1、1锚杆支护理论与技术及常见问题2.煤巷锚杆支护技术的沿革 我国煤巷锚杆支护技术的发展过程（1）起步阶段（80年代中后期）（2）攻关阶段（19911995年）（3）引进和消化阶段（19961997年）（4）推广和提高阶段（1998年至今）2.煤巷锚杆支护技术的沿革 起步阶段主要进行一些基础性的研究和试验锚杆支护理论、锚杆支护材料、施工机具与岩石巷道相同没有合理的监测仪器煤巷锚杆支护的应用主要集中在少数几个矿区,如徐州、新汶、淮南、西山等。2.煤巷锚杆支护技术的沿革攻关阶段煤巷锚杆支护技术作为国家“八五”期间的重点项目进行攻关,取得了一大批科研成果：n出现了中性点等新理论n锚杆型式多样化n液压和电
2、动钻机相继研究成功锚杆支护应用范围明显扩大。n大断面开切眼n向围岩稳定性差的回采巷道发展2.煤巷锚杆支护技术的沿革引进和消化阶段引进国外技术,推动我国煤巷锚杆支护技术的发展和提高在引进、吸收和消化的基础上,结合我国具体情况,集中现场、科研院所及大专院校等多方面的优势,经过两年大规模研究和试验,初步形成了适合我国煤矿条件的煤巷锚杆支护成套技术2.煤巷锚杆支护技术的沿革推广和提高阶段国内各大矿区广泛推广应用,取得了显著的技术经济效益煤巷锚杆支护的比例已达到 30%以上,少数矿区已超过 80%7煤巷锚杆支护作用机理从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”支护，可以充分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳
3、定性，将载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。从技术经济上对比，锚杆支护可以节约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；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，提高掘进速度和生产效率。8（1）悬吊理论 机理：机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：适用条件：
4、锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层9（2）组合梁理论 机理：机理：将锚固范围内的岩层挤紧，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，提高其自撑能力。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（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。缺点：缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；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。适用条件：适用条件：层状地层顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。10（3）组合拱（压缩拱）理论 机理：机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆
5、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，只要铺杆间距足够小，各个错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缩带，即承压拱，这个承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，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。缺点缺点：一般不能作为准确的定量设计。适用条件：适用条件：顶板无稳定岩层11（4）最大水平应力理论 机理：机理：矿井岩层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。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
6、轴向的岩层剪切错动。缺点：缺点：直观性较差。12一、金属锚杆类型机械式锚杆 管缝式锚杆 粘结式锚杆13（1）机械式锚杆机械式锚杆是使用最早、结构多样、数量较大的锚杆主要类型。机械式锚杆的锚固机构本身是一个统一体，在安装锚杆时，锚固机构主要通过一个楔子系统在钻孔中进行轴向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上。锚固机构通过摩擦连接将锚固力大多传递给岩层。机械式锚杆在安装时，大多都产生预紧力。有时，甚至锚固机构必须直接依靠预紧力来固定。机械式锚杆的优点是，安装迅速，可即时达到承载力，可二次张紧，某些结构的锚杆还可以回收。其缺点是，钻孔中的锚固段较短，在高应力区容易导致岩层破坏和锚固区松动；因此，它主要用于
7、强度较高的岩层。14（2）管缝式锚杆管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢板卷成。沿管全长有一条开缝，管的上端是锥体，在管的下端焊有一个用钢筋制成的圆环。杆体壁厚为2-4mm、直径多为35-45mm（要求比钻孔直径大2-5mm），长度可据需要加工，一般为1.60-2.0M；开缝宽度一般10-15mm为宜。当杆体被外力强压入钻孔后，开缝管被迫压缩，与孔壁之间产生径向挤压应力，使杆体牢固的胀撑在钻孔内；杆体与孔壁间的摩擦力，便成为锚固力，并且是沿杆体全长分布的。管缝式锚杆具有锚固可靠、安装方便且易于实现机械化操作；即可实现全长锚固、又有较大预应力和滑移让压特性。15（3）粘结式锚杆 粘结式锚
8、杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结剂注入钻孔内，凝固后可将杆体粘固在钻孔中。锚杆锚固力向岩层的传递，主要是通过粘结的形式，而不是向钻孔壁通过机械或摩擦胀固等施加的挤压力。粘结式锚杆的优点是，它能在较深的钻孔中显示出很好的粘着力，而且可以不可压缩的传递很大的力。由于它在锚固岩层时，并不产生特别的接触压力，所以对岩层强度无特殊要求，从而也可在松散岩层中成功的使用。16高强锚杆锚杆的结构主要由螺纹钢杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂药卷等组成。17国外高强锚杆高强（s=340360Mpa），超高强 s600 Mpa 延伸率 1727%澳大利亚研究的高强度锚杆，杆体（直径）的破断力达；
