树脂锚杆支护概述

1、1,1 树脂锚杆支护概述,2,1.1 树脂锚杆支护定义、原理 树脂锚杆支护是树脂锚固剂配以各种材质杆体的锚杆进行工程支护的锚杆支护技术。 它的工作原理是:把以树脂胶泥为基础的胶粘剂和固化剂（二者完全分开）用锚杆轻轻装入钻孔，随后将锚杆以一定速度边旋转边搅拌地推入到眼孔底部，把两种化学物质充分混合，使胶粘剂迅速聚合并使锚固段锚杆与钻孔孔璧紧密地粘结在一起取得较高的强度，并通过托板的安装和螺母的拧紧，对围岩起到支护作用。,3,4,树脂锚固剂生产必须执行中华人民共和国行业标准。厂家应提供质量合格、稳定的产品，锚固剂中固化剂的颜色必须符合行业标准中的规定，对锚固剂的性能、特征、外形尺寸、搅拌时间、初凝

2、时间及正确的使用方法均在产品说明书中说明。使用树脂锚固剂的井口内不得同时混用不同生产厂家的锚固剂。变更供应厂家或应用新型锚固剂前必须经本单位分管掘进副总工程师以上技术领导批准，并针对变更后的锚固剂性能采取相应措施。,5,树脂锚固剂生产厂家提供质量合格、稳定的产品，锚固剂中固化剂的颜色必须统一，超快速CKa为黄色、 CK为红色，快速K为蓝色，中速Z为白色，对锚固剂的性能、特征、外形尺寸、搅拌时间、初凝时间及正确的使用方法均在产品中说明。,表1 产品分类及性能指标,6,1.2 树脂锚杆支护三径匹配定义、原理,1.2.1 树脂锚杆支护三径匹配定义 树脂锚杆支护三径是指钻孔直径、锚杆直径、树脂药卷直径

3、。 树脂锚杆支护三径匹配是指钻孔直径、锚杆直径、树脂药卷直径“三径”之间的最佳配合，从而使树脂锚杆支护结构整体达到最佳的支护状态。,7,图1 钻孔直径、锚杆直径、树脂药卷直径关系示意图,8,1.2.2 锚杆钻孔直径的确定,徐州矿区煤巷施工的钻孔直径原是29mm、33mm、43mm等几种。锚杆钻孔直径多为29mm。钻孔直径应主要根据锚杆的锚固力、锚固成本和钻孔效率确定。图2为不同钻孔直径锚杆的锚固力。,9,图2 树脂药卷锚固100mm螺纹钢锚杆锚固力,10,锚杆直径为20mm、18mm左旋无纵筋、带纵筋螺纹钢锚杆在300号混凝土中锚固长度100mm的锚固力直径为20mm锚杆锚固力随着钻孔直径（孔

4、经为2629mm区间）的增加而增大，到29mm时达到最大，左旋无纵筋螺纹钢锚杆的锚固力为55kN，带纵筋建筑螺纹钢锚杆锚固力为41kN。超过29mm后则迅速降低；直径为18mm带纵筋建筑螺纹钢锚杆锚固力随着钻孔直径增大（孔径为2643）而减小，孔径为26mm时，锚固力最大，为43kN，孔径为28mm时锚固力次之，为35kN，孔径为33mm时，锚固力迅速下降，为5kN，孔径为43mm时，锚固力降低为零。,11,图3 无纵筋螺纹钢锚杆锚固力与锚杆钻孔直径的关系,12,图4 有纵筋建筑螺纹钢锚杆锚固力与锚杆钻孔直径的关系,13,从试验结果分析可知：直径20mm的锚杆，钻孔直径为29mm时锚固力最大，

5、宜采用直径为29mm的钻孔。直径为18mm的锚杆，钻孔直径为26mm时锚固力最大，宜采用直径为26mm的钻孔。 但是在实际施工中，钻孔直径选取考虑的是综合因素，既要考虑锚固力最大，又要考虑锚固成本降低、钻孔效率高、施工和组织管理的方便有效性等。实践结果表明：钻孔直径越大，锚固成本越高、钻孔时间越长。这是显而易见的，因为在锚杆直径、锚固长度相同的情况下，钻孔直径越大，钻宵量越大，钻孔时间也越长。综合考虑多种因素，统筹最优匹配结果为：直径18、20、22mm的锚杆，选取的钻孔直径为29mm。,14,在直径为2633mm钻孔中使用直径为18、20、22mm带纵筋建筑螺纹钢锚杆时，锚杆的锚固力与孔径的

