锚杆支护设计

5.4锚杆支护设计内容

确定锚杆类型

选择锚杆支护形式

计算锚杆支护参数2024/9/1015.1锚杆支护要求《煤矿安全规程》对锚杆支护作出了以下规定：

第44条规定：采用锚杆、锚喷等支护形式时，应遵守下列规定：（一）锚杆、锚喷等支护的端头与掘进工作面的距离，锚杆的形式、安装角度，混凝土标号、喷体厚度，挂网所采用金属网的规格以及围岩涌水的处理等，必须在施工组织设计或作业规程中规定。2024/9/102(二)采用钻爆法掘进的岩石巷道，必须采用光面爆破。(三)打锚杆眼前，必须首先敲帮问顶，将活矸处理掉，在确保安全的条件下，方可作业。(四)使用锚固剂固定锚杆时，应将孔壁冲洗干净，砂浆锚杆必须灌满填实。(五)软岩使用锚杆支护时，必须全长锚固。(六)采用人工上料喷射机喷射混凝土、砂浆时，必须采用潮料，并使用除尘机对上料口、余气口除尘。喷射前，必须冲洗岩帮。喷射后应有养护措施。作业人员必须佩戴劳动保护用品。2024/9/103(七)锚杆必须按规定做拉力试验。煤巷还必须进行顶板离层监测，并用记录牌板显示。对喷体必须做厚度和强度检查，并有检查和试验记录。在井下做锚固力试验时，必须有安全措施。(八)锚杆必须用机械或力矩扳手拧紧，确保锚杆的托板紧贴巷壁。(九)岩帮的涌水地点，必须处理。(十)处理堵塞的喷射管路时，喷枪口的前方及其附近严禁有其他人员。2024/9/104《煤炭行业标准》中煤巷锚杆支护技术规范MT/T1104-对锚杆支护作出了以下规定：1.巷道围岩地质力学评估结果证明锚杆支护可行时，进行锚杆支护设计。2.在采区巷道布置时，应尽量使煤巷的轴线方向与最大水平主应力的方向平行。3.煤巷锚杆支护设计应采用动态设计方法。4.锚杆支护初始设计可采用一种或多种方法组合进行。2024/9/1055.锚杆支护形式以锚杆为基本支护构件，可选用以下构件进行组合：1）组合构件（钢筋托梁、钢带、钢梁等）；2）护网；3）锚索。6.钻孔直径、锚杆直径和树脂锚固剂直径应合理匹配，钻孔直径和锚杆杆体直径之差应为6~10mm，钻孔直径和树脂锚固剂直径之差应为4~8mm。2024/9/1067.煤巷顶板优先采用树脂锚固螺纹钢锚杆。8.采煤工作面侧的煤帮优先采用可切割锚杆。9.煤巷顶板锚杆支护补强加固手段应优先采用锚索。10.煤巷复杂地段应进行联合支护。复杂地段的支护范围应延伸到正常地段的5m以上。2024/9/1075.2锚杆支护材料一般要求

设计选用的煤巷锚杆支护材料应符合国家标准和相关行业标准，并具有产品合格证。锚杆（锚索）杆体及其附件、其他组合构件等的力学性能应相互匹配。2024/9/108支护材料1.锚杆、托盘、螺母

金属锚杆、托盘、螺母应符合MT146.2-2002的规定。树脂锚杆玻璃纤维增强塑料杆体应符合有关标准的规定。2.锚固剂树脂锚固剂应符合MT146.1-2002的规定。锚固剂生产家应提供质量合格证。2024/9/1093.钢带钢带的选用应根据巷道具体情况选用不同型号和规格，钢带材料抗拉强度应不低于375MPa。4.锚索锚索用钢绞线应符合GB/T5224-2003的规定，应优先选用抗拉强度等级不低于1860MPa，延伸率不小于3.5%，直径不小于15.2mm的钢绞线。与钢绞线配合的锚具应符合GB/T14370-2000的规定。2024/9/10105.网煤巷锚杆支护巷道宜选用金属焊接网，在条件允许的情况下，可选用符合相应技术标准的编织金属网或其他材料的网。6.喷射混凝土服务期长的巷道或维修巷道可采用喷射混凝土等封闭措施。2024/9/10115.3锚杆支护设计方法

