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锚杆支护原理

锚杆支护

一、锚杆支护原理

１、锚杆的悬吊作用

悬吊作用是指用锚杆将软弱的直接顶板吊挂在其上的坚固老顶之上。

如图１所示,或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块连接在松动区外的完整坚固岩石上,使松动岩块不至冒落。

2、锚杆的组合梁理论

利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是锚杆组合梁作用。

组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁的岩层挤紧,增大岩层间的摩擦力;同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力,阻止其层间错动。

锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高。

3、锚杆锲固作用

是指在围岩中存在一组或多组不同产状的不连续面的情况下，由于锚杆穿过这些不连续面，防止或减少了围岩沿不连续面的移动。

如图3。

4、挤压加固拱作用

形成以锚杆头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。

如将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列,在预应力作用下，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，在围岩中形成一连续压缩带。

它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压,组织上部围岩的松动和变形。

显然,对锚杆施加预紧力是形成加固拱的前提。

5、锚杆的减跨作用

如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁,由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于在该处打了点柱增加了支点而减少了顶板的跨度，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度,维持了顶板与岩石的稳定性,使岩石不易变形和破坏。

这就是锚杆的“减跨”作用,它实际上来源于锚杆的悬吊作用。

上述几种锚杆支护作用并非是孤立存在的，实际上是相互补充的综合作用，只不过在不同地质条件下，某种支护作用占的地位不同而已。

二、锚杆支护作用机理分析

巷道开掘以后,由于受掘进工作面迎头及两帮的支撑,顶板下沉和变形很小。

此时安装锚杆,其主要作用是控制顶板浅部岩层的离层、滑动。

锚杆安装越及时,预应力越大，则锚固范围内岩层的整体刚度越高,岩层处于压缩状态，岩层间不发生离层和弯曲变形等有害变形，岩层的完整性和整体强度得到保持。

相反,如果锚杆没有预应力,则只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷,显然不能控制在这以前顶板岩层的离层和错动,导致顶板从浅部向深部逐渐离层、破坏,失去完整性与稳定性。

预应力太小也不能起到有效约束顶板离层的作用。

如果锚杆安装不及时,较大范围内的岩层已产生离层、滑动,岩层承载能力丧失很大，再打锚杆,支护效果效果会受到明显影响。

综上所述，提出锚杆支护机理的要点为:

（１）锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏,尽量使围岩处于受压状态,抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现,最大限度地保持锚固区围岩的完整性,提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。

（２）在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构,阻止锚固区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。

（3）为了实现上述支护效果，锚杆支护系统的刚度十分重要,特别是锚杆预应力起着决定性作用。

根据巷道围岩条件确定合理的锚杆预应力是支护设计的关键。

当然,较高的预应力要求锚杆具有较高的强度。

（４）锚杆预应力的大小对支护效果非常重要,锚杆预应力的扩散同样重要。

单根锚杆预应力的作用范围是很有限的,必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。

特别是对于巷道表面，即使施加很小的支护力，也会明显抑制围岩的变形与破坏，保持顶板的完整。

因此,钢带、金属网等护表构件在预应力支护系统中发挥重要的作用。

（5）鉴于锚杆支护的上述作用,锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。

三、锚索支护作用机理分析

锚索作为锚杆的一种，从加固拱理论上讲，它能使更大直径的巷道围岩成为一个整体,使其具有更强的承载能力;从悬吊理论上讲,它更有把握围岩悬吊于稳定的老顶中,确保巷道支护的可靠性。

锚索与锚杆相比,具有锚固深度大、可施加较大的预紧力等诸多优点，是困难巷道工程支护加固不可缺少的重要手段。

锚索的作用主要有两方面:

其一是将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连,提高次生承载结构的稳定性,同时充分调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载；其二是锚索施加较大的预紧力，可挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的抗剪力,从而提高围岩的整体强度。

Φ20mｍ的等强螺纹钢锚杆的锚固力13０KN，抗拉载荷1５6ＫＮ；锚索Φ15.24mm的锚索锚固力不低于200ＫN,最低抗断载荷为26０KN。

所以，锚索无论从锚固力及材料的破断力上讲,都远远优于螺纹钢锚杆。

四、锚杆支护技术管理规定

第3条锚杆的锚固方式

１、端锚:

