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1、矿山井巷支护之锚杆支护的原理与常用锚杆介绍锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体。采用锚杆支护巷道，就是当巷 道掘进后向围岩中钻眼，然后将锚杆安设在锚杆眼内，对巷道围岩进行人 工加固。锚杆具有很多优点：节约坑木和钢材，降低支护成本，掘进断面小， 巷道的变形小，维修费用低，工作安全，轻便，可以减轻体力劳动，减小 通风阻力，有利于一次成巷施工和加快掘进速度，使用范围广，适应性强， 减少运输量，有利于矿井的运输和提升。但是锚杆不能预防围岩风化，不 能完全防止锚杆与锚杆之间裂隙岩石的剥落，因此，锚杆配合其他支护措 施，如与金属网、喷浆或喷射混凝土等联合使用，会取得更好的支护效果。 锚杆支护原理(1) 悬吊作
2、用：锚杆将软弱岩层吊挂在上面坚固稳定的岩层上，防止离 层脱落。煤层巷道的直接顶板一般比较软弱且较薄，容易离层冒落，它上 面的老顶则比较坚固。锚杆可以通过直接顶板达到老顶，把直接顶锚固在 老顶上。(2) 组合梁作用：在层状岩层的巷道顶板中，通过锚人一系列的锚杆， 将锚杆长度以内的薄层岩石锚成岩石组合梁，从而提高其承载能力。在相 同的荷载作用下，组合梁比未组合板梁的挠度和内应力大为减小。r板梁和组合梁挠度与内应力对比示意图 荷载；十一拉应力；一一压应力(3) 围岩补强作用：巷道深部围岩中的岩石处于三轴受压状态，而靠近 巷道周边的岩石则处于二轴受力状态，强度小于前者，故易于破坏而丧失 稳定性。巷道围
3、岩被锚杆锚固后，表层岩石部分地恢复了三轴受力状态， 增大了它本身的强度，另外，锚杆还可以增加岩层弱面的剪断阻力，使巷 道周边围岩不易破坏和失稳，这就叫作围岩补强作用。(4) 挤压联结作用：锚杆将巷道围岩挤紧，对岩石施加预应力，阻止裂 隙的继续扩大，而且，对于松散岩石也能起到挤压联结和加固作用。国外 做过一个简单而有趣的试验：用一个长方形木箱，里面填紧小碎石，并用 模拟的锚杆将它们锚固起来，锚杆拧紧以后，将木箱翻转，其中充填的小 碎石竟倒不出来。通过锚杆的预应力作用，可以在彼此毫无粘结力的碎石 之间产生一种侧向挤压摩擦阻力，足以支持碎石自身的重量而不会掉下来， 好像碎石间互相联结起来一样。锚杆锚
4、固碎石实验(5) 挤压加固拱作用：将上述试验继续做下去，用锚杆锚拴起来的小 碎石，不仅它们挤压联结在一起足以支持自身的重量，而且，它还可以作 为一种承载结构，支持额外的荷重。通过加载试验，发现加载的锚固碎石 构件在锚杆垫板之间会出现一个拉应力区，致使该区内的小碎石松散而脱 落下来，并形成了穹窿。当荷载增大时，这穹窿将扩大而导致承载结构的 崩塌解体。为防止这一情况，在锚杆垫板下张挂细铁丝网便大大提高了锚 杆的支护能力，当荷载加到相当大日寸(反复加载)，破坏是以铁丝网被 剪断而开始的。以上试验说明，松散碎石在预应力作用下围绕每根锚杆形 成一个两头带圆锥形的简形挤压区或压缩应力区，在系统排列的锚杆群
5、中， 这些挤压区便组成了一个具有相当宽厚的均匀压缩加固带，它相当于一种 承载结构而支承相当大的荷载。巷道周围安装成组排列和径向布置的锚杆 后，便在围岩的一定厚度范围内形成了一个拱形压缩带或挤压加固拱，它 使巷道围岩由原来是支架上的“荷载”变成了 “承载”结构。拱形压缩带 的厚度与锚杆的长度、间距有关。巷道锚杆形成拱形压缩带示意图以上所述锚杆的五种作用，通常不是单独存在，而是互相联系、互相 补充、共同作用的。锚杆的类型多种多样：按锚固原理来分，有端头锚固、全长锚固和两 者并用型；按锚杆组成材料来分，有金属锚杆、木锚杆、钢筋或钢丝绳砂 浆锚杆和树脂锚杆等。下面介绍几种常用锚杆。(1)金属锚杆金属楔
