第二节-锚杆支护课件

1第八章巷道支护第二节锚杆支护1第八章巷道支护第二节锚杆支护222023/1/3一、锚杆支护技术发展

（一）支护发展的过程1945～1950：机械式锚杆的研究与应用。1950～1960：广泛采用机械式锚杆，开始对锚杆进行系统研究。

1960～1970：发明了树脂药卷，引发锚杆技术的一次革命。

1970～1980：发明管缝式、水力涨管式锚杆，研究新的锚杆设计方法，长锚索产生。

1980～1990：混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架222022/12/29一、锚杆支护技术发展332023/1/3锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚固材料得到改进。（二）锚杆支护技术在国外的应用1.美国美国作为世界上第二采煤大国，锚杆支护技术是最先进的，美国锚杆支护技术至今已有一百多年的发展历史，但锚杆支护技术的广泛应用，仅是近五、六十年的时间，现在美国矿井的锚杆支护率为100％。美国每年锚杆使用量在8000万套以上，每年有2.5万km的煤巷使用锚杆支护。332022/12/29锚杆、各种特种锚杆得到应用，树脂锚固442023/1/3美国在复杂的地质条件下成功使用锚杆的经验是采用高预应力、高强度锚杆，对巷道顶板采取积极主动的支护，极大地提高了巷道围岩的自承载能力和巷道的稳定性，减少了锚杆数量、提高了巷道掘进速度、降低了巷道的支护成本。美国巷道支护理念：锚杆、锚索是支护结构的主体，为了充分实现锚杆主动支护的效果，通过提高锚杆预应力去主动加固受掘进破岩影响的松动围岩，以提高围岩的自身承载能力，控制松动圈的扩展。现矿井喷射的混凝土，由于受巷道初始成型的442022/12/29美国在复杂的地质条件下成功使552023/1/3影响，混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝土喷层主要作用是封闭围岩，防止围岩风化，保证围岩的长期强度。2.澳大利亚澳大利亚作为第三大采煤国，也几乎全部采用锚网支护。国外发达国家锚网支护的特点：(1)单体锚杆强度大；(2)锚杆安装应力大；(3)间排距大；(4)锚网支护效率高，支护效果良好。（三）锚杆支护技术在我国的应用552022/12/29影响，混凝土喷层厚度很不均匀，现混凝662023/1/31.应用的情况我国建有煤矿的历史以来，煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护、锚杆支护、喷射砼支护到锚喷支护的漫长过程。自50年代以来，锚杆支护技术在我国得到了逐步应用，特别是进入90年代，许多矿井改变传统的棚式和砌体支护的理念，开始试用推广锚网支护，大量的实践验证了锚网支护安全、高效、经济的优势。

与棚式支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强662022/12/291.应用的情况772023/1/3度。更重要的是锚杆支护大大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。我国煤矿锚杆支护首先在岩巷中应用成功，并在岩巷中大力推广应用，与光面爆破技术结合，形成了具有我国特色的光爆锚喷技术，在岩巷中的应用比例已达80%以上。原煤炭工业部1995年提出：“煤巷锚杆支护是我国煤矿继综合机械化采煤之后的第二次支护技术772022/12/29度。更重要的是锚杆支护大大简化了采煤882023/1/3革命”，并将“煤矿锚杆支护技术”列为煤炭工业“九五”重点科技攻关项目的五个项目之一，在攻关研究的基础上，在煤矿中大力推广煤巷锚杆支护技术。经过科技攻关，以高强度螺纹钢锚杆加长或全长树脂锚固，动态支护设计方法，小孔径树脂锚固预应力锚索等为代表的新技术、新材料、新方法得到广泛认可。同时，应用于软岩、动压巷道、煤巷中及复合与破碎顶板巷道等困难条件，也获得良好的支护效果和技术经济效益。目前，锚杆支护技术已得到普遍应用，是煤矿882022/12/29革命”，并将“煤矿锚杆支护技术”列为992023/1/3实现安全、高产、高效生产必不可少的关键技术之一。但是煤矿锚网支护作为一种主动支护方式，要达到理想的支护效果，在技术细节上尚未完全解决。如锚杆组件、锚杆结构、锚杆施工安装机具和锚杆与其它支护结构的耦合问题等。2.我国现有锚杆支护存在的不足⑴锚杆支护设计主要依靠现场经验，设计理论依据有待完善和补充。⑵各类巷道锚杆千篇一律；很多设计单位只是笼统选择了锚杆直径和长度。但是不同的锚杆结构992022/12/29实现安全、高产、高效生产必不可少的关10102023/1/3和施工工艺会很大的效果差别。⑶没有考虑地应力大小、方向、比值的影响。⑷没有进行地质力学分析和巷道压力显现与锚杆支护参数的匹配关系分析与选择，所以提出的支护方案很难适应地质条件的变化，不能实现量体裁衣、对症下药。⑸单根锚杆强度低、预紧力低、可靠性低、间排距小(单体锚杆钻机推力小(小于0.5t)、扭距小(小于160Nm)，锚杆基本上没有预应力)；⑹锚杆消耗量大、施工速度慢、工效低、费用10102022/12/29和施工工艺会很大的效果差别。11112023/1/3高、安全性较低。（四）国内外锚杆支护技术对比如表8-5所示。比较项目中国美、澳、英锚杆材料强度（MPa）235、335、500450、500、600、700锚杆锚固力（t）5～15>20锚杆直径（mm）16～2220～22锚杆间排距（m）0.7～0.91.0～1.2锚杆长度（m）1.6～2.42.2～2.6锚杆安装应力（t）0～44～8表8-5国内外锚杆支护技术对比11112022/12/29高、安全性较低。比较项目中12122023/1/3二、锚杆的结构类型

锚杆支护材料经历了低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。金属杆体从圆钢、建筑螺纹钢，发展到煤矿锚杆专用钢材—左旋无纵筋螺纹钢；锚固方式从机械锚固、水泥药卷锚固，发展到树脂锚固；总之，锚杆支护材料向高强度、高刚度与高可靠性方向发展，以确保巷道支护效果与安全程度，为采煤工作面快速推进与产量提高创造有利条件。

（一）锚杆分类12122022/12/29二、锚杆的结构类型13132023/1/31.按锚固方式分类按锚固方式分类，可分为机械式、粘结式及混合式。

机械式锚固锚杆，其锚固装置或杆体与钻孔孔壁接触，靠摩擦力提供锚固力。用锚固装置提供锚固力的机械式锚杆分楔缝式、倒楔式和涨壳式等；靠杆体摩擦提供锚固力的锚杆分为管缝式和水力膨胀式。

黏结式锚固锚杆，其杆体部分或全长采用树脂、水泥等胶结材料，将杆体与钻孔孔壁黏结在一起，13132022/12/291.按锚固方式分类14142023/1/3以胶结材料的黏结力提供锚固力。黏结式锚固锚杆分为水泥、水泥砂浆、树脂等类型。混合式锚固锚杆，两种或两种以上的锚固方式混合使用，如涨壳式端部锚固与树脂全长锚固相结合使用，不仅能在锚杆安装后立即施加较大的预紧力，而且可实现全长锚固。其主要类型如图8-17所示。各自的优缺点见表8-6。