树脂锚固段长度≥３50mm。

2、加长锚:

树脂锚固段长度≥7００mｍ。

3、全　锚:

树脂锚固段长度≥锚深的80%；

水泥锚固段长度为锚深的10０％。

一般情况下应采用加长锚;Ⅲ~Ⅴ类煤巷顶板和深部全岩巷道严禁使用端锚。

６、锚杆布置一般要沿巷道轴线方向的岩面上成菱形排列。

锚杆间排距一般在600~１2００ｍｍ。

要在作业规程中明确规定。

顶板靠巷道两帮的锚杆，必须向巷道两帮倾斜,锚固端距各自邻近帮距离不小于0.5m并与钢带连接;巷道两帮肩角锚杆距顶板不大于400ｍm,倾斜角度根据顶板倾角调整，保证锚固端在顶板岩石中；巷道两帮最下一排锚杆距巷道底板不大于300mｍ（回采顺槽起底掘进，煤层底板为坚硬岩石时,最下一排锚杆锚至煤层底板岩石，距巷道底板不大于600mm）,并向下倾斜,与水平线呈１0°~３０°夹角，锚固端位于底板岩石中。

肩角锚杆一般比正常使用锚杆长200ｍm。

　第8条煤巷锚杆支护质量监测和检查验收

　1、煤巷锚杆支护质量监测

⑴锚杆锚固力检测

①锚杆必须按规定做拉力实验。

在井下做锚固力实验时，必须有安全措施。

试验数量,巷道每成巷30-50ｍ或每300根（含300根以下）抽样一组（５根）进行检查。

②巷道内的锚索每20根抽检2根,锚索锚固力用张拉油缸进行检测。

巷道交岔点和峒室的锚索视其支护状况确定是否需要检测,由分管矿长或分管副总确定。

③锚固力合格条件：

被检查所有锚杆均应符合要求。

其中有１根不合格，继续抽样检查，若再不符合要求,由矿分管矿长组织分析锚杆质量不合格原因,并采取补充加强支护措施进行处理。

④拉拔试验后,应及时重新拧紧螺母;如果锚杆失效应及时补打锚杆。

⑵螺纹钢锚杆扭矩检测

　对当班新打锚杆和迎头10米范围内锚杆，必须进行扭矩检测。

每小班抽样一组（5个）做螺母扭矩的检验,使用扭矩扳手，每个螺母拧紧力矩应不小于４０0Ｎ·ｍ,埋深大于600米的深部巷道锚杆预紧力≮5T。

如果其中一个扭矩不合格,将扭矩不足的螺母重新拧紧；有２个以上不合格，应将所有螺母重新拧紧一遍，螺母还应每月检查一次,对松动的螺母要拧紧。

使用新型锚杆时,扭矩及初锚力符合设计要求。

⑶螺纹钢锚杆检测

　　每月随机抽样一组（5根）锚杆送检，一组不合格再抽样一组；若再不合格，分析原因,并按规定对有关责任单位和人员进行处罚。

　⑷锚杆安装质量检查

①螺纹钢锚杆外露长度符合规定。

锚索外露长度不大于２０0ｍm。

②锚杆角度：

巷道各部位锚杆角度要符合设计要求。

⑸锚固剂安装位置监测

　①每条锚杆安装时，在未上托盘之前，必须进行锚固剂位置检查，并填写在班质量检查记录中。

②矿旬检、月检时也必须对锚固剂位置进行抽查。

每次抽查不少于5根。

　2、检查验收有关规定

⑴锚杆安装班次、人员要有明显标记，并记录于工程档案中。

⑵工区实行班验收制度，矿实行旬检查、月验收制度。

检查验收结果纳入巷道工程档案管理,进行巷道工程质量和巷道保修制考核。

⑶锚杆支护巷道须配齐２０或30吨锚杆拉力计,并根据所使锚杆种类配齐拉杆。

同时，还应根据锚杆直径，配齐锚杆扭矩搬手。

　⑷煤巷锚杆支护巷道顶、帮基本支护形式、锚杆类型、锚杆直径、锚杆长度、锚固力、锚固形式等要符合附表１要求,否则该巷道工程质量视为不合格。

⑸凡因无质量标准化检查工具造成锚固力、锚杆扭矩无法检查的，锚固力和锚杆安设质量视为不合格。

⑹使用不合格锚杆支护材料的巷道工程，其巷道工程质量视为不合格。

⑺分管矿长、副总及专业管理人员必须按规定对锚杆锚固力等进行抽测,并填表备查。

第三节锚喷支护

　　第９条锚喷支护设计

　　1、锚喷支护形式有四种:

