1、煤巷新型支护材料的研制煤巷新型支护材料的研制高性能预拉力锚杆高性能预拉力锚杆第六节第六节 锚杆支护监测技术锚杆支护监测技术一、巷道表面位移一、巷道表面位移二、顶板离层二、顶板离层三、锚杆三、锚杆(索索)受力受力第七节第七节 特种锚杆与锚索支护技术特种锚杆与锚索支护技术一、特种锚杆一、特种锚杆1注浆锚杆注浆锚杆 2自钻注浆锚杆和接长锚杆自钻注浆锚杆和接长锚杆二、小孔径树脂锚索二、小孔径树脂锚索第八节第八节 煤巷锚杆支护技术的应用煤巷锚杆支护技术的应用第九节第九节 改进与发展改进与发展煤巷锚杆支护技术煤巷锚杆支护技术 绪绪 论论一、锚杆支护的技术经济优越性一、锚杆支护的技术经济优越性 在巷道支护中
2、，锚杆支护与传统的棚式支在巷道支护中，锚杆支护与传统的棚式支护相比，具有显著的技术经济优越性。其主要护相比，具有显著的技术经济优越性。其主要表现在：（表现在：（1）锚杆支护可充分利用围岩的自）锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体；（承能力将载荷体变为承载体；（2）一般棚式）一般棚式支护属于支护属于“被动被动”支护，支而通常使用的锚杆支护，支而通常使用的锚杆支护属于支护属于“主动主动”支护，在锚杆安装以后，锚支护，在锚杆安装以后，锚杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力，且随杆即对围岩提供轴向或横向的支护阻力，且随围岩变形支护阻力不断增加；围岩变形支护阻力不断增加； v（3）锚杆支护的
3、巷道围岩变形量通常要比棚式支护减）锚杆支护的巷道围岩变形量通常要比棚式支护减少一半以上；（少一半以上；（4）减少支护材料的运输和装卸支架工）减少支护材料的运输和装卸支架工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；（作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；（5）能）能够保持两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和够保持两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高低成本生产创造有利条件；（高产高低成本生产创造有利条件；（6）锚杆支护巷道）锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率。（提高掘进速度和生产效
4、率。（7）降低支护成本，采用）降低支护成本，采用锚杆支护可以大幅度节约大量钢材、木材等支护材料，锚杆支护可以大幅度节约大量钢材、木材等支护材料，降低支护成本，有利于节约自然资源，改善生态环境。降低支护成本，有利于节约自然资源，改善生态环境。 （8）提高掘进速度，锚杆支护巷道施工简单、机械化）提高掘进速度，锚杆支护巷道施工简单、机械化程度高，随着锚杆机具、掘进机及其配套设备性能的完程度高，随着锚杆机具、掘进机及其配套设备性能的完善与提高，配套材料，如钻头、钎杆性能的提高，以及善与提高，配套材料，如钻头、钎杆性能的提高，以及一大批锚杆支护材料的应用，巷道掘进速度和生产效率一大批锚杆支护材料的应用，
5、巷道掘进速度和生产效率可大幅提高。可大幅提高。 v（9）消除安全隐患）消除安全隐患v采用锚网支护技术，可以消除传统架棚支护方式的采用锚网支护技术，可以消除传统架棚支护方式的不安全因素。若采用架棚支护，由于顶煤较破碎，不安全因素。若采用架棚支护，由于顶煤较破碎，棚与顶板煤层之间出现空隙，则会造成煤的自燃。棚与顶板煤层之间出现空隙，则会造成煤的自燃。采用锚网支护技术，钢筋网能遭与顶板完全接触，采用锚网支护技术，钢筋网能遭与顶板完全接触，可防止顶煤的冒落和煤层裂隙的继续扩展，从而可可防止顶煤的冒落和煤层裂隙的继续扩展，从而可以达到防、灭火的目的。特别是消除了采用架棚支以达到防、灭火的目的。特别是消除
6、了采用架棚支护的切眼在支架安装时、回撤架棚时的不安全因素，护的切眼在支架安装时、回撤架棚时的不安全因素，为安全生产创造了条件。为安全生产创造了条件。v（10）简化工作面超前支护）简化工作面超前支护v综采工作面上、下顺槽采用棚式支护时，必须提前综采工作面上、下顺槽采用棚式支护时，必须提前进行替棚。受工作面采动影响，撤棚、替棚工作十进行替棚。受工作面采动影响，撤棚、替棚工作十分复杂，用工多、速度慢，严重影响综采工作面综分复杂，用工多、速度慢，严重影响综采工作面综采工作面推进速度，提高了工作面单产，有利于高采工作面推进速度，提高了工作面单产，有利于高产高效矿井建设。产高效矿井建设。二、国内外锚杆支护
7、的发展二、国内外锚杆支护的发展 1、 国内外煤巷锚杆应用概况国内外煤巷锚杆应用概况 由于各国的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比由于各国的技术、经济状况及煤层地质条件的差异比较大，煤巷锚杆支护的发展历程也表现出各自不同的特较大，煤巷锚杆支护的发展历程也表现出各自不同的特点。点。1)1)美国美国 美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的美国是世界上最早使用锚杆作为煤矿顶板支护方式的国家国家(1912(1912年年) )，依据其得天独厚的地质条件及先进的科，依据其得天独厚的地质条件及先进的科技、经济实力，在锚杆支护技术方面一直处于世界领先技、经济实力，在锚杆支护技术方面一直处于世界领先水平
8、，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚水平，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在杆使用数量最多的国家，每年锚杆使用量在80008000万根以万根以上，约上，约25000km25000km的煤巷使用锚杆支护。由于使用锚杆有的煤巷使用锚杆支护。由于使用锚杆有效地控制围岩的稳定性，美国所有的井工巷道都布置在效地控制围岩的稳定性，美国所有的井工巷道都布置在煤层中，煤层中，并认为不能采用锚杆支护的煤层，开采是不经并认为不能采用锚杆支护的煤层，开采是不经济的济的。 6060年代末由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用的相当一部分年代末由于树脂锚固剂的发明，锚杆使用
