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巷道支架、锚杆支护技术1巷道金属支架2锚杆种类和锚固力3锚杆支护理论4锚杆5组合锚杆6预应力锚索7巷道锚杆支护设计8锚杆支护质量监测9锚注、钻锚注支护10研究发展方向1巷道金属支架(1)矿用工字钢矿用工字钢是煤矿巷道支护的专用型钢。它与普通工字钢的区别在于断面的高宽比减小，腹板加厚，翼缘厚且斜度大，使得Wx／Wy趋于1。我国生产的矿用工字钢有9号、11号、12号三种规格。矿用工字钢断面图（2）矿用支护U型钢U型钢具有良好的断面形状和几何参数，使型钢搭接后易于收缩，是制造可缩性金属支架的主要材料。我国生产的U型钢型号主要有U18、U25、U29、U36四种，研制的新U25型钢断面见图。新U25型钢断面图(3)U型钢可缩性支架的连接件连接件是可缩性支架的关键部件，其结构和力学性质关系到支架可缩性能的好坏。根据锁紧方式连接件分为螺栓连接件和楔式连接件。常用的螺栓连接件有双槽形夹板式连接件，它是由两块槽形夹板和一对螺栓组成，具有强度高、可缩性好、工作阻力稳定、型钢滑移平稳等优点。双槽形夹板式连接件有耳定位和腰定位之分，又有上限位连接件、中间连接件、下限位连接件三种形式。(a)(b)(c)双槽形夹板式连接件a—上限位连接件；b—中间连接件；c—下限位连接件1—上限位块2—下限位块．拱形可缩性金属支架基本结构类型a—三节式；b—四节式；c—五节式；d—曲腿式；e—非对称式；f—封闭(4)U型钢可缩性支架拱形支架断面基本参数基本参数选择范围备注R2／R11.0～1.4R2－R1≤800mmα1（0）90～140支架节数增加，相应加大H/mm≤1000α3（0）0～15α4（0）＜16400巷道净断面≤10m2450巷道净断面10～15m2C/mm500巷道净断面＞15m2L/mm2000～3500尽量相等我国拱形支架断面基本参数推荐值四节多铰摩擦可缩支架结构1—U型钢；2—铰结点；3—耳卡式连接件U型钢拱梯形可缩性支架断面参数马蹄形可缩性支架圆形可缩性支架环形可缩性支架a—方环形；b—长环形(5)矿用工字钢支架矿工钢刚性支架支护体系中的缩量包括柱腿插入底板、架后破碎矸石压缩、接榫处木垫压缩以及支架本身的挠曲变形等。由于缩量很小，刚性支架只能使用在围岩比较稳定巷道中。梯形刚性支架是使用最多的一种架型，有一梁二柱和加设中柱两种基本形式梁、腿之间有接榫结构，柱腿下部焊以底座。接榫结构种类甚多，我国常用的接榫结构形式如图a所示，国外有螺栓铰接(b)和球面铰接两种类型。铰接接榫结构有利于减少支架的弯矩，在一定程度上适应梁腿之间的相对转动。ab梯形刚性支架接榫结构a—国内常用接榫结构；1—顶梁；2—柱腿；3—扁钢焊接档块；4—矿工钢料头挡块；b—螺栓铰接接榫结构拱形刚性支架主要使用在基本巷道，常用的有以下三种。拱形刚性支架a—拱顶斜腿支架；1—弧形顶梁；2—柱腿；3—铸钢接榫b—拱顶直腿支架；1—拱梁；2—柱腿；3—扁钢夹板连接件c—锚喷巷道加强拱顶支架(6)钢筋网壳支架钢筋网壳支架结构如图所示，几块拱壳形的构件用螺栓联结起来，便形成一架支架。钢筋网壳支架构件是在地面焊接成的钢筋网壳结构，外表面自成一层钢筋网，内部是立体纵横交义的钢筋网架支撑着外层钢筋网。每片构件的两端焊接着带有螺栓孔的联结板，对接处可以嵌入一定厚度的木垫板，支架本身径向具有柔性让压性能，整体支架环向也有一定可缩性。工程中可用它作为喷层的钢筋骨架，与锚杆、喷射混凝土共同组成网壳锚喷结构。支架架型主要力学特性适用条件梯形刚性支架不可缩，承载能力较小围岩较稳定，变形量小，巷道净断面小于10m2梯形可缩性支架垂直、侧向均可缩，承载能力较小围岩较稳定，变形量中等，巷道净断面小于10m2，10％≤μ≤25％半圆拱可缩性支架承载能力较大，特别是在均压时围岩压力较大，特别是在压力较均匀或有部分侧压时，10％≤μ≤35％三心拱直腿可缩性支架承载能力较大，特别是在顶压大时围岩压力较大，特别是在顶压大时，10％≤μ≤35％三心拱曲腿可缩性支架承载能力较大，抗侧压能力较大围岩压力较大，压力较均匀，顶压大及侧压较大时，10％≤μ≤35％多绞摩擦可缩性支架承载能力大，能适应各方向来压围岩压力大，能适应不对称，多变压力，10％≤μ≤35％马蹄形可