锚杆支护实用技术

1王开太原理工大学电话：[phone]（O）手机：[phone]E—mail:[e-mail]锚杆支护实用技术2.煤巷锚杆支护技术的沿革我国煤巷锚杆支护技术的发展过程（1）起步阶段（80年代中后期）（2）攻关阶段（1991—1995年）（3）引进和消化阶段（1996—1997年）（4）推广和提高阶段（1998年至今）2.煤巷锚杆支护技术的沿革起步阶段主要进行一些基础性的研究和试验锚杆支护理论、锚杆支护材料、施工机具与岩石巷道相同没有合理的监测仪器煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区,如徐州、新汶、淮南、西山等。2.煤巷锚杆支护技术的沿革攻关阶段煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关,取得了一大批科研成果：出现了中性点等新理论锚杆型式多样化液压和电动钻机相继研究成功锚杆支护应用范围明显扩大。大断面开切眼向围岩稳定性差的回采巷道发展2.煤巷锚杆支护技术的沿革引进和消化阶段引进国外技术,推动我国煤巷锚杆支护技术的发展和提高在引进、吸收和消化的基础上,结合我国具体情况,集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势,经过两年大规模研究和试验,初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术2.煤巷锚杆支护技术的沿革推广和提高阶段国内各大矿区广泛推广应用,取得了显著的技术经济效益煤巷锚杆支护的比例已达到30%以上,少数矿区已超过80%7煤巷锚杆支护作用机理从支护机理上看，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。8（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9（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。10（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，只要铺杆间距足够小，各个错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11（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，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。缺点：直观性较差。12一、金属锚杆类型机械式锚杆管缝式锚杆粘结式锚杆13（1）机械式锚杆机械式锚杆是使用最早、结构多样、数量较大的锚杆主要类型。机械式锚杆的锚固机构本身是一个统一体，在安装锚杆时，锚固机构主要通过一个楔子系统在钻孔中进行轴向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上。锚固机构通过摩擦连接将锚固力大多传递给岩层。机械式锚杆在安装时，大多都产生预紧力。有时，甚至锚固机构必须直接依靠预紧力来固定。机械式锚杆的优点是，安装迅速，可即时达到承载力，可二次张紧，某些结构的锚杆还可以回收。其缺点是，钻孔中的锚固段较短，在高应力区容易导致岩层破坏和锚固区松动；因此，它主要用于强度较高的岩层。14（2）管缝式锚杆管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢板卷成。沿管全长有一条开缝，管的上端是锥体，在管的下端焊有一个用钢筋制成的圆环。