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锚杆锚索支护工培训教材
锚杆锚索支护培训教材
二〇一八年十一月
第一章锚杆、锚索支护基础知识
一、锚杆支护基础知识
1、锚杆支护理论
锚杆就是加固围岩、锚固煤岩体的一种杆体。
锚杆支护是以维护和利用围岩的自承能力为基点，及时地进行支护，控制围岩的变形和松驰，使围岩成为支护体系的组成部分。
通过锚入围岩内部的杆体，改变巷道围岩本身的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的承载环（带），和围岩共同作用，达到维护巷道的目的。
属于积极主动加固巷道围岩的支护形式。
1）、锚杆支护作用机理
锚杆支护的作用机理有加固拱作用，悬吊作用、组合梁作用、围岩补强、减小巷道跨度作用等。
（1）加固拱作用
对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，及时用锚杆加固，就能提高岩体结构弱面的抗剪强度，在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定，而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而保持巷道围岩的稳定。
如图所示。
加固拱锚杆悬吊作用
（2）悬吊作用
悬吊作用是锚杆把将要冒落的软弱岩层或危岩悬吊在上部坚固稳定的岩体上，由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量，如图所示。
（3）组合梁作用
在层状岩层的巷道顶板中，通过锚入一系列的锚杆，将锚杆锚固长度以内的薄层岩石组成岩石纵横梁，从而提高其承载能力。
可以把平顶巷道的层状岩石顶板看作是以巷道两帮为支点的叠合梁。
在载荷作用下，各层岩石（板）都有各自的单独弯矩，每层岩石（板）的上下缘分别处于受压和受拉状态。
用锚杆将各层岩石锚固在一起之后，在载荷作用下，各层岩石之间基本不会发生离层、错动，就如同一块板的弯曲一样，大大提高了组合梁的抗弯强度和承载能力。
如图所示
组合梁作用
锚杆预拉力（或称初撑力）的大小对巷道顶板稳定性具有决定性的作用。
当预拉力大到一定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除，使巷道顶板形成“刚性”顶板，“刚性”顶板本身提供了一个压力自撑结构。
2、锚杆种类
用作支护的锚杆，可根据其锚固的长度划分为集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆。
集中锚固类锚杆指的是锚杆装置和杆体只有一部分和锚杆孔壁接触的锚杆，包括端头锚固、点锚固、局部药卷锚固的锚杆。
全长锚固类锚杆指的是锚固装置或锚杆杆体在全长范围内全部和锚杆孔壁接触的锚杆，包括各种摩擦式锚杆、全长砂浆、树脂、水泥锚杆等。
锚杆锚固方式可分为机械锚固型和粘结锚固型。
锚固装置或锚杆杆体和锚杆孔壁接触，靠摩擦阻力起锚固作用的锚杆，属于机械锚固型锚杆。
锚杆杆体部分或锚杆杆体全长利用树脂、砂浆、水泥等胶结材料，将锚杆杆体和锚杆孔壁粘结、紧贴在一起，靠粘结力起锚固作用的锚杆，属于粘结锚固型锚杆。
锚杆的材质不同，又可分为钢丝绳、钢筋、螺纹钢、玻璃钢、木、竹锚杆等。
锚杆分类可归纳如下：
常用锚杆种类：
（1）树脂锚杆
树脂锚杆由树脂药包和锚杆杆体两部分组成。
树脂锚杆杆体一般制作为麻花形状或螺纹状，以增加粘结力。
其锚固力在60kN以上。
树脂药包有塑料袋包装和球璃管包装两种产品。
树脂锚固剂根据其凝固固化时间，有超快的cK型．有快速的K型．有中速的z型和慢速的M型，其技术参数见表，对于不同金属杆体与基材的锚固力见表。
树脂锚杆的锚固力总是大于杆体强度极限度．设计不同的锚固长度均能达到可靠的锚固效果，大量锚固力实则结果，都是杆体延伸或螺纹拉断，锚头不动或有很少位移．实践证明锚固可靠性百分之百。
