第四讲锚杆支护理论.docx

1、第四讲锚杆支护理论第四讲锚杆支护理论本讲主要介绍锚杆常用支护理论 包括一些近年来比拟流行和活跃的理论、锚杆支护设计方法和国外锚杆支护主 要经验，以与巷道容易冒顶的十种情况和五种应对措施。锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。 目前己提出的观点较多，其中影响较大的有悬吊作用、组合梁 （拱）作用、组合拱、减跨理论、加固（提高C、巾值）作用等几种。这几种观点 都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉 （力）为前提来解释锚杆支护作用机理的，因此，围岩状态与锚杆受拉力这两个前提 的客观性是判定上述理论正确性的标准。一、锚杆支护理论支护：就是指为了地下巷道掘进、侗室开挖后的稳定与 施工安全，而采取的支持、加强或改善围岩

2、应力状态而打设 的构件或采取的措施的总称。支护包括两个方面，一是支， 就是顶住顶板，防止顶板出现大虽的下沉，使顶板下沉控制 在可控、安全的状态，二是护，就是保持顶板的完整性，防 止出现漏砰、漏顶、巷道掉渣等现象。支和护是一个有机统 一的整体，它们共同组成了支护系统。一锚杆支护理论综述1、悬吊理论1机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以 防止较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自 被悬吊的岩层重H。图4-1锚杆悬吊作用原理示意图2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。3适用条件：在锚杆的长度 X围内有一层坚硬而稳定 的岩层，锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层。

3、图4-2 a拱形巷道的锚杆悬吊作用 b软弱岩层的锚杆悬吊作用2、组合梁理论1机理：将锚固 X围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，防止各岩层出现离层现象，提 高其自撑能力。将几层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。在于 通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁 （板）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钏钉加固的组合梁，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。决

4、定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力与杆 体强度和岩层的性质。2缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板 较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。这一观点有 一定的影响，但是其工程实例比拟少，也没有进一步的资料 供锚杆支护设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以计算， 而且组合梁在形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。另 外，岩层沿巷道纵向有裂缝时粱的连续性问题、梁的抗弯强 度等问题也难以解决。3适用条件：层状地层，如图4-3中2所示；顶板在相当距离内锚杆长度X围内不存在稳定岩层,悬吊作用处于次要地位3 lb)图4-3锚杆的组合梁作用 a未打锚杆叠合梁 b布置锚杆组合梁3、组合拱理论1机

5、理：在破碎区安装预应力锚杆时，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，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交 织，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与切向均受压，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。2缺点：一般不能作为准确的定虽设计。3适用条件：顶板无稳定岩层。图4-4 a锚杆的组合拱作用原理示意图b锚杆的减跨作用示意图4、 减跨理论1机理：把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠 合梁（板），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

6、了点柱，增加了支点，减少了顶板的跨度 （如图），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。2使用条件：同悬吊理论，其实质就是锚杆的“减跨 作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。3缺点：它也未能提供用于锚杆支护参数设计的方法 和参数。5、 围岩松动圈巷道支护理论围岩松动圈巷道支护理论是在对围岩状态进展深入研 究后提出的，通过研究，发现松动圈的存在是巷道围岩的固 有特性，它的X围大小（厚度值）目前可以用声波仪或者多点 位移计等手段进展测定。松动圈理论认为：巷道支护的主要对象是围岩松动圈产 生、开展过程中产生的碎胀变形力，锚杆受拉力的来源在于 松动圈的发生、

7、开展，并根据围岩松动圈厚度值大小的不同 将其分为小、中、大三类，松动圈的类别不同，如此锚杆支 护机理也就不同。本理论认为，巷道支护的对象除松动圈围岩自重和巷道 深部围岩的局部弹塑性变形力外，还有松动围围岩的变形力。后者，往往占据主导地位。简而言之，巷道支护的对象主要是围岩松动圈在形成过程中的岩石碎胀力。在现有支护条件下，试图用支护手段阻止围岩松动破坏 是不可能的。松动圈理论认为，支护的作用是限制围岩松动圈形成过 程中碎胀力所造成的有害变形。支护对破碎围岩的维护作用： 松动圈开展变形过程中维持破碎岩块相互啮合不垮落， 通过提供支护阻力限制破裂缝隙过度扩X,从而减少巷道的收敛变形。1小松动圈40c

