第四講錨桿支護理論

1、第四講 錨桿支護理論本講主要介紹錨桿常用支護理論 （包括一些近年來比較流行和活躍的理論） 、錨桿支護設(shè)計方法和國外錨桿支護主 要經(jīng)驗，以及巷道容易冒頂?shù)氖N情況和五種應(yīng)對措施。錨桿支護的作用機理尚在探討之中。 目前己提出的觀點較多，其中影響較大的有懸吊作用、組合梁（拱）作用、組合拱、減跨理論、加固（提高C、$值）作用等幾種。這幾種觀點都是以圍巖狀態(tài)和利用錨桿桿體受拉（力 ）為前提來解釋錨桿支護作用機理的，因此，圍巖狀態(tài)及錨桿受拉力這兩個前提 的客觀性是判定上述理論正確性的標(biāo)準。、錨桿支護理論支護：就是指為了地下巷道掘進、硐室開挖后的穩(wěn)定及施工安全，而采取的支持、加強或改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)而打設(shè) 的

2、構(gòu)件或采取的措施的總稱。支護包括兩個方面，一是支， 就是頂住頂板，防止頂板出現(xiàn)大量的下沉，使頂板下沉控制 在可控、安全的狀態(tài)，二是護，就是保持頂板的完整性，防 止出現(xiàn)漏矸、漏頂、巷道掉渣等現(xiàn)象。支和護是一個有機統(tǒng)的整體，它們共同組成了支護系統(tǒng)。一）錨桿支護理論綜述1、懸吊理論1）機理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩(wěn)定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。/ /y ?f f /f f/ /：誠t巖,* *自然平衡拱母二:叩n.>-圖4-1錨桿懸吊作用原理示意圖2）缺點：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。3）適用條件：在錨桿的長度范圍

3、內(nèi)有一層堅硬而穩(wěn)定的巖層，錨桿可以錨固到頂板堅硬穩(wěn)定巖層。上J $ 上上,/£/:h T J , h h. S ,:匚嚴 , R U L : :*八囲J愈自A平裔議圖4-2 a拱形巷道的錨桿懸吊作用b軟弱巖層的錨桿懸吊作用2、組合梁理論 1）機理：將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊，增加巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提 高其自撐能力。將幾層薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合 梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內(nèi)的最大 彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。在于通過錨桿的預(yù)拉應(yīng)力將原視為疊合梁（板 ）的巖層擠緊，增大巖層間的摩擦力；同時，錨桿本身也提

4、供一定的抗剪能力，阻止其層間錯動。錨桿把數(shù)層薄的巖層組合成類似鉚釘加固的組合梁，這 時被錨固的巖層便可看成組合梁， 全部錨固層能保持同步變 形，頂板巖層抗彎剛度得以大大提高。決定組合梁穩(wěn)定性的主要因素是錨桿的預(yù)拉應(yīng)力及桿體強度和巖層的性質(zhì)。2）缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時，難以形成組合梁。這一觀點有定的影響，但是其工程實例比較少，也沒有進一步的資料 供錨桿支護設(shè)計應(yīng)用，尤其是組合梁的承載能力難以計算， 而且組合梁在形成和承載過程中，錨桿的作用難以確定。另 外，巖層沿巷道縱向有裂縫時粱的連續(xù)性問題、梁的抗彎強 度等問題也難以解決。3）適用條件：層狀地層，如

5、圖 4-3 中2 所示；頂板在相當(dāng)距離內(nèi) （錨桿長度范圍內(nèi)） 不存在穩(wěn)定巖層，懸吊作用處于次要地位。2圖4-3錨桿的組合梁作用 a未打錨桿（疊合梁）b布置錨桿（組合梁）3、組合拱理論1）機理：在破碎區(qū)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只 要鋪桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯，在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強度得 到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。2）缺點：一般不能作為準確的定量設(shè)計。3）適用條件：頂板無穩(wěn)定巖層。圖4-4