9、的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式，并且锚杆的直径和强度比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式，并且锚杆的直径和强度都有所提高都有所提高( (直径大约为直径大约为19mm19mm，强度大约为，强度大约为300MPa)300MPa)。随着人们对。随着人们对全长胶结锚杆的机理及应用条件的认识，认为高预拉力对于更大全长胶结锚杆的机理及应用条件的认识，认为高预拉力对于更大限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意义。限度地提高顶板的稳定性具有特别重要的意义。 在在7070年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆能够实现很高的预拉力
10、，同时锚杆的直径和强度有了进使得锚杆能够实现很高的预拉力，同时锚杆的直径和强度有了进一步的提高一步的提高( (直径达到直径达到22mm22mm和和25mm25mm，强度达到，强度达到517MPa)517MPa)，锚杆的高，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的预拉力可以达到杆体本身强度的50%50%75%75%。这种锚杆系统的安装。这种锚杆系统的安装速度很快，安装机具不需等到树脂固结就可以移至安装下一根锚速度很快，安装机具不需等到树脂固结就可以移至安装下一根锚杆的地方，因而可以采用中速或慢速树脂锚固剂。杆的地方，因而可以采用中速或慢速树脂锚固剂。 美国的主要经验是：美国的主要经验是：将锚杆加工产
11、业化；锚杆支护作为一门技将锚杆加工产业化；锚杆支护作为一门技术，而非材料消耗、废品利用，形成了锚杆产品的多样化、多系术，而非材料消耗、废品利用，形成了锚杆产品的多样化、多系列，以适应各种不同的条件；锚杆设计、制造、服务一体化；将列，以适应各种不同的条件；锚杆设计、制造、服务一体化；将高新技术用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚高新技术用于锚杆设计；强调锚杆的高强度、高预拉力，并将锚杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计，形成了不同与其杆的预拉力作为锚杆支护的主要参数进行设计，形成了不同与其它国家的锚杆支护方法。它国家的锚杆支护方法。5)5)国内情况国内情况 自自5050年代以来，
12、锚杆支护技术在我国也得到了逐步年代以来，锚杆支护技术在我国也得到了逐步应用，煤矿于应用，煤矿于19561956年开始使用锚杆，主要是机械端锚年开始使用锚杆，主要是机械端锚和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在较稳定的岩石巷道中，和钢丝绳砂浆无托盘锚杆，用在较稳定的岩石巷道中，70708080年代，国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护列年代，国家科技攻关中一直将软岩锚杆支护列为主攻方向之一，为主攻方向之一，8080年代末期，开始引进澳大利亚技年代末期，开始引进澳大利亚技术，树脂锚杆研制成功并推广应用，煤巷锚杆进入发术，树脂锚杆研制成功并推广应用，煤巷锚杆进入发展的快车道，展的快车道，、类巷道锚杆支护很快取得成
13、类巷道锚杆支护很快取得成功，功，、类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推类巷道也积累了很多经验，煤巷锚杆的推广应用力度进一步加强，但由于我国煤矿地质条件相广应用力度进一步加强，但由于我国煤矿地质条件相对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂，我国煤巷锚对于美国、澳大利亚、英国等更加复杂，我国煤巷锚杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的杆支护不仅要使用在煤质中硬、围岩稳定程度较高的、类回采巷道，而且要使用在软岩回采巷道、类回采巷道，而且要使用在软岩回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下，所以总体使深井巷道、沿空掘巷等复杂困难条件下，所以总体使用比重较低，各地区发展很不平衡。用比重较低，各地
14、区发展很不平衡。 如何把握锚杆支护技术的演变趋势，应用预如何把握锚杆支护技术的演变趋势，应用预应力技术成果，应力技术成果，从普通圆钢锚杆、高强度螺纹钢从普通圆钢锚杆、高强度螺纹钢锚杆，进一步发展到预拉力锚杆支护技术，锚杆，进一步发展到预拉力锚杆支护技术，是非是非常值得研究的问题。早在本世纪初，就有人提出常值得研究的问题。早在本世纪初，就有人提出无粘结预应力筋的设想，无粘结预应力筋的设想，2020年代德国人申请了专年代德国人申请了专利，利，5050年代在楼面建筑中应用，近年代在楼面建筑中应用，近2020年发展很快。年发展很快。预应力技术的出现和发展使得预应力平板结构代预应力技术的出现和发展使得预
15、应力平板结构代替了建筑结构中过去大量采用的梁板结构，从而替了建筑结构中过去大量采用的梁板结构，从而大大提高了承载性能，减少了材料用量，减少了大大提高了承载性能，减少了材料用量，减少了结构厚度，增加了有效空间；混凝土建筑材料也结构厚度，增加了有效空间；混凝土建筑材料也经由素混凝土、普通钢筋混凝土发展到预应力钢经由素混凝土、普通钢筋混凝土发展到预应力钢筋混凝土，承载性能明显提升。筋混凝土，承载性能明显提升。三锚杆的种类三锚杆的种类锚杆的种类繁多，总体可归纳为锚杆的种类繁多，总体可归纳为 以下几种类型：以下几种类型：第一节第一节 煤巷锚杆支护理论煤巷锚杆支护理论 传统的锚杆支护理论有传统的锚杆支护理
