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锚 杆 支 护 技 术

锚 杆 支 护 技 术

一、 锚杆支护技术现状和展望
锚杆支护技术是煤矿支护技术改革的发展方向, 是煤矿继推广综合机械化采煤技术又一重大推广技术。中国在上世纪80年代开始研究应用锚杆支护技术以来, 不论在理论上, 还是在实践应有中已取得了长足的进展, 促进了中国煤炭工业的发展。
锚杆支护是由锚固在巷道四周钻孔内的一系列杆件 ( 木质件、 金属件、 钢筋混凝土件和聚合物件等) 系统组成的。这些杆件配以支撑件和背板( 也能够不用) , 靠它们的锚固力和向岩体稳定部分的悬吊作用, 防止破碎岩石冒落。
用预拉紧方法安装的锚杆, 提高了岩石分层之间的摩擦阻力, 同时将两支撑点间的岩层夹紧, 以岩梁和岩拱的形式构成承载结构。尽管加固的岩梁比未加固的岩梁呈现出明显的稳定性, 可是仍不能准确量测出影响加固岩层稳定性单个分层缝合效果的量值。现代锚杆支护理论认为, 岩层分层之间的摩擦作用具有重要意义, 主要有以下几个方面。
①巷道上方的松软岩层被锚杆固结到其上部坚固的岩层上, 松软有裂隙岩层的几个分层, 彼此之间被锚杆夹紧形成梁和拱形式的承载结构。
②松软不稳定的岩石分层, 彼此之间夹紧并被锚杆固结在上部坚固岩层上。
③在掘进巷道时, 被破坏的有裂缝的岩石分层被锚杆夹紧并被悬挂在自然平衡拱上。
④不稳定的有裂缝的岩层被锚杆的联接部件托住并被悬挂于自然平衡拱的拱脚。
⑤不稳定的岩石分层被锚杆夹紧并悬吊于自然平衡拱的拱脚。
在采矿实践中, 锚杆支架分单体锚杆支架和组合锚杆支架两种。单体锚杆支架指安设在巷道中的锚杆, 彼此之间没有力学科系。组合锚杆支架包括钢梁、 钢带、 角钢、 槽钢等承托顶板元件, 把两个或几个锚杆联成统一的整体。
锚杆支架按用途分为临时锚杆支架和永久锚杆支架。
按作用原理分为主动锚杆和被动锚杆。主动锚杆预先张紧装入钻孔中, 以提高抵抗被加固岩体拱曲性和分层之间相对位移的能力。随着锚杆预应力的加大, 相应增加了岩层分层面之间的摩擦力, 提高了巷道的稳定性。安装被动锚杆时不给杆体以预应力, 因此就比主动锚杆安装密些, 其典型的有全长锚固的螺纹锚杆、 钢筋混凝土锚杆、 膨胀式锚杆和玻璃钢锚杆等。
按工作特性锚杆又分为刚性延伸和有限延伸锚杆。延伸锚杆靠套管能够伸长500~700毫米。有限延伸锚杆与延伸锚杆不同, 只能伸长60~140毫米。
按杆体材料锚杆又分为木锚杆、 竹锚杆、 金属锚杆、 混凝土锚杆和树脂锚杆等。而按杆体构造型式分为管式锚杆、 杆式锚杆、 钢丝绳锚杆、 组合锚杆和多条杆的锚杆等。
以煤巷和半煤巷为主的采准巷道, 其断面一般为矩形、 梯形或近似梯形的四边形, 不能形成近似自然冒落拱的支撑体系。这些巷道均要受到采动影响, 巷道位置改变的余地很小, 巷道围岩强度低, 顶板岩石一般是层状特征。以前采准巷道多采用棚子支护, 棚子支护不可能紧贴围岩, 形成等来压, 即所得的被动支护, 锚杆支护是完全不同的一种支护方式, 它利用锚固剂、 锚杆、 托板及各种构件, 给围岩一定的支护强度, 与围岩应力和采动应力达到支护目的, 即所得的主动支护。它与传统的棚式支护相比具有以下几方面的优势:
①从根本上改进了采准巷道的支护状况, 保证了安全生产。锚杆支护能及时加固围岩, 从而减少了围岩变形, 防止顶板早期离层和断帮, 顶板下沉量和两帮位移量明显小于架棚巷道, 减少了巷道维修量。据统计, 有些局矿使用锚杆支护后, 巷道失修率下降了50%~60%, 巷道的断面利用率提高了10%~17%。
②简化了工作面上、 下顺槽的超前支护, 加快了回采过渡, 提高了工作面单产, 有利于提高效率, 增加效益, 工作面上、 下巷采用棚子支护时, 必须提前进行替棚, 因采动压力的影响, 撤棚、 换棚工作十分复杂, 用工多、 速度慢、 不安全( 瓦斯管理、 顶板管理) , 严重影响工作面推进速度( 有时需用一个班从事此项工作) 。采用锚杆支护能够有效减少回采超前压力对巷道的破坏, 省掉替棚子序, 提高工作面推进速度。
③减轻了工人的劳动强度, 减少了支护物料的运输。采用锚杆支护后, 不需要运输大量的支护钢材和其它辅助材料, 改进了上、 下顺槽工作环境, 从根本上减轻了工人的劳动强度, 解放了生产力, 加快了循环进度。
④大幅度节约了支护材料, 降低了支护成本, 有利于节约自然资源, 改进生态环境。
实践资料显示, 中国锚杆支护使用得好的煤矿与棚子支护相比较, 工作面同等提高了40%~60%, 巷道失修率下降了50%~60%, 巷道掘进的支护成本下降25%~40%, 掘进速度提高了10%~20%, 巷道断面利用率提高了15%, 通风阻力下降了10%, 支护材料的运输量下降了60%~70%。因此锚杆支护已经成为煤矿最主要的支护方式。
锚杆支护虽具有很大的发展潜力, 但由于种种历史原因, 还存在许多问题。
①发展不平衡。由于技术观念、 地质条件等因素, 锚杆支护在各地的推广使用差异很大, 北方80%以上, 南方只有50%左右, 公司各矿高的达70%以上, 低的只有30%, 特别是巷修只有30%左右。
②技术和生产结合不紧密。各矿还没有形成切合本矿实际的锚杆支护规范。
③施工人员素质不高, 运成施工质量达不到设计要求。
④锚杆支护机具、 材料和监测仪器仪表还需进一步完善、 配套。

二、 锚杆作用原理
巷道支护的基本目的在于缓和与减少围岩的移动, 使巷道断面不致于过分缩小, 同时防止已离散和破坏的围岩垮塌, 在服务期内保持巷道的稳定。为使巷道稳定, 人们能够提供的支护力是有限的。在开掘巷道以后形成的”支护—围岩”力学平衡系统中, 围岩一般承受着大部分岩层压力, 而支护仅仅承受其中一小部分。巷道支护的基本原理是普通支护和围攻岩共同承载, 并尽量促使岩层形成承载结构。
实践中, 人们一方面不断研究提高支护构件的支护力和性能, 另一方面, 总是设法提高围岩的承载能力, 使支护承担的载荷最小, 从而减小支护力, 降低支护成本。由于地质条件的复杂性和研究手段的局限性, 锚杆支护理论至今尚不成熟, 还不能单独依靠那些理论为锚杆支护做出比较准确的设计。
锚杆支护的发展可分为四个阶段: 50年代, 开始试用锚杆支护; 60年代, 在岩巷中试用喷浆支护, 后发展为喷混凝土支护; 70年代, 试用和推广光面爆破及锚杆、 网、 喷射混凝土支护; 80年代采用工程量测, 试用新奥法, 结合煤矿特点, 初步形成一套完善的设计、 施工、 动态管理方法。
锚杆支护技术的发展冲破了传统的支撑概念, 形成了充分发挥围岩本身自支承作用, 使围岩和支护共同作用的现代支护理论。支护理论的发展, 大致经历了以下几个阶段: 20年代以前, 发表了许多地压假说, 其共同特点是把围岩作为不变载荷, 而支护被看作承受载荷的结构, 即所得的古典压力理论。60年代以前, 把岩体视作松散体, 认为作用在支护结构上的荷载是围岩垮落拱内的松动岩体重量, 即松散体理论。60年代发展起来的支护和围岩共同作用的现代支护理论。