工程类比法

我国多数锚杆支护设计规范都明确规定，锚杆支护设计算应以工程类比法为主，在必要时量测法及解析法为辅。

工程类比法是建立在已有工程支护设计的成功经验基础之上，在围岩条件、施工条件等各种影响因素基本一致的情况下，根据工程师的经验和判断能力，选定待建工程锚杆支护类型及参数。2024/9/1012树脂锚固剂应符合MT146.断层破碎带、淋水带，需要初锚力和控压注浆。（b）“外拱”不仅能保持自身的稳定性，而且成为下位由常规锚网支护形成的平衡拱即“内拱”赖以保持稳定的基础，如下图所示；煤巷锚杆支护设计应采用动态设计方法。3锚杆支护设计方法（a）锚索可将上位的顶板加固成为一个具有较强承载能力的上位压力拱，称之为“外拱”；顶板锚杆数量应满足以下两个条件：锚索加固机理示意图（断面图）4304回采巷道支护设计6m左右，煤与泥岩复合形成的软层顶板厚度最大可达4.配合先喷后锚，在软岩中亦可应用。各类围岩煤巷的锚杆支护形式如下表所示。5m，每根锚索选用4卷直径为Ф25mm、长为350mm的树脂药卷来锚固锚头，锚索间距为2.《煤炭行业标准》中煤巷锚杆支护技术规范MT/T1104-对锚杆支护作出了以下规定：（8）锚网带或锚网梁支护普通锚杆加固断面示意图树脂锚杆玻璃纤维增强塑料杆体应符合有关标准的规定。4锚杆支护设计内容3锚杆支护设计方法锚杆支护形式的选择，必须根据巷道的用途、服务年限、围岩强度、地应力大小等因素来确定。γ—煤的体积密度，取γ=13.巷道围岩地质力学评估结果证明锚杆支护可行时，进行锚杆支护设计。采煤工作面侧的煤帮优先采用可切割锚杆。设计锚固力为30～50KN。采煤工作面侧的煤帮优先采用可切割锚杆。2）两帮：锚杆+网，锚杆长度为2.6m左右，煤与泥岩复合形成的软层顶板厚度最大可达4.由锚杆预应力形成的承压拱稳定性，可按照结构力学理论由拱座处岩石的最大抗压强度、岩拱的抗剪能力及岩拱保持其承载拱形状的变形等三个方面校核，并确定锚杆参数；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（50~70KN）。4锚杆支护设计内容理论计算法（一）按悬吊作用计算（二）按挤压加固拱理论计算（三）组合梁理论计算（四）高强预应力让压锚杆设计2024/9/1013数值模拟法1）应用广泛。2）求解过程：建模，求解大规模的方程。影响因素：问题，介质，精度，边界条件和初始条件，参数选取，软件。2024/9/10143）数值模拟软件：（1）有限元软件：ANSYS,MARC（2）离散元软件：UDEC,3DEC（3）有限差分软件：FLAC3D.

2024/9/10155.4锚杆支护设计内容

确定锚杆类型锚杆类型：1）金属倒楔式锚杆2）管缝式锚杆3）水力胀管式锚杆4）木锚杆和竹锚杆5）钢筋或钢丝绳砂浆锚杆2024/9/1016复杂地段的支护范围应延伸到正常地段的5m以上。68，考虑到外露部分长度0.采煤工作面侧的煤帮优先采用可切割锚杆。5m，每根锚索选用4卷直径为Ф25mm、长为350mm的树脂药卷来锚固锚头，锚索间距为2.使用82型锚固剂，可在15～60s内凝胶，5min后锚固力可达40KN以上，可满足5min以上垫板拧紧螺帽的要求。我国多数锚杆支护设计规范都明确规定，锚杆支护设计算应以工程类比法为主，在必要时量测法及解析法为辅。使用82型锚固剂，可在15～60s内凝胶，5min后锚固力可达40KN以上，可满足5min以上垫板拧紧螺帽的要求。1）能有效承受拱内岩重；(十)处理堵塞的喷射管路时，喷枪口的前方及其附近严禁有其他人员。按煤岩层最大厚度计，这样深入到上部硬岩中的长度约0.端头锚固型树脂锚杆是由树脂药包和杆体组成(下图)。配合先喷后锚，在软岩中亦可应用。5%，直径不小于15.也可按照固体力学理论由弹塑性解试算锚杆参数。（8）锚网带或锚网梁支护2m，杆体为Ф20mm的螺纹钢，3卷树脂药卷，进行全长锚固，锚杆间排距0.k2—顶板抗剪安全系数，一般取k2=3~5；钻孔直径、锚杆直径和树脂锚固剂直径应合理匹配，钻孔直径和锚杆杆体直径之差应为6~10mm，钻孔直径和树脂锚固剂直径之差应为4~8mm。树脂锚杆玻璃纤维增强塑料杆体应符合有关标准的规定。在采区巷道布置时，应尽量使煤巷的轴线方向与最大水平主应力的方向平行。各类围岩煤巷的锚杆支护形式如下表所示。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（50~70KN）。6m左右，煤与泥岩复合形成的软层顶板厚度最大可达4.(十)处理堵塞的喷射管路时，喷枪口的前方及其附近严禁有其他人员。锚索用钢绞线应符合GB/T5224-2003的规定，应优先选用抗拉强度等级不低于1860MPa，延伸率不小于3.2）两帮：锚杆+网，锚杆长度为2.在采区巷道布置时，应尽量使煤巷的轴线方向与最大水平主应力的方向平行。在采区巷道布置时，应尽量使煤巷的轴线方向与最大水平主应力的方向平行。适用于围岩自稳时间超过12min的各类永久性地下工程。式中b—顶板最大破坏范围;6）树脂锚杆7）快硬水泥锚杆8）内注式锚杆9）可拉伸锚杆10）其它锚杆2024/9/1017金属倒楔式锚杆

