锚杆支护理论与实践.ppt

1、1主 要 内 容1锚杆支护发展锚杆支护发展2锚杆支护理论锚杆支护理论3锚杆支护体系锚杆支护体系4锚杆支护巷道冒顶调查分析锚杆支护巷道冒顶调查分析5设计方法设计方法6施工施工7综放沿空掘巷锚杆锚索支护技术综放沿空掘巷锚杆锚索支护技术8监测监测21锚杆支护发展锚杆支护发展2个阶段：以个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。分界点。锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固方式、监测技术等均发生了变化。方式、监测技术等均发

2、生了变化。美国、澳大利亚接近美国、澳大利亚接近100%100%，英国，英国80%80%，美国锚杆，美国锚杆支护为巷道顶板的唯一支护方式。支护为巷道顶板的唯一支护方式。我国我国1995年时约年时约15.15%15.15%，目前约，目前约50%。3锚杆支护使用范围锚杆支护使用范围、类全面推广，类全面推广，、类得到推广应用类得到推广应用综放沿空掘巷锚杆支护综放沿空掘巷锚杆支护软弱、破碎煤巷锚杆支护软弱、破碎煤巷锚杆支护三软煤巷锚杆支护三软煤巷锚杆支护深井煤巷锚杆支护深井煤巷锚杆支护4锚杆支护效果锚杆支护效果锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在：锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在：属于主动支护属

3、于主动支护将巷道围岩变成承载体将巷道围岩变成承载体对巷道不规则断面适应性强对巷道不规则断面适应性强巷道围岩变形量显著减小，安全生产得到保证，大幅巷道围岩变形量显著减小，安全生产得到保证，大幅度减少度减少了冒顶、瓦斯、火灾事故了冒顶、瓦斯、火灾事故简化巷道布置，减少岩石工程简化巷道布置，减少岩石工程实现沿空掘巷，提高煤炭资源采出率，延长矿井寿命实现沿空掘巷，提高煤炭资源采出率，延长矿井寿命锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是我国煤炭行业继综合机械化之后的第二次我国煤炭行业继综合机械化之后的第二次支护技术革命支护技术革命5拱型可缩性支架破坏木支架

4、严重损坏支架破坏实况架棚巷道变形和支架损坏情况架棚巷道变形和支架损坏情况6沿空掘巷维护状况沿空掘巷维护状况7锚杆支护巷道维护状况锚杆支护巷道维护状况82锚杆支护理论9（1）悬吊理论）悬吊理论机理：机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：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。10（1）悬吊理论）悬吊理论适用条件：适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层11（2）组合梁理论）组合梁理论机理：机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力

5、。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。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。适用条件：适用条件：层状地层顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。12（3）组合拱理论）组合拱理论机理：机理：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错，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

6、石径向及切向均受压，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。缺点：一般叙述，缺点：一般叙述，不能作为准确的定量设计。适用条件：适用条件：顶板无稳定岩层13（4）最大水平应力理论）最大水平应力理论机理：机理：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。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。14（4）最大水平应力理论）最大水平应力理论15围岩与支护强度的关系围岩与支护强度的关系围岩与支护强度的关系围岩与支护强度的关系随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度

7、提高，随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度提高，随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度提高，随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度提高，围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。（5）锚杆支护围岩强度强化理论）锚杆支护围岩强度强化理论16（5）锚杆支护强度强化理论）锚杆支护强度强化理论 锚杆与围岩相互作用，形成锚杆锚杆与围岩相互作用，形成锚杆围岩的共同承载围岩的共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值强度和残结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰

8、值强度和残余强度，特别是残余强度的提高，有效提高围岩的自承余强度，特别是残余强度的提高，有效提高围岩的自承能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。不稳定状态向稳定状态转变。17 锚固体锚固体C C、C C*、*随锚杆支护强度随锚杆支护强度 t t的增加而提高。的增加而提高。不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、值值锚杆支护强度锚杆支护强度 t/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力等效内聚力C/MPa0.34660.35680.36260.36770.38

9、280.37730.3869等效内摩擦角等效内摩擦角 /31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、*值值锚杆支护强度锚杆支护强度t/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力等效内聚力C*/MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940.021等效内摩擦角等效内摩擦角 */31.5131.5333.5135.5737.1438.840.418图图锚固体应力应变曲线图锚固体应力应变曲线图注：曲线上数字为锚杆支护强度注：曲线上数字为锚杆支护强度t（

10、MPa）锚固体强度随锚杆支护强度锚固体强度随锚杆支护强度t 的提高而得到强的提高而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。化，达到一定程度就可保持围岩稳定。锚固体锚固体 1、1*的表达式：的表达式：式中：式中：1锚固体极限强度，锚固体极限强度，MPa，1*锚固体残余强度，锚固体残余强度，MPa。t 锚杆支护强度，锚杆支护强度，MPa提高支护强度提高支护强度 t，可使，可使C、C*、*提提高；它们的提高，使高；它们的提高，使 1、1*显著增强。显著增强。发展高（超高）强发展高（超高）强度锚杆，提高支护强度度锚杆，提高支护强度 t 、围岩更加稳定。、围岩更加稳定。193锚杆支护体系锚杆支护体系20

11、3.1 锚杆的结构类型1）钢筋或钢丝绳砂浆锚杆钢筋砂浆锚杆钢丝绳砂浆锚秆钢筋或钢丝绳砂浆锚秆是全长锚固型锚杆。设计锚固为为3050KN。212）全属倒楔式锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成，属端头锚固型，安装后可立即承载，可回收。锚固力达40kN左右。常用于围岩比较破碎，需要立即承载的地下工程。223 3）楔缝式锚杆楔缝式锚杆 234 4）胀壳式锚杆胀壳式锚杆 245 5）两瓣涨圈式锚杆）两瓣涨圈式锚杆 25用树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下，将锚杆的头部粘结在锚杆孔内。端头锚固型树脂锚杆是由树脂药包树脂药包和杆体杆体组成。6 6）树脂锚杆）树脂锚杆267 7）注浆锚杆）注浆锚