2.按锚固长度分类按锚固长度分类，可分为端部锚固、全长锚固14142022/12/29以胶结材料的黏结力提供锚固力。黏15152023/1/3全长锚固类锚杆类型集中端头锚固类机械锚固型粘结锚固型机械锚固型粘结锚固型钢筋砂浆锚杆全长水泥锚杆钢丝绳砂浆锚杆全长树脂锚杆快硬水泥锚杆管缝式锚杆普通木锚杆水力膨胀式锚杆压缩木锚杆涨壳式锚杆木锚杆微膨胀水泥锚杆竹锚杆倒楔式锚杆树脂锚杆水泥锚杆

图8-17锚杆类型的划分

15152022/12/29全长锚固类锚杆类型集中端头锚固类16表8-6各种类型锚杆的主要优缺点锚杆类型优点缺点端头锚固类机械锚固型安装迅速，及时承载对深部围岩强度要求高黏结锚固型易加工，制造简单对深部围岩强度要求一般全长锚固类机械锚固型易安装，及时承载易腐蚀，锚固强度易衰减和丧失黏结锚固型适用范围广，树脂锚固剂承载速度快。锚固力大树脂锚锚杆成本高，树脂易燃有毒2023/1/316与加长锚固。

端部锚固锚杆的锚固长度不大于500mm或锚杆钻孔深度的1∕3，各种用锚固装置提供锚固力的机械式锚杆大多属于端部锚固锚杆；圆钢水泥、树脂锚16表8-6各种类型锚杆的主17172023/1/3杆也以端部锚固为主。全长锚固锚杆的锚固长度大小于锚杆钻孔深度的90%。管缝式和水力膨胀式锚杆属于机械式全长锚固锚杆；水泥、水泥砂浆、树脂锚固剂也可实现全长锚固。加长锚固锚杆的锚固长度介于端部锚固与全长锚固之间。如加长锚固的螺纹钢锚杆，既能保证锚杆锚固力，又能节约一定的锚固材料，得到大量的推广应用。3.按锚杆杆体种类与材质分类17172022/12/29杆也以端部锚固为主。18182023/1/3按锚杆杆体种类与材质分类，如图8-18所示。

按照杆体材质可划分为金属锚杆、非金属锚杆及复合型锚杆。金属杆体锚杆有圆钢锚杆、螺纹钢锚杆、管式锚杆及柔性锚杆；非金属锚杆有木锚杆、竹锚杆及玻璃钢锚杆等，又属于可切割锚杆；复合型锚杆杆体由金属和非金属材料复合而成，如尾部带金属螺纹段的复合玻璃钢锚杆。按照杆体截面形状可划分为实心杆体与管式杆体。按照杆体表面形状分为光圆杆体、螺纹杆体及18182022/12/29按锚杆杆体种类与材质分类，如图819金属锚杆锚杆杆体可切割锚杆螺纹钢锚杆圆钢锚杆管式锚杆柔性锚杆木锚锚杆玻璃钢锚杆竹锚锚杆右旋锚杆交叉锚杆左旋锚杆水力膨胀式锚杆注浆锚杆管缝式锚杆粗糙表面杆体全螺纹杆体光圆杆体2023/1/319

图8-18锚杆杆体分类19金属锚杆锚杆杆体可切割锚杆螺圆管柔性锚杆木锚玻璃钢竹锚右20202023/1/3粗糙表面杆体等。按照锚杆杆体的刚度可划分为刚性锚杆和柔性锚杆。按照锚杆杆体的强度可划分为低强度锚杆、中等强度锚杆、高强度锚杆和强力锚杆。低强度锚杆主要指圆钢锚杆，屈服强度小于300Mpa；中等强度锚杆屈服强度介于300～400MPa，通常采用建筑螺纹钢的材料（20MnSi）制成；高强度锚杆屈服强度介于400～600MPa；强力锚杆屈服强度不小于600MPa，拉断载荷在300kN以上。20202022/12/29粗糙表面杆体等。212023/1/321（二）锚杆类型简述下面介绍几种常用锚杆的结构型式与特点：1.砂浆锚杆

(1)钢筋砂浆锚杆钢筋砂浆锚杆，是先在锚杆孔内注满水泥砂浆，然后插入钢筋而成，它利用砂浆与钢筋、砂浆与孔壁的粘结力锚固岩层，如图8-19(a)所示。杆体材料宜用20锰硅、25锰硅或5号钢筋，亦可采用3号钢筋。杆体钢筋直径一般为14～22mm，砂浆用325号、425号普通硅酸盐水泥、粒径小于3mm的中细砂加水212022/12/2921（二）锚杆类型简述22

图8-19砂浆锚杆(a)钢筋砂浆锚杆；(b)钢丝绳砂浆锚杆(a)(b)2023/1/32222图8-19砂浆锚杆(a)(b)2022/12/29232023/1/323拌和而成，常用的配合比为，水泥：砂=1:(2～3)，水灰比为0.38～0.42。

（2)钢丝绳砂浆锚杆钢丝绳砂浆锚杆，如图8-19(b)所示。是利用直径10～14mm的废旧钢丝绳代替钢筋插入锚杆孔内注入砂浆而成。废旧丝绳在使用前要经过截断、火烧、破股、除锈和平直等工序处理。钢筋和钢丝绳砂浆锚杆是全长锚固型锚杆，设计锚固力为30～50kN。它结构简单，加工方便，成本较底，应用较广。但不能立即承载，不能回收复232022/12/2923拌和而成，常用的配合比为，水泥：242023/1/3242.木锚杆和竹锚杆

(1)木锚杆木锚杆包括普通木锚杆和压缩木锚杆，普通木锚杆如图8-20(a)所示。杆体直径一般为38mm，长1200～1800mm。锚杆安装到位后，一般在孔口的锤击作用下，内楔块劈进锚杆体杆端的楔缝，使杆体楔缝两翼与围岩钻孔孔壁挤紧，产生锚固力，然后放好垫板，再将外楔块插入锚杆体杆尾楔缝，并用锤打楔块，将锚杆固定，实现对围岩的支护作用。木锚杆结构简单，易加工，成本低，施工安装242022/12/29242.木锚杆和竹锚杆25图8-20木锚杆结构(a)普通木锚杆；(b)压缩木锚杆1-杆体；2-楔缝；3-内楔块；4-垫板；5-外楔块；6-加固钢圈(a)(b)2023/1/32525图8-20木锚杆结构(a)(b)2022/12/29262023/1/326方便，但锚杆强度和锚固力较低，一般锚固力在10kN左右。对锚杆不作防腐处理的，服务年限在1年左右。压缩木锚杆如图8-20(b)所示。直径一般为38mm，长1530～1753mm。锚杆安装后，能吸收水分，使杆体膨胀，而充满整个锚杆孔，实现全长锚固，锚固力20kN左右。

(2)竹锚杆竹锚杆包括片竹锚杆和百夹竹锚杆，如图8-21所示。竹锚杆是用22号铅丝将竹片箍成圆形杆体，262022/12/2926方便，但锚杆强度和锚固力较低，一272023/1/327两端至铁箍距离稍大于楔子长度，楔子与垫板均用木材制作。片竹锚杆锚固力不够稳定，锚固力略低于普通木锚杆。在盛产竹材的地区充分利用当地资源，以竹代木，可大大降低成本。图8-21竹锚杆结构图1-杆体；2-铁丝箍；3-垫板；4-内楔；5-外楔272022/12/2927两端至铁箍距离稍大于楔子长度，楔28282023/1/33.普通圆钢黏结式锚杆普通圆钢黏结式锚杆是我国煤矿曾经广泛使用的锚杆型式。目前，一些巷道围岩条件比较简单的矿区仍在使用。这种锚杆一般采用端部锚固，按照粘结剂划分为水泥锚固与树脂锚固。

