锚杆支护理论与实践

11995年时国内外状况澳、美、英锚杆支护比重已达90%以上，德、俄、波正在大力发展，比重在50%以上；我国为15.15%（低水平）。1锚杆支护发展2世界上最早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪30年代初，1943年开始有计划有系统地使用锚杆。1947年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到2年的时间内，锚杆在采矿工业中得到普及。国外美国360年代末发明树脂锚固剂，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。在70年代末，美国首次将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，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%～75%。4美国锚杆技术精髓－“两高一大”高强度高预拉力大排间距支护领域的专业化、产业化。锚杆设计、制造、服务一体化。锚杆等支护产品精细加工，而非材料消耗、废品利用支护手段多样化、多系列，以适应各种不同的条件。高新技术用于锚杆设计。美国的成功经验51952年大规模使用机械式端部锚固锚杆（楔缝式、倒楔式、涨壳式），锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差。但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆。到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。英国6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、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，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。澳大利亚7自1932年发明Ｕ型钢支架以来，主要采用Ｕ型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上。自80年代以来，由于采深加大，Ｕ型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护。80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。德国8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。形成一整套比较科学的设计方法，以巷道围岩地质力学评估及井下实测数据为基础，强调最大水平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用。国外锚杆支护的发展现状—成功经验9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。坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支护技术体系。有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘进机或性能良好的单体锚杆钻机，满足施工要求，并能实现快速掘进。10国内支护发展2个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。（之前机械锚固、钢丝绳砂浆锚杆以及开发研制的快硬水泥锚杆；之后高强度树脂锚固锚杆）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、锚固剂及锚固方式、监测技术等均发生了变化。美国、澳大利亚接近100%，英国80%，美国锚杆支护为巷道顶板的唯一支护方式。我国1995年时约15.15%，目前约50%。