6、a錨桿的組合拱作用原理示意圖b錨桿的減跨作用示意圖X 、 玉X、a/4C' f ；:It' 14、減跨理論 1）機理：把不穩(wěn)定的頂板巖層看成是支撐在兩幫的疊合梁 （板），由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點安設(shè)了錨桿就相當(dāng)于在該處打了點柱，增加了支點，減少了頂板的跨度（如圖 ），從而降低了頂板巖層的彎曲應(yīng)力和撓度，維持了頂 板與巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞。2）使用條件：同懸吊理論，其實質(zhì)就是錨桿的“減跨”作用，它實際上來源于錨桿的懸吊作用。3）缺點：它也未能提供用于錨桿支護參數(shù)設(shè)計的方法和參數(shù)。5、圍巖松動圈巷道支護理論圍巖松動圈巷道支護理論是在對圍巖狀態(tài)進行深入研究后提出

7、的，通過研究，發(fā)現(xiàn)松動圈的存在是巷道圍巖的固 有特性，它的范圍大小 （厚度值 ）目前可以用聲波儀或者多點位移計等手段進行測定。松動圈理論認為：巷道支護的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中產(chǎn)生的碎脹變形力，錨桿受拉力的來源在于松動圈的發(fā)生、發(fā)展，并根據(jù)圍巖松動圈厚度值大小的不同 機理也就不同。將其分為小、中、大三類，松動圈的類別不同，則錨桿支護本理論認為，巷道支護的對象除松動圈圍巖自重和巷道深部圍巖的部分彈塑性變形力外，還有松動圍圍巖的變形力。后者，往往占據(jù)主導(dǎo)地位。簡而言之，巷道支護的對象 主要是圍巖松動圈在形成過程中的巖石碎脹力。在現(xiàn)有支護條件下， 試圖用支護手段阻止圍巖松動破壞是不可能的

8、。松動圈理論認為，支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。支護對破碎圍巖的維護作用： 松動圈發(fā)展變形過程中維持破碎巖塊相互嚙合不垮落， 通過提供支護阻力限制破裂縫 隙過度擴張，從而減少巷道的收斂變形。1）小松動圈（ <40cm）圍巖的變形壓力可以忽略不計， 巷道支護載荷只是松動圈內(nèi)圍巖的自重，其數(shù)值小于0.1 MPa ，只用單一噴混凝土 支護即可達到支護的目的。2）中松動圈（40cm150cm）圍巖碎脹變形比較明顯，變形量較大，使剛性的噴射混凝土支護產(chǎn)生裂縫或破壞， 必須采用以錨桿為主體構(gòu)件的錨 噴支護方式，以錨桿為主體支護結(jié)構(gòu)控制其碎脹變形，噴層 將只作為錨桿間活石

9、的支護和防止圍巖風(fēng)化。由于圍巖松動圈厚度小于常用錨桿長度， 因此可采用錨桿懸吊作用機理來設(shè)計支護參數(shù)。3）大松動圈（ >150cm）圍巖表現(xiàn)出軟巖的工程特征，圍巖松動圈碎脹變形量大，初期圍巖收斂變形速度快，變形持續(xù)時間長，礦壓顯現(xiàn) 大，支護難度大。支護不成功時，巷道底板出現(xiàn)底鼓。在這 種條件下，如果用懸吊理論設(shè)計錨桿支護參數(shù)，常因設(shè)計錨 桿過長、過粗而失去其普遍應(yīng)用的價值。在單根錨桿作用下每根錨桿因受拉應(yīng)力而對圍巖產(chǎn)生擠壓，在錨桿兩端周圍形成一個兩端圓錐形的受壓區(qū)，合理的錨桿群可使單根錨桿形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)系起來，形成個厚度為b的均勻壓縮帶。對于拱形巷道，壓縮帶將在圍巖 破裂處形成拱形；