树脂锚杆适用范围比较广泛，既适应于硬岩、中硬岩，也适用于软岩、煤层巷道；既适用于木锚杆，也适用于金属锚杆；既适用于集中锚固类锚杆，也适用于全长锚固类锚杆，而且使用安全可靠，操作简便快速，质量有保证。
树脂锚固剂
（a）、（c）用塑料袋包装（b）用玻璃管包装
1-固化剂；2-玻璃管；3-树脂；4-堵头；5-聚乙烯外袋；7-硬塑料盖
树脂锚固剂产品型号和技术参数
型号
特性
凝胶时间（min）
固化时间（min）
备注
CK
超快
0.5~1
≤5
在20±5度环境测定
K
快速
1.5~2
≤7
Z
中速
3~4
≤12
M
慢速
15~20
≤40
树脂锚固剂系列
径级mm
长度mm
Φ23
300
400
500
600
800
900
1000
1200
Φ28
350
450
500
600
800
900
1000
1200
Φ35
350
400
450
500
注：
树脂锚固剂需要表中以外的规格时，大直径以50mm、小直径以100mm级差增加长度规格。
目前，常用树脂锚杆杆体材质为钢杆体、螺纹钢杆体、玻璃钢杆体。
树脂锚杆杆体
（a）钢杆体（麻花）（b）螺纹钢杆体（玻璃钢杆体）
1-杆体；2-挡圈；3-锚头；4-丝扣；5-托板；6-螺母；
锚杆长度和直径参数见下表：
径级mm
长度mm
Φ16
1600
1800
2000
Φ18
1600
1800
2000
2200
2400
Φ20
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
Φ22
2000
2200
2400
2600
2800
3000
注：
使用表中系列以外的规格时，锚杆长度按200mm级差增加长度规格。
锚杆托板系列见下表：
名称
外形尺寸mm
钢板托盘
（长×宽×高）
100×100×8
120×120×10
150×150×10
150×250×10
铸钢托盘
（直径×厚度）
Φ150×15、30、50
水泥锚杆托板
外形尺寸mm
长×宽×高
300×180×80
400×150×80
500×150×80
二、锚索支护理论
一）、锚索支护理论
预应力锚索是对锚杆支护技术的发展，与普通锚杆相比其特点：
一是长度大，可根据实际情况来确定，能够锚固到深部稳定岩层中去；二是承载能力大，可以施加较大的预紧力，是一种有效的主动支护方式。
锚索支护理论基本上与锚杆支护理论相同。
根据实际应用情况，锚索主要作用机理是悬吊。
锚索支护技术是通过预应力锚索加固岩体，其实质就是通过锚索对被加固的岩体施加预应力，限制岩体有害变形的发展，可以明显改善围岩的应力状态，提高围岩的自承能力，从而保持围岩的稳定。
锚索支护技术主要用于对常规支护的补强和围岩极为破碎的巷道支护，目前是大跨度巷道、围岩破碎、矿压显现严重等巷道的最有效的支护方式。
可以用于井下任何巷道和峒室。
目前主要用在锚杆支护的薄及中厚煤层的瓦斯尾巷、锚杆网W钢带支护的综放工作面顺槽、棚式支架支护的综放工作面顺槽、巷道交岔点、极松散煤层全煤巷道以及对损坏巷道的维护等。
1）、悬吊作用
锚杆的悬吊作用是锚杆把将要冒落的软弱岩层或危岩悬吊在上部坚固稳定的岩体上，由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量。
锚索的悬吊作用是将被锚杆加固成的“加固拱”、“组合梁”悬吊在巷道顶板上部稳定的岩层中。
锚索悬吊作用
2）、加固拱（带）作用
对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，如果及时用锚索加固，就能提高岩体结构弱面的抗剪强度，在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定，而且能防止其上部围岩松动和变形的加固带，从而保持巷道围岩的稳定。
采用锚杆、网、W钢带、锚索组合支护时，锚杆作用是将顶板加固，使其形成一个加固带。