12、杆 27快硬水泥锚杆的杆体结构与树脂锚杆相同，是端头锚固型锚杆。8 8）快硬膨胀水泥锚杆）快硬膨胀水泥锚杆28 管缝式锚杆是采用高强度钢板卷压成带纵缝的管状杆体外径38.1，用凿岩机强行压入比杆径小23mm的锚孔，为安装方便，打入端略呈锥形。由于管壁弹性恢复力挤压孔壁而产生锚固力，属全长锚固型锚杆。对地层横向错动，有良好适应能力，钻孔变弯曲，锚固得更牢。9 9）管缝式锚杆）管缝式锚杆29 结构可伸缩式锚杆结构可伸缩式锚杆。这种锚杆是对杆件、内锚头、外锚头及托板等构件采用特殊结构实现可伸缩的目的。1010）可伸缩式锚杆）可伸缩式锚杆30（2）杆体可伸缩锚杆）杆体可伸缩锚杆用优质钢材，并对材料进行

13、专门加工处理，可制成较大延伸率的锚杆杆体。3111）其它锚杆l水力膨胀式锚杆l胀裂式速效预应力锚杆l玻璃钢锚杆l中空自钻式锚杆32玻璃钢锚杆中空自钻式锚杆333.2目前我国锚杆支护体系及要求目前我国锚杆支护体系及要求（1）锚杆）锚杆高强度、大直径。破断载荷一般在高强度、大直径。破断载荷一般在200300kN以以上，近年应用破断载荷上，近年应用破断载荷400kN以上的锚杆。以上的锚杆。延伸率均大于延伸率均大于15%锚杆直径锚杆直径2022mm稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道可稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道可以采用以采用Q235圆钢制造。圆钢制造。34采用左旋、无纵筋高强度螺纹钢

14、锚杆，等强（锚采用左旋、无纵筋高强度螺纹钢锚杆，等强（锚杆尾部螺纹部分采用墩粗或热处理、滚丝）杆尾部螺纹部分采用墩粗或热处理、滚丝）锚杆成套：杆体、托盘（钢板轧制，厚度根据矿锚杆成套：杆体、托盘（钢板轧制，厚度根据矿压确定）、球形垫圈（铸钢）、减摩垫圈（压确定）、球形垫圈（铸钢）、减摩垫圈（1个聚个聚氨酯、氨酯、1个铝合金）、螺母（高强度、快速安装螺个铝合金）、螺母（高强度、快速安装螺帽）帽）35（2）锚固剂及锚固方式）锚固剂及锚固方式锚固剂：树脂药卷，一般采用凝结速度为超快与中速锚固剂：树脂药卷，一般采用凝结速度为超快与中速的树脂药卷配合。的树脂药卷配合。36锚固方式锚固方式锚固方式锚固方式

15、全长锚固全长锚固全长锚固全长锚固：锚杆中部受力最大；增阻速度快。具有较：锚杆中部受力最大；增阻速度快。具有较大的抗剪切能力。增加岩层间的法向力，阻止层间错大的抗剪切能力。增加岩层间的法向力，阻止层间错动，防止离层。在锚固范围内锚杆伸长动，防止离层。在锚固范围内锚杆伸长1mm，可产生，可产生1020kN的锚固力，支护刚度大。的锚固力，支护刚度大。端头锚固：端头锚固：类。类。全长或加长锚固：全长或加长锚固：类类37使用药卷长度一般使用药卷长度一般CK2335、Z2360mm，复合顶板一，复合顶板一般采用双速般采用双速2360和和Z2360。38（3）三径匹配）三径匹配钻孔直径比锚杆直径大钻孔直径比

16、锚杆直径大610mm钻孔直径比树脂药卷大钻孔直径比树脂药卷大6mm左右左右一般钻孔直径一般钻孔直径29mm，锚杆直径，锚杆直径20、22mm，树脂，树脂药卷直径药卷直径23mm。锚固力与钻孔直径、锚固力与钻孔直径、锚杆直径的关系锚杆直径的关系39（4）网及钢带）网及钢带网：采用金属网、塑料网。严禁将最前排锚杆网：采用金属网、塑料网。严禁将最前排锚杆螺帽松开或等待后压网。螺帽松开或等待后压网。钢带：钢筋梯子梁、钢带：钢筋梯子梁、M型钢带、型钢带、W型钢带等。型钢带等。要求钢筋梯子梁采用要求钢筋梯子梁采用高强度高强度焊条焊接，防止开焊条焊接，防止开焊。钢带的厚度或钢筋直径根据矿压确定。焊。钢带的厚度或钢筋直径根据矿压确定。40（5）施工机具）施工机具机载锚杆钻机机载锚杆钻机钻机钻机顶板：风动锚杆钻机、液压钻机、凿岩机顶板：风动锚杆钻机、液压钻机、凿岩机两帮：强力煤电钻、帮锚杆钻机两帮：强力煤电钻、帮锚杆钻机钻头：合金钢钻头、金刚石钻头钻头：合金钢钻头、金刚石钻头钻杆：钻杆：B19、B22六方中空合金钢钻杆六方中空合金钢钻杆安装器：顶板锚杆采用锚杆钻机，帮锚杆采用风炮安装器：顶板锚杆采用锚杆