缩性支架承载能力大，有一定的抗底臌和两帮移近的能力围岩松软，移近量较大，特别是底臌和两帮移近较严重，使用非封闭型支架时μ＞30％～35％圆形可缩性支架承载能力大，抗底臌和两帮移近的能力大，特别是在均压时围岩松软，移近量大，底臌和两帮移近较严重，使用非封闭型支架时μ＞30％～35％，更适合压力较均匀的情况方(长)环形可缩性支架承载能力大，抗底臌和两帮移近的能力大，特别是在压大，压力不均匀时围岩松软，移近量大，底臌和两帮移近较严重，使用非封闭型支架时μ＞30％～35％，更适合压力不均匀的情况各种金属支架架型的力学特性和适用条件2锚杆种类和锚固力锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。1)锚杆的分类(1)按锚杆的锚固方式划分为：①机械锚固式锚杆：胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆。②粘结锚固式锚杆：树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。③摩擦锚固式锚杆：缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。锚杆支护端头锚固全长锚固机械锚固黏结锚固涨壳锚杆倒楔锚杆膨胀水泥竹锚杆水泥黏结树脂黏结机械锚固黏结锚固快硬水泥普通木锚杆压缩木锚杆管缝锚杆水力膨胀钢丝绳砂浆钢筋砂浆全长水泥全长树脂(2)按锚杆的锚固长度划分为：2)锚杆的锚固力（1）根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力①托锚力：托锚力包括安装锚杆时，通过拧紧螺母产生的锚杆托板对围岩的预紧力，水胀式管状锚杆杆体纵向收缩，使托盘对围岩产生预紧力；以及锚杆托板阻止围岩向巷道内位移时，对围岩施加的径向支护力。②粘锚力：粘结剂将围岩与锚杆粘结成整体，由于围岩深部与浅部变形的差异，锚杆通过粘结剂对围岩施加粘结力来抑制围岩变形。粘锚力就是锚杆杆体的轴力。摩擦锚固式锚杆通过杆体与围岩之间的摩擦力对围岩施加锚固力来抑制围岩变形。③切向锚固力：在围压作用下围岩沿弱面滑动或张开。锚杆体贯穿弱面，限制围岩沿弱面滑动或张开，这种限制力称为切向锚固力。（2）根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力①初锚力：安设锚杆时，对锚杆进行拉张而使其具有的作用于围岩的力称为初锚力。②工作锚固力：锚杆安设后，围岩变形，锚固剂发挥粘结作用；或者杆体与围岩之间的摩擦力制约围岩变形，此时锚杆对围岩的作用力为工作锚固力。③残余锚固力：当围岩表面和深部的相对变形量超过锚固剂的极限变形量，锚固剂被破坏，工作锚固力丧失后，锚杆对围岩仍具有的约束力，称为残余锚固力。3锚杆支护理论锚杆支护促使围岩由载荷体转化为承载体。尽管锚杆在不同的地质条件下作用机理有所不同，但都是在巷道周边围岩内部对围岩加固，形成围岩承载体。现场对比试验表明，在同一条件下锚杆支护与刚性金属支架支护比较，巷道围岩移近量减少一半左右。传统的锚杆支护理论都是以一定假说为基础的，各自从不同角度不同条件阐述锚杆支护的作用机理。近年来，锚杆支护理论研究有了进一步发展。（1）悬吊理论锚杆支护悬吊作用悬吊理论认为：锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上对于回采巷道经常遇到的层状岩体，锚杆的悬吊作用如图所示。如果巷道浅部围岩松软破碎，顶板出现松动破裂区，锚杆的悬吊作用是将这部分易冒落岩体锚固在深部未松动的岩层上。由于在计算过程中不考虑围岩的自承能力，计算结根据悬吊岩层的重量果偏于保守。（2）组合梁理论层状顶板锚杆组合梁组合梁理论如果顶板岩层中存在若干分层，组合梁理论认为锚杆的作用一方面提供锚固力增加各岩层间的摩擦力，阻止岩层沿层面继续滑动，避免出现离层现象；另一方面锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩梁。组合梁理论将锚杆作用与围岩自稳作用分开考虑，与实际情况有一定差距。