(1)水泥锚固锚杆圆钢水泥锚固锚杆由杆体、快硬水泥药卷、托板和螺母组成。杆体由普通圆钢制成，尾部加工成螺纹，端部制成不同形式的锚固结构。杆体直径为14～22mm，大多在16～20mm。28282022/12/293.普通圆钢黏结式锚杆29292023/1/3圆钢水泥锚杆的水泥药卷是以普通硅酸盐水泥等为基材掺一外加剂的混合物，或单一特种水泥，按一定规格包上特种透水纸而呈长条状，浸水后经水化作用能迅速产生强力锚固作用的水硬性胶凝材料。水泥锚杆可端部锚固，也可全长锚固。水泥锚杆具有锚固快、安装简便、价格低廉等优点，因此在过去的一段时间内得到比较广泛的应用。快硬水泥药卷的浸水操作比较困难。因此，水泥药卷锚固剂的用量越来越少，逐步被淘汰。(2)树脂锚固锚杆29292022/12/29圆钢水泥锚杆的水泥药卷是30302023/1/3圆钢树脂锚杆由杆体、树脂药卷、托板和螺母等组成，锚固形式为端部锚固，如图8-22所示。杆体端部压扁并拧成反麻花状，以搅拌树脂药卷和提高锚固力。杆体端部设置挡圈，防止树脂锚固剂外流，并起压紧作用。杆体尾部加工螺纹，安装托板和螺母。圆钢树脂锚杆长度一般在1.4～2.4m之间，大多为1.6～2.0m；杆体直径为14～22mm，大多在16～20mm，杆体力学性能见表6-10。普通圆钢黏结式锚杆的用量越来越少。除一些30302022/12/29圆钢树脂锚杆由杆体、树脂31图8-22普通树脂锚杆及药包示意图1-树脂、加速剂与填料；2-固化剂和填料；3-玻璃管；4-玻璃纸或聚酯薄膜外袋；5-杆尾左旋麻花；6-挡圈2023/1/33131图8-22普通树脂锚杆及药包示意图2022/12/32322023/1/3地质条件简单的矿区使用外，该种锚杆已逐步淘汰。4.摩擦锚固锚杆摩擦锚固锚杆有管缝式、水力膨胀式锚杆等，其中管缝式锚杆用量较大。

(1)管缝式锚杆管缝式锚杆的杆体由高强度、高弹性钢管或16锰、20猛硅等低合金钢薄钢板卷制而成，沿全长纵向开缝。杆体端部做成锥形，以便安装；尾部焊有一个用φ6～8mm的钢筋挡环，用以压紧托板。其结构如图8-23所示。锚杆杆体直径为30～45mm，杆体32322022/12/29地质条件简单的矿区使用外，该种锚33图8-23管缝式锚杆1-杆体；2-托板；3-挡圈2023/1/33333图8-23管缝式锚杆2022/12/293334342023/1/3直径比钻孔直径大1～3mm。壁厚一般为2～3mm，开缝宽度10～15mm，长度根据需要加工，一般为1.6～2.0m。托板宜采用盆形，板厚不应小于4mm，面积不小于120mm×120mm。因管缝式锚杆管径大于孔径，需用风钻（需装特制顶具）或其他专用机具强行将杆体挤入钻孔。当管缝锚杆杆体被压人钻孔后，开缝钢管被压缩，钢管外壁与钻孔孔壁挤紧，产生沿钢管全长的径向压应力和轴向摩擦力，在围岩中产生压应力场，阻止围岩变形。管缝式锚杆的锚固力可达50～80kN。34342022/12/29直径比钻孔直径大1～3mm。壁厚35352023/1/3管缝锚杆的主要优点是全长锚固，安装后立即给钻孔孔壁提供压应力，锚固力随围岩变形的加大而逐渐增加。由于这些优点，管缝锚杆在一段时间内得到较为广泛的应用，目前在岩石巷道中仍在采用。但是，管缝锚杆存在以下弊端：

①管缝锚杆的锚固力对孔径差的变化很敏感。孔径差过小，锚杆无法安装在钻孔中；孔径差过大，无法保证足够的锚固力。井下钻孔直径与围岩性质、钻头规格与尺寸、钻头的磨损程度、钻进速度等多种因素有关，这些影响因素都有可能引起锚35352022/12/29管缝锚杆的主要优点是全长36362023/1/3杆锚固力的变化，导致锚固性能不稳定。

②管缝锚杆的安装为人工或机械打人式，因此锚杆不能太长，否则无法安装，在巷道空间窄小的条件下尤为如此。此外，在安装过程中，如果杆体较细或杆体轴线与钻孔轴线不一致，有可能造成杆体弯曲而报废。

③当巷道服务时间长和有淋水时，管缝锚杆会受到腐蚀而大大影响锚固力，甚至造成锚杆失效。总之，管缝锚杆属于低强度、低刚度的支护形式，一般只在围岩条件较好的巷道，特别是岩巷中使用。36362022/12/29杆锚固力的变化，导致锚固性能不稳37(2)水力膨胀锚杆水力膨胀锚杆如图8-24所示。图8-24水力膨胀锚杆2023/1/33737(2)水力膨胀锚杆图8-24水力膨胀锚杆2022/138382023/1/35.高强度锚杆为了彻底改变我国煤矿锚杆低强度、低刚度的落后局面，实现锚杆支护材料的跨越式发展，在借鉴国外先进技术的基础上，经过集中攻关，开发研制出适合我国煤矿巷道的高强度螺纹钢锚杆支护系列材料，见图8-25。通过杆体结构与形状优化，更有利于提高锚杆的锚固效果；通过开发锚杆专用钢材或调质处理，达到高强度和超高强度级别。高强度螺纹钢锚杆良好的价格性能，可使锚杆支护的优越性得到充分发挥，并保证巷道支护效果与可靠38382022/12/295.高强度锚杆39图8-25螺纹钢树脂锚杆2023/1/339性。目前，这种锚杆已大面积推广应用，成为锚杆支护的主要形式。等强螺纹钢式树脂锚杆，如图8-26所示。39图8-25螺纹钢树脂锚杆2022/12/2939性402023/1/340图8-26等强螺纹钢式树脂锚杆402022/12/2940图8-26等强螺纹钢式树脂锚41图8-27高强度螺纹钢锚杆结构1-树脂药卷；2-杆体；3-穹形球体；4-托盘；5-塑料；6-驱动螺母412023/1/3锚杆支护构件如图8-27、28所示。