9、直径的超高强度锚杆，其杆体的破断力达。美国制造锚杆的钢材屈服强度为a。而英国制造锚杆的钢材的屈服强度可达a。18二、锚固剂我国煤矿中主要使用的锚固剂是树脂和快硬水泥两种类型。这两种类型的锚固剂在如下几个方面的性能具有十分显著的差别19树脂锚固剂20(1)固化时间超快型树脂锚固剂的凝胶(初凝)时间为0.5-1.0钟，快硬水泥锚固剂的凝胶(初凝)时间为3-5分钟。这就意味着使用树脂锚固剂更能及时地支护围岩，保证顶板安全和稳定。21(2)不同时期的抗压强度超快型树脂锚固剂在锚杆安装5分钟后强度就可达到21MPa，相当其最终强度的30%左右;半小时后的强度大于35MPa。各种类型树脂锚固剂在1天后的强
10、度便可超过60MPa，达到最终强度的80%以上。快硬水泥锚固剂的早期强度则很低，锚杆安装5分钟时强度几乎为零;半小时后的强度为4.3-4.6MPa，一小时后的强度也仅为8-10MPa；7天以后抗压强度仅可达到树脂锚固剂强度的一半左右。树脂锚固剂的强度性能比快硬水泥好得多，尤其是在早期强度方面树脂锚固剂有更大的优越性。22(3)锚固力树脂锚固和水泥锚固相比最大的优点是锚固力大。根据邢台矿务局葛权、东庞，邢台等矿煤巷数百根锚杆拉拔力试验对比分析，树脂锚杆的拉拔力一般比使用水泥锚固剂大2.7-4.2倍。使用CK型树脂锚固剂时，15-25分钟时的锚固力就是用水泥药卷1天后的锚固力的2.7倍左右，这对于
11、及时加固围岩具有重要意义。23(4)可靠性使用树脂锚固剂时锚杆一般使用机具安装，安装质量容易保证，所以每根树脂锚杆的锚固力通常都能达到设计能力。使用快硬水泥锚固剂的锚杆安装都是手工作业，许多工序(例如浸水时间、捣固药卷等)的施工质量不好控制，很难保证锚杆安装质量。根据实测结果，水泥药卷锚固时各根锚杆的锚固力相差很大，达不到设计锚固力的锚杆往往占较大比例。24三、托梁及护网25托梁钢带主要使用在顶板。在巷道两帮煤体较破碎、松软时可使用钢筋梯子梁护帮。钢筋梯子梁也使用在顶板。26护网网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止小岩块掉落，同时对提高锚杆支护的整体效果也有一定的作用。网可分为金属网和
12、非金属网。27钢（铁）丝网一般采用-的钢（铁）丝编织而成。根据网孔形状和结构的不同，可分为经纬网和菱形网，经纬网孔的尺寸为-。而菱形网孔的尺寸为-。由于菱形网具有柔性好、强度高、孔形不变、连接方便等优点，现在逐步取代了经纬网。28钢筋网由钢筋焊接而成的大网格金属网，它由受力筋和分布筋构成。钢筋网横向筋一般为受力筋，直径左右，纵向筋一般为左右。网格左右。这种网强度和刚度都比较大，不仅能够阻止松动岩块掉落，而且可以有效地增加锚杆支护的整体效果，适用于大变形、高地应力巷道。29塑料、聚脂网塑料网的优点是成本低、轻便、抗腐蚀等，但其强度和刚度较低。聚脂网具有强度大、重量轻、刚度好等诸多优点。但由于价格
13、较高，还没有广泛使用。30四、锚杆钻机、钻头钻杆从动力区分有风动、电动、液压三种。从破岩方式区分有旋转、冲击两种。为了实现树脂锚杆的快速安装，保证有较大的扭矩，一般采用旋转式锚杆钻机。31液压锚杆钻机钻孔应特别注意在开孔时钻机的推力要小，正常钻进时保持推力与钻进速度相匹配，防止钻杆弯曲及造成孔壁不光滑而影响锚杆的安装。在更换钻杆时不要挪动锚杆钻机，以免第二根钻杆不能沿第一根钻杆原有的轴线进行钻进，使钻孔不能保持直线，给锚杆安装带来困难。安装锚杆时，也不要挪动锚杆钻机，以免锚杆不能沿钻孔的轴线前进，使锚杆与钻孔的摩擦阻力过大，安装困难。32风动锚杆钻机33钻头钻杆钻头一般使用-。钻杆使用19或六
14、方钻杆，其长度根据设计孔深选择。当锚杆长度大于时，因单体锚杆钻机最低高度在.左右，而巷道高度大多小于，不能用一根钻杆一次成孔，需换钻杆；即使巷道高度满足一次成孔高度要求，因过长的钻杆露在孔外易产生弯曲变形，在钻机推力大而钻进速度慢的情况下易出现钻杆折断、伤人事故，所以钻时先用短钻杆再换长钻杆。34五、快速安装器 35开槽销钉式快速安装器的安装过程钻孔至设计深度；将树脂药卷轻轻送入钻孔内，一般使用超快或快速和中速两种凝结速度的树脂药卷，超快或快速的药卷放在孔底，中速的药卷放在孔的外段；用组装好的锚杆将药卷轻轻送人孔底并与钻机联结；开动锚杆钻机边推进边搅拌，直到将锚杆送人孔底，时间大约-；等待树脂
15、药卷固化，大约-；开动钻机将剪切销剪断后，用钻机上紧螺母；关闭旋转及气腿开关，放下钻机。36六、小孔径预应力锚索加强支护 预应力锚索主要材料为：钢绞线、锁具、锚固剂。由于它锚固深度大，将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较大；可施加预应力，主动支护围岩，因而是支护技术中一种可靠有效的手段。在大断面、地质构造破坏地段、顶板软弱且较厚、高地应力、综放巷道等困难、复杂的巷道中，37注水泥浆及树脂胶泥锚固注水泥浆及树脂胶泥锚固，需一套小型注浆泵，施工工艺相对采用普通树脂药卷锚固要复杂，尤其采用注水泥浆，需养护较长时间才能安装锚具、张拉，不能及时支护。但注水泥浆及树脂胶泥锚固可靠性较高，锚固力
16、大，在钻孔含水时，采用普通树脂药卷锚固，其锚固力较小，有可能达不到设计锚固力。38用普通树脂药卷加长锚固采用普通树脂药卷加长锚固，与注水泥浆和树脂胶泥相比，不需注浆泵，使用锚杆钻机带动锚索搅拌树脂药卷，简化了锚索安装工序，由于树脂药卷凝结时间短，一般等待后即可安装锁具、张拉，实现了锚索快速安装、及时承载，有利于巷道快速施工和围岩稳定。但树脂药卷锚固时，其锚固力不稳定，钻孔出水时，锚固力更小。在巷道围岩较破碎时，常出现不能将树脂药卷送人孔底，锚固在钻孔的中部，药卷挤入围岩裂隙后，锚固长度达不到设计要求，另外受巷道高度及锚杆钻机的扭矩所限，锚固长度受到限制，一般小于，不如注水泥浆和树脂胶泥灵活。3
17、9七、现场监测巷道围岩表面位移巷道围岩深部位移全长锚固锚杆的受力分布端部锚固锚杆的载荷大小锚杆锚固区内、外的离层值40巷道表面收敛反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度，可以判断围岩的运动是否超过其安全最大允许值，是否影响巷道的正常使用；41围岩深部位移反映距巷道表面不同深度的围岩移近量，可以判定围岩的塑性区范以及围岩的稳定状况，分析锚杆和围岩之间是否发生错动，可以判断锚杆的应变是否超过限应变；42 锚杆的受力其大小可以判断锚杆的工作状态及其参数是否合理，如锚杆选择、布置密度是否合适等；43顶板下沉量反映巷道表面的收敛以及断面的缩小情况；44顶板锚固区内力的离层值用于判断顶板锚固区内、外围岩
18、的稳定性以及锚杆支护数的合理性；45顶板锚杆受力的大小及分布可以判断锚杆是否发生断裂、屈服，从而确定顶板是否定，锚杆支护参数是否合理。46测力锚杆 47测力锚杆的组成测力锚杆是测量锚杆全长锚固工作状态下受力的大小及分布状况的专用锚杆，主要由杆体、保护接头、静态电阻应变仪、多通道转换开关、安装接头、联接导线等几部分组成。48安装测力锚杆的目的分析锚杆和围岩的相互作用关系，研究全长锚固机理；实测锚杆受力，确定支护强度，分析围岩的强化程度，为锚杆支护设计提供依据；根据锚杆受力变化，判断锚杆是否屈服，对顶板稳定作出预测，当锚杆受力突然增大或大范围屈服时，提示人们及时采取措施，避免顶板冒落事故发生。49