11锚杆支护使用范围围Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类全面推广，Ⅳ、Ⅴ类得到推广应用综放沿空掘巷锚杆杆支护软弱、破碎煤巷锚锚杆支护三软煤巷锚杆支护护深井煤巷锚杆支护护12锚杆支护效果锚杆支护与架棚支支护相比，其优越越性表现在：属于主动支护将巷道围岩变成承承载体对巷道不规则断面面适应性强巷道围岩变形量显显著减小，安全生生产得到保证，大大幅度减少了冒冒顶、瓦斯、火灾灾事故简化巷道布置，减减少岩石工程实现沿空掘巷，提提高煤炭资源采出出率，延长矿井寿寿命锚杆支护具有巨大大的技术经济效益益和社会效益，是是我国煤炭行业继继综合机械化之后后的第二次支护技术革命13拱型可缩性支架破破坏木支架严重损坏支架破坏实况架棚巷道变形和支支架损坏情况14沿空掘巷维护状况况15锚杆支护巷道维护护状况162锚杆支护理论17（1）悬吊理论机理：将巷道顶板板较软弱岩层悬吊吊在稳定岩层上，，以避免较软弱岩岩层的破坏、失稳稳和塌落，锚杆所所受的拉力来自被被悬吊的岩层重量量。缺点：没没有考虑虑围岩的的自承能能力，而而且将被被锚固体体与原岩岩体分开开。18（1）悬吊理理论适用条件件：锚杆可以以锚固到到顶板坚坚硬稳定定岩层19（2）组合梁梁理论机理：将将锚固范范围内的的岩层挤挤紧，增增加岩层层间的摩摩擦力，，防止岩岩石沿层层面滑动动，避免免各岩层层出现离离层现象象，提高高其自撑撑能力。。将几层层薄岩层层锁紧成成一个较较厚的岩岩层（组组合梁））。在上上覆岩层层载荷的的作用下下，这种种组合厚厚岩层内内的最大大弯曲应应变和应应力都将将大大减减小，组组合梁的的挠度亦亦减小。。缺点：将将锚杆作作用与围围岩的自自稳作用用分开；；在顶板板较破碎碎、连续续性受到到破坏时时，难以以形成组组合梁。。适用条件件：层状地层层顶板在相相当距离离内不存存在稳定定岩层，，悬吊作作用处于于次要地地位。20（3）组合拱拱理论机理：在在破碎区区安装预预应力锚锚杆时，，在杆体体两端将将形成圆圆锥形分分布的压压应力，，如果沿沿巷道周周边布置置锚杆群群，只要要铺杆间间距足够够小，各各个锚杆杆形成的的压应力力圆锥体体将相互互交错，，在岩体体中形成成一个均均匀的压压缩带，，即承压压拱，这这个承压压拱可以以承受其其上部破破碎岩石石施加的的径向荷荷载。在在承压拱拱内的岩岩石径向向及切向向均受压压，处于于三向应应力状态态，其围围岩强度度得到提提高，支支撑能力力也相应应加大。。缺点：一般不能能作为准准确的定定量设计计。适用条件件：顶板无稳稳定岩层层21（4）最大水水平应力力理论机理：矿矿井岩层层的水平平应力通通常大于于垂直应应力，水水平应力力具有明明显的方方向性。。在最大大水平应应力作用用下，顶顶底板岩岩层易于于发生剪剪切破坏坏，出现现错动与与松动而而膨胀造造成围岩岩变形，，锚杆的的作用即即是约束束其沿轴轴向岩层层膨胀和和垂直于于轴向的的岩层剪剪切错动动。22（4）最大水水平应力力理论23围岩与支支护强度度的关系系随支护强强度增加加，围岩岩的极限限强度和和残余强强度提高高，围岩岩残余强强度提高高到一定定程度就就能保持持巷道稳稳定。（5）锚杆支支护围岩岩强度强强化理论论24（5）锚杆支支护强度度强化理理论锚杆与围围岩相互互作用，，形成锚锚杆—围岩的共共同承载载结构，，改善锚锚固体力力学性能能，提高高锚固体体峰值强强度和残残余强度度，特别别是残余余强度的的提高，，有效提提高围岩岩的自承承能力，，控制围围岩塑性性区、破破碎区发发展，促促使巷道道围岩由由不稳定定状态向向稳定状状态转变变。25锚固体C、、C*、*随锚杆支支护强度度t的增加而而提高。。不同锚杆杆支护强强度下锚锚固体破破坏前的的C、值锚杆支护强度t

/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力C/MPa0.34660.35680.36260.36770.38280.37730.3869等效内摩擦角/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.4不同锚杆杆支护强强度下锚锚固体破破坏后的的C*、*值锚杆支护强度σt

