錨桿支護技術

錨桿支護技術錨桿支護技術錨桿支護技術xxx公司錨桿支護技術文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度錨桿支護技術錨桿支護技術一、錨桿支護技術現(xiàn)狀和展望錨桿支護技術是煤礦支護技術改革的發(fā)展方向，是煤礦繼推廣綜合機械化采煤技術又一重大推廣技術。我國在上世紀80年代開始研究應用錨桿支護技術以來，不論在理論上，還是在實踐應有中已取得了長足的進展，促進了我國煤炭工業(yè)的發(fā)展。錨桿支護是由錨固在巷道四周鉆孔內的一系列桿件（木質件、金屬件、鋼筋混凝土件和聚合物件等）系統(tǒng)組成的。這些桿件配以支撐件和背板（也可以不用），靠它們的錨固力和向巖體穩(wěn)定部分的懸吊作用，防止破碎巖石冒落。用預拉緊方法安裝的錨桿，提高了巖石分層之間的摩擦阻力，同時將兩支撐點間的巖層夾緊，以巖梁和巖拱的形式構成承載結構。盡管加固的巖梁比未加固的巖梁呈現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定性，但是仍不能準確量測出影響加固巖層穩(wěn)定性單個分層縫合效果的量值。現(xiàn)代錨桿支護理論認為，巖層分層之間的摩擦作用具有重要意義，主要有以下幾個方面。=1\*GB3①巷道上方的松軟巖層被錨桿固結到其上部堅固的巖層上，松軟有裂隙巖層的幾個分層，彼此之間被錨桿夾緊形成梁和拱形式的承載結構。=2\*GB3②松軟不穩(wěn)定的巖石分層，彼此之間夾緊并被錨桿固結在上部堅固巖層上。=3\*GB3③在掘進巷道時，被破壞的有裂縫的巖石分層被錨桿夾緊并被懸掛在自然平衡拱上。=4\*GB3④不穩(wěn)定的有裂縫的巖層被錨桿的聯(lián)接部件托住并被懸掛于自然平衡拱的拱腳。=5\*GB3⑤不穩(wěn)定的巖石分層被錨桿夾緊并懸吊于自然平衡拱的拱腳。在采礦實踐中，錨桿支架分單體錨桿支架和組合錨桿支架兩種。單體錨桿支架指安設在巷道中的錨桿，彼此之間沒有力學科系。組合錨桿支架包括鋼梁、鋼帶、角鋼、槽鋼等承托頂板元件，把兩個或幾個錨桿聯(lián)成統(tǒng)一的整體。錨桿支架按用途分為臨時錨桿支架和永久錨桿支架。按作用原理分為主動錨桿和被動錨桿。主動錨桿預先張緊裝入鉆孔中，以提高抵抗被加固巖體拱曲性和分層之間相對位移的能力。隨著錨桿預應力的加大，相應增加了巖層分層面之間的摩擦力，提高了巷道的穩(wěn)定性。安裝被動錨桿時不給桿體以預應力，因此就比主動錨桿安裝密些，其典型的有全長錨固的螺紋錨桿、鋼筋混凝土錨桿、膨脹式錨桿和玻璃鋼錨桿等。按工作特性錨桿又分為剛性延伸和有限延伸錨桿。延伸錨桿靠套管能夠伸長500~700毫米。有限延伸錨桿與延伸錨桿不同，只能伸長60~140毫米。按桿體材料錨桿又分為木錨桿、竹錨桿、金屬錨桿、混凝土錨桿和樹脂錨桿等。而按桿體構造型式分為管式錨桿、桿式錨桿、鋼絲繩錨桿、組合錨桿和多條桿的錨桿等。以煤巷和半煤巷為主的采準巷道，其斷面一般為矩形、梯形或近似梯形的四邊形，不能形成近似自然冒落拱的支撐體系。這些巷道均要受到采動影響，巷道位置改變的余地很小，巷道圍巖強度低，頂板巖石一般是層狀特征。以前采準巷道多采用棚子支護，棚子支護不可能緊貼圍巖，形成等來壓，即所得的被動支護，錨桿支護是完全不同的一種支護方式，它利用錨固劑、錨桿、托板及各種構件，給圍巖一定的支護強度，與圍巖應力和采動應力達到支護目的，即所得的主動支護。