　⑴锚喷支护;⑵锚网喷支护;⑶喷锚喷、锚网喷支护;⑷喷锚梁喷、锚网喷支护。

　　2、锚喷支护适用范围：

⑴锚喷支护适用于服务年限5年以下石灰岩、砂岩等坚硬完整岩层巷道。

　⑵锚网喷支护适用于服务年限5年以下稳定及较稳定岩层巷道。

⑶锚喷二次支护（高强锚杆一次支护）适用于服务年限５年以上，埋深60０米以上的开拓、准备巷道支护。

⑷喷锚梁喷、锚网喷支护适用于处于松软、破碎带或应力集中区的二次锚网喷巷道支护。

3、锚喷支护主要参数选择

　　⑴锚杆设计锚固力

　服务年限5年以下一般巷道,设计锚固力不低于70KＮ；

服务年限5年以下主要巷道，设计锚固力不低于10０ＫN；

　　服务年限５年以上主要巷道，设计锚固力不低于1３０ＫN。

　⑵锚杆长度不低于１.6m。

喷锚喷、锚网喷支护巷道要实行加长锚或全锚。

　　⑶喷射混凝土强度

　　服务年限5年以上的锚喷巷道，喷射混凝土强度应为C１８以上；服务年限５年以下的应为C13以上。

特殊地点的锚喷巷道,喷射混凝土强度必须在Ｃ１８以上。

（利用自然陶粒专利技术喷射混凝土强度不小于此规定）。

　⑷喷射混凝土厚度。

服务年限5年以上的主要巷道，喷砼厚度一般不大于1５0毫米，５年以下的不大于1２０毫米,一般巷道不大于1０0毫米。

　第10条喷浆材料的技术要求

　　　１、水泥:

喷射砼所用水泥质量要符合标准要求,每批出厂要有合格证，过期失效水泥禁止使用，水泥标号不低于４25#。

2、砂子:

采用河砂作配料,下井前要过筛,颗粒粗细要均匀，含泥量按重量计算不大于3%。

３、石子:

采用瓜子石作骨料,颗粒直径为５~10mm。

　4、速凝剂：

质量符合标准要求,每批有出厂合格证，过期失效速凝剂禁止使用，其配比为水泥重量的2～４%。

5、喷射混凝土配比:

喷射砂浆的配比一般为１:

2;喷射砼配比一般为１：

2:

２。

　　6、利用电厂粉煤灰喷浆时:

⑴粉煤灰组成：

炉底灰80%,烟道灰20%。

⑵质量要求：

粉煤灰严格按要求掺匀，不得有超过10mm的颗粒和脏杂物，其含泥量不得超过３%。

⑶配比。

初喷：

水泥:

粉煤灰：

石子＝1:

2:

1.５;复喷:

水泥：

粉煤灰:

石子＝１:

２：

2。

⑷速凝剂用量为水泥用量的2~４％。

⑸水灰比为0.４～0.5。

7、利用自然陶粒喷浆时：

⑴自然陶粒:

