机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，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。将几层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；在顶板较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。,适用条件： 层状地
8、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。,21,（3）组合拱理论,机理：在破碎区安装预应力锚杆时，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，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，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,22,（4）最大水平应力理论,机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，
9、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。,23,（4）最大水平应力理论,24,围岩与支护强度的关系,随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度提高，围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。,（5）锚杆支护围岩强度强化理论,25,（5）锚杆支护强度强化理论,锚杆与围岩相互作用，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值强度和残余强度，特别是残余强度的提高，有效提高围岩的自承能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。,26,锚固体C、C*、* 随锚杆支护强度t的
10、增加而提高。,不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、 值,不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、* 值,27,图 锚固体应力应变曲线图 注：曲线上数字为锚杆支护强度t（MPa）,锚固体强度随锚杆支护强度t 的提高而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。,锚固体 1、1*的表达式：,式中： 1 锚固体极限强度，MPa， 1*锚固体残余强度，MPa。 t 锚杆支护强度，MPa 提高支护强度t ，可使C、C*、* 提高；它们的提高，使1、1*显著增强。,发展高（超高）强度锚杆，提高支护强度t 、围岩更加稳定。,3 锚杆支护体系,29,3.1 锚杆的结构类型,1）钢筋或钢丝绳砂浆锚杆 钢筋砂浆锚杆 钢
11、丝绳砂浆锚杆 钢筋或钢丝绳砂浆锚杆 是全长锚固型锚杆。设计 锚固为为3050KN。,30,2）全属倒楔式锚杆 由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成，属端头锚固型，安装后可立即承载，可回收。锚固力达40kN左右。常用于围岩比较破碎，需要立即承载的地下工程。,31,3） 楔缝式锚杆,楔缝式锚杆结构 1-杆体 2-楔缝 3-丝扣 4-楔子 5-垫板 6-螺母,32,4） 胀壳式锚杆,胀壳式锚杆：靠锥形螺帽前移迫使胀壳向左右张开、楔嵌入孔壁。锚杆结构较复杂，对围岩能及时支护。锚固力一般为50100kN。可回收。,33,5 ）两瓣涨圈式锚杆,34,用树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下，将锚杆 的
12、头部粘结在锚杆孔内。端头锚固型树脂锚杆是由树脂药包 和杆体组成。,6）树脂锚杆,35,7 ）注浆锚杆,36,快硬水泥锚杆的杆体结构与树脂锚杆相同，是端头锚固 型锚杆。,8）快硬膨胀水泥锚杆,37,管缝式锚杆是采用高强度钢板卷压成带纵缝的管状杆体外径38.1，用凿岩机强行压入比杆径小23mm的锚孔，为安装方便，打入端略呈锥形。由于管壁弹性恢复力挤压孔壁而产生锚固力，属全长锚固型锚杆。 对地层横向错动，有良好适应能力，钻孔变弯曲，锚固得更牢。,9）管缝式锚杆,38,结构可伸缩式锚杆。这种锚杆是对杆件、内锚头、外锚头及托板等构件采用特殊结构实现可伸缩的目的。,10）可伸缩式锚杆,39,（2）杆体可伸
13、缩锚杆 用优质钢材，并对材料进行专门加工处理，可制成 较大延伸率的锚杆杆体。,40,11）其它锚杆 水力膨胀式锚杆 胀裂式速效预应力锚杆 玻璃钢锚杆 中空自钻式锚杆,41,玻璃钢锚杆,水力膨胀锚杆,将无缝钢管轧制成双层异形杆体，然后注入压力2530MPa的高压力水，使异形钢管锚杆膨胀变形，紧紧地镶嵌在锚孔的岩壁上。,3.2 目前我国锚杆支护体系及要求 （1）锚杆 高强度、大直径。破断载荷一般在200 300kN以上，近年应用破断载荷400kN以上的锚杆。 延伸率均大于15% 锚杆直径2022mm 稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道可以采用Q235圆钢制造。,43,采用左旋、无纵筋高强度螺
14、纹钢锚杆，等强（锚杆尾部螺纹部分采用墩粗或热处理、滚丝） 锚杆成套：杆体、托盘（钢板轧制，厚度根据矿压确定）、球形垫圈（铸钢）、减摩垫圈（1个聚氨酯、1个铝合金）、螺母（高强度、快速安装螺帽）,44,（2）锚固剂及锚固方式 锚固剂：树脂药卷，一般采用凝结速度为超快与中速的树脂药卷配合。,45,锚固方式 全长锚固：锚杆中部受力最大；增阻速度快。具有较大的抗剪切能力。增加岩层间的法向力，阻止层间错动，防止离层。在锚固范围内锚杆伸长1mm，可产生1020kN的锚固力，支护刚度大。 端头锚固：类。全长或加长锚固：类,约束围岩的径向膨胀和横向剪切,46,使用药卷长度一般CK2335、Z2360mm，复合
15、顶板一般采用双速2360和Z2360。,47,（3）三径匹配 钻孔直径比锚杆直径大610mm 钻孔直径比树脂药卷大6mm左右 一般钻孔直径29mm，锚杆直径20、22mm，树脂药卷直径23mm。,锚固力与钻孔直径、锚杆直径的关系,48,（4）网及钢带 网：采用金属网、塑料网。严禁将最前排锚杆螺帽松开或等待后压网。 钢带：钢筋梯子梁、M型钢带、W型钢带等。要求钢筋梯子梁采用高强度焊条焊接，防止开焊。钢带的厚度或钢筋直径根据矿压确定。,49,（5）施工机具 机载锚杆钻机 钻机 顶板：风动锚杆钻机、液压钻机、凿岩机 两帮：强力煤电钻、帮锚杆钻机 钻头：合金钢钻头、金刚石钻头 钻杆：B19、B22六方
16、中空合金钢钻杆 安装器：顶板锚杆采用锚杆钻机，帮锚杆采用风炮 联接器：快速联接器,联接器,快速安装螺母,50,（5）施工机具 顶板钻机：风动锚杆钻机、液压钻机、凿岩机 两帮钻机：强力煤电钻、帮锚杆钻机,当f8，优先选用锚杆机；当f 8时，宜选用凿岩机。 锚杆安装：应采用锚杆机，严禁采用凿岩机。,51,钻头：合金钢钻头、金刚石钻头,在f6时，使用两种钻头钻速基本一致，而普通型钻头消耗费用低，因此应优先选用普通型钻头；在6f 8时，使用金刚石钻头的钻速提高4倍以上，而且费用接近，因此应优先选用金刚石钻头。,52,（6）小孔径预应力锚索加强支护 是一种主动加强支护 以锚杆支护为主，以锚索为辅 树脂锚固端加粗，钻孔与锚索直径不匹配 锚固在稳定煤岩层中均可以 高应力巷道可以采用直径18mm的锚索,53,（7）桁架支护 桁架改变顶板的应力状态，拉应力将减小，甚至出现压应力；预紧力增加裂隙体间的摩擦作用，提高顶板稳定性；提高顶板两肩窝的抗剪切能力，防止剪切冒落。,54,单式双拉杆桁架锚杆 1锚头；2锚杆；3托架；4水平拉杆,5
