锚杆支护理论及实践

锚杆支护体系的理论及实践主讲人：敬毅硕士导师：柏建彪教授[e-mail]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锚杆支护设计方法5锚杆支护施工锚杆支护发展2个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。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。1、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。2、我国1995年时约15.15%，目前约70%。锚杆支护理论（1）悬吊理论机理：将巷道顶板较软弱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。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：通过锚杆将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，提高自撑能力。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）组合拱理论机理：在锚杆两端形成圆锥形分布的压应力，锚杆间距合理时，形成的压应力圆锥体相互交错，在岩体中形成均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受外部荷载。承压拱内的岩石处于三向应力状态，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：顶板无稳定岩层拱形巷道（4）最大水平应力理论机理：水平应力大于垂直应力，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。（5）锚杆支护围岩强度强化理论随支护强度增加，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。围岩与支护强度的关系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。煤层岩层破碎区、塑性区锚固体C、、C*、*随锚杆支护强度t的增加而提高。不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、值锚杆支护强度t/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力C/MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效内摩擦角/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、*值锚杆支护强度σt/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力C*/MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940.021等效内摩擦角*/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4锚固体强度随锚杆支护强度σt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。锚杆支护体系（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18~30mm稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道两帮可以采用Q235圆钢锚杆和玻璃钢锚杆。采用左旋、无纵筋高强度螺纹钢锚杆，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）锚杆煤体快速树脂药卷中速树脂药卷螺母（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。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。端头锚固：Ⅰ～Ⅱ类。全长或加长锚固：Ⅲ～Ⅴ类三径要匹配（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。锚杆支护设计方法可归纳为三大类，分别是工程类比法、理论计算法、以计算机数值模拟为基础的动态系统设计方法。（1）工程类比法是一种实用的方法，在我国锚杆支护设计中占主导地位。在已有的大量、成功实践的基础上，根据巷道的生产地质条件确定支护参数。主要有以回采巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法；巷道围岩松动圈分类为基础的工程类比法。采用我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道稳定性分类方案，将巷道分为5类。制订相应的煤巷锚杆支护技术规范。（2）理论计算法根据悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论计算锚杆长度、间排距、破断载荷等。（3）动态系统设计方法首先进行地质力学评估（含地应力测试），将地质力学参数、锚杆参数等输入计算机数值模拟软件，以围岩强度强化理论为依据，按控制围岩变形效果和经济合理的原则选择最优方案，组织施工，并对巷道围岩稳定状况和锚杆载荷监测，根据监测反馈信息确定是否调整锚杆支护参数，经反复实践，在动态中修改完善设计。1—工作面前方超前支承应力；2、3—工作面侧向支承应力；4—工作面后方采空区支承应力图1采场围岩应力分布示意图锚杆支护施工（1）保证锚杆高预紧力锚杆预紧力的作用主动支护，拉应力转化为压应力或减小拉应力，有效抑制巷道围岩破裂区向深部发展，发挥围岩的自身承载能力，提高稳定性。预紧力的计算))(1()(2)1(401101210dDfffdsMfP02004006008001000120014000102030405060预紧力/kN变形量/mm回采顶底板移近量回采两帮移近量掘进顶底板移近量掘进两帮移近量巷道变形量与预紧力的关系预紧力的确定：采用现场实测与数值计算相耦合的方法确定锚杆预紧力的合理值实现高预紧力大扭矩：大扭矩的锚杆钻机、风炮保证大扭矩，大于200Nm。采用成套锚杆，主要指使用减摩垫圈（1个铝合金垫圈、1个塑料垫圈）。锚杆螺纹加工精细，减小摩擦阻力。建议不采用粗螺纹的等强锚杆，顶板不得采用粗螺纹的等强锚杆。预紧力的检查采用扭力扳手固定专人负责上紧螺母当班验收员检查有关职能部门抽查，并及时上紧。抽查迎头1~4排锚杆谢谢