煤矿深部巷道锚杆支护技术

煤矿深部巷道支护技术主讲：王永宝1．概念锚固力预紧力拉拔力预紧扭（力）矩预应力1．概念1.1锚固力：指锚杆对围岩的约束力，它包括径向锚固力和切向锚固力，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是托板阻止向巷道内位移，对围岩施加的径向支护力；粘锚力是锚杆通过粘结剂对围岩施加的径向作用力；切向锚固力是锚杆体施加贯穿岩体弱面，对弱面的滑动和张开产生的限制力，单位：kN。1．概念1.1.1锚固力的作用：锚杆的锚固作用体现为径向和切向锚固力的作用。径向锚固力对围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，提高围岩的稳定性。锚杆贯穿同一岩层中的弱面，切向锚固力改善了弱面的力学性质，从而改善了围岩的力学性质。因此锚杆是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形式。径向锚固力主要起着支护作用，切向锚固力主要起着加固作用。而在煤巷围岩中，主要是径向锚固力起作用，起到支护作用。1．概念1.2拉拔力：指阻止锚杆从岩体拔出的力。拉拔力可分为设计拉拔力和检测拉拔力。通常说的拉拔力指设计拉拔力，其值应大于锚杆破断力，单位：kN。1．概念1.2.1拉拔力检测标准：抗拔力应符合以下规定合格：最低值不小于设计的90%。优良：最低值不小于设计值。检查数量：每安装300根锚杆，抽试三组进行测试，每组不得少于3根，其中每组拱顶锚杆2根，边帮锚杆1根；锚索测试数量取总数的5%。1．概念1.2.1拉拔力检测标准：锚索合格条件为:首先锚索支护材料要符合施工措施的规定，且最小锚固长度要≥1.5米；分级张拉，分级方式为0―30千牛―60千牛―90千牛―130千牛。测试要求：ASTMA419-98(1*7×15.24mm)单根钢绞线，抗拔力大于120KN。1．概念1.3锚杆预紧力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向力，单位：kN1.3.1锚杆预紧力的作用：1.3.1.1发挥锚杆主动支护作用，特别是在层状岩层、破碎围岩条件下，增大预紧力能够改变围岩性质，防止围岩破坏，保持围岩稳定，有利于对围岩支护。1．概念对顶板稳定性具有决定性的作用。当预紧力大到一定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层可以得以消除。高预紧力锚杆指在建立预应力顶板，预应力顶板存在一定程度上保护着顶板使其免受水平应力的破坏，使顶板岩层处于横向压缩的状态，以克服高水平应力对顶板稳定性的影响。1.3.1锚杆预紧力的作用：1．概念1.3.1锚杆预紧力的作用：1.3.1.2预应力结构的形成是有条件的，锚杆预紧力是关键。在水平应力大的条件下，锚杆的作用在于给顶板及时提供很高的预应力以形成预应力顶板，形成一个压力自撑结构。1．概念1.4锚杆的预紧扭矩：在锚杆安装过程中，对锚杆螺母施加的力矩，单位N•m；1.4.1锚杆预应力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉应力，等于锚杆预紧力与杆体横截面积的比值，单位MPa。M=F*L，M为扭矩，F为力（N），L为距离(m)2．几种易混淆的力之间的关系2.1锚固力与拉拔力区别：2.1.1锚固力是锚杆对围岩产生的约束力，是限制围岩变形，起支护作用的力。锚杆拉拔力是锚杆锚固后拉拔实验时，所能承受的极限载荷，反映的是杆体、锚固剂、岩石粘结到一起后，锚杆破断或失效的最大拉力。2．几种易混淆的力之间的关系2.1锚固力与拉拔力区别：2.1.2锚固力随着被支护围岩变形、围岩的膨胀而增大，因此锚固力是一个动态发展并不断变化的力。锚杆拉拔力是一个固定值，不随围岩变形和锚杆受力而改变。如果围岩不发生变形且不考虑杆体的松驰效应，锚固力等于初锚力。2．几种易混淆的力之间的关系2.1锚固力与拉拔力区别：2.1.3锚固力检测使用安装于锚杆螺母和托盘之间的锚杆测力计，一般在锚杆安装时把锚杆测力计安好。检测锚固力是为了监测锚杆受力状况，需要进行长期观测。