锚杆分类及性能

锚分类目前，用于支护的锚栓种类很多，根据与被支护体的锚固长度，可分为集中式锚栓和全长锚栓。集中锚固型锚杆是指锚杆装置只有一部分和杆体与锚杆孔壁接触的锚杆。包括端部锚固、点锚固和局部锚固等。全长锚固锚杆是指锚固装置或锚杆体与锚杆孔壁全长接触的锚杆，包括各种摩擦锚杆、全长砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥锚杆等。根据锚杆的锚固方式，可分为机械锚固型和粘结锚固型。锚固装置或锚杆体与孔壁接触，通过摩擦力起锚固作用的锚杆属于机械锚固锚杆。锚杆体的部分或全长利用树脂、砂浆、快硬水泥等胶结材料将锚杆体与锚杆孔壁粘结固定在一起，通过粘结力起锚固作用的锚杆属于粘结锚杆。有许多种材料用来制作锚杆。根据锚杆材料的不同，锚杆可分为钢丝绳锚杆、普通钢锚杆、螺纹钢锚杆、玻璃钢锚杆、木锚杆、竹锚杆等类型。第1节金属螺栓金属锚杆根据其锚固形式可分为机械型、管接头型和粘接型。1.机械锚杆机械螺栓是最早的结构多样、数量庞大的螺栓。机械锚杆本身的锚固机理是一个统一体。安装锚杆时，锚固机构主要通过楔形系统在钻孔中轴向或径向相互错位而在钻孔壁上张紧。锚固机构通过摩擦连接将大部分锚固力传递给岩层。大多数机械锚在安装过程中产生预紧力。有时，甚至锚固机构也必须通过预紧力直接固定。机械锚杆具有安装快捷、瞬时承载能力强、可二次张拉和回收部分结构锚杆的优点。它的缺点是钻孔中的锚固段短，在高应力区容易导致岩层破坏和锚固剂松动。锚固力通常较低，只能应用于中等稳定性以上的岩层条件。机械螺栓可分为楔缝螺栓、反楔螺栓和帐户壳螺栓。1.楔形接缝螺栓楔形螺栓主要由杆体、楔块、垫板和螺母组成，如图1-1所示。杆体直径包括18毫米、20毫米、22毫米、25毫米等规格，长度为1200-1800毫米；楔形缝长150-250毫米，宽2-3毫米。楔子长130-150毫米，宽18-25毫米，顶部厚22-25毫米，底部厚3毫米。1杆体；2-楔形接头；三线；4-楔形；5-垫板；六螺母楔缝锚杆结构简单，设计锚固力为40KN，用于中硬岩层时锚固力在40KN以上，增加锚头时锚固力为60-80 kN。楔形锚杆一般适用于中等或以上坚硬围岩。由于煤层强度低、稳定性差，楔形锚杆很少用于煤巷支护。2.倒置楔形螺栓倒楔形锚杆主要由金属锚杆、铸铁活动楔、固定楔、垫板和螺母组成，如图1-2所示。杆体直径一般为14-18毫米，锚杆总长度为1200-2300毫米；铸铁活动楔宽150毫米，宽28毫米；宽。固定楔长150毫米，宽30毫米。1-铸铁活动楔(下楔)；2-固定楔(上部楔)；三杆体；4-垫板；5-螺母本发明结构简单，不需要冲击和锤击，安装简便，易于回收，安装后能立即起到支撑作用，并能对围岩产生预压应力。但是，孔内注浆反楔锚杆抗震能力差，在软弱破碎围岩中锚固力差。倒楔形锚杆的锚固力为30-50kN。根据经验，固定楔和活动楔安装牢固后，锚头的最大横向尺寸应为膨胀壳锚杆主要由膨胀壳、锥形螺母、杆体、垫板和螺母组成，如图1-4所示。膨胀壳锚的工作原理不同于楔形缝锚和倒楔形锚。它依赖于旋转杆体使锥形螺母向下滑动，迫使膨胀的壳体向左和向右打开，并且楔形物嵌入钻孔的岩石壁中。随着杆体继续旋转，楔形变得越来越强。锚杆穿过的围岩受到挤压，自稳能力增强，实现受到控制。1-膨胀壳；双杆体；3-垫板；4-锥形螺母；5-钻井；6-螺母7-连接件；8增加焊接尖端角度；9-三角形内螺纹；10-连接板槽膨胀环螺栓有多种结构形式，其中大多数较为复杂，加工成本较高。两件式膨胀环锚杆结构相对简单，锚固性能好。设计锚固力为50-60kN，最大锚固力可达100KN以上。钻孔深度不严格，可以恢复。它能适应坚硬和柔软的岩层，可用于地下永久工程。它也可用于采矿巷道。双瓣膨胀环锚杆主要由杆体、楔形螺母、膨胀环和垫板组成，如图1-5所示。