41图8-27高强度螺纹钢锚杆结构412022/12/42锚杆及附件锚固剂

钢带锚索网图8-28锚杆支护构件42锚杆及附件图8-28锚杆支护构件43432023/1/3(1)锚杆杆体形式目前，螺纹钢锚杆杆体主要有以下3种形式：

①普通建筑螺纹钢杆体普通建筑螺纹钢杆体是应用比较早的一种螺纹杆体，由于当时没有锚杆专用钢材，只能采用建筑螺纹钢。这种杆体存在明显缺陷：一是杆体带纵筋，而且比较高，直径20mm的螺纹钢杆体很难顺利插入中28mm的钻孔；二是带纵筋螺纹钢在搅拌树脂锚固剂时，减少了杆体与钻孔之间的有效间隙，增加了搅拌阻力。同时锚固剂不易充满两纵筋处，降43432022/12/29(1)锚杆杆体形式44442023/1/3低了锚固剂的密实程度，影响锚固效果；第三是锚杆尾部螺纹加工需要扒皮、滚丝，使杆体出现加工弱面，螺纹段强度明显低于杆体强度，杆体延伸率不能充分发挥，造成材料浪费。鉴于这些弊端，普通建筑螺纹钢锚杆杆体已逐步淘汰。②右旋全螺纹钢杆体右旋全螺纹钢锚杆杆体表面轧制有全螺纹，螺母可直接安装在杆体上，如图8-29所示。这种杆体的优点：一是杆体截断后不需要任何加工，杆体强度相等，材料利用高；二是井下安装时，螺母可沿44442022/12/29低了锚固剂的密实程度，影响锚固效45图8-29右旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体结构452023/1/345图8-29右旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体结构452022/46462023/1/3杆体一直拧进，不受螺纹长度的限制。但是，这种杆体也存在以下明显缺陷：一是杆体螺纹为右旋，采用常规的钻机搅拌树脂锚固剂时，有将锚固剂从孔内旋出的力，不能压密锚固剂，影响锚固效果；二是杆体精轧螺纹比较高，对于同样外径的杆体，内径较小，强度也较低；三是由于螺母直接安装在杆体螺纹上，因此对轧制螺纹要求高，螺母与螺纹的配合控制难度大。同时由于螺纹螺距大，很难施加较大的预紧力，现场使用时经常发生退扣现象。

③左旋无纵筋螺纹钢杆体46462022/12/29杆体一直拧进，不受螺纹长度的限制47472023/1/3为了克服上述两种杆体的缺点，将杆体形状设计为左旋无纵筋螺纹钢，如图8-30所示。这种杆体在搅拌树脂锚固剂时，左旋螺纹会产生压紧锚固剂的力，有利于增加锚固剂的密实度，提高锚杆锚固力。杆体尾部螺纹加工采用合理的工艺，可保证强度接近和达到杆体的强度。杆体尾部滚压成型的螺图8-30

左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体结构L-杆体长度；L1-杆体尾部螺纹段长度47472022/12/29为了克服上述两种杆体的缺48482023/1/3纹，加工精度较高，可施加较大的预紧力。可见，左旋无纵筋螺纹钢杆体是比较理想的锚杆杆体。根据煤矿巷道条件，锚杆杆体直径一般为16～25mm，长度为l.6～3.0m，见表8-7。无纵筋螺纹钢金属杆体与树脂锚固剂、球形垫圈、螺母、托盘、表8-7螺纹钢锚杆杆体的几何参数项目系列杆体直径/mm1618202225杆体长度/m1.61.82.02.22.42.62.83.0钻孔直径/mm2628303348482022/12/29纹，加工精度较高，可施加较大的预49492023/1/3“M”护板配套，是用于煤矿井下支护的新型锚杆。该锚杆具有结构合理、锚固性能好、强度高、适应性强、施工方便等特点，可实现端锚、加长锚和全锚。同时也可用于铁路、水电等各类工程的隧道支护，具有广泛的用途。左旋无纵筋螺纹钢锚杆的技术性能与额定锚固力可参见表8-8和表8-9。 对于直径22mm的BHRB600型钢筋，屈服力达228.1kN，拉断力达304.1kN。分别是同直径建筑螺纹钢的1.79倍和1.63倍，是同直径圆钢的2.5倍和49492022/12/29“M”护板配套，是用于煤矿井下支50表8-8无纵筋螺纹钢式树脂锚杆技术性能表8-9锚固力额定值2023/1/35050表8-8无纵筋螺纹钢式树脂锚杆技术性能51512023/1/32.11倍，真正实现了高强度。无纵肋螺纹钢式树脂锚杆执行标准，如图8-31所示。图8-31

无纵肋螺纹钢式树脂锚杆执行标准MSGLW–335/×杆体长度，mm杆体公称直径，mm杆体屈服强度，MPa无纵肋螺纹钢式金属杆体树脂锚杆51512022/12/292.11倍，真正实现了高强度。无52522023/1/3(2)树脂锚固剂高强锚杆多为端头锚固型，即用树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下，将锚杆头部粘结在锚杆孔内。它具有凝结硬化快，粘结强度高，安全可靠，施工操作简便，适用范围广等优点，且可以对围岩施加预压应力，并在很短时间内便能达到很大的锚固力。目前，树脂锚固剂已大量使用，成为最主要的锚固方式。我国煤矿目前已经能够生产超快、快速、中速、慢速等不同固化时间的树脂锚固剂，其技术52522022/12/29(2)树脂锚固剂53532023/1/3特征见表8-10。表8-10树脂锚固主要剂技术特征树脂锚固剂的几何尺寸与规格多种多样，见表8-11。锚固剂的直径应与钻孔直径相配合，直径主型号特性胶凝时间/s等待时间/s固化时间/s颜色标识备注CKa超快8～2510～30≤300黄在20±1℃环境温度下测定CK8～4010～60≤300红K快速41～9090～180≤420蓝Z中速91～180480≤720白M慢速＞180≤240053532022/12/29特征见表8-10。表854表8-11树脂锚固剂（树脂药包）的规格型号规格/mm重量/g适用钻孔/mm每箱支数适用范围Z3537ф35×370700±10ф42±240井筒装备安装Z3530ф35×300550±10ф42±240巷道锚喷支护端锚Z2835ф28×350400±10ф32±240巷道锚喷支护及其它Z2850ф28×500640±10ф32±240巷道支护及全长锚固Z2335ф23×350300±10ф28±250巷道小直径支护及全长锚固2023/1/354要有φ23mm、φ28mm及φ35mm三种，如图8-32所示。以适应28mm、Φ32mm及φ42mm的钻孔，尤以φ23mm的锚固剂用量最大。树脂锚固剂长度可根据需要确54表8-11树脂锚固剂（树脂药包）55图8-32

树脂锚固剂552023/1/355图8-32树脂锚固剂552022/12/2956562023/1/3定，一般在300～900mm之间，常用的长度有300mm、350mm、500mm、600mm等几种。锚固剂过短，锚固长度较长时需安装多个药卷；锚固剂太长，不便于运输和携带。一般是长、短结合使用。一般情况下，一支树脂锚固剂是一个固化速度。井下进行加长或全长锚固时，需要不同固化时间的锚固剂搭配使用，如超快或快速配中速锚固剂使用，一个钻孔中需要安装两支或两支以上的锚固剂。

(3)锚固杆体的受力分析

如图8-33、34、35、36所示。56562022/12/29定，一般在300～900mm之间57图8-33

端头锚固式锚杆受力特征1-内锚头；2-托板图8-34

全长锚固锚杆锚固力分布1-托锚力；2-剪锚力2023/1/35757图8-33端头锚固式锚杆受力特征图8-34全长锚58图8-35

全长锚固锚杆体受力状态

τ—杆体剪应力；θ—杆体拉应力图8-36

不同螺纹钢锚杆锚固力试验2023/1/35858图8-35全长锚固锚杆体受力状态图8-36不同螺纹59592023/1/3(4)螺母螺母是锚杆的重要部件。其作用主要有两方面：一是通过螺母压紧托板给锚杆施加预紧力；二是围岩变形后通过托板、螺母传递到杆体，杆体工作阻力增大，控制围岩变形。因此，螺母是施加和传递应力的部件。锚杆螺母有多种类型，如图8-37所示。从工作原理可分为两大类，普通螺母和快速安装扭矩螺母；按材质可分为金属螺母和非金属(塑料)螺母，后者主要用于坡璃钢锚杆。普通螺母分为标准螺母和加厚螺母，加厚螺母59592022/12/29(4)螺母60602023/1/3阻尼式螺母销钉式螺母压片式螺母标准螺母加厚螺母大螺距螺母球形螺母螺母普通螺母扭矩螺母图8-37

