锚杆支护技术

锚杆支护技术——煤矿副队级以上管理人员和工程技术人员培训稿二0一二年二月•第一章锚杆支护理论•国外锚杆支护理论•悬吊理论•1952年，路易斯·阿·帕内科(LouisA．Panek)等发表了悬吊理论。悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。如图所示•对于回采巷道揭露的层状岩体，直接顶均有弯曲下沉变形趋势，如果使用锚杆及时将其挤压并悬吊在基本顶上，直接顶就不会与基本顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度、层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早，在满足其前提条件时，有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆亦能发挥支护作用。如在全煤巷道中，锚杆锚固在煤层中也能达到支护的目的，说明这一理论有局限性。•组合梁理论•组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板，可看做是由巷道两帮作为支点的一种梁，这种岩梁支承其上部的岩层载荷，如图所示。•锚杆的作用：•使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象。而且各层间摩擦阻力愈大，整体强度愈大，补强效果愈好。但是，这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续性问题和梁的抗弯强度问题时有一定的局限性。•组合拱理论•组合拱理论是由兰氏(T．A．Lang)和彭德(Pender)通过光弹试验提出来的。组合拱理论认为，在拱形巷道围岩的破裂区中，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的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力维体相互交错，使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带（拱），如图1-3所示。•最大水平应力理论：•澳大利亚学者盖尔(W.J．Gale)在20世纪90年代初提出了最大水平应力理论。该理论认为，矿井岩层的水平应力一般是垂直应力的1.3—2.0倍。而且水平应力具有方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5—2.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力影响（图1-4）•三个特点：•①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，顶板变形破坏偏向巷道某一帮；③与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。•特点：•最大水平应力理论论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及对锚杆支护所起的作用。在最大水平应力作用下，巷道顶底板岩层发生剪切破坏，因而会出现错动与松动引起层间膨胀，造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求具有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强度锚杆支护系统。•国内锚杆支护理论近十几年来，国内很多学者在公认的三大传统的锚杆支护理论基础上，对锚杆作用机理作了大量的深入研究与探讨，进一步揭示了锚杆支护的实质，促进了锚杆支护理论研究的发展，扩大了锚杆支护技术应用的范围，主要观点如下。•全长锚固中性点理论•全长锚固中性点理论由东北大学王明恕等教授提出。该理论。认为在靠近岩石壁面部分（锚杆尾部），锚杆阻止围岩向壁面变形，剪力指向壁面。在围岩深处（锚杆头部），围岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的剪力指向相背的分界点，称为中性点，该点处剪应力为零，轴向拉应力最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐减少（见图）。