它與傳統(tǒng)的棚式支護相比具有以下幾方面的優(yōu)勢：=1\*GB3①從根本上改善了采準巷道的支護狀況，保證了安全生產。錨桿支護能及時加固圍巖，從而減少了圍巖變形，防止頂板早期離層和斷幫，頂板下沉量和兩幫位移量明顯小于架棚巷道，減少了巷道維修量。據(jù)統(tǒng)計，有些局礦使用錨桿支護后，巷道失修率下降了50%~60%，巷道的斷面利用率提高了10%~17%。②簡化了工作面上、下順槽的超前支護，加快了回采過渡，提高了工作面單產，有利于提高效率，增加效益，工作面上、下巷采用棚子支護時，必須提前進行替棚，因采動壓力的影響，撤棚、換棚工作十分復雜，用工多、速度慢、不安全（瓦斯管理、頂板管理），嚴重影響工作面推進速度（有時需用一個班從事此項工作）。采用錨桿支護可以有效減少回采超前壓力對巷道的破壞，省掉替棚子序，提高工作面推進速度。③減輕了工人的勞動強度，減少了支護物料的運輸。采用錨桿支護后，不需要運輸大量的支護鋼材和其它輔助材料，改善了上、下順槽工作環(huán)境，從根本上減輕了工人的勞動強度，解放了生產力，加快了循環(huán)進度。④大幅度節(jié)約了支護材料，降低了支護成本，有利于節(jié)約自然資源，改善生態(tài)環(huán)境。實踐資料顯示，我國錨桿支護使用得好的煤礦與棚子支護相比較，工作面同等提高了40%~60%，巷道失修率下降了50%~60%，巷道掘進的支護成本下降25%~40%，掘進速度提高了10%~20%，巷道斷面利用率提高了15%，通風阻力下降了10%，支護材料的運輸量下降了60%~70%。因此錨桿支護已經成為煤礦最主要的支護方式。錨桿支護雖具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但由于種種歷史原因，還存在許多問題。=1\*GB3①發(fā)展不平衡。由于技術觀念、地質條件等因素，錨桿支護在各地的推廣使用差異很大，北方80%以上，南方只有50%左右，公司各礦高的達70%以上，低的只有30%，特別是巷修只有30%左右。②技術和生產結合不緊密。各礦還沒有形成切合本礦實際的錨桿支護規(guī)范。③施工人員素質不高，運成施工質量達不到設計要求。④錨桿支護機具、材料和監(jiān)測儀器儀表還需進一步完善、配套。二、錨桿作用原理巷道支護的基本目的在于緩和與減少圍巖的移動，使巷道斷面不致于過分縮小，同時防止已離散和破壞的圍巖垮塌，在服務期內保持巷道的穩(wěn)定。為使巷道穩(wěn)定，人們能夠提供的支護力是有限的。在開掘巷道以后形成的“支護—圍巖”力學平衡系統(tǒng)中，圍巖通常承受著大部分巖層壓力，而支護僅僅承受其中一小部分。巷道支護的基本原理是普通支護和圍攻巖共同承載，并盡量促使巖層形成承載結構。實踐中，人們一方面不斷研究提高支護構件的支護力和性能，另一方面，總是設法提高圍巖的承載能力，使支護承擔的載荷最小，從而減小支護力，降低支護成本。由于地質條件的復雜性和研究手段的局限性，錨桿支護理論至今尚不成熟，還不能單獨依靠那些理論為錨桿支護做出比較準確的設計。錨桿支護的發(fā)展可分為四個階段：50年代，開始試用錨桿支護；60年代，在巖巷中試用噴漿支護，后發(fā)展為噴混凝土支護；70年代，試用和推廣光面爆破及錨桿、網、噴射混凝土支護；80年代采用工程量測，試用新奧法，結合煤礦特點，初步形成一套完善的設計、施工、動態(tài)管理方法。