锚杆螺母分类一端可做成半球形或圆环形，代替调心球垫或垫圈。大螺距金属螺母用于右旋精轧螺纹钢锚杆。普通螺60602022/12/29阻尼式螺母销钉式螺母压片式螺母标61612023/1/3母安装时，需要先安装杆体，然后再安装托板并拧紧螺母，工序多，安装速度慢。为了实现杆体搅拌树脂药卷与安装托板、螺母一体化，提高锚杆安装速度，开发研制了多种快速安装扭矩螺母。扭矩螺母主要有钢片充填式、树脂(尼龙)充填式和销钉式，如图8-38所示。对快速安装扭矩螺母的要求是：一方面不能在搅拌树脂药卷过程中打开，使安装半途而废，螺母打开扭矩必须大于搅拌阻力；另一方面，当树脂药卷固化后，钻机应能打开和拧紧螺母，要求螺母打61612022/12/29母安装时，需要先安装杆体，然后再62622023/1/3图8-38

扭矩螺母形式(a)钢片充填式；(b)树脂(尼龙)充填式；(c)内销钉式；(d)外销钉式1，3-加厚螺母；2-钢片；4-树脂或尼龙；5-螺母；6-销钉；7-杆体尾部开扭矩低于钻机的最大输出扭矩。实践经验表明，顶板锚杆的扭矩螺母，要求打开扭矩为60～10062622022/12/29图8-38扭矩螺母形式开扭矩低63632023/1/3N·m，端部锚固取小值，加长锚固和全长锚固取大值；帮锚杆，要求螺母打开扭矩为40～60N·m。(5)托板锚杆托板的作用主要有两方面：一是通过螺母施加压力，压紧托板给锚杆提供预紧力，并使预紧力扩散，扩大锚杆作用范围；二是围岩变形后载荷作用于托板，通过托板将载荷传递到锚杆杆体，增大锚杆工作阻力，进而控制围岩变形。托板分类如图8-39所示。按托板截面形状可分为平板、拱形和其他形状。拱形托板又分正托板与63632022/12/29N·m，端部锚固取小值，加长锚固64金属托板非金属托板木托板混凝土托板塑料托板托板平托板拱形托板其它形状可调心托板不可调心托板图8-39

托板分类2023/1/36464金属托板非金属托板木托板混凝土托板塑料托板托板平托板拱形65652023/1/3斜托板，正托板孔位于托板中心，斜托板孔位于托板一侧倾斜布置。其他形状包括：与M形钢带配合使用的托板，w形钢护板，各种钢梁(如槽钢)制成的托板。可调心托板配有调心球垫，当锚杆有一定的安装角度时，能保证锚杆处于较好的受力状态。托板强度与钢板的厚度、材质、形状及加工工艺等有关。实践应用证明，拱形托板(图8-40)具有良好的力学性能，同时托板可调心时，又能够满足不同锚杆安装角度的需要。

(6)减摩垫圈65652022/12/29斜托板，正托板孔位于托板中心，斜66图8-40

拱形托板(a)A型托板；(b)B型调心托板；(c)托板调心板D-中心孔直径；H-托板高度；T-托板厚度；L-托板长度；B-托板宽度662023/1/366图8-40拱形托板662022/12/2967672023/1/3为了减少螺母与托板之间的摩擦阻力和摩擦扭矩，最大限度地将锚杆安装扭矩转化为预紧力，提高支护系统的刚度，应在螺母与托板之间加减摩垫圈，减少摩擦阻力，而且减摩垫圈的材质起着关键作用。试验结果表明，不同减摩材料的摩擦系数相差悬殊，多达数十倍。应根据需要选择减摩性能好的减摩垫圈材质，设计合理的垫圈厚度与直径，保证在一定的安装扭矩下能提供较大的预紧力。

采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托板之间的摩擦阻力。在螺母与托板之间加金属垫圈和塑料

67672022/12/29为了减少螺母与托板之间的68682023/1/3垫圈，可减少摩擦阻力，而且塑料减摩垫圈的材质起着关键作用。锚杆在使用不同材质减摩垫圈的力学特性如图8-41所示。

数字代表减摩材料0不使用减摩垫片1聚四氟乙烯21010尼龙3改性1010尼龙4高密度聚乙烯图8-41

不同材质减摩垫圈锚杆的力学特性数字代表的符号意义68682022/12/29垫圈，可减少摩擦阻力，而且塑料减69692023/1/36.玻璃钢树脂锚杆为了减少金属锚杆与综采机械的切割头碰出火花，引发瓦斯爆炸和粉尘自燃的可能性。由非金属锚杆来替代金属锚杆是一种趋势。高强度玻璃钢树脂锚杆，如图8-42所示。

(1)玻璃钢树脂锚杆的优越性玻璃钢杆体具有可割性，很适合于综采工作面临时支护使用，而且具有良好的防腐性能，它在许多技术参数上超过了金属锚杆。其优越性具体表现在:

69692022/12/296.玻璃钢树脂锚杆70玻璃钢锚杆（德国）图8-42

高强度玻璃钢树脂锚杆2023/1/37070玻璃钢锚杆（德国）图8-42高强度玻璃钢树脂锚杆271712023/1/3①高强度：高性能的玻璃钢锚杆的抗拉强度可达到钢质锚杆的1.5倍。②重量轻：玻璃钢的相对密度只有1.5～2.0，而抗拉强度可达到或超过钢材，重量仅是同类规格钢锚杆的1/4，大大降低安装操作工人的劳动强度，从而使作业效率提高。

③非金属：可切割、防静电、阻燃、不损坏采煤机，采煤切割不产生火花，在高瓦斯矿不容易引发事故满足煤矿安全生产的要求。

④具有良好的耐腐蚀、耐酸、耐碱、耐高温、71712022/12/29①高强度：高性能的玻璃钢72722023/1/3耐低温等性能：井下作业可确保20年以上不老化，可在井下长期使用。⑤成本低、节约钢材：与金属锚杆相比，成本降低40％左右。因此，玻璃钢锚杆可替代现有煤帮金属锚杆、木锚杆、竹锚杆等煤帮支护。高强度玻璃钢树脂锚杆主要技术特征见表8-12。

