巷道施工锚杆支护设计培训讲义

锚杆支支护（包括：：锚喷喷、锚锚网、、锚索索等支支护方方式））主讲人人：张学舟舟主要内内容一、锚锚杆支支护的的原理理二、锚锚杆支支护设设计依依据、、要点点三、锚锚索支支护设设计依依据、、要点点四、锚锚喷、、锚网网和锚锚索支支护概概述五、《煤矿安安全规规程》关于锚锚杆支支护的的有关关规定一、锚锚杆支支护的的原理理从支护护机理理上看看，锚锚杆支支护属属于““主动动”支支护，，可以以充分分利用用围岩岩的自自承能能力，，提高高巷道道围岩岩的稳稳定性性，将将载荷荷体变变为承承载体体。在在相同同生产产地质质条件件下，，锚杆杆支护护的巷巷道围围岩变变形量量比棚棚式支支护减减少一一半以以上。。从技技术术经经济济上上对对比比，，锚锚杆杆支支护护可可以以节节约约大大量量钢钢材材，，减减少少材材料料运运输输工工作作量量，，减减轻轻工工人人的的劳劳动动强强度度和和改改善善作作业业环环境境；；保持持采采煤煤工工作作面面上上下下两两道道和和开开切切眼眼的的畅畅通通，，为为回回采采工工作作面面快快速速推推进进和和高高产产高高效效低低成成本本生生产产创创造造有有利利条条件件；；锚杆杆支支护护巷巷道道施施工工简简单单，，机机械械化化程程度度高高，，可可大大幅幅度度降降低低巷巷道道支支护护成成本本，，提提高高掘掘进进速速度度和和生生产产效效率率。。（一一））、、锚锚杆杆支支护护作作用用机机理理1、悬悬吊吊理理论论机理理：将巷巷道道顶顶板板较较软软弱弱岩岩层层悬悬吊吊在在上上部部稳稳定定岩岩层层上上，，以以避避免免较较软软弱弱岩岩层层的的破破坏坏、、失失稳稳和和塌塌落落，，锚锚杆杆所所受受的的拉拉力力来来自自被被悬悬吊吊的的岩岩层层重重量量。。缺点点：没有有考考虑虑围围岩岩的的自自承承能能力力，，而而且且将将被被锚锚固固体体与与原原岩岩体体分分开开。。适用用条条件件：锚杆杆可可以以锚锚固固到到顶顶板板坚坚硬硬稳稳定定岩岩层层。。2、组组合合梁梁理理论论机理理：将锚锚固固范范围围内内的的岩岩层层挤挤紧紧，，增增加加各各岩岩层层间间的的摩摩擦擦力力，，防防止止岩岩石石沿沿层层面面滑滑动动，，避避免免各各岩岩层层出出现现离离层层现现象象，，提提高高其其自自撑撑能能力力；；将将巷巷道道顶顶板板锚锚固固范范围围内内的的几几个个薄薄岩岩层层锁锁紧紧成成一一个个较较厚厚的的岩岩层层（（组组合合梁梁））；；在在上上覆覆岩岩层层载载荷荷的的作作用用下下，，这这种种组组合合厚厚岩岩层层内内的的最最大大弯弯曲曲应应变变和和应应力力都都将将大大大大减减小小，，组组合合梁梁的的挠挠度度亦亦减减小小。。缺点点：将锚锚杆杆作作用用与与围围岩岩的的自自稳稳作作用用分分开开；；随随着着围围岩岩条条件件的的变变化化，，在在顶顶板板较较破破碎碎、、连连续续性性受受到到破破坏坏时时，，组组合合梁梁也也就就不不存存在在了了。。适用用条条件件：层状状地地层层；；顶顶板板在在相相当当距距离离内内不不存存在在稳稳定定岩岩层层，，悬悬吊吊作作用用处处于于次次要要地地位位。。