錨桿支護技術的發(fā)展沖破了傳統(tǒng)的支撐概念，形成了充分發(fā)揮圍巖本身自支承作用，使圍巖和支護共同作用的現(xiàn)代支護理論。支護理論的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段：20年代以前，發(fā)表了許多地壓假說，其共同特點是把圍巖作為不變載荷，而支護被看作承受載荷的結構，即所得的古典壓力理論。60年代以前，把巖體視作松散體，認為作用在支護結構上的荷載是圍巖垮落拱內的松動巖體重量，即松散體理論。60年代發(fā)展起來的支護和圍巖共同作用的現(xiàn)代支護理論。錨桿支護是以維護和利用圍巖的自承能力為基點，及時地進行支護，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分。錨桿支護通過錨入圍巖內部的桿體，改變圍巖本身的力學狀態(tài)，在巷道周圍形成一個整體而又穩(wěn)定的承載環(huán)（帶），和圍巖共同作用，達到維護巷道的目的。噴混凝土支護能起到及時封閉圍巖、充填圍巖的裂隙和支撐結構的作用，可有效的控制圍巖變形和破壞，提高圍巖強度，使圍巖保持原有的穩(wěn)定性和強度。因此，錨噴支護屬于積極主動加固圍巖的加固型支護系統(tǒng)。錨桿支護的作用原理主要有幾種：=1\*GB3①加固拱作用。對于被縱橫交錯的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時用錨桿加固，就能提高巖體結構弱面的抗剪強度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內形成一個不僅能維持自身穩(wěn)定，而且能防止其上部圍巖松動和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定。在彈性體內以錨桿的錨頭和擰緊部為頂點，形成算盤珠或分布的錐形體壓縮帶，如將錨桿以適當間距排列，使相鄰錨桿的錐形帶（圖中網線部分），即巖石加固拱，它使巷道圍巖由“載荷”變成了“承載結構”。錨桿加固拱作用=2\*GB3②懸吊作用。懸吊作用是指錨桿把將要冒落的軟弱巖層或危巖懸吊于上部堅固穩(wěn)定的巖體上，由錨桿來承擔危巖或軟弱巖層的重量。懸吊軟弱層狀頂板懸吊危巖上圖表的煤層巷道的直接頂板一般比較軟弱，且不厚，很容易離層冒落，它上面的老頂則比較堅固，這樣，錨桿可以通過直接頂板達到老頂，把直接頂錨固在老頂上，錨桿的這種作用就象是“釘釘子”，把容易冒落的頂板“釘牢”在老頂上。=3\*GB3③組合梁作用。在層狀巖層的巷道頂板中，通過錨入一系列的錨桿，將錨桿長度以內的薄層巖石錨成巖石組合梁，從而提高其承載能力?？梢詫⑵巾斚锏赖膶訝铐敯蹇醋魇且韵锏纼蓭蜑橹c的疊合梁，在載荷作用下，各層板都有各自的單獨彎曲，每層板的上下緣分別處在受壓和受拉狀態(tài)，但用錨桿將各層板緊固之后，在載荷作用下，各層之間基本不發(fā)生離層、錯動，就如同一塊板的彎曲，大大提高了板系的抗彎強度。在層狀頂板中安設錨桿后，巖層由疊合梁變?yōu)榻M合梁，從而提高了頂板巖層的承載能力，錨桿本身也起著抗剪銷釘?shù)淖饔?，有效地阻止了巖層的層間錯動。=4\*GB3④圍巖補強作用。巷道圍巖深部的巖石處于三向受壓狀態(tài)?？