(2)分类按玻璃钢锚杆杆体表面形状可分为麻花式、螺纹式和粗糙表面式三类。麻花式杆体端部有左旋麻72722022/12/29耐低温等性能：井下作业可确保2073型号直径(外径/内径)/mm质量/kg/m杆体拉断力/kN杆尾拉断力塑料螺母/钢螺母/kNK60-17C170.3810050/80K60-17E170.3815050/100K60-22C220.6418060/120K60-22E220.6427070/150K60-25C250.9025080/150K60-25E250.90380100/180J64-25C25/120.6318080/160J64-25E25/120.63250100/180表8-12高强度玻璃钢树脂锚杆主要技术特征2023/1/37373型号直径(外径/内径)/mm质量杆体拉断力/kN杆尾拉断74742023/1/3花形结构；螺纹式杆体表面加工成一定形状的螺纹；粗糙表面式杆体表面加工成凹槽、凸起、布纹等各种粗糙外形，如图8-43所示。国内生产的玻璃钢锚杆，实心杆体直径为16～24mm，空心杆体外径为25～30mm，长度一般为1.6～2.4m。全螺纹玻璃钢锚杆的抗拉强度≥245MPa，抗剪强度≥76MPa，扭矩≥41N·m。近年来我国煤矿玻璃钢锚杆生产技术有了很大发展，无论是生产工艺、杆体的结构与力学性能，还是尾部结构都有明显改进与提高。目前的玻璃钢74742022/12/29花形结构；螺纹式杆体表面加工成一75图8-43

玻璃钢锚杆杆体表面形状a)麻花式；(b)螺纹式；(c)粗糙表面式752023/1/375图8-43玻璃钢锚杆杆体表面形状752022/12/76762023/1/3锚杆适用于围岩比较稳定、变形量较小的巷道条件，还不能满足受采动影响、高应力、大变形巷道的支护要求。

7.注浆锚杆在不稳定围岩中，锚杆支护所能提高的围岩强度达不到围岩稳定所需的强度要求时，过分加大锚杆长度，既不经济，也不实用。如果在锚杆支护基础上，向围岩中注入浆液，不仅能将松散岩体胶结成整体，而且还可以将端头锚固变成全长锚固，提高围岩强度及自承力。锚杆结构图如图8-44所示。76762022/12/29锚杆适用于围岩比较稳定、变形量较图8-44

注浆锚杆结构图2023/1/377图8-44注浆锚杆结构图2022/12/297778782023/1/3

(1)普通外锚内注式注浆锚杆对于不考虑初锚力，不需控压注浆的巷道施工、修复和加固，可采用普通外锚内注式注浆锚杆。普通注浆锚杆杆体由带螺纹和小孔的钢管(一般为焊接管)制成，如图8-45所示。螺纹用于安装托板与螺图8-45

外锚内注式注浆锚杆结构1-空心钢管；2-注浆段；3-锚固段；4-尾部螺纹段；5-挡环；6-射浆孔78782022/12/29(1)普通外锚内注式注浆79792023/1/3母，小孔用于射浆。止浆可用止浆塞，也可用快硬水泥药卷、水泥水玻璃胶泥等胶结材料。这种锚杆结构简单，成本低，但不能施加预紧力，注浆压力不能控制。

(2)内锚外注式注浆锚杆内锚外注式注浆锚杆是在普通外锚内注式注浆锚杆的端部增加一个锚固结构(图8-46)。锚杆由锚固段、注浆段和封孔段组成。锚固段可采用水泥药卷、树脂药卷进行端部锚固，也可采用倒楔式机械锚固，不仅可增大锚杆锚固力，也可施加预紧力；79792022/12/29母，小孔用于射浆。止浆可用止浆塞80802023/1/3注浆段布置有若干个出浆孔，以便出浆；封孔采用橡胶圈(软木塞或快速凝结剂)配合喷射混凝土来实现。

在支护初期，锚杆当作普通端部锚固锚杆使用。当巷道围岩变形量达到一定数值时，即在巷道周边图8-46

内锚外注式注浆锚杆结构1-喷层；2-托盘；3-环状塞；4-杆体；5-出浆孔；6-挡环；7-锚固剂80802022/12/29注浆段布置有若干个出浆孔，以便出81812023/1/3形成一定范围的松动破裂区时，再对围岩实施注浆，既能使巷道围岩得到卸压，又使注浆变得容易，达到最佳的支护效果。同时，安装锚杆与注浆分为两个工序进行，互不干扰，不影响巷道掘进速度。

8.钻锚注锚杆钻锚注加固技术将钻孔、注浆和锚固功能集于一体。在井下使用时，第一步，锚杆用作钻杆，锚杆杆体头部配一钻头，尾部用连接器与钻机连接；第二步，锚杆用作注浆管，钻机连接套由注浆连接套代替，锚杆就像传统的注浆管一样，将树脂、水81812022/12/29形成一定范围的松动破裂区时，再对82822023/1/3泥浆等送人钻孔中，实施全长或加长锚固。(1)钻锚注锚杆的组成钻锚注锚杆由中空杆体、一次性钻头、连接套管、托板和螺母组成(图8-47)。锚杆杆体一般采用图8-47

钻锚注锚杆结构82822022/12/29泥浆等送人钻孔中，实施全长或加长83832023/1/3厚壁无缝钢管制作，外表全长具有螺纹，保证力的可靠传递。在施工的每个环节，都可方便、快速地将其他部件拧在杆体螺纹上，同时采用连接套，可将几根杆体连接在一起。

(2)钻锚注锚杆的主要特点

①钻锚注锚杆本身就是钻杆，其前端带上一次性钻头，钻进后不拔出，直接注浆即可。有时，非常破碎的岩体可以实现随钻随注。

②钻锚注锚杆为非普通钢材的中空锚杆，其表面为粗螺纹(可根据工程需要做成左、右旋螺纹)。83832022/12/29厚壁无缝钢管制作，外表全长具有螺84842023/1/3由于杆体为中空螺纹钢管，抗弯曲、抗剪切及表面锚固强度要比相同截面积的实心钢筋强度大得多。

③利用锚杆中空作为注浆通道，能使浆液自孔底向孔口呈环状灌注，保证了环状空间和岩石裂缝被填充饱满。在螺纹杆体上旋上带螺纹的止浆塞堵住孔口，可以实现高压注浆。

④钻锚注锚杆的螺纹为连续形，可任意连接加长与缩短使用。既方便于小型钻机在狭小的巷道中使用，又方便于各类困难条件中分段联结使用。9.新型锚杆形式与锚杆结构84842022/12/29由于杆体为中空螺纹钢管，抗弯曲、85852023/1/3(1)左旋预应力阻尼锚杆是一种预应力锚杆，如图8-48所示。阻尼有树脂或塑料阻尼、销式阻尼、金属盖片式阻尼三种;锚固力靠树脂粘结力实现;阻尼打开实现树脂的充分搅拌;等待40－60s后，施加锚杆的预应力操作。图8-48

左旋预应力阻尼锚杆85852022/12/29(1)左旋预应力阻尼锚杆86862023/1/3该锚杆的优点：

①锚杆预应力大由于该锚杆螺纹是国标螺纹，螺纹螺距2.5mm，螺纹自锁效果好，通过特制的阻尼螺母，锚固树脂搅拌充分、锚固力大，120型气动锚索钻机即可实现4t的预紧力。

②锚杆锚固力高因该锚杆杆体设计的螺纹方向为左旋方向和锚杆的搅拌树脂方向（右旋）相反，在搅拌树脂的过程中会对树脂产生一个轴向挤压力，大量测试表86862022/12/29该锚杆的优点：87872023/1/3明，同样杆体直径和同样树脂的情况下，左旋细丝预应力锚杆的锚固力，比右旋等强全螺纹钢锚杆锚杆可提高20％以上。

③杆体的有效断面大，锚杆强度高

大量试验表明，同直径同材质的左旋细丝预应力锚杆的破断力，比右旋等强全螺纹钢锚杆高出20％以上。

④左旋细丝预应力锚杆因采用了合理的阻尼螺母，螺母材质为球墨铸铁，球墨铸铁和锚杆杆体的摩擦力是最小的，另外采用了减阻特制塑料垫圈，87872022/12/29明，同样杆体直径和同样树脂的情况88882023/1/3使锚杆的扭矩应力比大大提高。锚杆组装图8-49。