近年在国内理论分析中该理论的“中性点”观点被普遍接受，但其理论形式还存在着一定的争议，因为它难以解释锚杆尾部的断裂机理，有人认为是该理论假设未设托盘之故。•松动圈理论•围岩松动圈巷道支护理论由中国矿业大学董方庭教授等提出，该理论是在对巷道围岩状态进行深入研究后提出的。该理论认为，围岩松动圈是开掘巷道后地应力超过围岩强度的结果，在现有的支护条件下，试图采用支护手段阻止围岩松动是不可能的，检动圈范围越大，收敛变形越大，支护就愈加困难。这种设计方法核心内容是锚杆长度需要大于巷道围岩的松动圈范围。•巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力，锚杆承受的拉力来源于松动圈的发生、发展。根据围岩松动圈厚度值的大小，将其分为小、中、大3类。•松动圈的类别不同，则锚杆支护机理不同。I类围岩L=0-400mm，围岩的碎胀变形量很小，此类围岩巷道支护一般无须锚杆，可以裸露围岩或者喷射混凝土单独支护；Ⅱ，Ⅲ类围岩L=-400-1500mm，用悬吊理论设计锚喷支护参数；Ⅳ，V类围、岩L=1.5-2.0m，L=2.0~3.0m，采用组合拱理论确定锚（喷）支护参数；Ⅵ类围岩L3.Om，在没有进一步研究资料之前，应采用以锚网喷为基础的复合支护。该理论的优点是简单直观，对研究中小松动圈有重要价值，实践证明对大松动圈尤其是高应力软岩的采准巷道来说，该理论有一定的局限性。•围岩强度强化理论•要点如下：•(1)岩体经锚杆锚固后，其峰值强度和残余强度均得到提高，随着锚杆布置密度的增加，强度强化系数逐渐增大，锚杆布置密度一定时，锚杆对岩体残余强度的强化程度大于对岩体的峰值强度的强化程度。•(2)锚杆可有效改善原岩体的力学参数。随着锚杆布置密度的增加，均有不同程度的提高。•(3)利用锚杆支护，可以提高锚固区域岩体的强度，有效地减小巷道围岩塑性区、破碎区半径及巷道表面位移，保持巷道围岩稳定。•锚固力与围岩变形量关系理论•认为锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力来实现的，而锚固力是依赖围岩变形而产生和发展的。锚杆支护一般在巷道开挖完成后实施，此时围岩的弹塑性变形已经完成，使锚杆产生锚固力的是围岩峰后的剪胀变形。随着剪胀变形的渐进发展，锚杆从径向和切向两个方向上产生限制剪胀变形的力。剪胀变形越大，锚杆的径向和切向的锚固力越高。锚杆的锚固作用使得围岩在较高的应力状态（能量状态）下获得稳定平衡。•锚固平衡拱理论•该理论认为，锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果，但在围岩产生塑性破坏后，锚杆加固对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在巷道周围，锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体，当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时，其承载能力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移，使锚固体卸载。在此过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易于松动的岩石构成具有一定承载能力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。•自稳隐形拱理论•惠兴田教授提出的自稳隐形拱理论提出，部分巷道在无任何支护的情况下能够自稳，任何开挖后的巷道都存在一个自稳隐形拱，从自稳隐形拱理论观点出发，将巷道顶部划分稳定岩体、挤压承载岩体、不稳定岩体和易冒落岩体四个区域。如图1-6所示。隐形拱一般情况下不能承受地应力的作用。同时研究指出在锚杆支护时，锚杆的长度应大于隐形拱。•其它相关理论•水平压应力作用•林崇德教授分析了层状顶板破坏机理与顶板锚杆支护作用，认为层状顶板主要受水平压应力作用而产生离层、弯曲破坏，而不是直接受垂直压力作用以承载梁的形式破坏，提出了以锚杆提高锚固岩层的承载能力的幅度衡量锚杆支护作用的方法。根据对软弱岩体中巷道围岩的特性及支护特点的研究，认为软弱巷道围岩出现小范围的破坏区，可以减轻支护压力，但破坏区的岩石非常容易受外界因素的影响，应取加固和封闭围岩的措施，才能有效地发挥围岩的承载作用。