6、关系和无纵筋螺纹钢锚杆锚固力变化趋势相似，但在相同条件下无纵筋螺纹钢锚杆锚固力比带纵筋建筑螺纹钢锚杆锚固力大。 带纵筋建筑螺纹钢锚杆直径与钻孔直径的合理匹配为它们的直径之差为612mm，即锚固剂的环形厚度612mm，以810mm为最好；左旋无纵筋螺纹钢锚杆直径与与钻孔直径的合理匹配为它们的直径之差为610mm，即锚固剂的环形厚度610mm，以78mm为最好。,15,锚杆直径增大将使锚杆支护成本增加，当钻孔直径为29mm、锚固长度相同的情况时，如果以直径14mm带纵筋建筑螺纹钢锚杆支护成本为基准，其他锚杆支护成本增加的百分比见下列表1. 随着锚杆直径的加大，锚杆的锚固力也随之大大提高。螺纹钢锚杆

7、强度增加的百分比如表2所示。对比表1和表2可以明显看出，锚杆直径增大，锚固成本增大，其增加的幅度为313%。锚杆直径增大锚固力也增大，其增加幅度为31147%。两个增加幅度相差悬殊，后者增加幅度是前者的1011倍。由此可见，适当加大锚杆杆体直径在技术和经济上是十分有利的。,16,表1 不同直径锚杆支护成本增加百分比（%）,17,不同直径锚杆锚固力增加百分比（%）,18,分析可知，为了使锚固剂效果充分发挥，锚杆能够便利顺畅安装，在使用无纵筋左旋螺纹钢锚杆时，钻孔直径与锚杆直径之差应为610mm；在使用带纵筋建筑螺纹钢锚杆时，钻孔直径与锚杆直径之差应为612mm。在锚固长度和钻孔直径一定时，锚杆直

8、径由14mm加大到22mm后锚杆的锚固力提高147%，但是锚固成本仅增加了13%，因此，适当加大锚杆杆体直径在技术和经济上是十分有利的。,19,1.2.3 锚杆直径的确定,锚杆直径的确定主要应考虑锚杆具有可靠支护阻力的同时，在技术上可行，经济上合理。 （1）满足支护阻力的要求 为有效控制顶板岩层的变形和离层，顶板锚杆必须给顶板岩层可靠的支护阻力。在锚杆密度和杆体材质一定时，影响支护阻力大小的主要因素是锚杆直径。锚杆支护阻力的大小与杆体的直径成正比，即锚杆直径越大，锚杆的支护阻力越大，同时锚杆支护系统的刚度也越大。较高的支护阻力和较大的系统刚度可以有效地约束顶板的变形，保证巷道稳定性。因此，单从

9、提高锚杆支护阻力和系统刚度的角度来看，锚杆直径越大越好。,20,（2）技术的可行性 这主要是针对锚固效果而言的，国外研究结果表明，锚孔直径与锚杆直径相差410mm时全长锚固效果好。但国内锚孔是分段形成的，其成形质量及直度均相对差些，而且我国锚杆杆体质量也较差。根据这一特点，我们在实验室试验及理论研究结果表明，锚孔与锚杆直径相差612mm为宜。在锚梁网支护巷道中顶板采用直径27或28mm钻头钻锚孔，故顶板锚杆直径为1820mm时较合适。,21,（3）经济合理性 经济合理性主要是指要选择适中的锚杆直径。要分析清楚支护巷道的开采技术和工程地质条件。不要把锚杆工作阻力选的过大或过小。过小不能保证巷道支

10、护的稳定性；过大造成材料浪费，增大巷道支护费用，在锚杆采用树脂药卷（即树脂锚固剂）全长锚固时，同一钻孔内的锚固剂体积与锚杆杆体体积它们二者之和为一常量（等于钻孔体积），增大锚杆直径可以减少锚固剂的用量。但随着锚杆直径的加大，每孔的锚固总成本是逐渐增加的。树脂药卷全长锚固时，在锚孔直径一定的情况下（28mm），锚杆直径每增加2mm，锚固成本增加约0.9元。 锚杆工作阻力的确定受多种因素影响。如：开采深度、支承压力、岩石性质、巷道断面等。这可在巷道支护设计时确定。目前，徐州矿区设计选用的锚杆直径多为18mm、20mm及22mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。,22,1.2.4 树脂药卷直径的确定,树脂药卷

11、直径确定的原则：一是应在确定的钻孔直径条件下，保证树脂药卷能够得到顺利安装；二是保证树脂药卷能够顺利安装的条件下，将其直径尽量加大。树脂锚固剂药卷尽量加大有如下好处：一是在锚杆搅拌树脂药卷时，有利于树脂胶泥和固化剂充分混合，树脂药卷锚固强度能够得到充分发挥；二是在用相同体积的树脂药卷时，由于药卷直径的加大，药卷总长度可以缩短，减少装药工序和药卷在孔中的占据长度，方便锚杆安装。,23,综合分析研究结果，在29mm钻孔中可以使用直径1822mm无纵筋螺纹钢锚杆或1620mm有纵筋建筑螺纹钢锚杆时，使用树脂药卷直径为23 25mm比较合适；对与直径为33mm钻孔，使用直径2426mm无纵筋螺纹钢锚杆