杆体壁厚为2-4mm、直径多为35-45mm（要求比钻孔直径大2-5mm），长度可据需要加工，一般为1.60-2.0M；开缝宽度一般10-15mm为宜。当杆体被外力强压入钻孔后，开缝管被迫压缩，与孔壁之间产生径向挤压应力，使杆体牢固的胀撑在钻孔内；杆体与孔壁间的摩擦力，便成为锚固力，并且是沿杆体全长分布的。管缝式锚杆具有锚固可靠、安装方便且易于实现机械化操作；即可实现全长锚固、又有较大预应力和滑移让压特性。15（3）粘结式锚杆粘结式锚杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结剂注入钻孔内，凝固后可将杆体粘固在钻孔中。锚杆锚固力向岩层的传递，主要是通过粘结的形式，而不是向钻孔壁通过机械或摩擦胀固等施加的挤压力。粘结式锚杆的优点是，它能在较深的钻孔中显示出很好的粘着力，而且可以不可压缩的传递很大的力。由于它在锚固岩层时，并不产生特别的接触压力，所以对岩层强度无特殊要求，从而也可在松散岩层中成功的使用。16高强锚杆锚杆的结构主要由螺纹钢杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂药卷等组成。17国外高强锚杆高强（δs=340—360Mpa），超高强δs600Mpa延伸率17—27%澳大利亚研究的ＨＳ１０４５高强度锚杆，杆体（直径２２ｍｍ）的破断力达２４０ｋＮ；直径２２ｍｍ的ＡＸ超高强度锚杆，其杆体的破断力达３４０ｋＮ。美国制造锚杆的钢材屈服强度为５２０ＭＰa。而英国制造锚杆的钢材的屈服强度可达６１０ＭＰa。18二、锚固剂我国煤矿中主要使用的锚固剂是树脂和快硬水泥两种类型。这两种类型的锚固剂在如下几个方面的性能具有十分显著的差别19树脂锚固剂20(1)固化时间超快型树脂锚固剂的凝胶(初凝)时间为0.5-1.0钟，快硬水泥锚固剂的凝胶(初凝)时间为3-5分钟。这就意味着使用树脂锚固剂更能及时地支护围岩，保证顶板安全和稳定。21(2)不同时期的抗压强度超快型树脂锚固剂在锚杆安装5分钟后强度就可达到21MPa，相当其最终强度的30%左右;半小时后的强度大于35MPa。各种类型树脂锚固剂在1天后的强度便可超过60MPa，达到最终强度的80%以上。快硬水泥锚固剂的早期强度则很低，锚杆安装5分钟时强度几乎为零;半小时后的强度为4.3-4.6MPa，一小时后的强度也仅为8-10MPa；7天以后抗压强度仅可达到树脂锚固剂强度的一半左右。树脂锚固剂的强度性能比快硬水泥好得多，尤其是在早期强度方面树脂锚固剂有更大的优越性。22(3)锚固力树脂锚固和水泥锚固相比最大的优点是锚固力大。根据邢台矿务局葛权、东庞，邢台等矿煤巷数百根锚杆拉拔力试验对比分析，树脂锚杆的拉拔力一般比使用水泥锚固剂大2.7-4.2倍。使用CK型树脂锚固剂时，15-25分钟时的锚固力就是用水泥药卷1天后的锚固力的2.7倍左右，这对于及时加固围岩具有重要意义。23(4)可靠性使用树脂锚固剂时锚杆一般使用机具安装，安装质量容易保证，所以每根树脂锚杆的锚固力通常都能达到设计能力。使用快硬水泥锚固剂的锚杆安装都是手工作业，许多工序(例如浸水时间、捣固药卷等)的施工质量不好控制，很难保证锚杆安装质量。根据实测结果，水泥药卷锚固时各根锚杆的锚固力相差很大，达不到设计锚固力的锚杆往往占较大比例。24三、托梁及护网25托梁Ｗ钢带主要使用在顶板。在巷道两帮煤体较破碎、松软时可使用钢筋梯子梁护帮。钢筋梯子梁也使用在顶板。26护网网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止小岩块掉落，同时对提高锚杆支护的整体效果也有一定的作用。网可分为金属网和非金属网。27钢（铁）丝网一般采用＃３-４ｍｍ的钢（铁）丝编织而成。根据网孔形状和结构的不同，可分为经纬网和菱形网，经纬网孔的尺寸为６０ｍｍ×６０ｍｍ-１００ｍｍ×１００ｍｍ。