拷锏乐苓叺膸r石則處于三向受力狀態(tài)，故易于破壞而丟失穩(wěn)定性。巷道周圍安設錨桿后，有些巖石又部分恢復了三向受力狀態(tài)，增大了它本身的強度。另外，錨桿還可以增加巖層弱面的剪斷阻力，使圍巖不易破壞和失穩(wěn)，這就是錨桿的補強作用。=5\*GB3⑤減小跨度作用。巷道頂板打了錨桿，相當于在該處打了點柱，減小了頂板跨度，從而增強了頂板巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞。=6\*GB3⑥擠壓連結作用。錨桿將巷道圍巖錨栓擠緊，對巖石施加預應力，以平衡巖石內所產生的張拉應力，阻止裂隙的繼續(xù)擴大。而且對于松散巖石能起到擠壓連結和加固作用。例如用一個長方形木箱，里面填緊了碎石，并用模擬的錨桿將它們錨固起來，錨桿上緊以后，將木箱翻轉，其中充填的小碎石倒不出來。這說明，通過錨桿的預應力作用，可以在彼此毫無粘結力的碎石之間產生一種側向擠壓摩擦阻力，足以支撐碎石自身的重量而不會掉下來，好象碎石間互相連結起來一樣。錨桿支護的上述作用并非各自獨立存在，往往是同時并存、互為補充，只不過在不同條件下，某種支護作用占主導地位。例如在拱形巷道中用錨桿加固塊狀或碎裂狀圍巖時，加固拱的作用是主要的，而在支護平頂巷道中，組合梁作用就是主要的了。三、錨桿的種類和技術特征用作支護的錨桿，可根據(jù)其錨固的長度劃分為集中錨桿和全長錨固類錨桿。集中錨固類錨桿指的是錨桿裝置和桿體只有一部分和錨桿孔壁接觸和錨桿，包括端頭錨固、點錨固、局部藥卷錨固的錨桿。全長錨固類錨桿指的是錨固裝置或錨桿桿體在全長范圍內全部和錨桿孔壁接觸的錨桿，包括各種摩擦式錨桿、全長砂漿、樹脂、水泥錨桿等。錨桿錨固方式可分為機械錨固型和粘結錨固型。錨固裝置或錨桿桿體和錨桿孔壁接觸，靠摩擦阻力起錨固作用的錨桿屬于機械錨固型錨桿。錨桿桿體部分或錨桿體全長利用樹脂、砂漿、水泥等膠結材料，將錨桿桿體和錨桿孔壁粘結，緊貼在一起，靠粘結力起錨固作用的錨桿，屬于粘結錨固型錨桿。錨桿按材質不同又可分為鋼絲繩、鋼筋、螺紋鋼、玻璃鋼、木、竹錨桿等。錨桿的名稱有以材質命名的，如竹錨桿、木錨桿、玻璃鋼錨桿；有以粘結材料命名的，如樹脂錨桿、水泥錨桿、砂漿錨桿；有以結構命名的，如倒楔錨桿、深殼錨桿；有以外形命名的，如管縫錨桿；有以作用機理命名的，如水力膨脹式等。=1\*Arabic1、木錨桿。木錨桿包括普通木錨桿和壓縮木錨桿。普通木錨桿設計錨固力為10KN左右，錨桿孔底部充填砂漿錨固力可達20KN左右，服務時間為一年左右，木質選用雜木，做防腐處理、噴漿處理后，服務時間可延長。壓縮木錨桿是用普通木材單向壓縮后，加工制作，在井下遇水（相對濕度90%以上）后，桿體膨脹，產生的與錨桿孔壁而擠壓力錨固圍巖（煤），并由楔子產生初錨力，設計錨固力為20KN。使用壽命1~2年。=2\*Arabic2、竹錨桿。竹錨桿包括竹片錨桿和？竹錨桿。=3\*Arabic3、楔縫式錨桿，設計錨固力50~60KN，最大90~120KN。=4\*Arabic4、漲圈式錨桿，設計錨固力50~60KN，最大100KN。=5\*Arabic5、管縫式錨桿，設計錨固力50~70KN，最大90KN。=6\*Arabic6、砂漿錨桿，設計錨固力50KN。=7\*Arabic7、樹脂錨桿，設計錨固力60KN以上。=8\*Arabic8、水泥錨桿。