19、顶板离层指示仪 50离层指示仪的组成 顶板离层指示仪由孔内固定器、位移传递装置和孔口测读装置部分组成。在顶板钻孔中布置两个测点，一个在围岩深部稳定处，一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间以及锚杆端部围岩与巷道顶板表面间的相对位移值。并可直观显示出相对位移值（离层量）的大小。51安装离层指示仪的目的（1）对顶板离层情况提供连续的直观显示，及早发现顶板失稳的征兆，以避免冒项事故发生；（）监测数据可作为修改、完善锚杆支护初始设计数据的依据之一。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悬吊理论、组合梁传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是
20、最早的锚杆支理论和加固拱理论等。悬吊是最早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了理论应用比较广泛。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锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。破碎岩层整体强度的提高。组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为
21、，锚杆提供的轴束作用，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层产生约束，并且增大了各岩层间的摩向力将对岩层离层产生约束，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层间产生相擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆岩层中安装锚杆，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带，它可间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考以承受破坏
22、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体作用，在软岩巷道中得到较为广泛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用。的应用。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，如果锚杆及时将后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，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
23、顶的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和离层，以达到支护的目的，如图下沉和离层，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新分布，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。这是是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，如悬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 根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支
24、护设计。悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过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，而且将被锚固体与原岩体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，计算数据存在误差。分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围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，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或岩破碎区范围较大，无法将锚杆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
25、。者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。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，当顶组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。用居次要地位。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，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
26、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。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
27、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组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实锚杆作用与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、连续性受到破的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。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组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。三、组合拱三、组合
28、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中安组合拱理论认为：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分布的压应装预应力锚杆时，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，只要锚杆间距足够小，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体将相互交错，就能在岩体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缩带，即承压拱中形成一个均匀的压缩带，即承压拱(亦称组合拱或压亦称组合拱或压缩拱缩拱)，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。