•构造裂隙理论•翟路锁教授通过对构造裂隙煤岩体巷道稳定性的研究认为：裂隙岩体巷道围岩体的变形破坏规律一般先是巷道围岩体的裂隙面内出现塑性变形，而后出现裂隙面间的滑动，因裂隙面的剪切滑动最终导致巷道围岩结构的失稳破坏；对于不同倾角的裂隙面，随倾角的增大，巷道的稳定性减弱；对于不同方位匹配的裂隙组，当裂隙走向与巷道垂直时对巷道的稳定最为有利，当裂隙走向与巷道的轴线成45°时，对巷帮的稳定最不利。当裂隙走向与巷帮的轴线成0°时（裂隙面的走向与巷道轴向平行），对巷道顶板的稳定最不利。•密度临界值•高明中教授通过物理实验得出，不同锚杆布置参数的锚固力学性态有很大的不同：短而密的锚杆群加固的顶板，受剪而呈现高阻，表现出围岩变形较小，而应力较大，也就是说锚固体的刚度较大；长而稀的锚杆群加固的顶板，易产生弯曲形失稳破坏，表现出围岩变形较大，而刚度较小。通过数值模拟试验得锚杆支护的密度存在一个临界值，当支护密度的设置大于临界值时，锚杆长度的改变对围岩变形破坏的影响不大；锚杆长度的设置小于这个临界值时，锚杆长度的改变对围岩变形的控制效果比较明显。•综上所述，锚杆支护理论种类较多，但没有一种理论能完整的解释所有的现象，但能说明一个问题，即煤（岩）体结构是十分复杂的，试图用一种学说是无法解决问题的。既然每个学说都能解释、解决某个方面的问题，我们不妨把这些理论最大限度地综合起来应用，对我们的工作是十分有益的。•平衡理论•锚杆支护的实质就是平衡理论。当煤层开掘后，破坏了围岩原有的平衡，后期的任何支护目的就是最小限度的维持这种平衡，而锚杆支护就是最主动的维持这种平衡作用的手段，其作用是阻止巷道周围任意点煤（岩）体的松动，其最核心的问题不在锚杆本身，而是取决于巷道周围岩层本身的强度及地应力的大小，围岩强度越大、地应力越小，则锚杆支护的作用就越小，反之越大。围岩强度取决于其自身的结构性质，地应力是影响围岩强度的一个十分重要的因素，地应力小，锚杆支护就能保持围岩平衡，反之，地应力大，无论那种理论、方法都无法彻底解决问题。锚杆支护的各种参数就是根据围岩强度及应力特点的不同而不同，这就是有些巷道开掘后不需支护，有些虽采取了多种支护仍解决不了问题的原因。•第二章煤巷顶板锚固系统构件及作用•在煤巷顶板锚固系统上，构成锚固系统的构件主要有金属网、预紧螺母、钢带或梯子梁、金属托盘、锚杆杆体、锚固剂等，在这些构件中，每一个构件对锚杆支护系统的可靠性都有有举足轻重的作用。其中煤巷锚杆支护系统组成构件中，与围岩直接作用的主要构件有托盘、锚固剂、锚杆杆体，螺母等。作为预紧锚杆支护系统的托盘受力与变形能够直接反映支护系统的优劣。•锚固剂的受力分析•锚固剂作为锚杆与围岩的黏结材料，是连接锚杆支护系统中锚杆与围岩之间的纽带，锚固剂锚固效果的好坏直接关系到巷道支护强度。•如图所示，锚固剂受到4部分力的作用，主要包括钻孔围岩施加的磨擦力τD、锚杆表面提供的磨擦力τd、钻孔底部岩体的拉应力σD以及锚杆顶部的拉应力σd。锚固剂外圆表面受磨擦力τD与钻孔表面所受的磨擦力大小相等、方向相反。同理，锚固剂内圆表面受磨擦力τd与锚杆表面所受磨擦力大小相等、方向相反。锚固剂最底部受拉应力与钻孔底部所受拉力大小相等、方向相反。同样，锚杆底部的锚固剂承受拉应力，是锚杆底部所受应力的反作用力。•锚杆的受力分析•顶板锚杆受力主要包括螺母提供的托锚力、锚固剂提供的磨擦力。在岩层发生错动的情况下，锚杆还会受到斜向的拉（剪）力。锚杆本身承受的力主要为拉力，即沿锚杆杆体方向的力。它是锚杆与岩体保持稳定的保证，是锚尾处产生托锚力的必要条件。锚杆所受的拉力其实是托锚力与锚固剂提供的剪切力的综合反映。研究表明，影响锚杆拉力产生机理、作用力的大小及其分布特征等因素很多，主要有锚杆与围岩性能的相对差异程度、锚固体所处的应力场特征、锚固方式以及锚固长度等。•端头锚固情况下锚杆的受力分析•在端锚情况下，锚杆的受力主要通过数值模拟分析和现场锚杆工作状态的测力锚杆来获得。测试结果表明，端锚情况下，锚固段载荷呈三角形分布，非锚固段载荷基本上呈各段相等的直线，并且拉力在整个杆体上的分布值是最大的，采用端部锚固方式的锚杆由于靠近围岩表面的部分没有与围岩接触，所以其表面的剪应力为零，而拉力均为最大值。在锚固段杆体的应力分布则逐渐减小。•全长锚固情况下的锚杆受力分析•通过托盘和螺母的预紧作用使锚杆存在一定的预紧力后，全长锚固锚杆剪应力沿杆体的分布规律是：剪应力值在锚尾处为零，随着深度的增加达到峰值后逐渐减小；通过中性点后逐渐增大并在锚头处达到最大。锚杆所受的拉力由于预紧力和托盘的作用，在锚尾处即有较大的值（与托锚力相等），并随着深度的增加而增大，在中性点处达到最大值，过中性点后随着深度的增加而逐渐减小，直到锚头处达到零。•锚杆