锚杆

nullnull 采煤概论 吴 启 勇 副 教 授 电话： 13107121828 QQ：78922945第九讲 巷道掘进（三）： 巷道锚喷支护 第九讲 巷道掘进（三）： 巷道锚喷支护 巷道掘进（二）： 一、钻眼爆破 （上）钻眼机具 （下）爆破材料 二、装岩和运输 三、巷道掘进辅助工序 巷道掘进（三）： 四、巷道支护（锚喷支护）四、巷道支护（锚喷支护）　　 为了保持巷道的稳定性，防止围岩发生垮落或过大变形，巷道掘进后一般都要进行支护。 在巷道施工中，支护工作量占有很大的比重，支护的工作进度直接影响成巷速度。　四、巷道支护（锚喷支护） 过去，人们常把架设各种形式的支架作为维护巷道的主要手段。我国煤矿的巷道支护，曾先后采用过不同结构形式的木材支架、金属支架、预制钢筋砼支架，以及料石砌碹、整体浇灌砼碹等等。 过去，人们常把架设各种形式的支架作为维护巷道的主要手段。我国煤矿的巷道支护，曾先后采用过不同结构形式的木材支架、金属支架、预制钢筋砼支架，以及料石砌碹、整体浇灌砼碹等等。　　null 以上这类支架在各个发展阶段，对维护各种不同巷道都取得了一定的效果。但这类支架不能积极地发挥围岩的自承能力，而是靠支架构件的强度消极被动地承受地压，因此不仅消耗支架材料多，劳动强度大，而且施工速度慢，严重影响了巷道快速施工。 （一）锚喷支护的优越性 　　 近三十年来，锚喷支护的推广使用，是巷道支护技术的重大进步。由于锚喷支护的施工工艺和支护原理与传统的被动支护迴然不同，因而它具有很大的优越性。 　 棚式支架和石材支架是在巷道围岩的外部对岩石进行支撑，它只是被动地承受围岩产生的压力和防止破碎的岩石冒落。 锚杆支护则是通过锚入围岩内部的锚杆改变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岩石带，利用锚杆与围岩共同作用,达到维护巷道稳定的目的。所以它是一种积极防御的支护方法，是巷道支护技术的重大突破。（一）锚喷支护的优越性null 其优越性主要体现在以下几个方面： 1、施工工艺简单，机械化程度高，有利于减轻劳动强度和提高工效； 　 2、施工速度快，为组织巷道快速施工、实现掘进与支护平行作业一次成巷创造了有利条件； 　　3、能与围岩形成共同工作的力学体系，能充分发挥围岩的自承能力，因而支护效果好，用料省。支护厚度比料石砌碹减少1/3－1/2，用钢量仅为U形钢支架的1/12－1/15，从而减少井巷掘进和巷道支护工程量；null　　　 　　　4、质量可靠，施工安全。锚杆与喷射砼（砂浆）结合使用，喷射砼层与围岩紧密粘贴，只要保证喷射厚度和砼的配合比，施工质量就能得到保证，又因喷射砼能够紧跟掘进工作面进行喷射，可用时有效地控制围岩变形和松动，保持巷道稳定； 　　　5、适用范围广。锚喷(网)联合支护，不仅广泛应用于矿山井巷硐室工程，在交通隧道及其它地下建筑工程中也得到了广泛应用；它既适用于中等稳定岩层，也能用于节理裂隙发育的松软破碎岩层；既可作为巷道的永久支护，也可用于临时支护和处理冒顶事故。null　　　但也必须看到，锚喷支护作为一种新的支护技术还在不断发展完善过程中，还存在一些有待进一步解决的问题，譬如降低粉尘和减少回弹问题，施工机械化配套问题以及锚喷支护设计理论问题等等。 　　　总的来说，锚喷支护是一项多快好省的支护方法，是一项先进可行的施工技术，它具有广阔的发展前途和强大的生命力。因此《煤矿井巷工程锚杆、喷浆、喷射混凝土支护设计规范》规定，煤矿立井、斜井、平硐、巷道和各种硐室工程的设计一般采用锚喷支护。