8、m,只用单一喷混凝土支护即可达到支护的目的。2中松动圈40cm150cm围岩碎胀变形比拟明显，变形虽较大，使刚性的喷射混凝土支护产生裂缝或破坏， 必须采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方式，以锚杆为主体支护结构控制其碎胀变形，喷层 将只作为锚杆间活石的支护和防止围岩风化。由于围岩松动圈厚度小于常用锚杆长度， 因此可采用锚杆悬吊作用机理来设计支护参数。3大松动圈150cm围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形虽大，初期围岩收敛变形速度快，变形持续时间长，矿压显现大，支护难度大。支护不成功时，巷道底板出现底鼓。在这 种条件下，如果用悬吊理论设计锚杆支护参数，常因设计锚 杆过长、过粗而失去其普遍应

9、用的价值。在单根锚杆作用下每根锚杆因受拉应力而对围岩产生 挤压，在锚杆两端周围形成一个两端圆锥形的受压区，合理 的锚杆群可使单根锚杆形成的压缩区彼此联系起来， 形成一个厚度为b的均匀压缩带。对于拱形巷道，压缩带将在围岩 破裂处形成拱形；对于矩形巷道，压缩带将在围岩破裂处形 成矩形结构，统称之为组合拱作用机理。表4-1松动圈分类表围岩类别松动圈支护方法备注小I稳定300二次支护无稳定期6、锚杆支护的“关健承载圈与 扩容一稳定理论由煤炭科学研究总院开采所康红普博士提出， 该理论认为：巷道围岩的变形和破坏状态在掘进、稳定、回采等不同 阶段是不同的，具有显著差异。因此主 X根据围岩的状态特点分另U按

10、关键承载圈理论和 扩容-稳定理论分析阐述锚杆支护的作用机理。1关键承载圈是指在巷道周围围岩一定深度的 X围内，存在一个能承受较大切向应力的 岩石圈，该岩石圈处于应力平衡状态，具有结构上的稳定性，可以用来悬吊承 载圈以内的岩层。关键承载圈理论认为， 承载圈以内的岩石重虽是支护的 对象一一即荷载高度。理论分析与工程实践明确：承载圈厚度越大，圈内应力 分布越均匀，承载能力越大；在对围岩未采取人工支护等控 制措施时，承载圈离巷道周边越近，荷载高度越低，巷道越 易维护。关键承载圈的位置与厚度， 可以根据对围岩状态的分析计算得出。关键承载圈理论认为，当载荷高度不大，通常锚杆 长度能够伸入到关键承载圈中时，

11、用“关键承载圈观点阐 述锚杆支护机理。其主要观点是：(1)关键承载圈以内的岩石重it是支护的对象， 荷载高度是关键承载圈以下的不稳定岩层的高度。(2)锚杆的支护作用主要是： 将破坏区岩层与关键承载圈 相连，阻止破碎岩层垮落；对围岩提供径向、切向约束力， 阻止破坏区岩层的扩容、离层、滑动，提高破碎区的承载能力，如图4-5所示。图4-5锚杆支护的关键承载圈理论示意图2扩容一稳定理论巷道经受采动影响之后，围岩的破坏 X围会逐渐扩大,当通常锚杆的长度不能伸入到关键承载圈时，依据“扩容 稳定理论阐述锚杆支护的作用，主要观点：(1)锚杆要控制围岩的扩容变形， 阻止深部破碎岩层的进一步扩容相离层。(2)在破