网的作用主要是维护锚杆间的顶板，防止碎小煤岩块掉落。
W钢带的作用是防止锚杆间的松动煤岩体的掉落，均衡各锚杆间的受力，与锚杆共同形成组合系统，增加顶板煤岩体的稳定性。
锚索的作用是将被锚杆加固的煤岩体悬吊到煤岩层上部稳定的岩层顶板中，限制岩层顶板之间的离层。
当锚索的密度较大，或者用锚索代替锚杆，采用全锚索支护时，锚索对巷道煤顶起到加固作用，因锚索长度、预紧力比锚杆大的多，所以形成的加固带比锚杆大的多，支护效果比锚杆支护好的多。
二）、矿用锚索的结构、材料及配件
预应力锚固技术是在预应力混凝土基础上发展起来的。
端头锚固式锚杆通常都有一定预应力，但它们的杆体较短，承受预应力较低，杆体抗拉强度也较低。
预应力锚索指那些长度较长（一般大于4m），预应力较高（通常预拉力大于100KN）、承载力较大的锚索。
预应力锚索种类繁多。
1、矿用锚索的结构、材料及配件
1）、小孔径预应力锚索及配件
小孔径预应力锚索是指钻孔孔径为25～28mm，采用树脂锚固剂锚固的锚索，一是施工简便，二是可快速承载，因而在煤矿实际应用上具有很大的优势。
在英国和澳大利亚，小孔径锚索在煤巷中普遍采用，我省煤矿目前应用的全部是小孔径锚索。
一般锚索长度5～10m。
极限承载力300KN以下,利用轻型锚杆钻机或台车即可进行钻孔施工。
2）、小孔径预应力锚索材料
小孔径锚索宜选用高强度预应力钢绞线，也可选用高强度精轧螺蚊钢或钢丝等其它高强度的材料。
采用钢绞线做锚索，既有一定强度又有一定柔性，运输和安装十分方便。
目前采用材料是：
7丝低松弛钢绞线、单孔夹片式锚具、树脂锚固剂。
3）、小孔径锚索结构
小孔径锚索的结构形式比较简单，通常采用单股钢绞线制成，一般分为锚固段、自由段和张拉端，见图2。
锚固段，通常采用粘结式，以水泥砂浆，水泥浆或树脂粘结，采用树脂卷锚固尤其方便。
现全部采用树脂卷的锚固方式，一般采用一卷1.0m以上的中速树脂卷。
自由段，这是连接锚固段与张拉端的索体部分，通过对锚索的张拉，使自由段产生弹性变形产生预应力。
张拉端，这是位于孔口外面的锚索部分，是锚索实现张拉和锁定的部位。
这部分还包括垫板、锚具等。
小孔径锚索结构形式
1－钢绞线；2－锚具；3－垫片；4－树脂锚固剂
L1－张拉端;L2－自由段;L3－锚固段
锚固段长度的确定
如采用树脂卷锚固，可按树脂锚固剂参数计算。
一般是通过现场拉拔试验确定，山西省顶板管理规定锚固长度不得小于1m。
自由段长度的确定
通常按最大岩层破裂面的深度来选取自由段长度，根据松驰要求，一般应在3.0m以上，并要超过破裂面1.0m以上。
张拉端长度确定
该段长度包括垫板，锚具厚度，另外按张拉工艺要求必须留足的外露长度与张拉千斤顶联接。
一般0.2～0.4m。
4）、矿用锚索分类
锚索类型比较复杂，按不同的方法分类，可以有多种类型：
按锚固形式分有：
机械式和粘结式。
现在采用的粘结式锚索，粘结剂为树脂锚固剂。
按张拉方式分有：
群锚张拉和单束或分束张拉。
目前使用的全部是单束张拉方式的锚索。
5）、锚索支护材料
钢绞线
钢绞线是矿用锚索的主体部分，主要作用是通过对钢绞线施加预拉力，使钢绞线产生预应力实现对巷道顶板的支护作用。
锚索材料应选用强度高、韧性好和低松驰的钢材。
目前较为广泛采用的７丝钢绞线断面面积较大，比较柔软，操作起来也方便。
钢绞线的捻向为左（S）捻。
丝钢绞线
预应力钢绞线经最终热处理后以盘圈状态交货，每盘钢绞线应由一整根组成，长度不小于200m。
常使用的钢绞线系列见下表：
系列号
钢绞线
树脂锚固剂
锚具
直径
（mm）
强度
（Mpa）
设计承载力
（kN）
预紧力（kN）
长度
（≥mm）
直径
（mm）
速度
1
15.2
1860
230
120
1000
23
双速
单孔
2
17.8
1860
320
160
1200
23
双速
单孔
3
21.6
1770
454
250
1200
23
双速
单孔
6）树脂锚固剂
树脂锚固剂的作用是将钢绞线与钻孔中的岩石粘结在一起，为锚索锚固在岩石体内提供预应力的根基。