锚杆拉拔力检测使用锚杆拉力计，检测可以在锚杆安装完成后任何时候进行，检测锚杆拉拔力是为了查验锚杆杆体、锚固剂、岩石粘结效果。在施工中，检测锚杆拉拔力时，一般只要达到设计锚固力即可；在做破坏性检测时，则要求锚杆被拉断或锚杆被拉出才终止。2．几种易混淆的力之间的关系2.1锚固力与拉拔力区别：2.1.4检查锚杆施工质量时，一般检查锚杆拉拔力。监测分析锚杆工作情况时，测锚固力。测量锚固力是为了验证支护的可靠性，为以后修改支护设计提供依据。设计和施工时，必须保证锚杆拉拔力大于杆体破断力这一基本原则，即锚杆杆体受力超过其破断力后，锚杆可能被拉断，但锚杆不能被拉出。常见错误是设计的锚杆拉拔力小于杆体破断力。2．几种易混淆的力之间的关系2.2预紧力和预紧扭矩的关系：2.2.2预紧力是力，是施加在锚杆（锚索）上的拉力，单位kN;预紧扭矩是力矩，施加在压紧螺母上，单位N·m.2.2.3二者测量仪器不同。预紧力可以通过安装在锚杆托盘与螺母间的锚杆测力计观测；预紧扭矩可以通过数字显示或带有刻度显示的锚杆扭力扳手观测。2．几种易混淆的力之间的关系2.3预紧力与预紧应力区别：锚杆预紧力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉力。锚杆预应力：锚杆预紧力与杆体横截面积的比值。2．几种易混淆的力之间的关系2.2预紧力和预紧扭矩的关系：2.2.4锚杆施工设计要求的是预紧力，而不是预紧扭矩。但在实际施工中，由于预紧扭矩测读方便而预紧力测量相对复杂，且预紧力随着预紧扭矩增大而增大，为了检测方便，通过直接检测预紧扭矩而达到间接检测锚杆的预紧力的目的。因此，锚杆安装时通常检测预紧扭矩，而不检测预紧力。2．几种易混淆的力之间的关系2.2预紧力和预紧扭矩的关系：2．几种易混淆的力之间的关系2.2预紧力和预紧扭矩的关系：牌号屈服强度抗拉强度屈服力/KN拉断载荷/KNMpaMpaφ18mmφ20mmφ22mmφ18mmφ20mmφ22mmQ23524038061759196.7119.4144.5BHRB33533549085105127124.7153.9186.3BHRB500500670127157190170.5210.5254.7BHRB600600800152188228203.6251.3304.1常见锚杆钢材强度比较例如：王楼煤矿现用φ22mm高强度螺纹钢锚杆(Q500)施工过程中对锚杆施加预紧扭矩为350N•m，则锚杆预紧力：F=M/（DK）=350N•m/(0.022m*0.39)=40792N≈40KN锚杆预应力：P=F/S=40792N/380*10-6m2=107MPaF：锚杆预紧力NM：预紧扭矩N•mD：锚杆直径mmP：锚杆预应力MPaK：系数S：锚杆截面积m21KN=0.98吨MT/T1104—2009《煤巷锚杆支护技术规范》中明确要求，锚杆的锚固力应不小于锚杆杆体屈服强度的1.2倍。例如：Ф22×2800mm高强度螺纹钢锚杆(Q500)屈服强度190kN，故锚固力应不小于228kN。现场使用锚杆拉力计做拉拔试验，一般规定达到20MPa，即72.4KN（7.4t）后即认为锚杆施工质量合格，只达到了锚固力的31.2%。从经验来讲，锚杆预紧力不易超出锚杆屈服强度的50%。PFPFPFMPaKNtMPaKNtMPaKNt13.60.42072.47.439141.114.427.20.72176.07.840144.714.8310.91.12279.68.141148.415.1414.51.52383.28.542152.015.5518.11.82486.88.943155.615.9621.72.22590.59.244159.216.2725.32.62694.19.645162.816.6828.93.02797.710.046166.417.0932.63.328101.310.347170.017.31036.23.729104.910.748173.717.71139.84.130108.611.149177.318.01243.44.431112.211.450180.918.51347.04.832115.811.851184.518.81450.75.233119.412.252188.219.21554.35.534123.012.553191.819.61657.95.935126.612.954195.419.91761.56.336130.313.355199.020.31865.16.637133.913.756202.620.71968.77.038137.514.0LDZ-200煤矿用锚杆拉力计千牛、兆帕、吨位对照表计算公式：F=S×P。