此种锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成，如下图所示。

这种锚杆属端头锚固型，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。2024/9/10182024/9/10192024/9/10202024/9/1021管缝式锚杆

管缝式锚杆又称开缝式或摩擦式锚杆，它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2～3mm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。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（50~70KN）。2024/9/10222024/9/1023水力胀管式锚杆钢管

双层异形钢管。高压水注入钢管内，膨胀变大，挤压孔壁。锚固力较大，可达80KN。木锚杆普通木锚杆，压缩木锚杆2024/9/10242024/9/1025a.普通木锚杆；b.压缩木锚杆1—外楔；2—铁垫圈；3—木托板；4—木杆体；5——内楔2024/9/1026钢筋或钢丝绳砂浆锚杆钢筋或钢丝绳砂浆锚秆是全长锚固型锚杆。设计锚固力为30～50KN。2024/9/1027树脂锚杆

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和杆体组成(下图)。

使用82型锚固剂，可在15～60s内凝胶，5min后锚固力可达40KN以上，可满足5min以上垫板拧紧螺帽的要求。

使用115型树脂锚固剂，可在3～5min内凝胶达到很高的锚固强度，15min后即可套上垫板紧固螺帽。2024/9/10282024/9/1029快硬水泥锚杆

杆体结构与树脂锚杆相同，是端头锚固型锚杆。

胶结材料：国产定型早强水泥和双快水泥按一定比例混合而成。使用前需浸水2～3min，在锚杆孔内经杆头搅拌，12min后锚固力开始增长，1h后锚固力可达40-60kN。

适用于围岩自稳时间超过12min的各类永久性地下工程。配合先喷后锚，在软岩中亦可应用。2024/9/10302024/9/1031内注式注浆锚杆

不稳定围岩中，单纯提高锚杆长度和强度作用很小时，可采用内注式注浆锚杆。

注浆

硬化围岩；1）可控内压注浆锚杆

断层破碎带、淋水带，需要初锚力和控压注浆。2）普通内注式锚杆2024/9/1032可拉伸锚杆⑴套管摩擦式可拉伸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。2024/9/1033⑵弯曲可伸长缩锚杆用优质钢材，并对材料进行专门加工处理，可制成较大延伸率的锚杆杆体。2024/9/1034中空自钻式锚杆：2024/9/1035各类锚杆特征表（一）2024/9/1036各类锚杆特征表（二）2024/9/1037各类锚杆特征表（三）2024/9/1038选择锚杆支护形式（1）单体锚杆支护（2）锚喷支护（3）锚网喷支护（4）锚网支护或锚笆支护（5）锚带支护2024/9/1039（6）锚梁支护（7）锚桁支护（8）锚网带或锚网梁支护（9）锚网桁支护（10）锚索支护（11）锚注支护2024/9/1040锚杆支护形式的选择，必须根据巷道的用途、服务年限、围岩强度、地应力大小等因素来确定。锚喷、锚网喷等形式多应用于服务年限长的开拓巷道和硐室（岩巷）。锚带、锚网、锚梁、锚带网、锚杆桁架形式多应用于服务年限较短的采准巷道。各类围岩煤巷的锚杆支护形式如下表所示。2024/9/10412024/9/1042计算锚杆支护参数1）锚固力

锚固力：锚杆对于围岩的约束力。在实际应用中，大都以抗拔力为锚固力。

锚杆安设在岩体内部，它的受力以及它作用于围岩的力同框式支架相比要复杂很多。2）锚杆长度和直径3）锚杆间距和排距2024/9/1043锚杆约束围片的力2024/9/1044