锚杆支护是以维护和利用围岩的自承能力为基点, 及时地进行支护, 控制围岩的变形和松弛, 使围岩成为支护体系的组成部分。锚杆支护经过锚入围岩内部的杆体, 改变围岩本身的力学状态, 在巷道周围形成一个整体而又稳定的承载环( 带) , 和围岩共同作用, 达到维护巷道的目的。喷混凝土支护能起到及时封闭围岩、 充填围岩的裂隙和支撑结构的作用, 可有效的控制围岩变形和破坏, 提高围岩强度, 使围岩保持原有的稳定性和强度。因此, 锚喷支护属于积极主动加固围岩的加固型支护系统。
锚杆支护的作用原理主要有几种:
①加固拱作用。对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩, 如果及时用锚杆加固, 就能提高岩体结构弱面的抗剪强度, 在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不但能维持自身稳定, 而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱, 从而保持巷道的稳定。在弹性体内以锚杆的锚头和拧紧部为顶点, 形成算盘珠或分布的锥形体压缩带, 如将锚杆以适当间距排列, 使相邻锚杆的锥形带( 图中网线部分) , 即岩石加固拱, 它使巷道围岩由”载荷”变成了”承载结构”。
锚杆加固拱作用
②悬吊作用。
悬吊作用是指锚杆把将要冒落的软弱岩层或危岩悬吊于上部坚固稳定的岩体上, 由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量。
悬吊软弱层状顶板 悬吊危岩
上图表的煤层巷道的直接顶板一般比较软弱, 且不厚, 很容易离层冒落, 它上面的老顶则比较坚固, 这样, 锚杆能够经过直接顶板达到老顶, 把直接顶锚固在老顶上, 锚杆的这种作用就象是”钉钉子”, 把容易冒落的顶板”钉牢”在老顶上。
③组合梁作用。在层状岩层的巷道顶板中, 经过锚入一系列的锚杆, 将锚杆长度以内的薄层岩石锚成岩石组合梁, 从而提高其承载能力。
能够将平顶巷道的层状顶板看作是以巷道两帮为支点的叠合梁, 在载荷作用下, 各层板都有各自的单独弯曲, 每层板的上下缘分别处在受压和受拉状态, 但用锚杆将各层板紧固之后, 在载荷作用下, 各层之间基本不发生离层、 错动, 就如同一块板的弯曲, 大大提高了板系的抗弯强度。在层状顶板中安设锚杆后, 岩层由叠合梁变为组合梁, 从而提高了顶板岩层的承载能力, 锚杆本身也起着抗剪销钉的作有, 有效地阻止了岩层的层间错动。

④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三向受力状态, 故易于破坏而丢失稳定性。巷道周围安设锚杆后, 有些岩石又部分恢复了三向受力状态, 增大了它本身的强度。另外, 锚杆还能够增加岩层弱面的剪断阻力, 使围岩不易破坏和失稳, 这就是锚杆的补强作用。
⑤减小跨度作用。巷道顶板打了锚杆, 相当于在该处打了点柱, 减小了顶板跨度, 从而增强了顶板岩石的稳定性, 使岩石不易变形和破坏。