3、组组合合拱拱（（压压缩缩拱拱））理理论论机理理：在破破裂裂区区中中安安装装预预应应力力锚锚杆杆时时，，在在杆杆体体两两端端将将形形成成圆圆锥锥形形分分布布的的压压应应力力，，如如果果沿沿巷巷道道周周边边布布置置锚锚杆杆群群，，只只要要锚锚杆杆间间距距足足够够小小，，各各个个锚锚杆杆形形成成的的压压应应力力圆圆锥锥体体将将相相互互交交错错，，就就能能在在岩岩体体中中形形成成一一个个均均匀匀的的压压缩缩带带，，即即承承压压拱拱，，这这个个承承压压拱拱可可以以承承受受其其上上部部破破碎碎岩岩石石施施加加的的径径向向荷荷载载。。在在承承压压拱拱内内的的岩岩石石径径向向及及切切向向均均受受压压，，处处于于三三向向应应力力状状态态，，其其围围岩岩强强度度得得到到提提高高，，支支撑撑能能力力也也相相应应加加大大。。缺点点：一般般不不能能作作为为准准确确的的定定量量设设计计。。适用用条条件件：顶板板无无稳稳定定岩岩层层。。1．圆圆钢钢锚锚杆杆（二二））、、锚锚杆杆的的结结构构类类型型2．螺螺纹纹钢钢锚锚杆杆右旋旋全全螺螺纹纹等等强强锚锚杆杆3.玻璃璃钢钢锚锚杆杆（1）一一次次支支护护原原则则。。锚锚杆杆支支护护应应尽尽量量一一次次支支护护就就能能有有效效控控制制围围岩岩变变形形，，避避免免二二次次支支护护，，以以及及维维护护巷巷道道。。一一方方面面，，这这是是矿矿井井实实现现高高效效、、安安全全生生产产的的要要求求，，就就回回采采巷巷道道而而言言，，要要实实现现采采煤煤工工作作面面的的快快速速推推进进，，服服务务于于回回采采的的巷巷道道应应在在使使用用期期限限内内保保持持稳稳定定，，基基本本不不需需要要维维修修；；对对于于大大巷巷和和硐硐室室等等永永久久工工程程，，更更需需要要保保持持长长期期稳稳定定，，不不能能经经常常维维修修。。另另一一方方面面，，这这是是锚锚杆杆支支护护本本身身的的作作用用原原理理决决定定的的。。巷巷道道围围岩岩一一旦旦揭揭露露立立即即进进行行锚锚杆杆支支护护效效果果最最佳佳，，而而在在已已发发生生离离层层、、破破坏坏的的围围岩岩中中安安装装锚锚杆杆，，支支护护效效果果会会受受到到显显著著影影响响。。（三）、锚杆支护形形式与参数数选择原则则（2）高预紧力力和预紧力力扩散原则则。预紧力力是锚杆支支护中的关关键因素，，是区别锚锚杆支护是是被动支护护还是主动动支护的参参数，只有有高预紧力力的锚杆支支护才是真真正的主动动支护，才才能充分发发挥锚杆支支护的作用用。通过托托板、钢带带等构件实实现锚杆预预紧力的扩扩散，扩大大预紧力的的作用范围围，提高锚锚固体的整整体刚度，，保持其完完整性。（3）“三高一一低”原则则。即高强强度、高可可靠性与低低支护密度度原则。在在提高锚杆杆强度（如如加大锚杆杆直径或高高杆体材料料的强度））、刚度（（提高锚杆杆预紧力、、加长或全全长锚固）），保证支支护系统可可靠性的条条件下，降降低支护密密度，减少少单位面积积上锚杆数数量，提高高掘进速度度。（4）临界支护护强度与刚刚度原则。。锚杆支护护系统存在在临界支护护强度与刚刚度，如果果支护强度度与刚度低低于临界值值，巷道将将长期处于于不稳定状状态，围岩岩变形与破破坏得不到到有效控制制。因此，，设计锚杆杆支护系统统的强度与与刚度应大大于临界值值。（5）相互匹配配原则。锚锚杆各构件件，包括托托板、螺母母、钢带等等的参数与与力学性能能应相互匹匹配，锚杆杆与锚索的的参数与力力学性能应应相互匹配配，以最大大限度地发发挥锚杆支支护的整体体支护作用用。