=9\*Arabic9、水力膨脹式錨桿。=10\*Arabic10、玻璃鋼錨桿。=11\*Arabic11、內注式注漿錨桿。四、錨桿支護參數(shù)設計=1\*GB4㈠巷道圍巖的穩(wěn)定性分類維護巷道的穩(wěn)定，滿足安全生產是巷道支護的目的，巷道支護設計，施工和管理是涉及巷道穩(wěn)定的幾個主要方面。巷道圍巖穩(wěn)定性分類對促進煤礦的科學管理，起到很大的推動作用。=1\*Arabic1、分類的依據(jù)分類的依據(jù)就是如何選擇和確定分類指標的問題。影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素主要有兩方面：一是采煤工作面采動的影響，二是臨近采空區(qū)的影響。=1\*GB2⑴影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素巷道圍巖穩(wěn)定性受多種因素的影響，它不僅取決于地質因素，同時也取決于生產技術因素，例如巷道圍巷狀況、地質力、開采影響等方面。a、巷道圍巖強度圍巖強度的大小對其穩(wěn)定性的作用是很明顯的，較軟弱的圍巖容易產生變形和破壞，巷道的維護比較困難，相反，較堅硬的圍巖就不易變形和破壞，巷道容易維護。現(xiàn)場研究表明：巷道頂?shù)装逡平孰S圍巖強度增加而降低。當圍巖強度低于某一值（如50Mpa）時，移近率隨強度的降低而急劇增加；當強度大于某一值（如80Mpa）時，頂?shù)装逡平孰S強度的變化就不明顯了。b、地應力地應力是引起圍巖變形和破壞的根本作用力。巷道的投入、巷道參數(shù)的設計及巷道的維護，在很大程度上取決于地應力的大小。一般地應力包括上覆巖層的自重應力、地質構造力和采動引起的集中應力?，F(xiàn)在主要考慮自重應力（RH）的影響。一般情況下，頂?shù)装逡平孰S巷道埋深的增加而增加。圍巖強度較中時，巷道埋深對其圍巖變形影響強烈，當圍巖強度大于某一值（如80Mpa）時，在一定深度范圍內，巷道埋深的變化對圍巖變形的影響不大。=3\*alphabeticc、巖體完整性一般巖體都不同程度地含有地質弱面和構造，如層理、節(jié)理、裂隙等，這將降低巖體的強度。把反映地質弱面和構造的程度稱為巖體完整性（以巖體完整性指數(shù)表示），它與節(jié)理裂隙間距、分層厚度、直接頂垮落步距等有關系。=4\*alphabeticd、開采影響由于采煤工作面大面積回采，在工作面前（后）方形成的移動支承壓力很大，這個支承壓力的影響是回采巷道在整個服務期間內圍巖變形和破壞的主要原因。煤層、直接頂、老頂強度和厚度以及層位結構都影響移動支承壓力的狀況。直接頂、厚度和采高的比值（N）可以反映老頂來壓的強度，即在同們老頂條件下，N值越大，老頂來壓強度越小，反之亦然。一般情況下，當N≥4時，老頂?shù)目迓浜湾e動對巷道維護狀況無多大影響，當N＜4時，老頂活動的影響就比較顯著。因此，可以把N值作為反映開采影響的一個指數(shù)。反映開采對巷道圍巖穩(wěn)定性的另一個因素是煤柱寬度，其尺寸大小對圍巖的穩(wěn)定性影響十分顯著。=5\*alphabetice、其它影響因素地下水對圍巖有軟化、泥化作用，是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的一個因素。由于比較復雜，分類時暫不考慮。