2024/9/1045

2024/9/1046

2024/9/1047

2024/9/1048

2024/9/10492024/9/1050组合拱作用计算锚杆参数

由锚杆预应力形成的承压拱稳定性，可按照结构力学理论由拱座处岩石的最大抗压强度、岩拱的抗剪能力及岩拱保持其承载拱形状的变形等三个方面校核，并确定锚杆参数；

也可按照固体力学理论由弹塑性解试算锚杆参数。2024/9/1051

根据锚杆组合拱作用，巷道围岩内的锚杆将在破裂区内形成一个防止破裂区扩展到承压拱，可以承受破裂区上部岩石的径向荷载。2024/9/1052案例济宁二号矿4304回采巷道支护设计2024/9/10531.支护问题济宁二号矿4304顶煤最大厚度可达2.5m左右（巷道高度2.8m），上部泥岩厚度为1.6m左右，煤与泥岩复合形成的软层顶板厚度最大可达4.1m左右；同时又加之巷道断面扩大至4.2m，这样，2.2m长的普通锚杆很难对4.1m左右的复合软层顶板起到有效的加固作用，如下图所示。因此，必须选用较长的锚杆进行加固。2024/9/1054普通锚杆支护顶板失稳示意图2024/9/10552.支护方式选择根据这种软层复合顶板的特点，采用预应力锚索与锚杆联合加固方案，即在普通锚杆锚固的基础上通过沿适当断面安装锚索对顶板进行加固，其作用为：（a）锚索可将上位的顶板加固成为一个具有较强承载能力的上位压力拱，称之为“外拱”；（b）“外拱”不仅能保持自身的稳定性，而且成为下位由常规锚网支护形成的平衡拱即“内拱”赖以保持稳定的基础，如下图所示；2024/9/1056锚索加固机理示意图（断面图）2024/9/1057（c）通过适当的排距，锚索将使得沿巷道的走向“外拱”相互重叠，保持“外拱”范围内岩体整体稳定性，如下图所示：锚索加固机理示意图（走向剖面图）2024/9/1058

2024/9/1059当宽度比3.8/2.8=1.36时，kc=3.0；取γ=25KN/m3;当两侧均为实体煤时，Kc=1；帮的单向抗压强度σm=19.1Mpa；煤层的内摩擦角为20°；埋深取为H=651.49m。将上述参数带入得：C=2.02m2024/9/1060

2024/9/10614.普通锚杆加固参数（a）帮锚杆长度如下图所示，对于两帮的加固，可以取在破坏范围的2/3处，即合力作用点所处位置，作为两帮支护长度的下限，而全部破坏范围作为支护的上限。因此，两帮锚杆有效范围长度l帮=1.346~2.02m，取平均值l帮=1.68，考虑到外露部分长度0.2m，则实际帮锚杆长度为l′帮=2.0m。2024/9/1062巷道围岩破坏范围示意图2024/9/1063（b）顶锚杆长度同样，沿着支护合力作用点为端点形成的拱高b1作为顶板锚杆支护的下限，顶板在支护条件下全松动范围拱高作为支护的上限，故顶板锚杆有效锚固长度l顶为:取平均值并考虑外露端长度0.2m，则顶板锚杆的实际长度取l顶=2.2m。2024/9/1064（c）顶板锚杆间排距顶板锚杆数量应满足以下两个条件：

1）能有效承受拱内岩重；

2）杆体抗剪强度能满足要求。2024/9/1065（Ⅰ）平衡拱内岩重所需锚杆间距S1式中RT—锚杆的实际锚固力，取RT=40KN/根；

k—安全系数，取k=3；

γ—煤的体积密度，取γ=13.5KN/m3。将上述参数代入得：2024/9/1066（Ⅱ）校核杆体抗剪强度所需锚杆间距S2式中b—顶板最大破坏范围;k2—顶板抗剪安全系数，一般取k2=3~5；P0

—锚杆锚固力，P0

=40kN；2a—巷道跨度，取2a=4.2m；l顶—顶板锚杆有效锚固长度f—分层间摩擦因数，取f=0.3。将上述参数代入得：s2=1.2m。2024/9/1067

2024/9/1068综上所述，4304回采巷道锚杆支护形式及参数选择（见下图）如下：1）顶板：锚杆+网+钢梯，锚杆长度2.2m，杆体为Ф20mm的螺纹钢，3卷树脂药卷，进行全长锚固，锚杆间排距0.7m×0.7m.。2）两帮：锚杆+网，锚杆长度为2.0m，用Ф18mm螺纹钢作为锚杆杆体，两个Ф25mm×350mm树脂药卷，间排距为700mm×700mm。为了控制底板的变形，下帮角处锚杆与水平夹角为45°。2024/9/1069普通锚杆加固断面示意图2024/9/10705.锚索加固参数（a）锚索长度、间距考虑到煤岩层厚度的变化，为保证锚索在上部硬岩中有一定的长度，即保证锚固力，选取锚索的有效长度5m（孔深5m），外露部分为0.5m，锚杆总长度为5.5m。按煤岩层最大厚度计，这样深入到上部硬岩中的长度约0.73m左右。2024/9/1071锚索加固断面示意图1—锚索；2—钢梁；3—金属网；4—普通锚杆2024/9/1072（b）锚索排距锚索最主要的任务是保证“内拱”的稳定性。取间隔3排锚杆打1排锚索，即锚索排距2.8m，则每根锚索的锚固力为：即需每根锚索的锚固力不低于165.5