10、對于矩形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成矩形結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱之為組合拱作用機理。 表4-1松動圈分類表圍巖類別松動圈支護方法備注小I穩(wěn)定<40EE巖整體性好中II較穩(wěn)定100錨*噴 懸郵）TII一般750錨，噴 C懸吊）剛性丈護局部破壞大IV般不穩(wěn) 定-200錨.噴，網(wǎng) （組合拱）剛性支護大而積破 壞V不穩(wěn)定700錨.噴，網(wǎng)（纟11合拱）用巖變形有穩(wěn)定期VI極不穩(wěn)定>300一次支護無穩(wěn)定期6、錨桿支護的“關(guān)健承載圈 ”及 擴容一穩(wěn)定”理論由煤炭科學(xué)研究總院開采所康紅普博士提出，該理論認為：巷道圍巖的變形和破壞狀態(tài)在掘進、穩(wěn)定、回采等不同 階段是不同的，具有顯著差別。因此主張根據(jù)圍巖的狀態(tài)特

11、點分別按 “關(guān)鍵承載圈理論 ”和 “擴容 -穩(wěn)定理論 ”分析闡述錨 桿支護的作用機理。1) “關(guān)鍵承載圈 ”是指在巷道周圍圍巖一定深度的范圍內(nèi)，存在一個能承受較大切向應(yīng)力的 “巖石圈 ”，該巖石圈處 于應(yīng)力平衡狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，可以用來懸吊承載 圈以內(nèi)的巖層。關(guān)鍵承載圈理論認為， 承載圈以內(nèi)的巖石重量是支護的對象 即荷載高度。理論分析及工程實踐表明：承載圈厚度越大，圈內(nèi)應(yīng)力分布越均勻，承載能力越大；在對圍巖未采取人工支護等控 制措施時，承載圈離巷道周邊越近，荷載高度越低，巷道越 易維護。關(guān)鍵承載圈的位置及厚度， 可以根據(jù)對圍巖狀態(tài)的分析計算得出。“關(guān)鍵承載圈理論”認為，當(dāng)載荷高度不大，

12、通常錨桿 長度能夠伸入到關(guān)鍵承載圈中時，用“關(guān)鍵承載圈觀點”闡 述錨桿支護機理。其主要觀點是：(1)關(guān)鍵承載圈以內(nèi)的巖石重量是支護的對象，荷載高度是關(guān)鍵承載圈以下的不穩(wěn)定巖層的高度。(2)錨桿的支護作用主要是： 將破壞區(qū)巖層與關(guān)鍵承載圈相連，阻止破碎巖層垮落；對圍巖提供徑向、切向約束力， 阻止破壞區(qū)巖層的擴容、離層、滑動，提高破碎區(qū)的承載能力，如圖4-5所示。-rr-圖4-5錨桿支護的關(guān)鍵承載圈理論示意圖2) 擴容一穩(wěn)定理論巷道經(jīng)受采動影響之后，圍巖的破壞范圍會逐漸擴大，當(dāng)通常錨桿的長度不能伸入到關(guān)鍵承載圈時，依據(jù)“擴容 穩(wěn)定理論”闡述錨桿支護的作用，主要觀點:(1)錨桿要控制圍巖的擴容變形，

13、阻止深部破碎巖層的進步擴容相離層。(2)在破壞區(qū)內(nèi)形成次生關(guān)鍵承載層”，使圍巖深部關(guān)鍵承載圈內(nèi)的應(yīng)力分布趨于均勻和內(nèi)移，提高關(guān)鍵承載圈的承載 能力。錨桿對煤幫的控制效果尤為明顯，由于煤層強度較低且受到采動影響程度較為嚴重，所以回采巷道兩幫支護顯得尤 為重要，安裝錨桿后，對煤幫的擴容、松動和擠出均有控制 作用，加鋼帶后效果會更好。擴容一穩(wěn)定理論”的核心思想就是控制圍巖的擴容變形，形成次生關(guān)鍵承載層，提高承載圈的承載能力使圍巖趨于穩(wěn)定。次生關(guān)鍵承載層厚度的影響因素很多， 當(dāng)其厚度較薄且遠小于巷道尺寸時，在水平應(yīng)力的作用下，次生關(guān)鍵層很容 易發(fā)生“壓曲失穩(wěn)、彎曲失穩(wěn)”破壞，造成巷道支護失敗。因此，合