其中：F为锚固力（KN）；S为活塞面积；P为拉力指示表读数（MPa）。拉伸-阻止岩层离层剪切-阻止岩层滑动1.锚杆支护作用的新认识控制围岩离层、滑动及新裂纹等不连续、不协调扩容变形，保持围岩完整性和自承能力，减小围岩强度降低。1.1锚杆强度-抗破坏能力拉伸：屈服强度（力）、拉伸强度（力）、延伸率等；剪切：剪切强度（力）。锚杆杆体拉伸应力-应变曲线1.2刚度-抗变形能力LAEKA–锚杆杆体截面积；E–锚杆弹性模量；L–锚杆长度。安装时间：锚杆安装越及时，锚固体刚度越大；预应力：锚杆预应力越高，锚固体刚度越大；锚固方式：全长锚固刚度大。位移支架载荷支架载荷与位移关系曲线锚杆支护系统刚度非常重要，及时支护、施加合理的预应力，并有效扩散到围岩是关键，可抑制围岩扩容变形。围岩变形：不连续、不协调扩容变形；连续、整体变形。锚杆主要对前者起作用；巷道掘进工作面空间布置2、锚杆实际受力状态锚杆井下受力状态复杂巷道表面凹凸不平及施工原因，井下锚杆与巷道表面不垂直，不处于理想拉伸状态，而是处于受拉、弯、扭、剪切的复合应力状态。施加预应力前施加预应力后锚杆受拉伸、弯曲、扭转引起的复合应力。锚固剂杆体托盘球垫螺母PTll1MtRAC(a)树脂锚固锚杆结构(b)锚杆受力状态钻孔B树脂锚固锚杆力学模型1．锚杆支护的加固作用1.1锚杆提供的支护强度：围岩硬度越高，岩石强度越大。在巷道顶板安装锚杆就相当于给顶板提供围压。对于中等强度以上岩石（单轴抗压强度大于30MPa，变形模量大于100MPa），增加的围压很小，因此锚杆支护在岩石破坏前对其强度影响不大。因为煤层强度较低，特别是中等强度以下的煤层（煤层单轴抗压强度小于15MPa），锚杆在煤体破坏前对其强度有比较明显的影响。1．锚杆支护的加固作用1.1锚杆提供的支护强度：岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数。锚杆的主要作用是改善破碎区、塑形区内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。σ0ε屈服点有约束岩石软化（可以承载）无约束岩石崩落（不能承载）锚固前后岩体强度曲线1．锚杆支护的加固作用1.2锚杆对不连续面（围岩结构）的加固作用围压内存在各种节理、层理、裂隙等不连续面，这些结构面的分布与强度对岩体的整体强度影响很大。通过锚杆提供的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面产生移动上滑动。通过提高节理岩体的整体强度、完整性与稳定性。1．锚杆支护的加固作用王楼煤矿27304工作面锚杆受剪切力照片1．锚杆支护的加固作用1.3锚杆支护对围岩应力分布的影响巷道开挖后，应力重新分布。通过锚杆给围岩施加一定的压应力，改善围岩应力状态。对于受拉区域，可抵消部分拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力区域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力。锚杆杆体及附件锚固剂护表构件(钢带、金属网)锚索顶板树脂锚固剂杆体金属网托板螺母减摩垫圈球形垫圈钢带托板杆体螺母球形垫圈减摩垫圈锚杆杆体及附件高强度锚杆及附件3锚杆杆体：对于锚杆杆体本身来说，由于杆体长度方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸，所以力学上属于杆体。这种构件主要可以提供两方面的作用：一是抗拉，二是抗剪。至于杆体的抗弯能力和抗压能力是非常小，可忽略不计。3.1锚杆杆体的作用：3锚杆杆体：3.2.1在合理孔径差的条件下，保证杆体能顺利插入钻孔；3.2.2有利于提高锚固剂的黏结力与锚杆锚固效