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锚杆支护（包括：锚喷、锚网、锚索等支护方式）主讲人：张学舟主要内容一、锚杆支护的原理二、锚杆支护设计依据、要点三、锚索支护设计依据、要点四、锚喷、锚网和锚索支护概述五、《煤矿安全规程》关于锚杆支护的有关规定一、锚杆支护的原理从支护机理上看，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。（一）、锚杆支护作用机理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、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。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。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，只要锚杆间距足够小，各个锚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。1．圆钢锚杆（二）、锚杆的结构类型2．螺纹钢锚杆右旋全螺纹等强锚杆3.玻璃钢锚杆（1）一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次支护，以及维护巷道。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，就回采巷道而言，要实现采煤工作面的快速推进，服务于回采的巷道应在使用期限内保持稳定，基本不需要维修；对于大巷和硐室等永久工程，更需要保持长期稳定，不能经常维修。另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。（三）、锚杆支护形式与参数选择原则（2）高预紧力和预紧力扩散原则。预紧力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预紧力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。通过托板、钢带等构件实现锚杆预紧力的扩散，扩大预紧力的作用范围，提高锚固体的整体刚度，保持其完整性。（3）“三高一低”原则。即高强度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预紧力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。（4）临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。（5）相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。（6）可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。（7）在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。二、锚杆支护设计依据和要点按悬吊理论确定支护参数1）锚杆长度锚杆长度的计算公式为：L=L1+L2+L31、锚杆支护参数确定式中：L1为锚杆外露长度，一般L1=0.1～0.15m。对于端头锚固型锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.03～0.05）m；对于全长锚固锚杆，还要加上穹形球体的厚度。L2为锚杆有效长度。L3为锚杆锚固段长度，一般端锚L3=0.3～0.4m，由拉拔实验确定；当围岩松软时还要加大。对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度则为L2+L3。2222123LRRRL有效长度L2，有以下几种确定方法：①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L2应大于或等于它们的厚度。②一般还可按L2=KH进行计算，H为软弱岩层厚度（或冒落拱厚度），m；K为考虑软弱岩层变化的安全系数，一般取1.5～2。软弱岩层H的确定是根据地质资料，实测或经验估计，冒落拱高度是按下式估算，即当f≥3时，---------------②-1当f≤2时，-----------②-2式中：K---安全系数，一般取1.5～2；b或b1---(普氏免压拱高)围岩松动圈冒落高度，m；B---巷道开掘宽度，m；f---巷道顶板的岩石普氏坚固性系数，；H---巷道掘进高度，；ω---两帮围岩的似内摩擦角，取f反算；ω=arctan(f)2）锚杆杆体直径锚杆杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即式中，d为锚杆杆体直径，㎜；Q为锚固力，由拉拔实验确定，KN；σt为杆体材料抗拉强度，MPa。从表2—1中看出，对于常用直径20mm的锚杆杆体，圆钢（Q235）、高强度螺纹钢（BHRB400）、超高强度螺纹钢（BHRB600）的拉断载荷约为119.4kN、179.1kN、251.3kN，后两者分别是前者的1.5和2.1倍。