煤矸石自燃形成的具有陶粒特性的产物称为自燃氧化的煤矸石陶粒。

经过锤式破碎机破碎,粒度＜15mm。

⑵配比。

自燃氧化的煤矸石混合料：

水泥＝４：

1。

⑶速凝剂用量为水泥用量的2~4%。

⑷水灰比为０.4~0．65。

　　第11条锚喷支护工艺要求及有关规定

１、采用锚喷支护巷道必须按光爆要求施工,确保眼痕率不少于50%，超挖尺寸不大于1５0mm，欠挖不超过质量标准规定。

２、锚喷二次支护工艺要求

⑴初期支护。

采用初喷作临时支护。

初喷厚度不小于３0mm，初凝20分钟后进行打、安锚杆及扒装。

锚杆间排距一般为1.0～1．６m。

⑵一次支护。

按作业规程规定的距离和喷浆厚度完成第一次喷浆支护。

第一次支护必须进行拉线喷浆，在拱顶、拱肩、拱基处拉线，不少于5条，使巷道成形光滑、平整、无急角。

一次喷浆厚度达不到要求,严禁进行二次支护。

在一次喷浆支护时，要将里层锚杆栓铁丝引出喷层之外，作为布置外层锚杆的标志,并用作二次支护时栓金属网。

⑶二次支护。

一般在距迎头50~100米范围内进行（具体距离由各矿根据巷道矿压显现规律在作业规程中规定）二次支护的锚杆要按里层锚杆所留标志五花布置。

安装二次锚杆时用托盘把网压紧,并用预留的铁丝栓网。

网与网之间每隔２00mm扭接一处,然后喷浆盖网。

二次喷浆厚度为20～４0mm，要起到防锈作用。

⑷两帮最下边的一排锚杆，距底板距离不大于２0０mm,必须呈10～30°打入。

⑸两帮喷浆必须有≮１00mｍ的基础（设计有水沟一侧除外）。

⑹永久水沟的施工

①迎头掘进时，应把水沟一并打眼放炮带出。

②在一次支护段,要把水沟荒断面掘出。

③永久水沟施工要在二次支护后进行。

靠巷帮一侧必须补打一排锚杆,金属网要压入最下一排锚杆,然后浇注水沟混凝土。

３、高强锚杆锚喷一次支护工艺要求

⑴初期支护。

采用初喷作临时支护。

初喷厚度不小于30mm,初凝２0分钟后进行打、安锚杆及扒装。

锚杆支护参数设计在规程中明确规定。

⑵锚网支护。

按作业规程规定的锚杆支护参数跟迎头进行一次锚网支护。

⑶喷浆。

一般在距迎头50~1０0米范围内进行（具体距离由各矿根据巷道矿压显现规律在作业规程中规定）,喷浆厚度达到规程设计要求。

４、采用人工上料喷射机喷射混凝土、砂浆时，必须采用潮料,并使用除尘机对上料口、余气口除尘。

5、对松软、破碎岩层或应力集中区锚喷巷道要预先存放备用棚料,其具体规格、型号、数量和存放地点在作业规程中明确规定。

第12条　锚喷支护巷道工程质量监测及质量验收规定

1、锚杆锚固力监测按煤巷锚杆支护锚固力监测有关规定执行。

2、喷射混凝土强度检测

⑴喷射混凝土巷道对喷体应做厚度和强度检查，并有检查和实验记录。

⑵检测方法。

采用点荷载试验法。

用混凝土取样钻机在已喷好的经28天养护的巷道中,直接钻取直径30mm，长度大于直径1．１倍的混凝土芯样,用点荷载仪测试其点荷载强度,然后确定混凝土强度。

⑶喷射混凝土芯样数量应符合下表中的规定。

表七　喷射混凝土试块芯样数量

序号

工　程分类

工　程量

检查点数

备　　注

1

服务年限5年以上巷道

每30米及以下

不少于1

⒈每个检查点取砼芯样5个,取样要均匀分布。

⒉芯样要在养护２８天的巷道喷体上钻取。

⒊材料或配合比变更时应另行取样。

２

服务年限5年以下巷道

每50米及以下

不少于1

3

峒室

１0０0m3以上

不少于5

⑷喷射混凝土强度质量评判:

①根据5个测点强度值，计算算术平均值，作为该巷道混凝土强度代表值;　②当这5个测点强度中的最大值或最小值与中间值之差，超过中间值的15％时,其强度不应作为评定的依据。

③巷道工程喷射混凝土强度合格的条件。

喷射混凝土抗压强度平均值不低于标准值；检测点喷射混凝土抗压强度中的最小值不低于标准值的85％时,其喷射砼强度为合格。

　　3、锚喷支护巷道的检查验收程序及检查制度与煤巷锚杆支护巷道相同。

　4、服务年限5年以上，埋深60０米以上主要巷道，不按规定进行喷锚喷、锚网喷支护的，工程质量视为不合格。

第四节锚索加固支护

第１3条锚索的适用条件。

　1、当Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类煤层巷道或深部主要巷道采用锚杆支护不能有效阻止顶板下沉、两帮移近等巷道变形时。