29、在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向荷载。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，支撑能力也相应加向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图大，如图4所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大所示。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，其厚度越大，越有利于围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。岩的稳定和支承能力的提高。图4 锚杆的组合拱原理 组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩一支护用机理，但在分析过程中没有
30、深入考虑围岩一支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单的相互作用，只是将各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，缺相加，从而得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讨，乏对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，一般不能作为准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，但可作为锚杆加固设计和施工的重确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。要参考。四、最大水平应力理论四、最大水平应力理论 最 大 水 平 应 力 理 论 由 澳 大 利 亚 学 者 盖 尔最 大 水 平 应
31、 力 理 论 由 澳 大 利 亚 学 者 盖 尔(WJGale)提出。该理论认为：矿井岩层的水平提出。该理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向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水平应力的性，最大水平应力一般为最小水平应力的L 525倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，倍。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：且有三个特点：(1)与最大水平应力平行的巷道受水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；平应力影响最小，顶底板稳定性最好；(2)与最大水与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变
32、形破坏偏向平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；巷道某一帮；(3)与最大水平应力垂直的巷道，顶底与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图板稳定性最差，如图5所示。所示。图5 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，顶底板岩层易于发生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围岩变形，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层膨胀和垂直于轴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层剪切错动向的岩层剪切
33、错动(图图6)，因此要求锚杆必须具备强，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。的作用。最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力最大水平应力理论，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的作用。对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支在设计方法上，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，进行优化设计，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，并根据监测结果修改在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。
34、完善初始设计。(a)约束岩层膨胀；(b)约束岩层错动图6 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该理论的要点是：该理论的要点是：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚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；结构；(2)巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，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包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数(E、C、)，改，改善被锚固岩体的力学性能；善被锚固岩体的力学性能；(3)巷道围岩存在破碎区、巷道围
35、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、残余强度均能得到强化；（后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护）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、改善巷道的支护状况；载能力、改善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强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面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷
36、道围岩的稳定。而有利于保持巷道围岩的稳定。中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究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论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的理论。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。该实质，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：理论的要点是：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固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，形成统一的承载结区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承
37、载结构；构；(2)巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包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括锚固体破坏前和破坏后的力学参数(E、C、)，改善，改善被锚固岩体的力学性能；被锚固岩体的力学性能；(3)巷道围岩存在破碎区、塑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性区、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；（强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护可）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改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；能力、改
38、善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强度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面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而道的表面位移，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。有利于保持巷道围岩的稳定。锚杆杆体主要提供两方面的作用，第一是抗拉，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岩石与杆体粘其次是抗剪。锚固剂的作用是将钻孔孔壁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
39、一定的拉力。锚杆拉力除锚固端粘结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较外，沿长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动大空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比后才能发挥出来。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粘结在较复杂，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起，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，阻止岩层发生滑动。
40、对于时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。对于端部锚固锚杆，杆体各部位的应力和应变相等。在锚固端部锚固锚杆，杆体各部位的应力和应变相等。在锚固范围内，任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体范围内，任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体的长度上。对于全长锚固锚杆，这种分散是不可能的，的长度上。对于全长锚固锚杆，这种分散是不可能的，致使应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，离层大致使应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，离层大的部位锚杆受力很大。这是全长锚固锚杆与端部锚固锚的部位锚杆受力很大。这是全长锚固锚杆与端部锚固锚杆的根本区别。杆的根本区别。国内外学者对锚杆锚固前后岩体力学性能的变
41、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。研究结果表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、弹性明，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，锚模量、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、塑性区内岩石的力杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束时学性质，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，锚杆显著增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较加了岩石屈服后
42、的强度，使岩石的破坏变得比较平缓。平缓。图7 锚固前后岩石应力一应变关系 综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆支护综上所述，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：机理进行概括，其要点如下：(1)回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差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特点；别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其特点；(2)锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩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，锚杆安扩容和离