锚杆的缺点：加工过程多了压圆、滚丝两个工艺。(a)六方螺母预应力锚杆(b)四方螺母预应力锚杆图8-49左旋细丝预应力锚杆组装图88882022/12/29使锚杆的扭矩应力比大大提高。锚杆89892023/1/3(2)右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆该类锚杆的优点：加工制造简单。

锚杆的缺点：①杆体螺距大通常在10～12mm左右，大螺距螺母与杆体咬合力低，摩擦力大，时常出现退丝现象，而且锚杆安装应力低，很难达到2t以上的预紧力。②锚杆锚固力低因该锚杆杆体设计的螺纹方向(右旋)和锚杆的搅拌树脂方向(右旋搅拌)旋向相同，在搅拌树脂的89892022/12/29(2)右旋无阻尼等强螺纹90902023/1/3中会对树脂产生一个向外的输送力，大量测试表明，同样杆体直径和同样树脂的情况下，右旋全螺纹等强锚杆的锚固力,比左旋细丝预应力锚杆降低20％。③杆体的强度低大量试验表明，同直径同材质的右旋等强锚杆的破断力比左旋细丝预应力锚杆低20％以上。锚杆如图8-50所示。所以右旋全螺纹钢等强锚杆已经不能满足深部锚网支护的要求，现在深部支护中很少选用。90902022/12/29中会对树脂产生一个向外的输送力，91图8-50右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆2023/1/39191图8-50右旋无阻尼等强螺纹钢锚杆2022/12/292表8-13右旋等强螺纹钢锚杆杆体强度杆体直径(mm)钢材级别（MPa）屈服强度（吨）抗拉强度（吨）国标实测国标实测Ф18MG3358.7≥9.112.6≥13.0Ф20MG33510.8≥10.215.6≥15.0Ф22MG33513.1≥13.3518.9≥20.252023/1/392(3)右旋与左旋螺纹钢锚杆强度对比见表8-13、14所示。92表8-13右旋等强螺纹钢锚杆杆体强度杆体直径钢材93表8-14左旋滚丝螺纹钢锚杆杆体强度杆体直径钢材级别屈服强度(kN)抗拉强度(kN)国标实测国标实测Ф16MG33563≥9092≥130Ф18MG33583≥110121≥160Ф18MG500125≥150163≥200Ф20MG335110≥125160≥185Ф20MG500153≥180202≥240Ф22MG335127≥154186≥220Ф22MG500178≥200235≥2702023/1/39393表8-14左旋滚丝螺纹钢锚杆杆体强度杆体直径94942023/1/3三、锚杆支护作用原理正确地设计和应用锚杆支护，必须对锚杆支护机理有正确地认识，并以完善的锚杆支护理论作为指导。传统的锚杆支护理论有：悬吊理论、组合梁理论、组合拱(压缩拱)理论，近期又发展了最大水平应力理论。它们都是以一定的假说为基础的，各自从不同的角度、不同的条件阐述锚杆支护的作用机理，而且力学模型简单，计算方法简明易懂，适用于不同的围岩条件，得到了国内外的承认和应用。近年来，随着锚杆支护理论研究的不断深人，94942022/12/29三、锚杆支护作用原理95952023/1/3各种新的锚杆支护理论不断提出，并在工程实践中得到完善和发展，极大地推进了锚杆支护技术在巷道支护中的应用，特别是为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提供了新的理论指导。

1.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[8-51(a)]在软弱围岩中，锚杆的作用是将直接顶板的破碎岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上[图8-51(b)]，拱高可采用普氏的压力拱理论95952022/12/29各种新的锚杆支护理论不断提出，并96图8-51锚杆支护悬吊作用(a)坚硬顶板锚杆的悬吊作用;(b)软弱顶板锚杆的悬吊作用2023/1/39696图8-51锚杆支护悬吊作用2022/12/299697972023/1/3估算。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分开，与实际情况存在一定的差距。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者未松动岩层时，悬吊理论就不适用。

2.组合梁理论组合梁理论认为：顶板锚杆的作用，一方面体现在锚杆的锚固力增加了各岩层间的接触压力，避免各岩层间出现离层现象；另一方面增加了岩层间97972022/12/29估算。悬吊理论直观地揭示了锚杆的98982023/1/3的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将作用范围内的几个岩层锚固成一个较厚的组合岩梁。这种组合岩梁在上覆岩层荷载的作用下，其最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也显著减小，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8-52所示。组合梁理论很好地解释了层状岩体锚杆的支护作用，但在分析中，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。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98982022/12/29的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动99图8-52锚杆组合梁作用示意图(a)叠合梁与组合梁的内力比较;(b)层状顶板锚杆组合粱2023/1/399合梁也就不存在了。99图8-52锚杆组合梁作用示意图2022/12/2991001002023/1/33.组合拱理论研究表明，在弹性体上安装具有预应力的锚杆，能形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区[图8-53(a)]。因此，如将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列，当围岩产生变形时，锚杆会对围岩产生压应力作用，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠连接，便在围岩中形成一个均匀的连续压缩带[图8-53(b)]。它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，阻止围岩的松动和变形，这就是挤压加固拱。1001002022/12/293.组合拱理论101图8-53锚杆的挤压加固拱(a)单体锚杆对破裂岩石的控制；(b)锚杆群的挤压加固拱1012023/1/3101图8-53锚杆的挤压加固拱1012022/12/1021022023/1/3锚杆一方面在锥形体压缩区内产生压应力，增加节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力，防止岩块的转动和滑移，亦即增大了岩体的粘结力，提高了破碎岩体的强度；另一方面，锚杆产生的压应力，改善了围岩应力状态，使压缩带内的岩石处于三向受力状态，从而使岩体强度得到提高，这就是挤压加固拱的力学特征。

试验表明，加固拱的厚度b取决于锚杆长度L与锚杆间距a的比值，它们之间的关系见表8-15。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作1021022022/12/29锚杆一方面在锥形体压1031032023/1/3用机理，但在分析过程中没有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，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，但可作为锚杆设计和施工的重要参考。表8-15加固拱的厚度与锚杆参数的关系锚杆长度L/锚杆间距a321.33加固拱厚度b/锚杆长度L2/31/31/101031032022/12/29用机理，但在分析过程中没有深1041042023/1/3非张拉的钢丝绳砂浆锚杆，同样可以加固围岩，形成加固承载拱。例如，曾用混凝土块模拟不稳定岩层，把跨度为2m、截面为20cm×30cm的混凝土拱劈成34块大小不等的块体，然后将拱的两端顶紧，在拱顶加4个集中荷载，不稳定岩层拱的承载力为75kN；采用钢筋砂浆锚固后，它的承载力竟达500kN，而其变位仅为前者的1／2。这说明，采用非张拉的钢筋砂浆锚杆后，由于砂浆在锚杆孔的全长范围内与岩石粘结，能够阻止岩块的转动滑移，使岩块间的嵌镶、咬合、连锁效应得以保持和1041042022/12/29非张拉的钢丝绳砂浆锚1051052023/1/3加强，从而能够抑止围岩变形，提高围岩的整体刚度和结构强度，相当于形成了一个岩石加固承载拱。

