锚杆支护设计手册(编辑修改稿)

锚杆支护设计手册(编辑修改稿)内容摘要：

顶板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆用量，提高巷道掘进速度。 作为采矿技术领先的国家，美国在矿井锚杆支护的应用中紧紧把握了这一发展趋势。 20 世纪 70 年代，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆能够实现很高的预紧力，同时锚杆的直径和强度有了进一步提高（直径达到 22~25mm，强度达到 517Mpa），锚杆的高预紧力可以达到杆体本身强度的 50%~75%，从而实现了高强度、高预紧力、低锚杆间排距。 美国的高预紧力锚杆支护技术已取得显著成效，并影响到很多国家，如英国研制成锚固能力达 500KN 的“大锚杆”，并在井下试验用 的间排距取代间距 的“ AT锚杆，取得成功。 这一技术思想近年也影响到我国，针对淮南新区特厚层复合顶板极易 离层的煤巷维护特点，中国矿业大学锚杆支护研究所充分强调和应用了预应力支护理念，利用高预应力支护手段，在十分复杂的离层破碎型顶板下采用预紧力技术取得成功，最大限度地控制顶板初期变形，消除或大大减缓了顶板离层，大大提高了支护围岩系统的安全可靠性和实际支护效果。 我国不少矿区正在逐渐认识和接受这一新的支护理念，出现不少解决复杂、困难条件下巷道支护的成功范例。 这些成功实例表明：高预紧力锚杆能够很有效地控制层状顶板离层，因而冒顶现象大大减少，安全状况得到了根本性的转变；同样条件下锚杆的密度减小，间排距大大提高，同时锚 杆用量减少 20~30%；掘进速度大大提高，支护效果明显改善。 预紧力锚杆理论 巷道开挖后在围岩很小变形时，脆性特征明显的岩体就会出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化，虽然在巷道开挖后一般会及时安装锚杆，但普通锚杆未施加预紧力（或施加一定预紧力，但不足以抵抗围岩离层、变形），这种锚杆仍然属于被动支护。 即使每一排使用尽量多的锚杆，间排距很小，但这种锚杆只能保证在锚固长度范围离层变形后产生较大的支护抗力，但因顶板已发生离层，这种抗力无助于恢复或提高顶板总体的抗剪强度，因此，避免不了围 岩在锚杆长度以外的顶板中发生离层，进而导致垮落，实际上这种现象是经常发生的。 预紧力的大小之所以对顶板稳定性具有决定性的作用，是因为当预紧力增大到一定程度时，可以使顶板岩层处于横向压缩状态，形成预应力承载结构，通过建立顶板预应力结构可提高顶板整体的抗剪强度，使其不向纵深发展。 这种锚杆，实现了真真意义上的“主动支护”。 锚杆预紧力值的选择确定 锚杆预紧力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动预拉应力区。 巷道是否产生离层应作为巷道稳定性评判标准。 实践证明，如果选择合理的预紧力值，能够实现对离层与滑动的有 效控制。 根据国外经验和国内部分矿区的试验数据，结合我国煤矿巷道条件与施工机具，一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服载荷的 30~50%。 表 6 为不同材质与规格的锚杆的预紧力参考值（按杆体屈服载荷的 50%考虑）。 表 6 不同材质与规格锚杆的预紧力值 牌号 屈服强度 （ Mpa） 预紧力值（ KN） Ф 16mm Ф 18mm Ф 20mm Ф 22mm Ф 25mm Q235 240 BHRB335 335 BHRB400 400 BHRB500 500 BHRB600 600 提高锚杆预紧力的技术措施 目前。 我国煤矿锚杆预紧力主要是通过锚杆机旋转拧紧锚杆尾部螺母，压紧托板实现的，而锚杆机不能提供较大的扭矩，从而导致锚杆预紧力偏低，一般预紧力矩为 100~150N178。 m，预紧力仅为 15~20KN，远远不能满足实际需要，且我国锚杆加工制造工艺粗糙，基本上没有考虑 减少摩擦力问题，致使锚杆螺母与杆体之间的摩擦阻力偏大，也降低了锚杆的拧紧力矩，鉴于此，提出如下提高锚杆预紧力的技术措施。 （ 1）提高螺母预紧力矩 M 螺母预紧力矩是由锚杆安装机的输出扭矩的大小决定的，这是影响锚杆预紧力的关键因素。 国外普遍采用锚杆台车和掘锚机组，锚杆钻机的输出扭矩很大，国内主要采用单体锚杆机输出扭矩一般不超过 150 N178。 m。 针对这种情况，开发出了扭矩放大器，该扭矩放大器与单体锚杆机相配合，可使锚杆机的输出扭矩增大 ，有效地解决了扭矩不足的问题。 （ 2）采取综合减摩措施 这些措施主要包 括：提高螺纹加工精度等级，采用油脂对螺纹部进行润滑，在螺母与托板之间加减摩垫片等，都可使螺母扭紧力矩得到显著提高。 