⑥挤压连结作用。锚杆将巷道围岩锚栓挤紧, 对岩石施加预应力, 以平衡岩石内所产生的张拉应力, 阻止裂隙的继续扩大。而且对于松散岩石能起到挤压连结和加固作用。例如用一个长方形木箱, 里面填紧了碎石, 并用模拟的锚杆将它们锚固起来, 锚杆上紧以后, 将木箱翻转, 其中充填的小碎石倒不出来。这说明, 经过锚杆的预应力作用, 能够在彼此毫无粘结力的碎石之间产生一种侧向挤压摩擦阻力, 足以支撑碎石自身的重量而不会掉下来, 好象碎石间互相连结起来一样。
锚杆支护的上述作用并非各自独立存在, 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。例如在拱形巷道中用锚杆加固块状或碎裂状围岩时, 加固拱的作用是主要的, 而在支护平顶巷道中, 组合梁作用就是主要的了。

三、 锚杆的种类和技术特征
用作支护的锚杆, 可根据其锚固的长度划分为集中锚杆和全长锚固类锚杆。集中锚固类锚杆指的是锚杆装置和杆体只有一部分和锚杆孔壁接触和锚杆, 包括端头锚固、 点锚固、 局部药卷锚固的锚杆。全长锚固类锚杆指的是锚固装置或锚杆杆体在全长范围内全部和锚杆孔壁接触的锚杆, 包括各种摩擦式锚杆、 全长砂浆、 树脂、 水泥锚杆等。
锚杆锚固方式可分为机械锚固型和粘结锚固型。锚固装置或锚杆杆体和锚杆孔壁接触, 靠摩擦阻力起锚固作用的锚杆属于机械锚固型锚杆。锚杆杆体部分或锚杆体全长利用树脂、 砂浆、 水泥等胶结材料, 将锚杆杆体和锚杆孔壁粘结, 紧贴在一起, 靠粘结力起锚固作用的锚杆, 属于粘结锚固型锚杆。
锚杆按材质不同又可分为钢丝绳、 钢筋、 螺纹钢、 玻璃钢、 木、 竹锚杆等。锚杆的名称有以材质命名的, 如竹锚杆、 木锚杆、 玻璃钢锚杆; 有以粘结材料命名的, 如树脂锚杆、 水泥锚杆、 砂浆锚杆; 有以结构命名的, 如倒楔锚杆、 深壳锚杆; 有以外形命名的, 如管缝锚杆; 有以作用机理命名的, 如水力膨胀式等。
1、 木锚杆。
木锚杆包括普通木锚杆和压缩木锚杆。普通木锚杆设计锚固力为10KN左右, 锚杆孔底部充填砂浆锚固力可达20KN左右, 服务时间为一年左右, 木质选用杂木, 做防腐处理、 喷浆处理后, 服务时间可延长。压缩木锚杆是用普通木材单向压缩后, 加工制作, 在井下遇水( 相对湿度90%以上) 后, 杆体膨胀, 产生的与锚杆孔壁而挤压力锚固围岩( 煤) , 并由楔子产生初锚力, 设计锚固力为20KN。使用寿命1~2年。
2、 竹锚杆。
竹锚杆包括竹片锚杆和? ? 竹锚杆。
3、 楔缝式锚杆, 设计锚固力50~60KN, 最大90~120KN。
4、 涨圈式锚杆, 设计锚固力50~60KN, 最大100KN。
5、 管缝式锚杆, 设计锚固力50~70KN, 最大90KN。
6、 砂浆锚杆, 设计锚固力50KN。
7、 树脂锚杆, 设计锚固力60KN以上。
8、 水泥锚杆。
9、 水力膨胀式锚杆。
10、 玻璃钢锚杆。
11、 内注式注浆锚杆。

四、 锚杆支护参数设计
㈠巷道围岩的稳定性分类
维护巷道的稳定, 满足安全生产是巷道支护的目的, 巷道支护设计, 施工和管理是涉及巷道稳定的几个主要方面。巷道围岩稳定性分类对促进煤矿的科学管理, 起到很大的推动作用。
1、 分类的依据
分类的依据就是如何选择和确定分类指标的问题。影响巷道围岩稳定性的因素主要有两方面: 一是采煤工作面采动的影响, 二是临近采空区的影响。
⑴影响巷道围岩稳定性的因素