（二）锚杆支护的作用原理（二）锚杆支护的作用原理1、加固拱作用 2、悬吊作用 3、组合梁作用 4、围岩补强作用 5、减少跨度作用 null1、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，如果及时用按一定密度布置的锚杆加固，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、而且能阻止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而能保持巷道的稳定性。null　　　 兰格（T.A.Lang）通过光弹性试验论证了加固拱的形成。在弹性体上安装具有预张力的锚杆，在弹性体内便以锚杆的锚头和拧紧部为顶点，形成算盘珠式分布的锥形体压缩带，如果把锚杆以适当间距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩带相重叠，就会形成一个厚度为ｂ的均匀连续压缩带（图10－13）。它不仅能保持自身的稳定，而且能阻止上部围岩的松动和变形。挤压加固拱的形成关键在于对锚杆施加预张应力。锚杆预应力的作用，一方面在锥体压缩区内产生压应力，从而增大了岩块之间的内摩擦力，提高了岩体强度；另一方面使压缩带内的岩石处于三向受压状态，使岩体强度得到提高。 　　null　　　　　 图10－13　锚杆的挤压加固拱作用 （ａ）单体锚杆对破裂岩石的控制；（ｂ）锚杆的挤压加固拱 1－锚杆；2－岩体挤压加固拱；3－喷混凝土层；4－岩体破碎区null 试验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：加固拱厚度ｂ取决于锚杆长度L与锚杆间距D的比值，其关系见表10－2。 　　对于我国大量使用的一般不进行预张拉的钢丝绳砂浆锚杆是否也有加固拱的效应呢？国内一些单位的试验证明，非张拉的钢丝绳（或钢筋）砂浆锚杆，同样可以加固围岩、形成加固承载拱。 　　　 表10－2　加固拱的厚度与锚杆参数的关系null 2、悬吊作用　 所谓悬吊作用，是指把将要冒落的危岩或软弱岩层，用锚杆悬吊于深部完整坚固的岩体上，由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量（下页图）。如果对锚杆施加一定预张拉力，增加岩层间的摩擦力，还能进一步增强其抑制围岩移动的效果。可见，即使在这样特定的条件下，锚杆也并不是起单纯悬吊作用，而同时对围岩起着组合加固的作用。 图10－14锚杆悬吊作用 (a)悬吊软弱层状顶板 (b)悬吊危岩 图10－14锚杆悬吊作用 (a)悬吊软弱层状顶板 (b)悬吊危岩 null 3、组合梁作用 对于平顶巷道的层状顶板可以看作是以巷道两帮为支点的迭合梁。组合梁作用是指将层状岩体各层间用锚杆连结并紧固(图１０—1５)，锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固约组合粱。试验研究证明：几块板迭合在一起的迭合梁，由于层间抗剪力不足，在荷载作用下，各层板都有各自的单独弯曲，各层板的上下缘分别处在受压和受拉状态（图10－15ａ）。null 　 　　 当锚杆将它们紧固之后，各层板便相互挤紧，层间摩擦阻力大大增加。在荷载作用下各层之间基本上不发生离层、错动，就象是同一块板的弯曲，大大增加了板系的抗弯强度（图10－15ｂ）。因此，在层状顶板的巷道中，在顶板上安装了锚杆，便把层状顶板由迭合梁变成组合梁，从而提高了顶板岩层的承载能力；而锚杆本身也起到抗剪销钉的作用，能更有效地阻止岩层的层间错动。 null 板梁组合前后的挠度和内应力对比null 4、围岩补强作用 巷道围岩深部的岩石处于三向受压状态。靠近巷道周边的岩石则处于双向受力状态，所以容易破坏而丧失稳定性。巷道周围安装锚杆后，相当于岩石又恢复了三向受力状态，从而增大了它的强度。另外，锚杆还可以增加岩层弱面的抗剪强度，使围岩不易破坏和失稳。