（3）组合拱（压缩拱）理论锚杆组合拱（压缩拱）原理组合拱理论认为：从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区，如果锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即压缩拱处于三向应力状态，围岩强度得到提高。在分析过程中没有深入研究锚杆、围岩之间的相互作用关系，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，与实际情况存在一定差距。（4）最大水平应力理论最大水平应力原理最大水平应力理论认为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，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。垂直应力向两帮转移，水平应力向顶底板转移，垂直应力的影响主要显现于两帮，导致两帮的破坏。水平应力的影响主要显现于顶底板岩层，在最大水平应力作用下，巷道顶底板岩层易于发生剪切破坏，产生围岩变形。（5）围岩强度强化理论①巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构；②巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数（E、C、φ）；③提高了围岩峰值强度和残余强度；④增加围压，从而提高围岩的承载能力；（6）岩体锚固系统理论岩体锚固系统包括围岩体（锚固长度范围内）、锚杆、内部固定物如粘结剂以及外部固定物如托板、螺母等要素。这四个要素之间相互作用，共同完成加固围岩的功能并与周围如外部或深部围岩体环境进行力传递作用。岩体锚固系统的功能体现是四个要素之间相互作用匹配藕合的结果。该理论把锚固技术看作一个系统进行整体研究，克服单一考虑锚杆本身行为的弊端。随着锚杆支护材料、机具和工艺的进步，20世纪80年代以来，高强预应力树脂锚杆支护技术在国内外获得广泛的应用，逐步形成以高强锚杆为基础以高预紧力为核心的高预拉力、高刚度、高强度锚杆支护技术。同时认为由四个要素：围岩体（锚固长度范围内）、锚杆、内部固定物质（粘结剂、摩擦）、外部固定物如托盘、螺母组成岩体锚固系统，系统的功能是体现四个要素之间相互作用匹配耦合的结果。4锚杆4.1机械式锚杆机械锚固锚杆一般是端头锚固式，安装锚杆时需要施加预紧力，属于主动式锚杆。常见锚头类型包括胀壳式、倒楔式和楔缝式。木锚杆、竹锚杆及其它人工合成锚杆在煤矿中得到一定的应用。这些锚杆结构简单、成本低、制造容易等优点，一般使用在服务年限短的回采巷道两帮支护中。竹、木楔缝式锚杆机械锚杆的锚固结构为涨壳式锚头，锚头为独立的构件，主要由楔体与膨胀壳组成，圆锥形楔体(螺母)在齿形胀壳中间加压，胀壳压向孔壁获得锚固力，其与传统劈楔式锚固方式的重要区别是圆锥楔块(螺母)紧扣在锚杆螺纹上从而可获得较大的锚固力，并且锚固性能更加可靠。4.2摩擦式锚杆摩擦式锚杆是通过钢管与孔壁之间的摩擦作用达到锚固的目的，多为全长锚固式。主要包括缝管锚杆和水力膨胀锚杆，还有爆固管锚杆和液力顶板销钉。（1）缝管式锚杆缝管锚杆（2）水力膨胀锚杆水力式膨胀锚杆是一种较为新型的锚杆，它通过高压充液，使自身扩体，不但对围岩岩体沿径向产生锚拉与悬吊作用，而且环向对围岩施压，使部分岩体恢复到或接近原始三向受力状态，从而减少围岩塑性区，进一步发挥围岩自身承载拱作用，大大增加了洞室的承载能力。水力膨胀锚杆拉拔力与充液压力关系曲线02040608010012014010152025充液压力（MPa）拉拔力（kN）拉拔力锚杆充液压力与锚杆拉拔力之间的关系水力膨胀锚杆在不同岩层中的拉拔力项目协庄-300西大巷主巷协庄-300西大巷付巷孙村31114平巷围岩岩性砂岩≥砂页岩＜11#煤围岩抗压强度/MPa≥402020锚杆长度/m1.51.51.5平均拉拔力/kN114110120泵压/MPa252025试验巷道平面位置示意图再生胶结顶板巷道沿空掘巷选用U型刚拱形金属支架时，顶底板相对移近量大于1600mm，巷道维护十分困难。采用水力膨胀锚杆支护发挥围岩自身承载作用，顶、底板相对移近量减少到300mm、两帮相对移近量减少到150mm左右，巷道维护效果好。(3)爆固管锚杆和液力顶板销钉爆固管锚杆类似水力膨胀式锚杆，只不过用炸药