而菱形网孔的尺寸为４０ｍｍ×４０ｍｍ---６０ｍｍ×６０ｍｍ。由于菱形网具有柔性好、强度高、孔形不变、连接方便等优点，现在逐步取代了经纬网。28钢筋网由钢筋焊接而成的大网格金属网，它由受力筋和分布筋构成。钢筋网横向筋一般为受力筋，直径１０ｍｍ左右，纵向筋一般为６ｍｍ左右。网格１００ｍｍ×Ｉ００ｍｍ左右。这种网强度和刚度都比较大，不仅能够阻止松动岩块掉落，而且可以有效地增加锚杆支护的整体效果，适用于大变形、高地应力巷道。29塑料、聚脂网塑料网的优点是成本低、轻便、抗腐蚀等，但其强度和刚度较低。聚脂网具有强度大、重量轻、刚度好等诸多优点。但由于价格较高，还没有广泛使用。30四、锚杆钻机、钻头钻杆从动力区分有风动、电动、液压三种。从破岩方式区分有旋转、冲击两种。为了实现树脂锚杆的快速安装，保证有较大的扭矩，一般采用旋转式锚杆钻机。31液压锚杆钻机钻孔应特别注意在开孔时钻机的推力要小，正常钻进时保持推力与钻进速度相匹配，防止钻杆弯曲及造成孔壁不光滑而影响锚杆的安装。在更换钻杆时不要挪动锚杆钻机，以免第二根钻杆不能沿第一根钻杆原有的轴线进行钻进，使钻孔不能保持直线，给锚杆安装带来困难。安装锚杆时，也不要挪动锚杆钻机，以免锚杆不能沿钻孔的轴线前进，使锚杆与钻孔的摩擦阻力过大，安装困难。32风动锚杆钻机33钻头钻杆钻头一般使用＃２７-３２ｍｍ。钻杆使用Ｂ19ｍｍ或２２ｍｍ六方钻杆，其长度根据设计孔深选择。当锚杆长度大于２ｍ时，因单体锚杆钻机最低高度在１.２ｍ左右，而巷道高度大多小于３ｍ，不能用一根钻杆一次成孔，需换钻杆；即使巷道高度满足一次成孔高度要求，因过长的钻杆露在孔外易产生弯曲变形，在钻机推力大而钻进速度慢的情况下易出现钻杆折断、伤人事故，所以钻时先用短钻杆再换长钻杆。34五、快速安装器35开槽销钉式快速安装器的安装过程①钻孔至设计深度；②将树脂药卷轻轻送入钻孔内，一般使用超快或快速和中速两种凝结速度的树脂药卷，超快或快速的药卷放在孔底，中速的药卷放在孔的外段；③用组装好的锚杆将药卷轻轻送人孔底并与钻机联结；④开动锚杆钻机边推进边搅拌，直到将锚杆送人孔底，时间大约１５-２０ｓ；⑤等待树脂药卷固化，大约２０-３０ｓ；⑥开动钻机将剪切销剪断后，用钻机上紧螺母；⑦关闭旋转及气腿开关，放下钻机。36六、小孔径预应力锚索加强支护预应力锚索主要材料为：钢绞线、锁具、锚固剂。由于它锚固深度大，将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力，主动支护围岩，因而是支护技术中一种可靠有效的手段。在大断面、地质构造破坏地段、顶板软弱且较厚、高地应力、综放巷道等困难、复杂的巷道中，37注水泥浆及树脂胶泥锚固注水泥浆及树脂胶泥锚固，需一套小型注浆泵，施工工艺相对采用普通树脂药卷锚固要复杂，尤其采用注水泥浆，需养护较长时间才能安装锚具、张拉，不能及时支护。但注水泥浆及树脂胶泥锚固可靠性较高，锚固力大，在钻孔含水时，采用普通树脂药卷锚固，其锚固力较小，有可能达不到设计锚固力。38用普通树脂药卷加长锚固采用普通树脂药卷加长锚固，与注水泥浆和树脂胶泥相比，不需注浆泵，使用锚杆钻机带动锚索搅拌树脂药卷，简化了锚索安装工序，由于树脂药卷凝结时间短，一般等待ｌｈ后即可安装锁具、张拉，实现了锚索快速安装、及时承载，有利于巷道快速施工和围岩稳定。但树脂药卷锚固时，其锚固力不稳定，钻孔出水时，锚固力更小。在巷道围岩较破碎时，常出现不能将树脂药卷送人孔底，锚固在钻孔的中部，药卷挤入围岩裂隙后，锚固长度达不到设计要求，另外受巷道高度及锚杆钻机的扭矩所限，锚固长度受到限制，一般小于１．５ｍ，不如注水泥浆和树脂胶泥灵活。39七、现场监测巷道围岩表面位移巷道围岩深部位移全长锚固锚杆的受力分布端部锚固锚杆的载荷