12、坏区内形成 次生关键承载层，使围岩深部关键承载圈内的应力分布趋于均匀和内移， 提高关键承载圈的承载能力。(3)锚杆对煤帮的控制效果尤为明显， 由于煤层强度较低且受到采动影响程度较为严重， 所以回采巷道两帮支护显得尤为重要，安装锚杆后，对煤帮的扩容、松动和挤出均有控制 作用，加钢带后效果会更好。扩容一稳定理论的核心思想就是控制围岩的扩容变 形，形成次生关键承载层，提高承载圈的承载能力使围岩趋 于稳定。次生关键承载层厚度的影响因素很多， 当其厚度较薄且远小于巷道尺寸时，在水平应力的作用下，次生关键层很容 易发生“压曲失稳、弯曲失稳破坏，造成巷道支护失败。因此，合理确定次生关键承载层的厚度至关重要，

13、锚杆 的存在，减小了岩层压曲或者弯曲失稳的可能性，锚杆预紧 力越大，支护效果越好。二锚杆索支护作用机理分析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X开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，尽虽使围岩 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性和稳固性。2、 在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构，阻止锚 固区外岩层离层，改善围岩深部的应力状态。3、 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。较高的预应力要求锚杆具有较高的强 度。4、 锚杆预

14、应力的扩散对支护效果同样重要。单根锚杆 预应力的作用X围有限，必须通过托板、钢带和金属网等构 件，将预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。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、锚索的作用主要有两个方面：一是将锚杆形成的次 生承载结构与深部围岩相连，提高次生承载结构的稳定性。 二是锚索施加较大的预紧力，挤紧和压密岩石中的层理、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。二、锚杆的三径匹配1、 钻孔直径比锚杆直径大 610mm。2、 钻孔直径比树脂药卷大 6mm左右。3、 一般钻孔直径 29mm，锚杆直径20、22mm ,树脂药 卷直径23mm。图4

15、-6锚固力与钻孔直径、锚杆直径的关系 三、锚杆支护设计锚杆支护设计可归纳为三大类，分别是工程类比法、理 论计算法、以计算机数值模拟为根底的动态系统设计方法。 我们今天主要讲理论计算法，其他方法简单介绍一些。一工程类比法：是一种实用的方法，在我国锚杆支 护设计中占主导地位。这种方法是在已有的大虽、成功实践 的根底上，根据巷道的生产地质条件确定支护参数主要有以回采巷道围岩稳定性分类为根底的工程类比法； 巷道围岩松动圈分类为根底的工程类比法。 采用我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道稳定性分类方案 ，将巷道分为 5类。制订相应的煤巷锚杆支护技术规 X。二动态系统设计方法：首先进展地质力学评估含 地应力测试，

16、将地质力学参数、锚杆参数等输入计算机数 值模拟软件，以围岩强度强化理论为依据，按控制围岩变形 效果和经济合理的原如此选择最优方案，组织施工，并对巷 道围岩稳定状况和锚杆载荷监测， 根据监测反应信息确定是否调整锚杆支护参数，经反复实践，在动态中修改完善设计。三理论计算方法k的取值1、按加固拱原理确定锚杆参数：1顶锚杆x (1.1+4.2/10)=1.52m ;根据我矿支护经验，锚杆长度取L =2.0-2.2m。式中：L一锚杆长度；N一围岩稳定影响系数，取 1.0m；B一巷道跨度。(2)锚杆直径：D =L/110=2.0-2.2/110=0.018-0.02m , 取 D=18-20mm。(3)锚

17、杆间距：d x 2.2=1.1m ,取间排距为900 X1000mm。(4)锚杆型号：选用巾18-20X 2000-2200mm 的 左旋无纵筋锚杆，其锚固力A 100KN/根；配用 W钢带与巾4mm的钢网联合支护顶板。2巷帮锚杆：巷帮支护锚杆选用巾 20 x 2200mm的左 旋无纵筋锚杆，并配合巾14mm的钢筋梯形梁和巾4mm的钢 网联合支护。2、按悬吊理论确定锚杆参数：1锚杆长度L,L=Lj+L2+L3 =50+1200+300=1550mm设计锚杆长度L=2200mm式中：L1锚杆外露长度L2软弱岩层厚度，可根据柱状图确定 mmL3锚杆伸入稳定岩层深度 一般不小于300mm2锚固力N:

