061-2锚杆支护原理及类型

第六章巷道锚杆支护•第一节简介•第二节锚杆支护原理•第三节锚杆支护类型•第四节锚杆支护设计第一节简介•国外：•1912年煤矿开始使用锚杆支护；•1940-50，机械涨壳式锚杆应用广泛；•70-80，砂浆、树脂、管缝式锚杆；•90年代，树脂锚杆占据了市场。•国外锚杆支护的发展方向为：提高锚杆的锚固力，井使其得到充分发挥，扩大锚杆支护应用范围，提高锚杆支护效率。第一节简介我国：•1956年煤矿开始使用锚杆支护；•60年代进入采区；•发展缓慢。•95年，新掘巷道中28.9%，其中岩巷57.2%，半煤岩30.07%，煤巷15.15%。•近十年，高速发展时期。•“锚注”研制成功。“预应力”高强锚杆。第二节锚杆支护机理•一、锚杆作用机理•二、锚喷作用机理•三、锚梁作用机理•四、锚杆桁架作用机理•五、锚索作用机理•六、锚注作用机理第二节锚杆支护机理•锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。目前己提出的观点较多，其中影响较大的有悬吊作用、组合梁(拱)作用、加固(提高C、φ值)作用等几种。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉(力)为前提来解释锚杆支护护作用机理的，因此，围岩状态及锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上述理论正确性的标准。一、锚杆作用机理•（一）悬吊作用•（二）组合梁作用•（三）挤压加固作用•（四）围岩强度强化理论•（五）最大水平主应力作用•（六）减跨作用•（七）松动圈理论•（八）关键承载圈理论（一）悬吊作用（一）悬吊作用（一）悬吊作用•1952-1962年，LouisA,PaneK经过理论分析及实验室和现场测试，提出锚杆杆作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上(如图4-1)。•例如，在缓倾斜煤层中锚杆的悬吊作用就是锚杆将下部不稳定的岩层(直接顶或块状结构中不稳固的岩块)悬吊在上部稳固的岩层上，阻止岩块或岩层的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计锚杆支护参数。（一）悬吊作用•这一理论提出的较早，只有满足其前提条件时，才有一定的实用价值。•在我国，由于锚杆长度一般都在1.6-2.2m之间，当破碎带较大超过其锚杆长度时，采用悬吊理论无法设计支护参数，而且大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆也能发挥其作用。例如，在全煤巷道中，锚杆锚固在煤层中也能起到支护的作用，这从一个侧面说明悬吊理论在应用中的局限性。（一）悬吊作用•由于锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩石的重量(自重)，而是破碎带产生和发展过程中的碎胀变形力，而后者碎胀变形力远大于前者破碎带内岩石的自重。（二）组合梁作用（二）组合梁作用•为了解决悬吊理论的局限性，1952年德国Jacobio等在层状地层中提出了组合梁理论。•该理论认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来形成组合梁结构进行支护护，这就是所谓的锚杆组合梁作用(如图4-2)。（二）组合梁作用•组合梁作用的本质•在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；•同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。•锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高。•决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力及杆体强度和岩层的性质。（二）组合梁作用•这一观点有一定的影响，但是其工程实例比较少，也没有进一步的资料供锚杆支护设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以计算，而且组合梁在形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。•另外，岩层沿巷道纵向有裂缝时粱的连续性问题、梁的抗弯强度等问题也难以解决。