/MPa00.060.080.110.140.170.22等效内聚力C*/MPa0.01680.01820.01830.01840.01860.01940.021等效内摩擦角*/°31.5131.5333.5135.5737.1438.840.426图锚锚固体应应力应变变曲线图图注：曲线线上数字字为锚杆杆支护强强度σt（MPa）锚固体强强度随锚锚杆支护护强度σt的提高而而得到强强化，达达到一定定程度就就可保持持围岩稳稳定。锚固体1、1*的表达式式：式中：1——锚固体极极限强度度，MPa，1*——锚固体残残余强度度，MPa。t——锚杆支护护强度，，MPa提高支护护强度t，可使C、、C*、*提高；它它们的提提高，使使1、1*显著增强强。发展高（（超高））强度锚锚杆，提提高支护护强度t、围岩更更加稳定定。3锚杆支护护体系283.1锚杆的结结构类型型1）钢筋或或钢丝绳绳砂浆锚锚杆⑴钢筋砂砂浆锚杆杆⑵钢丝绳绳砂浆锚锚杆钢筋或钢钢丝绳砂砂浆锚杆杆是全长锚锚固型锚锚杆。设设计锚固为为为30～50KN。292）全属倒倒楔式锚锚杆由杆体、、固定楔楔、活动动倒楔、、垫板和和螺帽组组成，属属端头锚锚固型，，安装后后可立即即承载，，可回收收。锚固固力达40kN左右。常常用于围围岩比较较破碎，，需要立立即承载载的地下下工程。。303）楔缝缝式锚杆杆楔缝式锚锚杆结构构1-杆体2-楔缝3-丝扣4-楔子5-垫板6-螺母314）胀壳壳式锚杆杆胀壳式锚锚杆：靠靠锥形螺螺帽前移移迫使胀胀壳向左左右张开开、楔嵌嵌入孔壁壁。锚杆杆结构较较复杂，，对围岩岩能及时时支护。。锚固力力一般为为50～100kN。可回收收。杆体涨圈垫圈楔形螺母325）两瓣涨涨圈式锚锚杆33用树脂为为粘结剂剂，在固固化剂和和加速剂剂的作用用下，将将锚杆的头部粘粘结在锚锚杆孔内内。端头头锚固型型树脂锚锚杆是由由树脂药药包和杆体组组成。6）树脂锚锚杆347）注浆锚锚杆35快硬水泥泥锚杆的的杆体结结构与树树脂锚杆杆相同，，是端头头锚固型锚杆。。8）快硬膨膨胀水泥泥锚杆36管缝式锚锚杆是采采用高强强度钢板板卷压成成带纵缝缝的管状状杆体外外径38.1㎜，用凿岩岩机强行行压入比比杆径小小2～3mm的锚孔，，为安装装方便，，打入端端略呈锥锥形。由由于管壁壁弹性恢恢复力挤挤压孔壁壁而产生生锚固力力，属全全长锚固固型锚杆杆。对地层横横向错动动，有良良好适应应能力，，钻孔变变弯曲，，锚固得得更牢。。9）管缝式式锚杆37⑴结构可伸伸缩式锚锚杆。这种锚锚杆是对对杆件、、内锚头头、外锚锚头及托托板等构构件采用用特殊结结构实现现可伸缩缩的目的的。10）可伸缩缩式锚杆杆38（2）杆体可可伸缩锚锚杆用优质钢钢材，并并对材料料进行专专门加工工处理，，可制成成较大延伸伸率的锚锚杆杆体体。3911）其它锚锚杆水力膨胀胀式锚杆杆胀裂式速速效预应应力锚杆杆玻璃钢锚锚杆中空自钻钻式锚杆杆40玻璃钢锚杆水力膨胀胀锚杆将无缝钢钢管轧制制成双层层异形杆杆体，然然后注入入压力25～30MPa的高压力力水，使使异形钢钢管锚杆杆膨胀变变形，紧紧紧地镶镶嵌在锚锚孔的岩岩壁上。。3.2目前我国国锚杆支支护体系系及要求求（1）锚杆高强度、、大直径径。破断断载荷一一般在200~300kN以上，近近年应用用破断载载荷400kN以上的锚锚杆。延伸率均均大于15%锚杆直径径20~22mm稳定性较较高、维维护要求求低、服服务时间间短的巷巷道可以以采用Q235圆钢制造造。42采用左旋旋、无纵纵筋高强强度螺纹纹钢锚杆杆，等强强（锚杆杆尾部螺螺纹部分分采用墩墩粗或热热处理、、滚丝））锚杆成套套：杆体、托盘（钢板轧轧制，厚厚度根据据矿压确确定）、、球形垫圈圈（铸钢））、减摩垫圈圈（1个聚氨酯酯、1个铝合金金）、螺母（高强度度、快速速安装螺螺帽）43（2）锚固剂剂及锚固固方式锚固剂：：树脂药药卷，一一般采用用凝结速速度为超超快与中中速的树树脂药卷卷配合。。44锚固方式式全长锚固固：锚杆中中部受力力最大；；增阻速速度快。。具有较较大的抗抗剪切能能力。增增加岩层层间的法法向力，，阻止层层间错动动，防止止离层。。