这就是锚杆对围岩的补强作用。null*null　　　　 5 、减少跨度作用 　　　　巷道顶板打了锚杆，相当于在该处增加了支点，减少了顶板跨度，从而增强了顶板岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。 　　　　必须指出的是，锚杆支护的上述几种作用并不是各自孤立存在，而往往是同时并存、相互补充的，只不过在不同条件下某种支护作用占主要地位而已。例如，在拱形巷道中用锚杆加固围岩，加固拱的作用是主要的；而在支护平顶层状顶板巷道中，组合梁作用则是主要的。null*null（三）锚杆的类型、结构和适用条件 　　　 目前国内外使用的锚杆类型很多，但按其对岩体的锚固方式来说，不外乎“机械锚固型”（点负荷式）和“全面胶结型”两类。 “机械锚固型”的特点是，通过眼底端的锚头和另一端的紧固部分，使锚杆体受张拉而抑制围岩的变形和松动。 “全面胶结型”（如砂浆锚杆）则是通过杆体与孔壁间的胶结材料（水泥砂浆），使锚杆在钻孔的全长范围内与岩石粘结在一起，对岩体产生锚固作用。 　　　null 实践证明：在各种地质条件下，尤其是在不良地质条件下，“全面胶结型”锚杆的锚固性能比较优越。 一方面，随时间的推移，“机械锚固型”锚杆的锚头容易锈蚀、滑脱，锚头附近的岩石也可能发生松驰、破坏，导致锚杆的锚固力降低； 另一方面“全面胶结型”锚杆抑制岩体裂隙张开的能力远比“机械锚固型”强。 其原因是什么呢？ 这是因为，当围岩裂隙发生松驰时，“全面胶结型”锚杆仅在裂隙处的短段上伸长，所以产生较大的单位应变，使杆体对岩体裂隙施加一个很大的约束力，从而能够有效地阻止岩体进一步松驰；而“机械锚固型”锚杆，由于锚头和紧固部分之间的杆体与孔壁之间留有空隙，当岩体裂隙张开时，则在整个锚杆长度上均匀伸长，其单位应变仅为前者的一小部分，因此，它抑制围岩裂隙张开的能力要比“全面胶结型”锚杆差得多。 这是因为，当围岩裂隙发生松驰时，“全面胶结型”锚杆仅在裂隙处的短段上伸长，所以产生较大的单位应变，使杆体对岩体裂隙施加一个很大的约束力，从而能够有效地阻止岩体进一步松驰；而“机械锚固型”锚杆，由于锚头和紧固部分之间的杆体与孔壁之间留有空隙，当岩体裂隙张开时，则在整个锚杆长度上均匀伸长，其单位应变仅为前者的一小部分，因此，它抑制围岩裂隙张开的能力要比“全面胶结型”锚杆差得多。null 1、金属倒楔式锚杆　　 这种锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成，如下页图。杆体用14－22mm圆钢制作，它一端有螺纹，另一端与固顶楔浇注在一起。固定楔、倒楔、垫板用铸铁制作，安装时，将活动倒楔的小头朝向孔底并与固定楔梆在一起，一齐送入锚杆孔的底部，然后用一专门锤击杆插入孔内，打击倒楔尾部，最后套上垫板，拧紧螺帽。null　 　　　这种锚杆属端头锚固型，安装后可立即承载，结构简单，加工方便，并可回收，锚固力可达40KN左右，常用于围岩比较破碎，需要立即承载的地下工程。 　　1－固定楔；2－活动倒楔； 3－杆体；4－垫板；5－螺帽 null2、钢筋或钢丝绳砂浆锚杆 　　 　　 1、钢筋砂浆锚杆：是先在锚杆孔内注滿M2.5以上的水泥砂浆，在初凝前插入16－20mm螺纹钢筋而成，利用砂浆与钢筋、砂浆与孔壁间的粘结力锚固岩层。 2、钢丝绳砂浆锚杆：它是利用直径10－19mm的废旧钢丝绳代替钢筋插入锚杆孔内，然后注入砂浆固结而成。钢丝绳砂浆锚杆成本低，广泛用于有一定自稳时间的岩石巷道，特别是巷道两帮。由于不能立即承载，在围岩破碎处不宜使用。 　　图中：1－钢丝绳　　2－砂浆 3－钢筋 　　　　 　　图中：1－钢丝绳　　2－砂浆 3－钢筋 　　　　null3、树脂锚杆 　 树脂锚杆是由树脂药包和杆体组成（如图20）。