14、理確定次生關(guān)鍵承載層的厚度至關(guān)重要，錨桿的存在，減小了巖層壓曲或者彎曲失穩(wěn)的可能性，錨桿預(yù)緊 力越大，支護效果越好。二）錨桿（索）支護作用機理分析1、錨桿支護主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形與破壞，盡量使圍巖 處于受壓狀態(tài)， 抑制圍巖彎曲變形、 拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)， 最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性， 提高錨固區(qū)圍巖的整 體性和穩(wěn)固性。2、在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。3、錨桿支護系統(tǒng)的剛度十分重要，特別是錨桿預(yù)應(yīng)力起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力 是支護設(shè)計的關(guān)鍵。較高的預(yù)應(yīng)力要

15、求錨桿具有較高的強 度。4、錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散對支護效果同樣重要。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍有限，必須通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu) 護表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。件，將預(yù)應(yīng)力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。鋼帶、金屬網(wǎng)等5、錨索的作用主要有兩個方面：一是將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。是錨索施加較大的預(yù)緊力，擠緊和壓密巖石中的層理、節(jié) 理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高 圍巖的整體強度。、錨桿的三徑匹配1、鉆孔直徑比錨桿直徑大6 10mm。2、鉆孔直徑比樹脂藥卷大6mm左右。3、般鉆孔直徑29mm,錨桿直徑20、22mm，樹脂藥23mm。圖4

16、-6錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑的關(guān)系三、錨桿支護設(shè)計護設(shè)計中占主導(dǎo)地位。這種方法是在已有的大量、成功實踐卷直徑錨桿支護設(shè)計可歸納為三大類，分別是工程類比法、理論計算法、以計算機數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法。我們今天主要講理論計算法，其他方法簡單介紹一些。（一）工程類比法：是一種實用的方法，在我國錨桿支的基礎(chǔ)上，根據(jù)巷道的生產(chǎn)地質(zhì)條件確定支護參數(shù)。主要有以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的工程類比法； 道圍巖松動圈分類為基礎(chǔ)的工程類比法。 采用我國緩傾斜、 傾斜煤層回采巷道穩(wěn)定性分類方案 ，將巷道分為 5 類。制 訂相應(yīng)的煤巷錨桿支護技術(shù)規(guī)范。二）動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法：首先進行地質(zhì)力學(xué)評估（含地應(yīng)力

17、測試） ，將地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、錨桿參數(shù)等輸入計算機數(shù) 值模擬軟件，以圍巖強度強化理論為依據(jù)，按控制圍巖變形 效果和經(jīng)濟合理的原則選擇最優(yōu)方案，組織施工，并對巷道 圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿載荷監(jiān)測， 根據(jù)監(jiān)測反饋信息確定是否 調(diào)整錨桿支護參數(shù)，經(jīng)反復(fù)實踐，在動態(tài)中修改完善設(shè)計。三）理論計算方法（ k 的取值）1、按加固拱原理確定錨桿參數(shù)： 1）頂錨桿=2.0-2.2m。（1）錨桿長度：L = N（ 1.1+B/10）=1.0 X （1.1+4.2/10）=1.52m ; 根據(jù)我礦支護經(jīng)驗，錨桿長度取L式中：L錨桿長度;N圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)，取1.0m;B 巷道跨度。(2)錨桿直徑：D =L/110= (2.

18、0-2.2) /110=0.018-0.02m ,取 D=18-20mm。錨桿間距：d< 0.5L=0.5X 2.2=1.1m，取間排距為 900X 1000mm。錨桿型號：選用 $ (18-20)X( 2000-2200) mm 的左旋無縱筋錨桿，其錨固力100KN/根；配用 W鋼帶及$4mm 的鋼網(wǎng)聯(lián)合支護頂板。2）巷幫錨桿：巷幫支護錨桿選用$ 20X 2200mm 的左旋無縱筋錨桿， 并配合 $ 14mm 的鋼筋梯形梁和 $ 4mm 的鋼 網(wǎng)聯(lián)合支護。2、按懸吊理論確定錨桿參數(shù)： 1 ）錨桿長度 L，L=L1+L2+L3 =50+1200+300=1550mm設(shè)計錨桿長度 L=22