=2\*GB2⑵分類指標的確定分類指標主要有7個：表示圍巖強度的指標是頂板可度（δ頂）、煤層強度（δ煤）、底板強度（δ底）；表示自重應力的指標是深度（H）；表示巖體結構和構造（即巖體完整性指數(shù)）的指標是直接頂、初次垮落步距（L）；表示開采影響的指標是直接頂、厚度的采高比值（N）及護巷煤柱寬度（X）。分類指標取值的方法：=1\*alphabetica、三個圍巖強度指標（δ頂、δ煤、δ底）圍巖強度是指圍巖的單向抗壓強度，單位為Mpa。頂板強度取相當1.5倍的巷道寬度的頂板范圍內的各巖層強度的加權平均值，底板強度取1.0倍巷道寬度的底板范圍內各巖層強度的加權平均值。分層開采時上分層巷道的底板強度就是煤層強度。=2\*alphabeticb、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，單位為米。=3\*alphabeticc、巖體完整性指數(shù)（D）巖體完整性指數(shù)（D）以直接頂、初次垮落步距（L）表示，單位為米。=4\*alphabeticd、直接頂厚度和采高比值（N）可以從地質柱狀圖中直接量取直接頂厚度。直接頂是直接位于煤層（或偽頂）之上，強度小于60~80Mpa，一般隨回柱冒落的巖層。當N>4時，取N=4。=5\*alphabetice、護巷煤柱寬度（X）護巷煤柱寬度是指回風巷一側的實際煤柱寬度，單位為米。當巷道兩側為實體煤時，取X=100米，當無煤柱護巷時X=0。由于巷道圍巖穩(wěn)定性受多因素、多指標的影響，我們采用現(xiàn)代的模糊聚類分析方法將巷道圍巖穩(wěn)定性分為非常穩(wěn)定（Ⅰ）、穩(wěn)定（Ⅱ）、等穩(wěn)定（Ⅲ）、不穩(wěn)定（Ⅳ）和極不穩(wěn)定（Ⅴ）5類。=2\*GB4㈡錨桿選用原則=1\*Arabic1、技術先進，質量穩(wěn)定。=2\*Arabic2、價格合理。=3\*Arabic3、安裝簡便。=4\*Arabic4、貨源充足，供應有保證。=3\*GB4㈢錨固強度的確定錨固強度是指作用到單位圍巖面積的錨桿錨固力。錨固強度是保證錨桿支護效果的關鍵因素。一般頂板錨桿的錨固力>200KN才能可靠支護巷道。我國現(xiàn)在所用錨桿的錨固力在70KN左右。=4\*GB4㈣錨桿桿體直徑和錨桿孔徑的匹配國內外研究表明，錨桿孔壁和桿體之間的間隙有一個合理范圍。決定間隙合理范圍的主要因素是使錨固劑的抗剪強度最大，即充填錨固劑的空間越小，抗剪切強度越高，實驗表時，錨桿孔徑與桿體直徑之差宜保持在6~10毫米之間。=5\*GB4㈤對錨桿支護主要材料與構件的要求=1\*Arabic1、樹脂錨固劑樹脂錨固劑應滿足：保證足夠的錨固力，為滿足端部錨固、加長錨固和全長錨固的要求，應具有不同的膠凝時間。=2\*Arabic2、錨桿桿體材料選用的金屬桿體極限抗拉強度最低值不應小于380Mpa；桿體尾部螺紋加工應采用滾絲工藝，也可采用熱處理措施，使螺紋部分的強度與桿體強度相當。=3\*Arabic3、鋼帶鋼帶是組合錨桿支護的關鍵構件。它可將單根錨桿聯(lián)接起來組成一個整體承載結構，提高錨桿支護的整體效果。鋼帶有平鋼帶和W鋼帶。兩者相比W鋼帶具有強度高（高10%~15%），剛度大（70~115倍）等優(yōu)點，是理想的支護材料。=4\*Arabic4、托板選擇托板的原則是托板的承載能力應與錨桿的錨固力相匹配，并使錨桿桿體、