Ⅴ类煤层巷道顶板使用直径１７.８mm及以上的锚索。

２、大断面峒室和跨度大于6米交岔点,Ⅴ类煤层巷道顶板使用直径１7.８mm及以上的注浆锚索。

　第１4条　锚索支护方式及支护参数的确定

1、煤层巷道直接顶比较完整时、拱型锚喷巷道、大断面峒室及交岔点加固,应采用点式锚索支护;当巷道直接顶裂隙比较发育且上部为复合顶时，宜采用锚索行架支护。

　2、锚索参数的确定原则：

⑴最小锚固长度。

水泥（砂）浆锚固≥3.5m，树脂锚固≥1．5m。

⑵锚索长度。

顶板锚索长度范围为５.5～１0．5m，两帮锚索长度范围为3～５m。

⑶锚索间、排距:

S≤L/2（Ｌ—锚索孔长度，单位m,S—锚索间排距，单位ｍ）。

⑷锚索锚固力。

预应力锚索单根设计锚固力应大于200KN。

　第15条锚索支护材料

　1、矿用锚索钢绞线、索具和其它附件应符合中华人民共和国煤炭行业标准MＴ／T942-20０5要求，并应按规定申办索具及整套锚索的国家MA标志。

2、锚索:

一般选用高强度、低松驰（Ⅱ级）粘结式１×7钢绞线,其技术参数如下：

⑴直径：

15.24ｍｍ，每米重量：

1.102kg/ｍ，级别:

２70K,强度:

1860Ｎ/mm2

截面积：

140．00ｍｍ２，延伸率：

≥３.5%，最低破断负荷26０ＫN,执行标准：

AＳＴＭA416－9０G

⑵直径：

1７．8mm,每米重量：

1.5kg/m,级别：

27０K，强度:

186０N/mm2

截面积：

191.０0mm2,延伸率:

≥３.5%，最低破断负荷353KＮ,执行标准：

ＡＳTＭA4１6-90G

⑶直径：

3１～3５ｍm,由注浆嘴、预应力锚头、9根φ7mm钢丝、支撑骨架、注浆管、搅拌头等部分组成，破断载荷6０0KN,预应力250KN。

⑷１×7结构钢绞线的尺寸及允许偏差、每米参考质量应符合表十的规定，外形见右图:

　3、锚固剂：

选用中速树脂锚固剂,全长锚固时可配用慢速锚固剂或水泥（砂）浆。

　　　４、托盘:

宜选用钢制蝶形托盘,规格尺寸不小于230mm×230mm（方形）或φ２３0mm（圆形）;若选用平板托盘，托盘中心孔径比钢绞线公称直径大２-4mｍ。

托盘强度要与锚索强度相匹配，托盘承载力应不小于锚索设计承载力的1.５倍。

第16条服务年限10年以上锚索，采用树脂锚固剂时，锚孔必须注满砂浆防锈或采用防腐锚索。

采用425号普通硅酸盐水泥，注纯水泥浆,水灰比根据围岩条件调配,一般为1:

0．45—1。

注浆压力0．5—1兆帕。

如钻孔漏浆,需反复注浆，每次注浆间隔约６小时,也可隔天注浆。

第１7条锚索施工管理

1、锚索施工人员必须熟悉锚杆打眼机的操作维修，要掌握锚索设计的技术参数和安装要求。

2、钢铰线旋向应与搅拌工具旋转方向相反；树脂锚固剂凝固1小时后进行张拉和顶紧上托盘工作。

3、锚索安装后必须对锚固剂位置进行检查。

4、锚索张拉预紧力应控制在８0—１０0KN,锚索安装4８小时后，如发现预紧力下降,必须及时补拉。

张拉时如发现锚固不合格，必须补打合格的锚索。

５、建立锚索施工管理档案,对逐条锚索进行编号,把施工人员、验收人员记录在档。

第18条对于接近或达到顶板离层临界值，有冒顶危险的区域必须及时进行隔离，挂危险牌，严禁人员进入,自安全区由外向里及时采取合理可靠的加固措施。

第19条合理安排生产接续，尽量缩短回采巷道的服务年限,减少巷道变形时间及破坏程度。

　第2０条本规范自下发之日起执行,与本规范有抵触的以本规范为准。