巷道围岩稳定性受多种因素的影响, 它不但取决于地质因素, 同时也取决于生产技术因素, 例如巷道围巷状况、 地质力、 开采影响等方面。
a、 巷道围岩强度
围岩强度的大小对其稳定性的作用是很明显的, 较软弱的围岩容易产生变形和破坏, 巷道的维护比较困难, 相反, 较坚硬的围岩就不易变形和破坏, 巷道容易维护。
现场研究表明: 巷道顶底板移近率随围岩强度增加而降低。当围岩强度低于某一值( 如50Mpa) 时, 移近率随强度的降低而急剧增加; 当强度大于某一值( 如80Mpa) 时, 顶底板移近率随强度的变化就不明显了。
b、 地应力
地应力是引起围岩变形和破坏的根本作用力。巷道的投入、 巷道参数的设计及巷道的维护, 在很大程度上取决于地应力的大小。一般地应力包括上覆岩层的自重应力、 地质构造力和采动引起的集中应力。现在主要考虑自重应力( RH) 的影响。一般情况下, 顶底板移近率随巷道埋深的增加而增加。围岩强度较中时, 巷道埋深对其围岩变形影响强烈, 当围岩强度大于某一值( 如80Mpa) 时, 在一定深度范围内, 巷道埋深的变化对围岩变形的影响不大。
c、 岩体完整性
一般岩体都不同程度地含有地质弱面和构造, 如层理、 节理、 裂隙等, 这将降低岩体的强度。把反映地质弱面和构造的程度称为岩体完整性( 以岩体完整性指数表示) , 它与节理裂隙间距、 分层厚度、 直接顶垮落步距等有关系。
d、 开采影响
由于采煤工作面大面积回采, 在工作面前( 后) 方形成的移动支承压力很大, 这个支承压力的影响是回采巷道在整个服务期间内围岩变形和破坏的主要原因。
煤层、 直接顶、 老顶强度和厚度以及层位结构都影响移动支承压力的状况。直接顶、 厚度和采高的比值( N) 能够反映老顶来压的强度, 即在同们老顶条件下, N值越大, 老顶来压强度越小, 反之亦然。一般情况下, 当N≥4时, 老顶的垮落和错动对巷道维护状况无多大影响, 当N＜4时, 老顶活动的影响就比较显著。因此, 能够把N值作为反映开采影响的一个指数。
反映开采对巷道围岩稳定性的另一个因素是煤柱宽度, 其尺寸大小对围岩的稳定性影响十分显著。
e、 其它影响因素
地下水对围岩有软化、 泥化作用, 是影响巷道围岩稳定性的一个因素。由于比较复杂, 分类时暂不考虑。
⑵分类指标的确定
分类指标主要有7个: 表示围岩强度的指标是顶板可度( δ顶) 、 煤层强度( δ煤) 、 底板强度( δ底) ; 表示自重应力的指标是深度( H) ; 表示岩体结构和构造( 即岩体完整性指数) 的指标是直接顶、 初次垮落步距( L) ; 表示开采影响的指标是直接顶、 厚度的采高比值( N) 及护巷煤柱宽度( X) 。
分类指标取值的方法:
a、 三个围岩强度指标( δ顶、 δ煤、 δ底)
围岩强度是指围岩的单向抗压强度, 单位为Mpa。顶板强度取相当1.5倍的巷道宽度的顶板范围内的各岩层强度的加权平均值, 底板强度取1.0倍巷道宽度的底板范围内各岩层强度的加权平均值。分层开采时上分层巷道的底板强度就是煤层强度。
b、 埋藏深度( H)
巷道埋藏深度是指巷道所在位置距地表的深度, 单位为米。
c、 岩体完整性指数( D)
岩体完整性指数( D) 以直接顶、 初次垮落步距( L) 表示, 单位为米。
d、 直接顶厚度和采高比值( N)
能够从地质柱状图中直接量取直接顶厚度。直接顶是直接位于煤层( 或伪顶) 之上, 强度小于60~80Mpa, 一般随回柱冒落的岩层。当N>4时, 取N=4。