（6）可操作性性原则。提提供的锚杆杆支护设计计应具有可可操作性，，有利于井井下施工管管理和掘进进速度的提提高。（7）在保证巷巷道支护效效果和安全全程度，技技术上可行行、施工上上可操作的的条件下，，做到经济济合理，有有利于降低低巷道支护护综合成本本。二、锚杆支支护设计依依据和要点点按悬吊理论论确定支护护参数1）锚杆长度度锚杆长度的的计算公式式为：L=L1+L2+L31、锚杆支护护参数确定定式中：L1为锚杆外露露长度，一般L1=0.1～0.15m。对于端头头锚固型锚锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.03～0.05）m；对于全长长锚固锚杆杆，还要加加上穹形球球体的厚度度。L2为锚杆有效效长度。L3为锚杆锚固固段长度，一般端锚L3=0.3～0.4m，由拉拔实实验确定；；当围岩松松软时还要要加大。对于全长锚锚固锚杆，，锚杆的有有效长度则则为L2+L3。有效长度L2，有以下几几种确定方方法：①当直接顶顶需要悬吊吊而它们的的范围易于于划定时，，L2应大于或等等于它们的的厚度。②一般还可可按L2=KH进行计算，H为软弱岩层层厚度（或或冒落拱厚厚度），m；K为考虑软弱弱岩层变化化的安全系系数，一般取1.5～2。软弱岩层H的确定是根根据地质资资料，实测测或经验估估计，冒落落拱高度是是按下式估估算，即当f≥3时，---------------②-1当f≤2时，-----------②-2式中：K---安全系数，，一般取1.5～2；b或b1---(普氏免压拱拱高)围岩松动圈圈冒落高度度，m；B---巷道开掘宽宽度，m；f---巷道顶板的的岩石普氏氏坚固性系系数，；H---巷道掘进高高度，；ω---两帮围岩的的似内摩擦擦角，取f反算；ω=arctan(f)2）锚杆杆体体直径锚杆杆体直直径根据杆杆体承载力力与锚固力力等强度原原则确定，，即式中，d为锚杆杆体体直径，㎜㎜；Q为锚固力，，由拉拔实实验确定，，KN；σt为杆体材料料抗拉强度度，MPa。从表2—1中看出，对对于常用直直径20mm的锚杆杆体体，圆钢（（Q235）、高强度度螺纹钢（（BHRB400）、超高强强度螺纹钢钢（BHRB600）的拉断载载荷约为119.4kN、179.1kN、251.3kN，后两者分分别是前者者的1.5和2.1倍。3）锚杆间、、排距锚杆的间距距，排距计计算，通常常间、排距距相等，取取为a，并根据锚锚杆的锚固固力应等于于或大于被被悬吊岩石石的重量的的原则确定定，即：式中，γ为岩石体容容重，KN/m3。K为安全系数数，一般取取1.5～1.84）锚杆的锚锚固力有以以下几种确确定方法①锚杆的锚固固力不应当当小于被悬悬吊不稳定定岩层的重重量。②实际锚固力力按药卷的的粘结强度度计算。式中：γ为岩石容重重，KN/m3；R为锚杆眼半半径，m；τ为树脂药卷卷与钻孔壁壁的粘结强强度，KN/m2；L锚为锚固长度度，m。2、锚杆的预预紧力锚杆预紧力力设计的原原则是控制制围岩不出出现明显的的离层、滑滑动与拉应应力区。实实践证明，，如果选择择合理的预预紧力值，，能够实现现对离层与与滑动的有有效控制。。根据国外外的经验以以及国内部部分矿区的的试验数据据，结合我我国煤矿巷巷道条件与与施工机具具，一般可可选择锚杆杆预紧力为为杆体屈服服载荷的30%—50%。