12、或2224mm有纵筋建筑螺纹钢锚杆时，使用树脂药卷直径为28比较合适。,24,1.2.5 锚固长度分析与选择,在相同钻孔直径和锚杆直径条件下，锚固长度增加，其锚固成本增加。如，钻孔直径为29mm，锚杆直径为20mm锚固长度从500mm增加到2000mm，树脂药卷成本由4元增加到12.9元，增加了8.9元。如何选择锚固长度，对锚杆支护的技术经济效益影响明显。这应该是在技术可行（支护安全可靠，满足生产需要）的条件下，选择经济的锚固长度。既不能用经济条件限制技术的合理性，也不能用技术的合理性无约束地增加经济费用。单纯经济和单纯技术的观点，对锚杆支护的发展都是不利的。,25,锚杆的锚固方式有端锚、加长

13、锚和全长锚。锚杆的这些锚固方式有着各自的使用条件，这要根据实际需要确定。 锚杆采用全长锚固，围岩避免了集中受力点，且能够得到更有效加固，锚杆受力条件有所改善，实际锚固力增大。根据实测结果，锚杆全长锚固，安装24小时后，测得最大锚固力为100kN，在锚杆正常工作时可随着外部载荷的增加和围岩变形达到屈服载荷或极限载荷。,26,全长锚固能够提供更高的抗剪能力。顶板受垂直层面方向的应力作用时，岩层常常发生沿层间的错动，这使层面间的粘聚力迅速降低，继而使岩层间发生离层和破坏。在锚杆提供全长锚固后，钻孔中没有空隙或空隙较小，锚固剂和锚杆的存在将增强层面间的抗剪能力，减轻岩层间的错动。从而提高顶板的稳定性。

14、 全长锚固锚杆能有效提高锚杆支护系统的刚度，限制围岩变形。锚杆全长锚固时，沿锚杆杆体全长或较长范围内与围岩紧密粘接，在锚固范围内围岩任一点发生离层和变形，锚杆都能够提供较大的锚固力，锚杆伸长1mm，可产生1020kN的锚固力，显著提高了锚杆支护系统的刚度，因此可以减小围岩变形的发生。但全长锚固应用在要求变形量小且支护强度大的地方。,27,它给锚杆安装带来一定的困难，装药数量多、占用时间长、锚杆起始安装外露长度大、锚杆钻机扭矩小，搅拌困难、锚固费用高等。但是，煤矿井下变形量大，支护强度相对较小，全长锚固高额的费用一般难以承受，如果支护密度不足，全长锚固可能要起反作用，造成树脂锚固体被破坏，反而降

15、低锚固力，甚至锚杆失效。,28,实践表明：在顶板较完整、稳定并且应力不大的类回采巷道和部分类巷道中使用端头锚固；在部分类和、类不稳定围岩巷道中采用加长锚固，给锚杆留一定的自由段，既能有效地对围岩进行加固，减少围岩变形，保持巷道稳定，又能满足现场工艺操作简单方便的要求。具有很强的操作性和实用性。它集合了全锚和端锚的优点，扬弃了全锚和端锚的缺点，实现了经济技术的优良结合。,29,1.2.6 树脂锚杆支护三径匹配原理,（1） 锚杆直径对于是否能够有效充分地均匀搅拌树脂药卷以及锚杆是否能够顺利安装起着非常关键的作用。当使用无纵筋左旋螺纹钢锚杆时钻孔直径与锚杆直径之差应在610mm之间；当使用带纵筋建筑

16、螺纹钢锚杆时钻孔直径与锚杆直径之差应在612mm之间（对于少量应用普通圆钢杆体锚杆的可参照使用带纵筋建筑螺纹钢锚杆的原则执行）；为了获得较大的锚固力和较好的支护效果，上述数值一般应取中间偏下值。,30,（2） 钻孔直径对锚杆支护成本和锚固力大小影响很大。当钻孔直径为43mm时螺纹钢锚杆的锚固力几乎为零，相同锚固长度需要较多的树脂药卷、支护成本较高。在目前技术条件下，直径20mm的无纵筋左旋螺纹钢锚杆和直径1820mm的有纵筋建筑螺纹钢锚杆宜选择28、29mm的钻孔，直径18mm及以下的无纵筋螺纹钢锚杆宜选择26mm的钻孔（但考虑到整个矿井的钻头的统一性，徐州矿区目前仍使用的是28mm的钻头，施工出的是2829mm的钻孔），这样可以获得较大的锚固力和较好的技术经济效益。,31,（3） 树脂药卷直径应比钻头直径小47mm。 （4） 在全长或加长锚固时，锚杆直径增大后不会引起锚固成本的大