（三）挤压加固拱作用（三）挤压加固拱作用（三）挤压加固拱作用•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，从而保持巷道的稳定。（四）锚杆的加固作用（四）锚杆的加固作用•弹塑性理论在对围岩状态作了正确分析后，对锚杆支护的作用机理提出了一个观点：认为利用锚杆提供足够的支护抗力，加固围岩提高其承载能力、减小其变形量，并且大量的实验室相似模拟试验证实通过锚杆锚固可使围岩的抗压强度峰值提高50％-100％(相对于无锚杆情况)，同时据此用摩尔理论抗剪强度包络线解释，可以使围岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变形量的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性围岩状态，见图4-4。（四）锚杆的加固作用•对这种观点来讲，由于现有支护(包括锚杆支护)对弹塑性变形相对不及时和支护手段与围岩的不密贴决定了在围岩处于弹性状态时其支护阻力较小，它不可能有效的阻止并限制围岩破碎带的产生和发展。（五）巷道锚杆支护围岩强度强化作用•中国矿大矿压所（1）巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的围岩相互作用而形成锚固体，形成统一的承载结构。（2）巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数（E、C、φ），改善锚固体的力学性能。（3）锚杆锚固体区域内的岩体峰值强度或峰后强度、残余强度均得到强化。（4）巷道锚杆支护可以改变围岩的受力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况。（5）巷道围岩锚固体强度提高后，巷道破碎区、松动圈范围减小，有利于巷道围岩保持稳定。（六）最大水平主应力理论（六）最大水平主应力理论•澳大利亚、英国目前普通采用盖尔(GaIe)最大水平主应力理论设计锚杆支护参数。•该理论认为，矿井岩层的水平应力在埋深小于500m时通常大于垂直应力；•水平应力具有明显的方向性，其中最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.5倍，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，并且有3个特点：（六）最大水平主应力理论•(1)巷道轴向与最大水平应力方向平行的巷道受水平应力最小(顶底板稳定性最好)；•(2)与最大水平应力方向呈锐角相交巷道的顶底板失稳破坏偏向巷道的一帮：•(3)与最大水平应力方向垂直的巷道受水平应力影响最大(顶底板稳定性最差)(图4-6)。（六）最大水平主应力理论（六）最大水平主应力理论•在深部开采的高应力条件下，最大水平应力的作用使顶底板岩层出现错动滑移和松动膨胀，在顶板出现破坏区(图4-7)。•而锚杆的作用就是防止岩层的错动和膨胀，特别是顶板变形的早期阶段，岩层能够得到及时加固，可以保持顶板的稳定，控制后期变形破坏的发展。锚杆的加固作用如图4-8所示。（六）最大水平主应力理论（六）最大水平主应力理论•最大水平应力理论论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护起到的作用，•它是以实测地应力及岩心实验室力学试验参数为基础形成的一套锚杆支护设计方法，•运用有限差分法(采用莫尔一库仑强度淮则)对试验巷道锚杆支护参数进行设计，•同时在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修正和完善初始设计。（六）最大水平主应力理论•但是用它无法定量设计锚杆支护参数，因为该理论仍然存在着以下几个方面的问题没有解决：•1）在实测地应力(最大水平应力)方面。•2）在岩体力学参数测定方面。•3）岩体本构方程方面。•4）围岩状态方面分析。（六）最大水平主应力理论（七）锚杆的楔固作用锚杆的楔固作用是在围岩中存在一组或几组不同产状的不连续面的情况下，由于锚杆穿过这些不连续面，防止或减少了围岩沿不连续面的移动，如下图所示。（八）锚杆的减跨作用（八）锚杆的减跨作用•如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁(板)，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点安设了锚杆就相当于在该处打了点柱，增加了支点，减少了顶板的跨度(如图4-3)，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的“减跨”作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。