3）锚杆间、排距锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为a，并根据锚杆的锚固力应等于或大于被悬吊岩石的重量的原则确定，即：式中，γ为岩石体容重，KN/m3。K为安全系数，一般取1.5～1.84）锚杆的锚固力有以下几种确定方法①锚杆的锚固力不应当小于被悬吊不稳定岩层的重量。②实际锚固力按药卷的粘结强度计算。式中：γ为岩石容重，KN/m3；R为锚杆眼半径，m；τ为树脂药卷与钻孔壁的粘结强度，KN/m2；L锚为锚固长度，m。2、锚杆的预紧力锚杆预紧力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动与拉应力区。实践证明，如果选择合理的预紧力值，能够实现对离层与滑动的有效控制。根据国外的经验以及国内部分矿区的试验数据，结合我国煤矿巷道条件与施工机具，一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服载荷的30%—50%。2、锚杆的预紧力3、锚杆的布置根据围岩的性质，锚杆可排列成方形、五花形等。方形适用于稳定的岩层，梅花形适用于稳定性较差的岩层，其布置图所示。锚杆的锚入方向，应与岩层面或主要裂隙面成较大的角度相交，尽可能与其正交；层面与裂隙面不明显时，锚杆应垂直于巷道周边锚入。三、锚索支护设计依据和要点1、锚索支护参数确定1）加强锚索长度校核，应满足式中L——锚索总长度，m；La——锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，m；其中K——安全系数；d1——锚索直径；fa——锚索抗拉强度，N/㎜2；fc——锚索与锚固剂的粘合强度，N/㎜2；Lb——需要悬吊的不稳定岩层厚度，m；Lc——托板及锚具的厚度，m；Ld——外露张拉长度，m；dcbaLLLLLcaaffdKL412）悬吊理论校核锚索排距：式中L---锚索排距，m；B---巷道最大冒落宽度，m；H---巷道最大冒落高度，m；（最大取锚杆长度）γ---岩体容重，kN/m3（包括顶煤+直接顶）L1---锚杆排距,m；F1---锚杆锚固力,kN;F2---锚索极限承载力,kN；θ---角锚杆与巷道顶板的夹角,°；n---锚索排数,取。3）锚索的锚固力：式中P---锚索锚固力，m；R---锚索孔半径，m；τ---为树脂药卷与钻孔壁的粘结强度，KN/m2；L锚---锚索为锚固长度，m。其中R---锚索孔半径，m；R1---锚索半径，m；R2---树脂锚固剂半径，m；L2---树脂锚固剂长度，m。221222LRRRL四、锚喷、锚网和锚索支护概述1、锚喷支护锚杆和喷射混凝土虽各自有优点，但也有不足之处。锚喷联合支护，恰能使两者取长补短，互为补充，是一种性能更好的支护形式。锚喷支护图示例2、锚网支护锚网支护是将金属网用托板固定或绑扎在锚杆上所组成的支护形式。金属网用来维护锚杆间的围岩，防止小块松散岩石掉落，也可作为喷射混凝土的配筋。被拉紧的金属网还能起到联系各锚杆组成支护整体的作用。常见的金属网有金属菱形网、经纬网，一般采用直径3～4㎜的铁丝编制而成，一般采用镀锌铁丝，由于金属网消耗钢材较大，目前正在使用具有一定抗拉强度和延伸率的玻璃钢纤维或塑料网代替。锚网支护梯形巷道锚网支护拱形巷道3、锚喷网联合支护喷射混凝土能有效的控制锚杆间的石块掉落，但其本身是脆弱的，当岩石变形大时，容易开裂剥落。解决办法之一就是喷射混凝土之前敷设金属网，喷后成钢筋混凝土层，提高了混凝土的整体性，改善了喷层的抗拉性能，这就形成了锚喷网联合支护，能有效的支护松散破碎的软弱岩层。金属网用钢筋直径一般为6～12㎜，钢筋间距一般为200～400㎜。4、锚网带支护锚网带支护由锚杆、钢带及金属网组成。钢带是用扁钢或薄钢板制成，为了便于锚杆安装，在钢带上预先钻好孔，钻孔形状为椭圆形，钻孔直径应由相应锚杆直径确定。也可采用钢筋梯代替钢筋带。5、锚索支护锚索支护是根据矿山压力中煤层顶板是板块原理的假说,让锚索直接打在不冒落的老顶上,然后利用锚索30t的预应力提前把直接顶吊住,来维护巷道,减少顶板下沉量和破坏程度。锚索是锚杆的发展和延伸，其材料一般采用既有一定刚度又有一定柔性的钢铰线制作，长度可达10m甚至20m以上，抗拔力可达几百kN，是地下大断面巷道、硐室，以及岩层有软弱夹层时的有效支护手段。预应力锚索一般由锚固段、自由段和张拉端三部分组成。锚固段是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基；自由段是连接锚固段与张拉端的锚体部分；张拉端是锚索位于孔口的外露部分。锚索支护图示例五、《煤矿安全规程》关于锚杆支护的有关规定第一百零二条采用锚杆、锚索、锚喷、锚网喷等支护形式时，应遵守下列规定：(一)锚杆（索）的形式、规格、安装角度，混凝土强度等级、喷体厚度，挂网规格、搭接方式以及围岩涌水的处理等，必须在施工组织设计或作业规程中规定。（二）采用钻爆法掘进的岩石巷道，应当采用光面爆破。打锚杆眼前，必须采用敲帮问顶等措施。（三）锚杆拉拔力、锚索预紧力必须符合设计，煤巷、半煤岩巷支护必须进行顶板离层监测，并将监测结果记录在牌板上。对喷体必须做厚度和强度检查并形成检查记录。在井下做锚固力试验时，必须有安全措施。（四）遇顶板破碎、淋水，过断层、老空区、高应力区等情况时，应加强支护。谢谢