在锚固固范围内内锚杆伸伸长1mm，可产生生10～20kN的锚固力力，支护护刚度大大。端头锚固固：Ⅰ～Ⅱ类。全长或加加长锚固固：Ⅲ～Ⅴ类约束围岩岩的径向向膨胀和和横向剪剪切45使用药卷卷长度一一般CK2335、Z2360mm，复合顶顶板一般般采用双双速2360和Z2360。46（3）三径匹匹配钻孔直径径比锚杆杆直径大大6～10mm钻孔直径径比树脂脂药卷大大6mm左右一般钻孔孔直径29mm，锚杆直直径20、22mm，树脂药药卷直径径23mm。锚固力与与钻孔直直径、锚锚杆直径径的关系系47（4）网及钢钢带网：采用用金属网网、塑料料网。严严禁将最最前排锚锚杆螺帽帽松开或或等待后后压网。。钢带：钢钢筋梯子子梁、M型钢带、、W型钢带等等。要求求钢筋梯梯子梁采采用高强度焊条焊接接，防止止开焊。。钢带的的厚度或或钢筋直直径根据据矿压确确定。48（5）施工机机具机载锚杆杆钻机钻机顶板：风风动锚杆杆钻机、、液压钻钻机、凿凿岩机两帮：强强力煤电电钻、帮帮锚杆钻钻机钻头：合合金钢钻钻头、金金刚石钻钻头钻杆：B19、B22六方中空空合金钢钢钻杆安装器：：顶板锚锚杆采用用锚杆钻钻机，帮帮锚杆采采用风炮炮联接器：：快速联联接器联接器快速安装装螺母49（5）施工机机具顶板钻机机：风动动锚杆钻钻机、液液压钻机机、凿岩岩机两帮钻机机：强力力煤电钻钻、帮锚锚杆钻机机当f<8，优先选选用锚杆杆机；当当f≥8时，宜选选用凿岩岩机。锚杆安装装：应采采用锚杆杆机，严严禁采用用凿岩机机。50钻头：合金金钢钻头、、金刚石钻钻头在f<6时，使用两两种钻头钻钻速基本一一致，而普普通型钻头头消耗费用用低，因此此应优先选选用普通型型钻头；在在6≤f≤≤8时，使用金金刚石钻头头的钻速提提高4倍以上，而而且费用接接近，因此此应优先选选用金刚石石钻头。51（6）小孔径预预应力锚索索加强支护护是一种主动动加强支护护以锚杆支护护为主，以以锚索为辅辅树脂锚固端端加粗，钻钻孔与锚索索直径不匹匹配锚固在稳定定煤岩层中中均可以高应力巷道道可以采用用直径18mm的锚索52（7）桁架支护护①桁架改变变顶板的应应力状态，，拉应力将将减小，甚甚至出现压压应力；②②预紧力增增加裂隙体体间的摩擦擦作用，提提高顶板稳稳定性；③③提高顶板板两肩窝的的抗剪切能能力，防止止剪切冒落落。53单式双拉杆杆桁架锚杆杆1—锚头；2—锚杆；3—托架；4—水平拉杆54复式桁架锚锚杆1—锚杆；2—拉杆；3—拉紧器；4—垫木55交叉桁架锚锚杆564锚杆支护巷巷道冒顶调调查分析（参考贾明明魁博士学学位论文））574锚杆支护巷巷道冒顶调调查分析（参考贾明明魁博士学学位论文））18个矿区调研研结果开滦、铁法法、大同、、汾西、潞潞安、晋城城、邢台、、平顶山、、鹤壁、郑郑州、徐州州、淮南、、淮北、兖兖州、新汶汶、邯郸、、焦作、义义马等58（1）岩层组合合劣化型非稳定岩层层变厚超过过锚杆（索索）长度冒顶原因:直接顶板泥泥岩厚度由由设计时的的4.4m变为冒顶时时的6.3m,超过了设计计的锚索索长度(5m)共发生48起，占总事事故数的29.63%。59（1）岩层组合合劣化型稳定岩层变变薄冒顶原因:9＃与10＃煤层间设设计时粉砂砂岩厚7～9m变为冒落时时的4.06m。锚索锚在在了煤层中中,锚固能力大大大降低.冒落长40m，宽6m，高6.5m.此类事故共共发生19起，占总事事故数的11.73%。60（1）岩层组合合劣化型顶板一定范范围内出现现软弱夹层层此类事故共共发生32起，占总事事故数的19.75%。冒顶原因:直接顶板泥泥岩与基本本顶砂岩间间突然出现现50mm厚的一层煤煤线。长9.4m，宽4.2m，高2.35m61（2）岩层结构构缺陷型顶板出现小小断层此类事故共共发生15起，占总事事故数的9.26％。62（2）岩层结构构缺陷型巷道附近出出现隐含小小断层事故共发生生10起，占总事事故数的6.17%。63（2）岩层结构构缺陷型节理发育褶曲构造引引起顶板局局部变化，，斜交节理理发育，导导致巷道顶顶板楔形冒冒落。长×宽×高为（20～30）×(2.8～3.2)××（0.8～2.5）m此类事故共共有7起，占总事事故数的4.32％。