安装时，药包用锚杆体送入孔后，转动杆体将药包捣破，随之上垫板拧紧螺帽，使药包内以合成树脂为粘结剂、在固化剂和加速剂进行化学反应而成高分子聚合物，将锚头与孔壁岩石粘结在一起。 　　树脂锚杆多为端头锚固型，不宜用于软岩。由于成本较高，上世纪80年代后有被快硬水泥锚杆和快硬膨胀水泥锚杆取代的趋势。 　　　　图10－20　树脂锚杆及药包示意图 　1－树脂、加速剂填料；2－固化剂和填料；3－玻璃管纤； 4－玻璃纸或聚脂薄膜外袋；5－左旋麻花；6－挡圏图10－20　树脂锚杆及药包示意图 　1－树脂、加速剂填料；2－固化剂和填料；3－玻璃管纤； 4－玻璃纸或聚脂薄膜外袋；5－左旋麻花；6－挡圏null4、快硬水泥锚杆 快硬水泥锚杆的杆体结构与树脂锚杆相同，只是用快硬水泥代替了树脂药卷（如下图所示）。水泥卷直径37mm，长度为270mm、205mm时水泥装量分别为421g、320g，使用前需浸水2－3min，在锚杆孔内经杆头搅拌，12 min后锚固力开始增长，1h后锚固力高达60KN左右。由于成本低（约为树脂锚杆的1/4），材料来源广，很有前途。选用于围岩稳定时间超过12 min的各类永久性地下工程。配合先喷后锚，在软岩中也可使用。 　　　图中：1－滤纸内套；2－快硬水泥；3－玻璃纤维砂网外套null 5、快硬膨胀水泥锚杆 快硬膨胀水泥锚杆是用快硬膨胀水泥卷取代快硬水泥卷。水泥卷的结构如图10－22。它的中心为一空心纱网，纱网直径与锚杆体直径相同，纱网内套有一圆纸筒，以防外加剂从纱网的孔隙外流。纱网外与吸水纸之间是锚固剂，吸水纸外面是防潮塑料袋。锚固剂是以普通矿用水泥为主要成分，加一定比例的砂子及外加剂混合而成，遇水后即起到速凝、早强、减水、膨胀、略提高水泥强度的作用。锚杆前端焊有直径14或16mm的钢筋，杆前端焊有直径38－40mm的阻挡垫圈，另一端车有螺纹。　　　　　　图10－22　快硬膨胀水泥卷结构 　　　　1－塑料袋；2－套；3－吸水纸；4－锚固剂；5－空心纱网　　　　　　图10－22　快硬膨胀水泥卷结构 　　　　1－塑料袋；2－套；3－吸水纸；4－锚固剂；5－空心纱网null 快硬膨胀水泥锚杆井下试验效果良好，由于锚固剂来源丰富、锚速快、锚固力大、成本低，可大量推广使用。安装时，把水泥卷的塑料外套、纱网内的圆纸筒去掉，把水泥卷串入杆体放在阻挡垫圈上，并在水泥卷上面再加一垫圈，将锚杆头部和水泥卷插在水中浸3—5s后送入钻孔中，用冲压管轻轻压实后用力冲几下，而后套上垫板紧固螺母，见下页图。 端头锚固用1个水泥卷，安装后5—10 min锚固力20—40 kN；用2个水泥卷，安装后5—10 min锚固拔拉力60一90kN。null1－金属锚杆杆体；2－阻挡垫圈； 3－水泥卷； 4－垫圈；5－冲压管； 6－垫板；7－螺帽 null　　6、管缝式锚杆 管缝式锚杆又称开缝式或摩擦式锚杆。它采用高强度钢板卷压成带纵缝的管状杆体（右图所示），外径38.1mm，用凿岩机强行压入比杆径小1.5－2.5mm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。 　　这种锚杆结构简单、制作容易、安装方便、质量可靠，因此推广迅速。 　　　null 每米锚杆向钻孔内推入所需的力为25—50 kN，产生的锚固力与压入力大致相等。管壁越厚，钢材屈服应力越高；孔径越小，锚固力越大。在页岩、砂岩中锚固力可达到60－ 100KN，随着时间的推移锚固力有增大趋势。在煤系地层安装100 d后，锚固力会由60kN增加到90kN。管缝式锚杆对地层横向错动有良好适应能力，钻孔变弯曲，锚固会更牢。 　　这种锚杆的成本较高，不能回收复用，但锚固性能好，锚固力大。