e、 护巷煤柱宽度( X)
护巷煤柱宽度是指回风巷一侧的实际煤柱宽度, 单位为米。当巷道两侧为实体煤时, 取X=100米, 当无煤柱护巷时X=0。
由于巷道围岩稳定性受多因素、 多指标的影响, 我们采用现代的模糊聚类分析方法将巷道围岩稳定性分为非常稳定( Ⅰ) 、 稳定( Ⅱ) 、 等稳定( Ⅲ) 、 不稳定( Ⅳ) 和极不稳定( Ⅴ) 5类。
㈡锚杆选用原则
1、 技术先进, 质量稳定。
2、 价格合理。
3、 安装简便。
4、 货源充分, 供应有保证。
㈢锚固强度的确定
锚固强度是指作用到单位围岩面积的锚杆锚固力。锚固强度是保证锚杆支护效果的关键因素。一般顶板锚杆的锚固力>200KN才能可靠支护巷道。中国现在所用锚杆的锚固力在70KN左右。
㈣锚杆杆体直径和锚杆孔径的匹配
国内外研究表明, 锚杆孔壁和杆体之间的间隙有一个合理范围。决定间隙合理范围的主要因素是使锚固剂的抗剪强度最大, 即充填锚固剂的空间越小, 抗剪切强度越高, 实验表时, 锚杆孔径与杆体直径之差宜保持在6~10毫米之间。
㈤对锚杆支护主要材料与构件的要求
1、 树脂锚固剂
树脂锚固剂应满足: 保证足够的锚固力, 为满足端部锚固、 加长锚固和全长锚固的要求, 应具有不同的胶凝时间。
2、 锚杆杆体材料
选用的金属杆体极限抗拉强度最低值不应小于380Mpa; 杆体尾部螺纹加工应采用滚丝工艺, 也可采用热处理措施, 使螺纹部分的强度与杆体强度相当。
3、 钢带
钢带是组合锚杆支护的关键构件。它可将单根锚杆联接起来组成一个整体承载结构, 提高锚杆支护的整体效果。钢带有平钢带和W钢带。两者相比W钢带具有强度高( 高10%~15%) , 刚度大( 70~115倍) 等优点, 是理想的支护材料。
4、 托板
选择托板的原则是托板的承载能力应与锚杆的锚固力相匹配, 并使锚杆杆体、 螺母均匀受力。主要有平板形和钟形。
5、 网
网的作用是维护锚杆间比较破碎的岩石, 防止岩块掉落, 同时对提高锚杆支护的整体效果也有一定的作用。网的品种主要有铁丝网、 钢筋网和塑料网。
㈥对锚杆钻机的要求
1、 钻机应具有足够的转数、 扭距和推力。
2、 钻机能够钻与铅垂方向成40°角的钻孔。
3、 耐用、 可靠, 小修和大修间隔时间长, 维修方便。
4、 厂家售后服务周到、 及时, 零部件俱应充分。
㈦锚杆支护设计的基础资料
锚杆支护设计的基础主要包括三个方面: 一是地应力大小和方向; 二是围岩物理力学性质; 三是能提供的锚固强度( 或锚杆的锚固力) , 其主要有以下几个方面:
1、 顶板岩层层数和厚度( 一般取1.5倍巷道宽度范围) , 由地质柱状图钻孔资料确定。
2、 各层节理裂隙间距。指沿结构面法线方向上的平均间距, 在巷道内测取。
3、 岩层的分层厚度。指分层厚度的平均数值。
4、 岩层的单向抗压强度。在井下直接测取, 或在实验室内利用岩样测定。
5、 煤层厚度。
6、 煤层倾角。
7、 煤层单向抗压强度。在井下直接测取, 或在实验室内测定。
8、 巷道埋深。
9、 主应力方向和大小。一般应在井下实测; 或根据地质构造判断。
10、 地质构造情况描述。
11、 水文情况描述。
12、 煤柱宽度。
13、 锚杆在煤层中的实际锚固力, 井下实测。
14、 锚杆在岩层中的实际锚固力, 井下实测。
15、 巷道的几何形状和尺寸。