43、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；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，巷道围岩的破坏范围会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扩大，当锚杆能伸人稳定岩层中时，其作用主要表现逐渐扩大，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，阻止破坏岩层垮落，同为，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，提高破坏岩石强度，阻止时，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，从而提高其承载能力；破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而
44、提高其承载能力；(4)锚杆不能伸人稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高破坏岩层锚杆不能伸人稳定岩层时，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，它不仅可保持自身平的整体强度，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均匀和内移；围岩深部的应力分布趋于均匀和内移；(5)钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止锚杆间的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、离层的增大，钢带受力破碎岩块掉落，随着锚固区岩
45、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；的扩容和离层，从而增加岩层承载能力；(6)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合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较 大的转动大的转动(如图如图)(7)回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出，由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，所以回采巷道两帮支护显得于煤层强度较低
46、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变形均有控制作用。加钢带尤为重要，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。后效果会更好。第二节第二节 特种锚杆与锚索支护技术特种锚杆与锚索支护技术 对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室，对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室，它们共同的特点是围岩自稳时间短、破碎范围大、它们共同的特点是围岩自稳时间短、破碎范围大、变形强烈，仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的变形强烈，仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的支护效果，而且支护和维修费用极高，有的甚至影支护效果，而且支护和维修费用极高，有的甚至影响矿井的正常
47、生产。为此，开发研制了一系列对付响矿井的正常生产。为此，开发研制了一系列对付这些困难工程的支护技术。这些困难工程的支护技术。锚索和桁架的使用大大拓宽了锚杆的作用和使用范围。使用范围由岩巷发展到半煤岩巷、全煤巷；由坚硬顶板发展到软弱、破碎、极破碎顶板；由采深浅的巷道发展到采深超千米，有冲击地压的煤巷；由普通煤巷发展到小煤柱或沿空留巷：由巷道发展到工作面的开切眼和收作线。图 钢绞线桁架支护系统钢绞线桁架连接器 一、特种锚杆一、特种锚杆 1注浆锚杆注浆锚杆 锚杆与注浆都是地下巷道工程围岩加固的基本形式。如果利用锚锚杆与注浆都是地下巷道工程围岩加固的基本形式。如果利用锚杆兼作注浆管对巷道围岩进行注浆，
48、一方面可加固巷道周边的破杆兼作注浆管对巷道围岩进行注浆，一方面可加固巷道周边的破裂岩体，提高围岩的自承能力；另一方面，可改善破裂岩体的结裂岩体，提高围岩的自承能力；另一方面，可改善破裂岩体的结构及其力学性能，为锚杆提供可锚的物质基础，最大限度地发挥构及其力学性能，为锚杆提供可锚的物质基础，最大限度地发挥锚杆的锚固作用。所以，如何把锚杆支护与注浆加固有机地结合锚杆的锚固作用。所以，如何把锚杆支护与注浆加固有机地结合起来，取得巷道围岩加固的最佳效果，一直是人们所努力的目标。起来，取得巷道围岩加固的最佳效果，一直是人们所努力的目标。前苏联、德国等在前苏联、德国等在20世纪世纪80年代就采用空心圆管作
49、为锚杆对围年代就采用空心圆管作为锚杆对围岩实施注浆，国内有些单位也开发了注浆锚杆。岩实施注浆，国内有些单位也开发了注浆锚杆。图图17是一种内锚外注式锚杆。该锚杆分为三个部分，每段有一是一种内锚外注式锚杆。该锚杆分为三个部分，每段有一挡环隔开：锚固段，可增大端头锚固力；注浆段，布有出浆挡环隔开：锚固段，可增大端头锚固力；注浆段，布有出浆孔若干，作为注浆时出浆用；封孔段，锚杆的注浆封孔采用橡孔若干，作为注浆时出浆用；封孔段，锚杆的注浆封孔采用橡胶圈胶圈(或软木塞、或快速凝结剂或软木塞、或快速凝结剂)配合喷射混凝土来实现。配合喷射混凝土来实现。图17 内锚外注式注浆锚杆喷层；2一螺母；3一托板；4一
50、环状塞；5一挡环6一杆体；7一出浆孔；8一锚固剂确定了锚杆支护形式和参数的选择原则1）一次支护原则。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。2）高预应力和预应力扩散原则。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护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；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。水平应力水平应力垂直应力水平应力水平应力垂直应力主被动锚杆的支护效果 1 超高强锚杆杆体 2 螺母 3 预应力标示杆 4 应力松弛自补偿弹簧5 弹簧护筒 6 减摩垫