杆体直径为16-18毫米，一端带螺纹，另一端锻造成24毫米和24毫米的方头；楔形螺母长28毫米，顶部宽28毫米，底部宽20毫米，16楔形角，M18螺纹，由中间车床加工而成。膨胀环的两瓣高72毫米，用2毫米钢丝焊接成直径34毫米、高99毫米的膨胀环1-楔形螺母；2-膨胀环；三杆体；4-垫板2、管缝锚杆管接头锚杆的杆体由高强度、高弹性的钢管制成或由薄钢板轧制而成，沿管的全长有一条缝，管的上端为锥形，管的下端焊接有由钢筋制成的圆环。杆体壁厚2-4 mm，直径大部分为 35- 45 mm(要求比井眼直径大2-5 mm)，长度可根据需要加工，一般为1.6-2.0m，狭缝宽度一般为10-15 mm。当杆体受外力压入井眼时，割缝管受力压缩，在割缝管和井壁之间产生径向挤压应力，使杆体在井眼内牢固膨胀和支撑。杆体和孔壁之间的摩擦力成为锚固力，并沿杆体的整个长度分布。其结构如图1-6所示。管接头锚杆的抗拔力一般为60-100千牛顿，单位长度的实际锚固力很低，200毫米长的锚固段锚固力只有5-10千牛顿，特别是当锚杆被腐蚀时，锚固力较低。该锚杆用于煤巷顶板支护的可靠性差，因此我国部分煤矿已停止生产和使用该锚杆。3.粘结锚杆粘结锚杆结构简单，使用方便，锚固力大。可以增加锚固长度或进行全长锚固，进一步大大提高锚固力。这是一种理想的屋顶锚固形式。1.钢筋、钢丝绳砂浆锚杆锚杆利用水泥砂浆与锚杆之间的粘结力以及砂浆与岩层之间的粘结力来实现锚固岩层的功能。钢筋和钢丝绳砂浆锚杆的锚固力为50KN。当钢筋直径小于10毫米时，可采用单孔双钢筋(竹钢筋也可用作单孔双钢筋)。结构如图1- 1所示。(a)钢筋砂浆锚杆；(b)钢丝绳砂浆锚杆；(c)竹筋砂浆锚杆2.圆钢扭锚头锚杆该锚杆一般由A3圆钢制成，如图1-8所示。它由扭转锚头、扣环、杆体和锚尾组成。扭转锚头是通过将圆钢的一端压平并拧紧而形成的。圆钢的另一端被加工成锚尾。圆钢的未加工部分是杆体。挡圈通过焊接与杆体连接。常用圆钢扭锚头螺栓的技术规格见表1-1。锚杆的锚头部分粘结在建筑螺纹钢锚杆的杆体大部分是带有两个肋的双向螺纹钢。虽然螺纹钢可以很好地与锚固剂结合，但在安装锚杆时，杆体纵向肋的半径大于杆体螺纹钢的旋转半径，导致杆体螺纹不能与树脂胶体紧密结合，不能产生很强的夹持力。同时，双向螺纹不利于填充和压实锚固剂，从而降低锚固强度。针对双向螺纹钢存在的缺陷，特将螺栓杆轧制成单向非纵向钢筋螺纹钢，取消纵向钢筋。单向螺纹是左旋螺纹，与注射时螺栓的旋转方向一致。当锚杆旋转注射，锚杆搅拌树脂药物时，在单向左旋螺纹的旋转作用下，产生强大的压力向深部推进。在这种压力的作用下，液态树脂锚固剂可以填充孔中的裂缝并排出孔中的污水，从而增加锚固剂与锚杆体之间的夹持力以及锚固剂与岩体之间的粘结力，有效地提高锚杆的锚固力。单向左旋无纵向钢筋螺纹钢锚杆可用于各种矿山和地下工程，特别是煤巷锚网支护，取得了良好的技术经济效果。4.精轧右旋螺纹钢锚杆为了使锚尾的极限承载力不低于锚杆体部分的承载力，20世纪80年代，美国出现了一种精密轧制的右旋螺纹钢锚杆，我国也非常重视这种锚杆的研究。锚杆由精轧右侧螺纹钢筋和特殊螺母制成。不需要像普通螺纹钢锚杆那样对锚尾进行特殊加工，保证了锚杆全长强度的一致性，解决了普通锚杆锚尾承载力低于锚杆体承载力的矛盾。然而，这种锚杆也存在一些难以克服的技术和经济缺陷，主要表现在以下几个方面：锚杆外表面为右旋螺纹，搅拌树脂锚固剂时容易抽出树脂，导致锚杆孔底部没有200mm长的锚杆树脂锚固剂，无法与围岩有效锚固，实际上大大缩短了设计锚固长度。(2)钢筋轧制形成的螺纹精度不能满足螺纹与螺母的紧配合，且螺纹升角过大，螺母不易拧紧，拧紧后容易松动。(3)为了成型可以直接安装螺纹的钢筋，钢筋必须精轧。在增加杆体成本的同时，螺母必须使用非标准产品，因此厚度质量较大，成本较高。