16、论有悬吊理论、悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是最组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是最早的锚杆支护理论，早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。岩层整体强度的提高。 组合梁理论组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层充分考虑了锚杆
17、对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。层间产生相对滑动。加固拱理论加固拱理论认为，即认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以
18、承受破坏区上部破碎岩石的载带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。用。 一、悬吊理论一、悬吊理论 悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。稳定性。 对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接直接顶因弯曲、变
19、形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图和离层，以达到支护的目的，如图1所示。所示。 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展，如吊理论的进一步发展，如2所示。所示。 图1 锚杆的悬吊作用图2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层 根据
20、悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。计。 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚分析过程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。算数据存在误差。 悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将
21、锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。论就不适用。二、组合梁理论二、组合梁理论 组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用锚杆的悬吊作用居次要地位。居次要地位。 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方止岩石沿层面滑动
22、，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层紧成一个较厚的岩层(组合梁组合梁)。这种组合厚岩层在上覆。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3所示。所示。
23、根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。图3 顶板锚杆组合梁作用(a)未打锚杆(b)布置顶板锚杆 组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支
24、护的设计，对于巷道的帮、底不适用。设计，对于巷道的帮、底不适用。三、组合拱三、组合拱(压缩拱压缩拱)理论理论 组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱缩带，即承压拱(亦称组合拱或压缩拱亦称组合拱或压缩拱)，这个承，
25、这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图应加大，如图4所示。因此，锚杆支护的关键在所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。 组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，支护的作用
26、机理，但在分析过程中没有深但在分析过程中没有深入考虑围岩一支护的相互作用，入考虑围岩一支护的相互作用，只是将各只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得支护结构的最大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚般不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。杆加固设计和施工的重要参考。图4 锚杆的组合拱原理四、最大水平应力理论四、最大水平应力理论 最
27、大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔(WJGale)提出。该理论认为：矿井岩层提出。该理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的水平应力的1.52.5倍。倍。巷道顶底板的稳定性巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点：主要受水平应力的影响，且有三个特点：(1)与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；最小，顶底板稳定性最好；(2)与最大水平应与最大水平应力呈锐
28、角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；向巷道某一帮；(3)与最大水平应力垂直的巷与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图道，顶底板稳定性最差，如图5所示。所示。图图5 应力场效应应力场效应(a)巷道平行于主应力(最佳方向)； (b)巷道与主应力呈45夹角； (c)巷道与主应力呈90夹角(最劣方向) 在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩
29、层剪切错动层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动(图图6)，因此要求锚杆必须因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。 最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平最大水平应力理论，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所起应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。的作用。 在设计方法上，借助于计算机数值模拟不在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监
30、测结果修改完善初始设计。根据监测结果修改完善初始设计。(a)约束岩层膨胀；约束岩层膨胀； (b)约束岩层错动约束岩层错动图图6 锚杆加固作用示意图锚杆加固作用示意图五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述 随着锚杆支护理论研究的深入，开始涉及到锚杆支随着锚杆支护理论研究的深入，开始涉及到锚杆支护机理的实质问题，国内外学者对经锚杆锚固后围岩岩护机理的实质问题，国内外学者对经锚杆锚固后围岩岩体力学性能的改善进行了研究，深度不同地探讨了锚杆体力学性能的改善进行了研究，深度不同地探讨了锚杆加固后提高岩石强度加固后提高岩石强度R 、弹性模量、弹性模量E、粘聚力、粘聚力C和
31、内摩和内摩擦角擦角等问题，取得了相应的研究成果：等问题，取得了相应的研究成果：(1)系统布置锚系统布置锚杆可以提高岩体的杆可以提高岩体的E、C、 ;(2)合理的锚杆支护可以有合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力应变特性，且不同弹性效地改变围岩的应力状态和应力应变特性，且不同弹性模量的带锚岩体所表现的锚固效果是不同的；模量的带锚岩体所表现的锚固效果是不同的；(3)锚杆锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪刚度和强度有关，并从不同角度提出了最佳的锚杆布置刚度和强度有关，并从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案：方案：(4)锚固体
32、的变形破坏符合莫尔锚固体的变形破坏符合莫尔库仑准则；库仑准则；(5)锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。径向约束力。 中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究成中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究成果的基础上研究并提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理果的基础上研究并提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的实论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提供了理论依据。该理质，并为合理确定锚杆支护参数提供了理论依据。该理论的要点是：论的要点是：(1)巷道
33、锚杆支护的实质是锚杆和锚固区巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；域的岩体相互作用而组成锚固体，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固体破坏前和破坏后的力学参数(E、C、)，改善被锚，改善被锚固岩体的力学性能；固岩体的力学性能；(3)巷道围岩存在破碎区、塑性区、巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；（残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护
34、可改变围）巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；改善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强度提高以巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。保持巷道围岩的稳定。 锚杆杆体主要提供两方面的作用，第一是锚杆杆体主要提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪。锚固剂的作用是将钻孔孔壁抗拉，其次是抗剪。锚固剂的作用是
35、将钻孔孔壁岩石与杆体粘结在一起。对于端部锚固锚杆，锚岩石与杆体粘结在一起。对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受一定固剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比较复杂，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁较复杂，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁粘
36、结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力；当粘结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。岩层发生滑动。 国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变化也进行了比较全面、系统的研究。研究结果变化也进行了比较全面、系统的研究。研究结果表明，岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹表明，岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。而且，性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。而且，锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内岩石的锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区
37、内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束时岩石应力应变曲线如图所示。可见，锚杆显著时岩石应力应变曲线如图所示。可见，锚杆显著增加了岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比增加了岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比较平缓。较平缓。图图7 a 锚固前后岩石应力一应变关系锚固前后岩石应力一应变关系00.060.080.220.170.140.11单位：MPa图图7 b 锚固体应力应变曲线锚固体应力应变曲线 综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆支护机理进行概括，其要点如下：支护机理进行概括，其要
38、点如下： (1)回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其差别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其特点；特点；(2)锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层，减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性，围岩扩容和离层，减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性，锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好；锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好；(3)随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范围会逐渐
39、扩大，当锚杆能伸人稳定岩层中时，其作用主围会逐渐扩大，当锚杆能伸人稳定岩层中时，其作用主要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落，同时，锚杆提供径向和切向约束，提高破坏岩石垮落，同时，锚杆提供径向和切向约束，提高破坏岩石强度，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其强度，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力；承载能力； (4)锚杆不能伸入稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高锚杆不能伸入稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高破坏岩层的整体强度，在破坏区内形成承载结构，它破坏岩层的整体强度，在破坏区内形成承载结构，它不仅可保持自身平
40、衡，而且可以阻止上部破坏岩层的不仅可保持自身平衡，而且可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层，同时使围岩深部的应力分布趋于进一步扩容和离层，同时使围岩深部的应力分布趋于均匀和内移；均匀和内移； (5)钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止锚杆间的破碎岩块掉落，随着锚固区岩层扩容、离层锚杆间的破碎岩块掉落，随着锚固区岩层扩容、离层的增大，钢带受力逐渐增加，对锚杆间的围岩施以径的增大，钢带受力逐渐增加，对锚杆间的围岩施以径 向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加岩层承载能力；岩层承载能力； (6
41、)当锚固岩层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚当锚固岩层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚杆形成组合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较杆形成组合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较 大大的转动的转动(如图如图8) (7)回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出，由于煤层强度较低且受到采动影响，所以回采挤出，由于煤层强度较低且受到采动影响，所以回采巷道两帮支护显得尤为重要，打锚杆后对煤帮的两种巷道两帮支护显得尤为重要，打锚杆后对煤帮的两种变形均有控制作用。加钢带后效果会更好。变形均有控制作用。加钢带后效果会更好。六、煤巷层状顶板的预应力结构理论1
42、、层状顶板预应力支护结构的概念 众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时( (约在破坏约在破坏载荷的载荷的25%25%以下以下) )，脆性特征明显的岩体就出现开裂、离，脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚
43、杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度程度( (在钢筋混凝土中达到极限载荷的在钢筋混凝土中达到极限载荷的606075%)75%)以后，以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪能力主要依赖抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。于锚杆。也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载，先是也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载，先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆才开始承载围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆才开始承载，在目，在
44、目前的开采深度不大和非强烈构造应力区，这种矛盾常常前的开采深度不大和非强烈构造应力区，这种矛盾常常不突出，支护的成功掩盖问题的实质。不突出，支护的成功掩盖问题的实质。 如果在安装锚杆的同时，立即施加足够的如果在安装锚杆的同时，立即施加足够的预拉力，不仅消除了锚杆支护系统的初始滑移预拉力，不仅消除了锚杆支护系统的初始滑移量，而且给围岩一定的预压应力，改善围岩的量，而且给围岩一定的预压应力，改善围岩的应力环境：对于受拉截面来说，可以抵消一部应力环境：对于受拉截面来说，可以抵消一部分拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪分拉应力，从而大大提高抗拉能力；对于受剪截面，由于压应力产生的摩擦力，大大提高了
45、截面，由于压应力产生的摩擦力，大大提高了加固体的抗剪能力。因此及时施加预拉力直接加固体的抗剪能力。因此及时施加预拉力直接避免巷道围岩过早出现张开裂缝，可以大大减避免巷道围岩过早出现张开裂缝，可以大大减缓围岩的弱化过程，岩体利用自身强度及时参缓围岩的弱化过程，岩体利用自身强度及时参与承载过程，即形成整体承载结构，保证了巷与承载过程，即形成整体承载结构，保证了巷道的长期稳定。道的长期稳定。 与这种主动锚杆支护相比，普通无预拉力与这种主动锚杆支护相比，普通无预拉力被动锚杆支护旨在建立被动锚杆支护旨在建立“钢钢”性顶板，即每性顶板，即每一排使用尽量多的锚杆，行间距和排间距都一排使用尽量多的锚杆，行间距
46、和排间距都很密，有使顶板很密，有使顶板“钢铁化钢铁化”的势态。被动锚的势态。被动锚杆支护能保证在锚杆长度范围内离层变形后杆支护能保证在锚杆长度范围内离层变形后产生很大的支护抗力，但因顶板已发生离层，产生很大的支护抗力，但因顶板已发生离层，这种抗力已无助于恢复或提高顶板总体的抗这种抗力已无助于恢复或提高顶板总体的抗剪强度。尽管锚杆长度范围内的顶板剪强度。尽管锚杆长度范围内的顶板“钢钢”性化，但避免不了在锚杆长度以外的顶板中性化，但避免不了在锚杆长度以外的顶板中发生离层，出现垮冒，实际上这种现象经常发生离层，出现垮冒，实际上这种现象经常发生。发生。 据统计，我国高强锚杆的应用推广中，冒顶的比据统计
47、，我国高强锚杆的应用推广中，冒顶的比重占总进尺的万分之五左右，安全可靠性尚不能满足重占总进尺的万分之五左右，安全可靠性尚不能满足煤矿生产的实际需要。我国现在锚杆间排距普遍在煤矿生产的实际需要。我国现在锚杆间排距普遍在0.60.60.8m0.8m之间，即使杆体强度再高，实践中时有锚固之间，即使杆体强度再高，实践中时有锚固区整体离层破坏甚至垮冒，而锚杆实际受力却很小的区整体离层破坏甚至垮冒，而锚杆实际受力却很小的现象，这促使我们思考如何发挥锚杆的作用，并避免现象，这促使我们思考如何发挥锚杆的作用，并避免这类现象发生。这类现象发生。在施工安装过程在施工安装过程中，及时给锚杆或其它支护构件以很高的张拉
48、力，并中，及时给锚杆或其它支护构件以很高的张拉力，并传递到层状顶板，使顶板岩层在水平应力作用下处于传递到层状顶板，使顶板岩层在水平应力作用下处于横向压缩状态，形成横向压缩状态，形成“刚性化刚性化”的压力自撑结构，从的压力自撑结构，从而阻止高水平应力对顶板围岩体的破坏，消除或大大而阻止高水平应力对顶板围岩体的破坏，消除或大大减缓弱面离层现象，同时减缓两帮围岩的应力集中程减缓弱面离层现象，同时减缓两帮围岩的应力集中程度和岩体破坏现象，从根本上维持围岩稳定。这种层度和岩体破坏现象，从根本上维持围岩稳定。这种层状顶板的压力自撑结构就叫顶板预应力结构。状顶板的压力自撑结构就叫顶板预应力结构。确定锚杆支护
49、形式和参数的选择原则确定锚杆支护形式和参数的选择原则1 1）一次支护原则。）一次支护原则。 锚杆支护应尽量一次支护就能有锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。效控制围岩变形，避免二次或多次支护。2 2）高预应力和预应力扩散原则。）高预应力和预应力扩散原则。 预应力是锚杆支护预应力是锚杆支护的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护。支护。 一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；
50、另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，提高锚固体的整体刚度与完整性。应力的扩散，提高锚固体的整体刚度与完整性。水平应力水平应力水平应力水平应力垂直应力水平应力水平应力水平应力水平应力垂直应力主被动锚杆的支护效果主被动锚杆的支护效果 1 超高强锚杆杆体超高强锚杆杆体 2 螺母螺母 3 预应力标示杆预应力标示杆 4 应力松弛自补偿弹簧应力松弛自补偿弹簧5 弹簧护筒弹簧护筒 6 减摩垫圈减摩垫圈 7 应力扩散托盘应力扩散托盘 8 高强树脂锚固剂高强树脂锚固剂 9 围岩围岩可控预应力超高强锚杆可控预应力超高强锚杆MQS90J2型气动锚杆安装机