19、00mm式中：J錨桿外露長度L2軟弱巖層厚度，可根據(jù)柱狀圖確定mml3錨桿伸入穩(wěn)定巖層深度般不小于 300mm2）錨固力N:可按錨桿桿體的屈服載荷計算N=n /4(d2b 屈)=0.25 X 3.14 X( 0.02) 2 X 335 X 106=105KN式中：（T屈桿體材料的屈服極限 Mpa; d桿體直徑3）錨桿間排距錨桿間距DW 1/2LDW 0.5 X 2200=1100mm錨桿排距 L0=Nn/2kra L2=105X 103X 13/2X 3X 24X 103X2.1 X 1.2=3.76m設(shè)計錨桿間排距為 900 X 1000mm式中：n每排錨桿根數(shù)設(shè)計錨固力，KN/根K安全系數(shù)

20、，取 2-3r 上覆巖層平均容重，取24KN/ m3a 1/2巷道掘進寬度m 3、按組合梁原理計算錨桿長度LL=L1 + L2+L3式中：Lj錨桿外露長度L3錨固端長度L2組合梁自撐厚度a=0.612BKi P/ P a i a x/2Ki與施工方法有關(guān)的安全系數(shù)。掘進機掘進2-3;爆破法掘進3-5；巷道受動壓影響5-6P組合梁自重均布載荷MPa iP 與組合梁層數(shù)有關(guān)的系數(shù)表4-2組合層數(shù)與P值關(guān)系表組合層數(shù)123> 4P 值：10.750.70.65B巷道跨度，m ; a 1最上一層巖層抗拉計算強度，可取試驗強度的0.3-0.4倍，單位為 MPa； a x原巖水平應(yīng)力，a x=X r

21、z MPa,入一側(cè)壓力系 數(shù)，一般為0.25-0.4, Z巷道埋深，m。錨桿間距以上所選錨桿長度， 還需驗算組合梁各層間不發(fā)生相對滑動，并保證最下面一層巖層的穩(wěn)定性。D> 1.63mi（ a i/KP）/2式中: m1最下面一層巖層的厚度mK安全系數(shù)，取8-10P本層自重均布荷載P=r1m1MPari最下面一層巖層的容重，KN/m3四、國外錨桿支護主要經(jīng)驗：1 、美國錨桿支護技術(shù)的精髓是“兩高一大 ”。高強度（螺紋鋼）；高預(yù)拉力（漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用，使得錨桿具有很高的預(yù)拉力，錨桿的預(yù)拉力可以達到桿體本身強度的50%75%）;大排間距。2、澳大利亞主要推廣全長樹脂錨固錨桿，強調(diào)

22、錨桿強度要高。 其錨桿設(shè)計方法是將地質(zhì)調(diào)研、 設(shè)計、 施工、監(jiān)測、 信息反饋等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各個部分作為一個系統(tǒng)工 程進行考察，使它們形成一個有機的整體，形成了錨桿支護 系統(tǒng)的設(shè)計方法。3、波蘭主要推廣及時支護技術(shù)，在巷道開挖后，及時進行支護，以適應(yīng)圍巖應(yīng)力重新分布的要求，及時控制圍巖 變形。4、國外錨桿支護的發(fā)展現(xiàn)狀，即成功經(jīng)驗1）采用高強度、超高強度材料制造錨桿，加工精細，將錨桿作為產(chǎn)品、實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化，而不是簡單的支 護材料，并形成適用于不同條件的系列化產(chǎn)品。2）形成一整套比較科學(xué)的設(shè)計方法，以巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估及井下實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 強調(diào)最大水平應(yīng)力在巷 道布置與支護參數(shù)設(shè)計上的應(yīng)用。3）采用可靠的監(jiān)測手段，大力推廣應(yīng)用頂板光纖窺視儀、頂板離層指示儀、圍巖深部多點位移計、測力錨桿等 監(jiān)測儀器。4）堅持科學(xué)管理，嚴格質(zhì)量監(jiān)測，形成了從理論到實踐的完善的錨桿支護技術(shù)體系。5）有比較可靠的配套機具，采用掘錨一體化聯(lián)合掘進機或性能良