2、锚杆的预预紧力3、锚杆的布布置根据围岩的的性质，锚锚杆可排列列成方形、、五花形等等。方形适适用于稳定定的岩层，，梅花形适适用于稳定定性较差的的岩层，其其布置图所所示。锚杆杆的锚入方方向，应与与岩层面或或主要裂隙隙面成较大大的角度相相交，尽可可能与其正正交；层面面与裂隙面面不明显时时，锚杆应应垂直于巷巷道周边锚锚入。三、锚索支支护设计依依据和要点点1、锚索支护护参数确定定1）加强锚索索长度校核核，应满足足式中L——锚索总总长度，m；La——锚索深深入到较稳稳定岩层的的锚固长度度，m；其中K——安全系系数；d1——锚索直直径；fa——锚索抗抗拉强度，，N/㎜2；fc——锚索与与锚固剂的的粘合强度度，N/㎜2；Lb——需要悬悬吊的不稳稳定岩层厚厚度，m；Lc——托板及及锚具的厚厚度，m；Ld——外露张张拉长度，，m；2）悬吊理论论校核锚索索排距：式中L---锚索排距，，m；B---巷道最大冒冒落宽度，，m；H---巷道最大冒冒落高度，，m；（最大取取锚杆长度度）γ---岩体容重，，kN/m3（包括顶煤煤+直接顶）L1---锚杆排距,m；F1---锚杆锚固力力,kN;F2---锚索极限承承载力,kN；θ---角锚杆与巷巷道顶板的的夹角,°；n---锚索排数,取。3）锚索的锚锚固力：式中P---锚索锚固力力，m；R---锚索孔半径径，m；τ---为树脂药卷卷与钻孔壁壁的粘结强强度，KN/m2；L锚---锚索为锚固固长度，m。其中R---锚索孔半径径，m；R1---锚索半径，，m；R2---树脂锚固剂剂半径，m；L2---树脂锚固剂剂长度，m。四、锚喷、、锚网和锚锚索支护概概述1、锚喷支护护锚杆和喷射射混凝土虽虽各自有优优点，但也也有不足之之处。锚喷喷联合支护护，恰能使使两者取长长补短，互互为补充，，是一种性性能更好的的支护形式式。锚喷支护图图示例2、锚网支护护锚网支护是是将金属网网用托板固固定或绑扎扎在锚杆上上所组成的的支护形式式。金属网用来来维护锚杆杆间的围岩岩，防止小小块松散岩岩石掉落，，也可作为为喷射混凝凝土的配筋筋。被拉紧紧的金属网网还能起到到联系各锚锚杆组成支支护整体的的作用。常见的金属属网有金属属菱形网、、经纬网，，一般采用用直径3～4㎜的铁丝编制制而成，一一般采用镀镀锌铁丝，，由于金属属网消耗钢钢材较大，，目前正在在使用具有有一定抗拉拉强度和延延伸率的玻玻璃钢纤维维或塑料网网代替。锚网支护梯梯形巷道锚网支护拱拱形巷道3、锚喷网联联合支护喷射混凝土土能有效的的控制锚杆杆间的石块块掉落，但但其本身是是脆弱的，，当岩石变变形大时，，容易开裂裂剥落。解解决办法之之一就是喷喷射混凝土土之前敷设设金属网，，喷后成钢钢筋混凝土土层，提高高了混凝土土的整体性性，改善了了喷层的抗抗拉性能，，这就形成成了锚喷网网联合支护护，能有效效的支护松松散破碎的的软弱岩层层。金属网网用钢筋直直径一般为为6～12㎜，钢筋间距距一般为200～400㎜。4、锚网带支支护锚网带支护护由锚杆、、钢带及金金属网组成成。钢带是是用扁钢或或薄钢板制制成，为了了便于锚杆杆安装，在在钢带上预预先钻好孔孔，钻孔形形状为椭圆圆形，钻孔孔直径应由由相应锚杆杆直径确定定。也可采采用钢筋梯梯