18、可按锚杆杆体的屈服载荷计算N=Tt/4(d2b 屈XX 0.02 2x 335x 106=105KN式中：b屈杆体材料的屈服极限 Mpa ; d杆体直径3锚杆间排距锚杆间距D 1/2LD 4小值：iB巷道跨度， m； bi最上一层岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0.3-0.4倍，单位为 MPa； (T x 原岩水平应力，o- x-入rz MPa,入一侧压力系数，一般为0.25-0.4, Z一巷道埋深,m。锚杆间距以上所选锚杆长度，还需验算组合梁各层间不发生相对 滑动，并保证最下面一层岩层的稳定性。D i( b i/KP)/2式中：m i 最下面一层岩层的厚度 mK安全系数，取 8-10P本层自

19、重均布荷载 P=rimiMPa ;ri 最下面一层岩层的容重， KN/m 3四、国外锚杆支护主要经验：1、 美国锚杆支护技术的精髓是 两高一大。高强度螺纹钢；高预拉力涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力， 锚杆的预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%；大排间距。2、 澳大利亚主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆设计方法是将地质调研、 设计、施工、监测、信息反应等相互关联、相互制约的各个局部作为一个系统工 程进展考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护 系统的设计方法。3、 波兰主要推广与时支护技术，在巷道开挖后，与时 进展支护，以适应围岩应力重新分布的

20、要求，与时控制围岩 变形。4、 国外锚杆支护的开展现状，即成功经验1采用高强度、超高强度材料制造锚杆，加工精细， 将锚杆作为产品、实现了产业化、商品化，而不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的系列化产品。2形成一整套比拟科学的设计方法，以巷道围岩地 质力学评估与井下实测数据为根底， 强调最大水平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用。3采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥 视仪、顶板离层指示仪、围岩深部多点位移计、测力锚杆等 监测仪器。4坚持科学管理，严格质虽监测，形成了从理论到 实践的完善的锚杆支护技术体系。5有比拟可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘 进机或性能良好的单体锚杆钻机，

21、满足施工要求，并能实现 快速掘进。五、掘进巷道容易冒顶的十种情况一淋水严重的地点1、 淋水大的地点往往是节理、裂隙发育的地点，顶板 完整性差。2、 水对顶板围岩强度的降低起到很大的作用，使顶板 岩层软化，强度下降。3、 一些隐性的节理裂隙不易发现，容易发生突然性冒 顶事故。二地质构造破碎带附近。三掘进头0-30米附近，是危险区，围岩形成塑性区, 发生了塑性变形不可逆，进而产生塑性破坏。四回采工作面上下端头 0-30米X围。1、 受超前支撑压力影响。2、 采动压力影响。3、 上述二者叠加的影响。五开切眼1、巷道跨度大，稳定性差。巷道的稳定性与其跨度的 平方成反比。图4-7影响巷道稳定的四要素2、

22、有些切眼的跨度超过了直接顶的初垮步距，维护困3、所需锚索的长度大，需要大于其跨度的三分之二六巷道交叉点1、悬露面积大稳定性差。2、 应力集中系数高。一般比其它地点要高 50-60%。3、 冒顶突然，隐蔽性强。七埋深大和高应力区域埋深与围岩应力成正比， 埋深乘以0.025就是原岩应力。八围岩强度低的区域顶板岩性为泥岩、 砂质泥岩、 遇水软化崩解的岩石等度岩强度低，顶板岩层的抗拉强度就小，顶板岩层容易 破坏，不好控制。九二次采动影响巷道和回撤通道受二次采动影响的巷道经历了两次上覆岩层大结构关 键块的断裂、回转、下沉等全过程的采动影响。十锚杆锚索使用不当的地点。1、 三径不匹配。2、 锚杆锚索长度不足。3、 托盘不紧贴顶板，预紧力不足。米取的措施：加强支护1、 增加锚杆、锚索的支护密度，也就是缩小锚杆、锚 索的间排距。2、 采取锚索+钢带联巷支护。3、 锚网喷联合支护。4、 主动支护与被动支护结合的联合支护措施。5、 顶板加固。注浆水泥浆、化学浆、高分子材料等锚注