但是，它也未能提供用于锚杆支护参数设计的方法和参数。（九）根据状态特征分类阐述锚杆支护机理•地下工程条件千变万化，不同的围岩状态条件下，巷道支护的荷载势必大不相同。如膨胀性地层以围岩的吸水膨胀变形压力为主，小松动圈围岩以围岩的自重压力为主，二者的支护作用显然不同。所以，锚杆支护机理不能一概而论，应根据围岩状态特征区别对待。•近年来比较活跃的锚杆支护理论如松动圈支护理论、关键承载圈支护理论等，都是从这一原则出发，结合围岩状态分别按悬吊理论、组合拱理论、加固理论等分析锚杆支护机理和设计锚杆支护参数。1.围岩松动圈巷道支护理论•围岩松动圈巷道支护理论是在对围岩状态进行深入研究后提出的，•通过研究，发现松动圈的存在是巷道围岩的固有特性，它的范围大小(厚度值)目前可以用声波仪或者多点位移计等手段进行测定。•松动圈理论认为巷道支护护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力，锚杆受拉力的来源在于松动圈的发生、发展，并根据围岩松动圈厚度值大小的不同将其分为小、中、大三类，松动圈的类别不同，则锚杆支护机理也就不同。1.围岩松动圈巷道支护理论•本理论认为，巷道支护的对象除松动圈围岩自重和巷道深部围岩的部分弹塑性变形力外，还有松动围围岩的变形力。后者，往往占据主导地位。简而言之，巷道支护的对象主要是围岩松动圈在形成过程中的岩石碎胀力。•在现有支护条件下，试图用支护手段阻止围岩松动破坏是不可能的。松动圈理论认为，支护的作用是限制图岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。支护对破碎围岩的维护作用表现在，松动圈发展变形过程中维持破碎岩块相互啮合不垮落，通过提供支护阻力限制破裂缝隙过度扩张，从而减少巷道的收敛变形。•小松动圈（40cm）围岩的变形压力可以忽略不计，巷道支护载荷只是松动圈内围岩的自重，其数值小于0.1MPa，只用单一喷混凝土支护即可达到支护的目的。•中松动圈（40cm～200cm）围岩碎胀变形比较明显，变形量较大，使刚性的喷射混凝土支护产生裂缝或破坏，必须采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方式，以锚杆为主体支护结构控制其碎胀变形，喷层将只作为锚杆间话石的支护和防止围岩风化。由于围岩松动田厚度小于常用钱杆长度，因此可采用锚杆悬吊作用机理来设计支护参数。•大松动圈（200cm）•围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形量大，初期围岩收敛变形速度快，变形持续时间长，矿压显现大，支护难度大。支护不成功时，巷道底板出现底鼓。在这种条件下，如果用悬吊理论设计锚杆支护参数，常因设计锚杆过长、过粗而失去其普遍应用的价值。•在单根锚杆作用下每根锚杆因受拉应力而对围岩产牛挤压，在锚杆两端周围形成一个两端圆锥形的受压区，合理的锚杆群可使单根锚杆形成的压缩区彼此联系起来，形成一个厚度为b的均匀压缩带。对于拱形巷道，压缩带将在围岩破裂处形成拱形；对于矩形巷道，压缩带将在围岩破裂处形成矩形结构，统称之为组合拱作用机理。围岩类别松动圈支护方法备注小I稳定40喷砼围岩整体性好中II较稳定~100锚，喷（悬吊）III一般~150锚，喷（悬吊）刚性支护局部破坏大IV一般不稳定~200锚，喷，网（组合拱）刚性支护大面积破坏V不稳定~300锚，喷，网（组合拱）围岩变形有稳定期VI极不稳定300二次支护无稳定期围岩松动圈分类表顶板斜锚杆的作用顶板斜锚杆的作用•实验表明，围岩的破坏首先是从应力集中程度大的顶板角部出现，呈内倾形；如支护不当，条件合适时很容易造成顶板整体垮落事故，这一现象已被多次事故所证实。•因此，矩形、梯形巷道顶板伸向两帮上方锚固可靠的“斜锚杆”非常重要，它被用来提供抗剪阻力，防止顶板沿角处破裂缝滑移掉落。•斜锚杆的长度和角度以伸入两帮上方为准。锚固力及锚固可靠性要求高，一般情况下要求锚杆杆体直径≥16mm，锚固力≥60kN。2.锚杆支护的“关健承载圈”及“扩容—稳定”理论•由煤炭科学研究总院开采所康红普博士提出，该理论认为：巷道围岩的变形和破坏状态在掘进、稳定、回采等不同阶段是不同的，具有显著差别。因此主张根据围岩的状态特点分别按“关键承载圈理论”和“扩容一稳定理论”分析阐述锚杆支护的作用机理。•“关键承载圈”是指在巷道周围围岩一定深度的范围内，存在一个能承受较大切向应力的“岩石圈”，该岩石圈处于应力平衡