国内一些单位对此做了不少研究、试验，取得了明显效果，我们可以学习借鉴。 第四章 锚杆支护参数选择确定原则 在煤巷锚杆支护中，除了锚杆预紧力参数是最至关重要的因素外，锚杆支护参数还包括许多相关内容：如锚杆的几何参数（直径、长度等）、锚杆力学参数（屈服强度、抗拉强度、抗剪强度及延伸率等）、钻孔与锚固参数、锚杆布置参数（茅杆间距、排距、安装角度等）、组合构件和网的参数、锚索参数等，这些参数的合理 确定，除了科学地设计、计算外，工程技术人员还必须具备比较丰富的锚杆支护理论与实践经验，明确锚杆支护相关参数的确定原则，将这些原则与支护设计有机地结合在一起，才能最大限度地确保支护的成功。 锚杆几何参数 （ 1）锚杆直径 锚杆杆体直径已形成基本系列，包括 16 mm、 18 mm、 20 mm、 22 mm、 25mm，锚杆直径的选取从技术上主要考虑一下三方面因素： ①锚固效果。 研究结果表明，对于螺纹钢锚杆，钻孔直径和杆体直径之差应控制在 4~10mm 之间，才能保证锚固效果， 6~8mm 最佳。 ②锚杆预紧力。 选择锚杆直径 时，应结合巷道围岩具体条件，支护要求的预紧力大小确定，要求预拉越大，锚杆的直径应越大。 ③锚杆强度。 在杆体材质相同的情况下，直径越大，强度越高。 锚杆直径对巷道围岩变形有明显影响，对围岩破碎、应力大的巷道，应选用直径大的锚杆，相反，对于围岩比较完整，变形量较小的巷道选用直径较小的锚杆。 （ 2）锚杆长度 锚杆长度现已形成基本系列，包括 、 、 、 、 、 、锚杆长度的选择从技术上应考虑一下因素。 ①保证锚固区内形成稳定的承载结构。 锚杆长度应保证锚固区内形成一个稳定的 承载结构，具有足够的承载能力。 锚杆长度太短，锚固区厚度过小，不能保证顶板稳定，但锚杆长度增加到一定值后，再加长锚杆对锚固体承载已无明显影响，因此，锚杆长度有一个合理的取值范围。 ②与锚杆预紧力、直径、强度相匹配。 直径小、强度低、预紧力低的锚杆，锚杆长度不宜过大，在预紧力一定的情况下，锚杆越长，预紧力的作用越不明显，主动支护性越差，锚杆越长，施加的预紧力应越大。 反过来，通过提高预紧力，可适当减小锚杆长度。 ③满足井下施工要求。 过长的锚杆不能在断面较小的巷道应用，否则会影响施工速度，甚至无法施工。 锚杆力学 参数 锚杆力学参数包括杆体的屈服强度、破断强度、抗剪强度和延伸率等。 传统的锚杆杆体材料主要是 Q235 圆钢和 20MnSi建筑螺纹钢。 Q235 圆钢的屈服强度仅为 240MPa，抗拉强度为 380 Mpa； 20MnSi建筑螺纹钢屈服强度为 335 Mpa，抗拉强度为 490 Mpa，均属低强度锚杆。 为满足巷道支护要求，又开发了锚杆专用螺纹钢，并形成系列，屈服强度分别达到 400 Mpa、 500 Mpa、 600 MPa以上，最大抗拉强度达到 800 Mpa，真正实现了高强度。 锚杆力学参数选取应遵循以下原则： （ 1）优先选择高强 度锚杆。 一般条件下，应优先选择高强度锚杆，以提高支护效果，保证巷道安全。 提高锚杆强度可有效减小巷道围岩变形，控制围岩破坏范围。 （ 2）与锚杆预紧力相匹配。 单纯强调提高锚杆强度，而忽视预紧力作用，不能充分体现高强锚杆的作用，结合控制围岩离层、滑动等所需要的预紧力，确定合理的锚杆强度，不仅能显著提高支护效率，而且能降低锚杆支护密度，有利于提高掘进速度。 （ 3）因地制宜。 对于围岩稳定，地质构造简单，地应力小的巷道，在满足支护要求的前提下，可选用强度较低的锚杆，以降低支护成本。 锚固参数的选择确定 锚固参数包括 锚固剂的型号、规格、尺寸、锚固长度等。 这里不对锚固剂的型号、规格、尺寸进行论述，只强调锚固剂直径应与钻孔直径相匹配的问题，比较合理的锚固剂直径是比钻孔直径小 3~5mm，如 28mm 的钻孔直径，使用 23mm 直径的锚固剂； 30mm 的钻孔直径，使用 25mm 直径的锚固剂等。 锚杆锚固长度主要分为端部锚固、加长锚固和全长锚固。 端部锚固：锚杆锚固长度不大于 500mm 或不大于钻孔长度的 1/3；全长锚固：锚杆锚固长度不小于钻孔长度的 90%；加长锚固：介于端部锚固和全长锚固之间。 三种锚固长度各有其优缺点和适用条件： （ 1）端部 锚固锚杆。 对于端部锚固锚杆，锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的，在锚固范围内，任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体的强度上，导致杆体受力对围岩变形和离层不敏感。 