这种锚杆已在全国许多矿业集团公司试用，但由于技术缺陷，目前还没有推广应用。5.内注浆锚杆内注浆锚杆由焊管或无缝钢管制成。同时，锚杆还作为注浆管对巷道围岩进行注浆，可以加固巷道周围的裂隙岩体，提高围岩的自承载能力，改善裂隙岩体的结构和力学性能，最大限度地发挥锚杆的锚固作用，用于不稳定围岩的锚固。根据内注浆锚杆的不同结构形式，内注浆锚杆可分为多种类型。(1)可控压力注浆锚杆(图1-11)1-泥浆入口管；2-止回阀；3-锚定螺母；4-托盘；5-泥浆塞；6-锚杆体；活塞；8-泥浆分离塞；9春天；10-锚固剂挡板；11-锚杆尾部；12-反向楔形这种螺栓材料可以用无缝管或焊管加工。主要用于需要初始锚固力和压力控制注浆的掘进工作面(如断层破碎带、淋溶带和超前锚杆注浆段)，以及不需要或不需要注浆的巷道加固这种锚杆是在普通注浆锚杆的杆端增加一端锚固装置，如水泥砂浆端锚、树脂砂浆端锚、倒楔形端锚等。这种锚杆主要用于需要初始锚固力和高注浆压力的巷道。它通常由棒强度为50-0kN的无缝钢管制成。在实际应用中，由于可控压力内注浆锚杆结构复杂，很少使用，而普通内注浆锚杆和端锚内注浆锚杆更好地应用于各种不稳定岩巷和煤巷。(4)外锚和内注浆锚(图1-14)该锚杆采用中空快硬锚固剂套在锚杆体锚固段外进行机械锚固，制造工艺简单，很好地解决了高压泥浆的泄漏问题，封孔材料起到了一定的锚固作用。1杆体；2-托盘；3-压紧螺母；4线螺纹；5扣环；6-注浆孔；-钻井；8-环形密封锚环内锚和外注浆锚根据内锚和外注浆锚的不同结构和加工材料，可分为两种类型：普通圆管内锚和外注浆锚、静力高强度内锚和外注浆锚。普通圆管内锚和外注浆锚杆的结构如图1-15所示。杆体由1/2英寸的焊管制成，外径为21.3毫米，内径为15毫米。杆尾被压平并制成锥形，以增加灌浆后的锚固力。高强度内锚和外注浆锚杆的结构如图1-16所示。它由高强度螺纹钢制成。在锚杆端部钻有注浆孔，不仅可以实现注浆和锚固，还可以显著提高锚杆的强度，从而获得更好的支护效果。1杆体；2-坚果；3孔密封挡圈；4-灌浆孔；5-浆液出口6。可回收锚杆可回收锚杆为两端式，如图1-1所示。它由锚固段、杆体和钢丝套组成。锚固段和杆体采用20毫米螺纹钢(或圆钢)制成。锚固段长400毫米，一端为M20标准螺纹。杆体两端加工成M20标准螺纹，杆体长度一般为14002000毫米，可根据需要确定。(a)锚定段。(b)锚杆体；(c)丝绸袖子本发明在操作和支撑效果上完全等同于普通端锚树脂锚杆，具有普通树脂锚杆的优点。同时；当药帘式可回收锚杆应用于巷道工作面一侧时，采煤过程中的超前回收还可以消除锚杆对采煤机截割过程的影响，锚杆的锚固段不会因长度短而被采煤机截割损坏。本发明具有回收再利用的特点，可以降低锚网支护巷道的支护成本，具有较好的经济效益。4、新型金属厚尾螺栓1.金属粗尾锚杆结构金属粗尾锚杆主要由杆体和锚尾组成。杆体和锚尾是由相同材料制成的一体式。锚杆可以根据工程需要由不同的材料制成，杆体也可以根据需要加工成不同的外形。锚尾通常是滚丝。该锚杆与其他锚杆的结构不同之处在于，锚尾螺纹的公称直径大于杆体的直径，杆体与锚尾是整体连接而不是焊接。其结构如图1-18所示。2.金属厚尾锚杆的技术特点金属粗尾锚杆具有良好的力学性能，如表1-2所示(金属粗尾锚杆以外的金属锚杆称为普通金属锚杆)，主要表现在以下几点：(1)锚杆整体抗拉强度提高。目前，我国最常用的金属螺栓规格是公称直径为 20毫米的螺栓锚杆整体伸长量大，锚尾不易先断。由于锚尾经过加热、镦粗和冷却过程，锚尾部分的组织晶粒进一步细化，组织更加致密，强度和韧性以及综合力学性能得到提高。这样，当锚尾横截面上某一点的应力过高时，一部分多余的应力会通过塑性变形自动释放，并及时调整整个横截面上的应力分布状态，