当给钢绞线施加预拉力，或巷道围岩表面破碎位移时，钢绞线以锚固段为根基实现对顶板支护的目的。
树脂锚固剂应满足：
为保证锚固力，应具有一定的强度；为满足端部锚固、加长锚固与全长锚固的要求，应具有不同的胶凝时间；为安装方便，应具有比较好的物理性能。
7）锚具
锚索对巷道顶板支护作用主要取决于钢绞线的预应力大小。
锚具的作用是：
当钢绞线被施加预拉力后，用锚具锁紧钢绞线，保持钢绞线上的预应力，实现对巷道顶板的支护。
煤矿巷道锚索采用的锚具以夹片式为主。
锚具规格按钢绞线选取，因此，在使用中应按所用钢绞线规格选取相应的锚具，以保证锚具夹片与钢绞线之间有良好的匹配关系。
采用全锚索支护的巷道，巷道顶板两端角锚索的锚具要使用球形锚具，避免锚索在受力较大的情况下被剪切拉断，从而降低巷道支护强度，导致巷道顶板下沉。
在“双锚”巷道中，如出现因顶板不平整导致锚索钢绞线与托板不垂直的情况时，锚索的锚具要使用球形锚具。
巷道锁口锚索、固定棚梁锚索等其它非正常掘进支护锚索，如存在锚索钢绞线与托板不垂直的情况也要使用球形锚具。
目前使用的钢绞线配套的矿用锚索锚具型号：
KM15（直径15.2㎜钢绞线）、KM18（直径17.8㎜钢绞线）、KM22（直径21.6㎜钢绞线）。
球形锚具型号：
KMQ18（直径17.8㎜钢绞线）、KMQ22（直径21.6㎜钢绞线）。
8）托梁
因为锚索预拉力大，承载能力大，锚具的断面积较小，如果锚具直接作用在顶板岩石上，对顶板岩石的作用面积太小，不能控制岩石的破碎和落掉，并且会破坏顶板岩石，锚索会失去支护作用。
一般采用面积较大的钢板或槽钢等，垫在锚具与顶板岩石中间，这些槽钢称作托梁。
通过托梁保证钢绞线的预应力对岩层的作用，达到支护顶板的作用。
目前阳采用的托梁主要有以下两种：
槽钢托梁
利用12#～20#槽钢加式制成，长度0.4～3.0m不等，供压力小的巷道使用。
U型钢托梁
用于压力大的巷道支护。
0.4～1.2m长的托梁一般只用于一根锚索。
长度大于为1.5m的托梁，一般为两根锚索共用，为了节约费用，可以采用回收报废的29U型钢制作托梁。
2、锚索基本参数确定
（1）材料
①钢绞线：
1860级低松驰钢绞线。
选用钻孔机具时，必须要考虑孔钻直径与钢绞线直径的匹配情况，应选用直径25～27mm的钻头。
②锚具：
单孔锚具。
③托梁：
根据巷道的类型和压力情况确定，一般选用强度不低14#槽钢的刚性材料，长度不小于0.4m。
④锚固剂：
直径23mm的快速或中速树脂锚固剂。
⑤锚索长度
锚索长度根据巷道顶板岩层情况确定，应使锚索锚固到稳定的岩层中，当稳定岩层距巷道顶板距离大无法锚固到稳定岩层中时，锚索长度应超过自然平衡拱2m以上，并满足以下要求：
锚固段：
首先按钢绞线与树脂锚固剂的粘结力计算，然后再以树指锚固剂与钻孔岩石的粘结力来校核。
在实际中可以按现场拉拔试验来确定。
根据近几年现场使用情况，树脂锚固剂长度不应小于1m。
自由段：
自由段长度一般不小于3m，也可按岩层最大破裂面的深度来选取，要求超过破裂面至少1m。
张拉端：
张拉端长度要保证张拉工艺要求的长度，一般不小于0.15m。
⑥承载力、张拉预紧力
锚索设计承载力为230KN。
张拉预紧力为承载力的50～60%，根据围岩与压力情况确定，围岩较差时取大值，围岩好时取小值。
⑦锚索布置
锚索应尽量与岩层层面或主要裂隙面成较大角度布置，当岩层层面和主要裂隙不明显时，应与巷道顶板垂直布置。
⑧锚索间排距初步确定
锚索支护设计首先应根据巷道的地质预测情况，应用工程类比法，进行初步设计。
巷道开工后，应根据巷道所揭露的地质情况、矿压观测情况修正初步设计。
第二章锚杆、锚索支护相关规定
《煤矿安全规程》规定
1、第一百零二条采用锚杆、锚喷等支护形式时，应遵守下列规定：
（一）锚杆（索）的形式、规格、安设角度，混凝土强度等级、喷体厚度，挂网规格、搭接方式，以及围岩涌水的处理等，必须在施工组织设计或作业规程中明确。
（二）采用钻爆法掘进的岩石巷道，应当采用光面爆破。