由于锚杆与钻孔之间有较大空隙，所以锚杆抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来，为了提高端部锚固的刚度，应施加较大的预紧力。 端部锚固成本较低，易于安装，施工速度快，适用于围岩比较完整、稳定、压力小的巷道。 （ 2）全长锚固锚杆。 锚固剂将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力，当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用。 全长锚固锚杆应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，离层和滑动大的部位锚杆受力很大，杆体受力对围岩变形和离层很敏感，能及时抑制围岩离层和滑动。 全长锚固成本较高，安装速度相对较慢，适合围岩破碎、结构面发育、压力大的巷道。 （ 3）加长锚固锚杆。 加长锚固兼有端锚和全锚的特点，得到广泛应用，支护成本和安装速度介于两者之间，一般条件下应优先选用这种锚固方式。 上述锚固长度的选取是在一般情况下需要遵循的原则，必须强调的是，锚固方式的选取必须充分考虑预紧力的影 响。 试验证明，在考虑预紧力的条件下，全长锚固与加长锚固的效果均比端部锚固差。 其原因是全长锚固和加长锚固预紧力的扩散效果不如端部锚固。 因此要提高全长锚固与加长锚固的预紧力扩散效果，有效途径是先施加预紧力锚固剂后固化。 方法是超快速固化与慢速固化锚固剂搭配使用，即端部使用超快速固化锚固剂，后面使用慢速固化锚固剂，当端部超快速固化锚固剂固化后，即施加预紧力，之后慢速固化剂再固化。 国外采用端部机械化锚固与慢速固化锚固剂相结合的方法，既能达到对围岩施加预紧力，又能保证全长锚固，支护效果非常好。 锚杆布置参数 锚杆布 置参数主要包括锚杆支护密度（间排距）和安装角度。 （ 1）锚杆支护密度 锚杆支护密度涉及两个参数：锚杆间距与排距，通过研究不同锚杆间距的预应力场分布，得到如下结论： ①在一定预应力条件下，锚杆间距过大，单根锚杆形成的压应力区彼此独立，锚杆之间出现较大范围的近零应力区，不能形成整体支护结构，主动支护效果较差。 ②随着锚杆间距缩小，单根锚杆形成的压应力区逐渐靠近，相互叠加；锚杆之间的有效压应力区扩大，并连成一片，形成整体支护结构，锚杆预紧力扩散到大部分锚固区域。 ③当锚杆密度增加到一定程度，再增加支护密度，对有效 压应力区扩大，锚杆预紧力的扩散作用变得不明显，支护密度有一个合理的值。 根据以上研究分析，结合大量实践经验，确定锚杆支护密度应遵循以下原则： （ 1）低支护密度原则。 应在尽量提高单根锚杆的预紧力、强度与刚度的前提下，在保证支护效果与安全的条件下，降低支护密度。 如美国锚杆间排距一般为 179。 ，澳大利亚锚杆间排距一般在 左右，降低支护密度，可降低巷道支护综合成本，明显提高成巷速度。 （ 2）支护密度与锚杆预紧力、强度、长度、相匹配的原则。 实践证明，通过提高锚杆预紧力、直径、强度，可以增大锚杆间排距。 通过大幅度提高锚杆预紧力，不仅能够显著减小围岩变形，保证围岩的完整性和稳定性，而且可以显著降低支护密度。 （ 3）支护密度与组合构件相匹配的原则。 结合构件（钢带、网）在预应力支护系统中起着不可忽视的作用。 通过选择表面积大、强度和刚度高的组合构件，可扩大锚杆作用范围，适当减小支护密度。 （ 2）锚杆角度 锚杆角度主要指顶板靠近两帮倾斜锚杆的角度。 理论研究和实践表明，传统的将倾斜锚杆布置成与垂线成 20176。 ~30176。 角的方式并不能阻止顶板整体切落，倾斜锚杆与钢带构成的兜状结构也不能有效防止顶板冒落。 相反，过大的角度会削弱 锚杆群对顶板的整体支护作用，这是因为： ①当顶板角锚杆垂直布置时，角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加，在顶板形成厚度较大，分布比较均匀的压应力区，覆盖了锚固区的大多数面积，锚杆预紧力扩散与叠加效果最好。 ②随着顶板锚杆角度增加，角锚杆形成的有效压应力区与中部锚杆形成的有效压应力区逐渐分离，叠加区域越来越小。 当顶板角锚杆角度达到 15176。 ，两个压应力区明显分离，继续加大角度，则分离更远，成为彼此独立的支护单元，锚杆群的整体支护作用受到严重影响。 ③顶板角锚杆角度越大，锚杆预紧力形成的压应力区越小，而 且，较高的压应力主要集中在锚杆尾部附近，在锚杆中部与端部压应力则较小，这不利于锚杆支护作用的充分发挥。 根据以上原因，对于预应力支护系统，顶板角锚杆最好垂直布置，如考虑施工需要一定的角度，最大角度不应超过 10176。 锚杆组合构件与网的参数 （ 1）组合构件参数 组合构件有钢带、钢筋托梁、钢梁等。 组合构件在锚杆支护系统中起。