64（2）岩层结构构缺陷型围岩出现镶镶嵌型结构构共4起，占调查查事故总数数的2.5%65（3）应力突变变因应力突变变导致冒顶顶事故共有有10起，占调查查事故总数数的6.2％（4）施工不良良型此类原因造造成的顶板板事故收集集到3起66CD型（岩层组组合劣化型型）CB1型（锚固失失效）-2起，1.23%CB2型（不及时时支护）-4起，2.47%CB3型（偷工减减料）-3起，1.85%CB型（施工不不良型）CD1型（非稳定定岩层变厚厚）-48起，29.63%CD2型（稳定岩岩层变薄））-19起，11.73%CD3型（锚固范范围外的岩岩层间出现现软弱夹层层）-32起，19.75%CD4型（与水分分有关）SF2.1型（显现））-15起起，9.26%SF2.2型（隐含））-10起起，6.17%SF3.1型（锅底矸矸）-2起起SF3.2型（古槽））-1起SF3.3型（陷落柱柱）-1起起SF1型（节理））-7起，，4.32%SF2型（断层））SF3型（镶嵌型型构造）SF型（岩层结结构缺陷型型）SC型（应力突突变型）SC1型（原岩应应力）-4起，2.47%SC2型（次生应应力）-6起，3.7%CD4.1型（地下水水）-6起，CD4.2型（潮湿空空气）-2起，4.93%（107起，66.4%）（25起，，15.43%）（4起，2.47%）（36起，，22.22%））（10起，，6.2%）（9起，5.55%）冒顶事故分分类67多发地点断层、褶曲曲等地质构构造破坏带带层理裂隙发发育的岩层层中掘进工作面面无支护巷巷道过长685锚杆支护设设计方法可归纳为三三大类，分分别是工程类比法法、理论计计算法、以计算机机数值模拟拟为基础的的动态系统设设计方法。69（1）工程类比比法是一种实用用的方法，，在我国锚锚杆支护设设计中占主导地位。在已有的大大量、成功功实践的基基础上，根根据巷道的的生产地质质条件确定定支护参数数。主要有以回回采巷道围围岩稳定性分类类为基础的工工程类比法法；巷道围围岩松动圈分类类为基础的工工程类比法法。采用《我国缓倾斜斜、倾斜煤煤层回采巷巷道稳定性性分类方案案》，将巷道分分为5类。制订相相应的煤巷巷锚杆支护护技术规范范。70第1条

顶板板必须采用用树脂药卷卷锚固、金金属锚杆支支护。全长长锚固或加加长锚固应应采用左旋旋无纵筋螺螺纹钢高强强锚杆支护护。顶板锚锚杆破坏性性拉拔力不不小于100kN，正常拉拔拔力不小于于80kN。靠巷道两两帮的顶锚锚杆，宜向向煤帮倾斜斜10～20度（与铅垂垂线夹角）），其它顶顶锚杆应尽尽可能与岩岩层层面垂垂直。避免免顶锚杆沿沿岩层层面面布置。顶角锚杆倾倾斜的作用用：使锚固端位位于两帮上上方稳定的的区域，锚锚杆锚固力力大；显著减小两两顶角处的的剪应力；；避免钻孔诱诱导顶板破破坏面的形形成。71第2条

巷帮帮支护：两两帮必须支支护。帮锚锚杆的普通通拉拔力不不小于60kN。第3条

锚索索的预紧力力不得小于于100kN。第4条

对于于复杂、困困难地质条条件的锚杆杆支护巷道道，应优先先选择小孔孔径预应力力锚索作加加强支护。。而Ⅳ～Ⅴ类围岩巷道道在基本支支护形式的的基础上，，必须另加加锚索加强强支护。72第5条

锚杆杆孔径与锚锚杆杆体直直径之差宜宜在6～12mm范围内当螺纹钢锚锚杆直径为为20～22mm时，钻孔直直径26～33mm，锚固力最最大。因此，一般般应使用直直径28mm的钻头。73（2）理论计算算法根据悬吊理理论、组合合梁理论、、组合拱理理论计算锚锚杆长度、、间排距、、破断载荷荷等。（3）动态系统统设计方法法首先进行地地质力学评评估（含地地应力测试试），将地地质力学参参数、锚杆杆参数等输输入计算机机数值模拟拟软件，以以围岩强度度强化理论论为依据，，按控制围围岩变形效效果和经济济合理的原原则选择最最优方案，，组织施工工，并对巷巷道围岩稳稳定状况和和锚杆载荷荷监测，根根据监测反反馈信息确确定是否调调整锚杆支支护参数，，经反复实实践，在动动态中修改改完善设计计。746锚杆支护施施工（1）保证锚杆杆高预紧力力锚杆预紧力力的作用主动支护，，拉应力转转化为压应应力或减小小拉应力，，有效抑制制巷道围岩岩破裂区向向深部发展展，发挥围围岩的自身身承载能力力，提高稳稳定性。75预紧力的确确定：采用现场场实