打锚杆眼前，必须采取敲帮问顶等措施。
（三）锚杆拉拔力、锚索预紧力必须符合设计。
煤巷、半煤岩巷支护必须进行顶板离层监测，并将监测结果记录早牌板上。
对喷体必须做厚度和强度检查并形成检查记录。
在井下做锚固力试验时，必须有安全措施。
（四）遇顶板破碎、淋雨、过断层、老空区、高应力区等情况时，应加强支护。
第三章事故案例
案例1：
简要经过
某年某月某日晚六点班，某矿掘五队在k8111进风巷施工，作业人员到达工作地点后，工长发现巷道内加强锚索数量不够,煤头顶板局部塌落且加强锚索未涨拉。
在隐患未排除情况下就违章指挥工人进入煤头贯钎维护顶板，在贯钎过程中，顶板突然垮落，造成2人死亡。
事故原因
1、顶板加强锚索数量不够且未涨拉，造成顶板垮落将人埋压。
2、施工锚杆锚索时未及时维护顶板，冒险违章作业。
3、职工安全意识淡薄，没有坚持正规操作。
防范措施
1、15#煤下层巷道掘进严格执行“排排见锚索”的规定，锚索紧跟煤头。
2、强化安全监督检查，发现不安全隐患要及时处理，杜绝冒险作业。
3、加强职工安全培训教育及规程措施的贯彻执行，坚持正规操作。
案例2：
简要经过
某年某月某日零点班，某公司综掘七队在北采区皮带巷作业。
帮锚杆滞后煤头四排，打帮锚杆时，突然发生片帮将张某砸倒埋压，致其死亡。
事故原因
1、施工前未进行敲帮问顶。
2、空帮距离超过作业规程规定。
3、安全意识淡薄，自保互保责任制不落实。
防范措施
1、施工前严格进行敲帮问顶。
2、严格按照作业规程施工。
3、加强职工安全培训教育，落实自保互保责任。
案例3：
简要经过
某年某月某日8点班，新景矿开六队在南上轨道巷整修巷道，王某、李某负责打锚索。
在锚固锚索时，李某右手握住了转动的钢绞线，钢绞线与手套绞在一起，造成李某手指绞断并截去一节。
事故原因
1、职工违章戴手套手扶钢绞线。
2、互保、联保意识不强，对违章行为不及时制止。
3、工人安全意识差，未执行作业规程要求。
防范措施
1、必须严格按照作业规程施工，杜绝违章作业。
2、加强互保联保管理，提高安全保障。
3、加强作业人员的安全培训教育工作，提高工人安全意识。
案例4：
简要经过
某年某月某日8点班，掘二队任某在打眼的过程中，由于未将连接风钻的风水管吊挂在帮上，使其拖拉在盛满煤矸的小溜上，结果在小溜运转中煤矸带动风水软管向外拉，拽倒任某操作的风钻，任某躲闪不及，风钻打在后背上部造成左胸两根肋骨骨折，错位。
事故原因
1、任某在打眼前准备工作不到位，未将风水软管沿帮吊挂，造成自伤，是事故的直接原因。
2、当班跟班队干，工长和安全副工长安全检查监督不到位，是事故的主要原因。
3、职工安全事故防范意识不到位，也是事故的主要原因。
防范措施
1、加强职工安全教育，确保职工都能懂安全、能自主做到不安全不生产。
2、加强现场安全监督检查，确保施工安全。
3、规范现场操作行为，杜绝违章操作。
案例5：
简要经过
某年某月某日某矿建二部施工的二矿北菇进风井，队组在施工炮眼的过程中，打眼工张某施工完一个炮眼后，让旁边的打眼工崔某帮其一起拔钻。
当两人正在拔钻时，突然有一小块矸石砸在崔某肩上。
崔某感觉情况不对，拉了张某一把，但张某并未意识到危险。
随后一大块矸石砸在张某的头部，致使张某当场死亡。
事故原因
1、井帮局部喷浆厚度不够，个别地方存在岩石裸露造成掉矸，是造成事故的直接原因；
2、作业规程编制不完善、针对性不强，对井帮临时支护检查没有明确规定，是造成事故的主要原因；
3、现场管理工作存在漏洞，对现场隐患检查不细，未及时发现活矸的存在，是造成事故的重要原因。
防范措施
1、立井施工必须严格按照《煤矿安全规程》要求，永久支护的质量必须符合设计要求；
2、编制作业规程必须严格按照《煤矿安全规程》要求，明确每班应派专人观测井帮变化情况；
3、加强对职工的安全教育和培训，提高安全意识，重视隐患排查，严格敲帮问顶。
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