6、缝式锚杆。由杆体、楔子、垫板和螺帽组成。杆体常用直径18-22mm 的3号钢制作，其上端加工成宽2-5mm、长150-200mm的纵向楔缝，杆体 下端100-150mm长的范围内加工成螺纹。楔子用软钢或铸铁制造。垫板多 用厚6一lOmm的钢板制成，其规格为150mmX 150mm或200mmX 200mmo金属楔健式锚杆1楔子;2杆休;3垫板;4螺帽Iq.til安装时，先把楔子央在楔缝中，轻轻插入预先钻好的锚杆眼眼底，在 杆体下端加保护套筒或拧上保护螺纹的螺母，然后对杆体不断锤击，楔子 挤入楔缝，从而迫使杆体的锚入端张开而挤紧眼底孔壁，最后取下保护套 筒，安上垫板，拧紧螺帽。这种锚杆结构简单，
7、加工容易，在硬岩中锚固 力较大，一般可达lOOkN或以上。但它对钻孔的精确性要求严格，杆体直 径较大，钢材用量较多，在软岩中它的锚固力不足，不宜采用。金属倒楔式锚杆。它的锚入端有一个大头朝向孔底的铸铁固定楔，固定 楔与圆钢杆体浇注在一起，另外配有一个铸铁活动倒楔，杆体的另一端加 工成螺纹。金属倒楔式锚杆I 一固定楔;2活动倒楔；3杆体；4地板:5螺帽 . 安装时，先把倒楔绑在固定楔的下部，慢慢送人锚杆眼内，并使楔底距眼 底一定距离，然后用一根专用的锤击杆，顶在倒楔的尾端，再用凿岩机进 行锤击，就可将锚杆锚固在岩层中，最后装上垫板拧紧螺帽即成。这种锚杆除了结构简单制造容易外，它比楔缝式锚杆的杆体
8、直径小，一般 为12-16mm，可节省钢材，对钻孔深度的要求不太严格，而且巷道报废时 能够回收，一般锚固力在50kN以上，因此这种锚杆在我国应用较多。(2)树脂锚杆树脂锚杆以合成树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下固化，从而将 锚杆体与岩石牢固地粘结成为一个坚固的整体。树脂锚杆的最大特点是固化时间快，能在几分钟到几小时内获得很高的初 锚力，能够迅速有效地控制围岩变形。我国研制成功的树脂锚杆是一种药 包式端头锚固的锚杆，由树脂药包和锚杆杆体组成。 树脂药包结构。药包有Q 23mmX 50mm和Q 23mmX 35mm两种规格，由内药 包和外药包组成。内药包为Q 8mm-Q 12mm的玻璃小管，
9、内装固化剂与少 量填料；外药包为聚乙烯薄膜塑料袋或玻璃管，内装不饱和聚酯树脂、加 速剂及填料(瓷粉或石英粉)。 杆体。有钢、木杆体两种，钢杆体见，它是由6mm-8mm的普通圆钢加工 而成。杆体长1.5- 2.5m，插入孔底的一端做成反麻花状。杆体的外露端 与其他金属锚杆一样加工成螺纹，并用垫板和螺帽紧固。安装时，用锚杆 体将树脂药包送到眼底，以煤电钻为动力，通过特制的连接头带动杆体转 动，将药包捣破并搅拌30s左右，使化学药剂混合，发生化学反应，树脂 便由液态聚合转化为固态，将岩石和锚杆体胶结固化在一起。然后安上托 板，拧紧螺帽。树脂锚杆的凝固时间为3- 5min，lOmin后即可承载，一小时的锚固力达70-100kN,充分显示了树脂锚杆良好的物理力学性能。浦脂锚杆的树脂药包结构图I 一树脂2一固化剂;3玻璃小管一聚乙烯薄膜塑料袋;5上旋麻花部分;6挡圈