4.最大水平应力理论最大水平应力理论认为：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性，最大水平应力一般为最小水平应力的l.5～2.5倍。巷道顶、底板的稳定性主要受水平应力的影响，且具有三个特点：①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶、底板稳定性最好；②与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶、底板变形破坏1051052022/12/29加强，从而能够抑止围岩变形，1061062023/1/3偏向巷道某一帮；③与最大水平应力垂直的巷道受水平应力影响最大，顶、底板稳定性最差，如图8-54所示。由于最大水平应力基本沿层理方向，岩层容易出现水平错动和离层，以及沿轴向的岩层膨胀(巷道两帮收缩)。如图8-55所示。于是锚杆起到约束离层和抑制岩层膨胀的作用，因此，要求锚杆必须具备高强度、高刚度和高抗剪能力，才能起约束围岩变形的作用。该理论论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性1061062022/12/29偏向巷道某一帮；③与最大水平107图8-54最大水平应力理论的应力场效应(a)巷道平行于主应力；(b)巷道与主应力呈450；(c)巷道与主应力呈900图8-55最大水平应力原理1072023/1/3107图8-54最大水平应力理论的应力场效应图1081082023/1/3的影响以及锚杆支护所起的作用。在设计方法上，借助于计算机进行数值模拟优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。

5.围岩补强作用巷道围岩深部的岩石处于三向受压状态。靠近巷道周边的岩石则处于二向受压状态，故易于破坏而丧失稳定性(图8-56左)。巷道周围安装锚杆后，相当于岩石又恢复了三向受状态(图8-56右)，从而增大了它的强度。另外，锚杆还可以增加岩层弱面1081082022/12/29的影响以及锚杆支护所起的作用109图8-56锚杆对围岩的补强作用图8-57锚杆缩小悬顶跨度作用1092023/1/3109图8-56锚杆对围岩的补强作用图8-57锚杆1101102023/1/3的剪断阻力，使围岩不易破坏和失稳。这就是锚杆对围岩的补强作用。6.减小跨度作用巷道顶板打了锚杆，相当于在该处打了点柱。减少了顶板跨度(图8-57)，从而增强了顶板岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。锚杆支护的上述作用，并非各自孤立存在，往往是同时并存、互为补充，只不过在不同条件下某种支护作用占主导地位罢了。例如，在拱形巷道中用锚杆加固围岩，加固的作用是主要的；而在支护1101102022/12/29的剪断阻力，使围岩不易破坏和1111112023/1/3平层状的巷道中。就是组合梁作用为主了。近年来，随着锚杆支护理论研究的不断深入，各种新的锚杆支护理论不断提出，并在工程实践中得到完善和发展，极大地推进了锚杆支护技术在巷道支护中的应用，特别是为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提供了新的理论指导。四、锚杆支护参数的确定理论计算法主要是利用悬吊理论、冒落拱理论、组合拱理论以及其他各种力学方法，分析巷道围岩的应力与变形，进行锚杆支护设计，给出锚杆支护1111112022/12/29平层状的巷道中。就是组合梁作1121122023/1/3参数的解析值。这种设计方法的重要性不仅与工程类比法相辅相成，而且为研究锚杆支护机理提供了理论依具。下面分别介绍有代表性的按悬吊理论和按冒落拱理论设计锚杆支护参数的方法。

（一）按悬吊理论设计锚杆参数悬吊理论认为锚杆的作用是将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，阻止软弱破碎岩层垮落。悬吊理论只考虑了锚杆的被动抗拉作用，根据不稳定岩层厚度计算锚杆长度，根据锚杆悬吊的不稳定岩层重量计算锚杆直径和间排距。1121122022/12/29参数的解析值。这种设计方法的1131132023/1/31.锚杆长度如图8-58(a)所示，锚杆长度用下式计算：

L=Ll+L2+L3(8-1)式中L—锚杆长度，m；

L1—锚杆外露长度，取决于锚杆类型与锚固方式，一般取0.1m；L2—锚杆有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；

L3—锚杆锚固长度，端部锚固一般取0.3～0.4m。1131132022/12/291.锚杆长度114图8-58悬吊理论锚杆支护参数计算示意图(a)锚杆长度组成；(b)支护参数计算图1142023/1/3114图8-58悬吊理论锚杆支护参数计算示意图114201151152023/1/3对于不稳定岩层的厚度，可根据地质资料、实测或经验估计L2；当围岩的普氏坚固性系数，f≥3时，可按下式计算：(8-2)式中B—巷道跨度，m。

2.锚杆锚固力与直径锚杆锚固力应不小于被悬吊不稳定岩层的重量，用下式计算：

Q=KL2a1a2

（8-3）1151152022/12/29对于不稳定岩层的厚度1161162023/1/3式中Q—锚杆锚固力，MN；

K—安全系数，一般取1.5～2.0；a1、a2—锚杆间、排距，m；

—不稳定岩层平均重力密度，MN／m3。如果锚杆锚固力与杆体的破断力相等，则锚杆直径可由下式得出：（8-4）式中d—锚杆直径，m；

—杆体材料的抗拉强度，MPa。1161162022/12/29式中Q—锚杆锚固力，MN1171172023/1/33.锚杆间排距图8-58(b)所示，当锚杆间排距相等时，即a=a1=a2，则间排距为（8-5）式中K—锚杆安全系数，一般取K=1.5～2.0。

（二）按挤压加固拱理论计算锚杆参数挤压加固拱理论不要求锚杆伸人坚固岩层中。这样，锚杆长度和间距之间必须满足某种关系，才能形成一定厚度的挤压加固拱，以支承地压。按照1171172022/12/293.锚杆间排距（8-1181182023/1/3挤压加固拱理论，加固拱厚度与锚杆长度和间距之间的关系(图8-53)可按下式确定：（8-6）式中b—加固拱厚度，m；

L—锚杆的有效长度，m；

—锚杆在松散体中的控制角，°；

a—锚杆的间距，m。如果锚杆的控制角按45°计，则

b=L－a(8-7)1181182022/12/29挤压加固拱理论，加固拱厚度与1191192023/1/3根据上式，如果按常用锚杆长度L为1800～2200mm和间距a为600～800mm，则加固拱厚度将为1200～1400mm，相当于3～4层混凝土碹的厚度。一般情况下，锚杆的长度应大于两倍的锚杆间距。理论计算法作为一种比较简单、方便的锚杆支护设计方法，虽然得到一定程度的应用，但是由于围岩地质条件复杂多变，各种理论对锚杆支护作用的认识都有片面性和局限性，有些理论的力学参数难以确定和选取，这就大大影响了计算结果的可信度。因此，理论计算法的设计结果大多仅能作为参1191192022/12/29根据上式，如果按常用锚杆长度1201202023/1/3考。

（三）锚固参数锚固参数包括锚固剂的型号、规格、尺寸，锚固长度等。1.锚固剂型号、规格、尺寸锚固剂型号、规格、尺寸按要求选择。锚固剂直径应与钻孔直径和锚杆直径相匹配。为了使锚固剂能够顺利安装到钻孔中，同时锚杆杆体又能充分搅拌锚固剂，比较合理的锚固剂直径是比钻孔直径小3～5mm。如φ28mm直径的钻孔，采用φ23mm直径1201202022/12/29考。1211212023/1/3的锚固剂；φ33mm直径的钻孔，采用φ28mm直径的锚固剂。2.锚杆锚固长度锚杆