錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)課件(同名2003)

5.錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

5.1錨桿支護(hù)要求5.2錨桿支護(hù)材料5.3錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法5.3.1工程類比法5.3.2理論計(jì)算法5.3.3數(shù)值模擬法2023/7/2015.4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容5.4.1確定錨桿類型5.4.2選擇錨桿支護(hù)形式5.4.3計(jì)算錨桿支護(hù)參數(shù)2023/7/202山東科技大學(xué)5.1錨桿支護(hù)要求《煤礦安全規(guī)程》對(duì)錨桿支護(hù)作出了以下規(guī)定：

第44條規(guī)定：采用錨桿、錨噴等支護(hù)形式時(shí)，應(yīng)遵守下列規(guī)定：（一）錨桿、錨噴等支護(hù)的端頭與掘進(jìn)工作面的距離，錨桿的形式、安裝角度，混凝土標(biāo)號(hào)、噴體厚度，掛網(wǎng)所采用金屬網(wǎng)的規(guī)格以及圍巖涌水的處理等，必須在施工組織設(shè)計(jì)或作業(yè)規(guī)程中規(guī)定。2023/7/203山東科技大學(xué)(二)采用鉆爆法掘進(jìn)的巖石巷道，必須采用光面爆破。(三)打錨桿眼前，必須首先敲幫問頂，將活矸處理掉，在確保安全的條件下，方可作業(yè)。(四)使用錨固劑固定錨桿時(shí)，應(yīng)將孔壁沖洗干凈，砂漿錨桿必須灌滿填實(shí)。(五)軟巖使用錨桿支護(hù)時(shí)，必須全長(zhǎng)錨固。(六)采用人工上料噴射機(jī)噴射混凝土、砂漿時(shí)，必須采用潮料，并使用除塵機(jī)對(duì)上料口、余氣口除塵。噴射前，必須沖洗巖幫。噴射后應(yīng)有養(yǎng)護(hù)措施。作業(yè)人員必須佩戴勞動(dòng)保護(hù)用品。2023/7/204山東科技大學(xué)(七)錨桿必須按規(guī)定做拉力試驗(yàn)。煤巷還必須進(jìn)行頂板離層監(jiān)測(cè)，并用記錄牌板顯示。對(duì)噴體必須做厚度和強(qiáng)度檢查，并有檢查和試驗(yàn)記錄。在井下做錨固力試驗(yàn)時(shí)，必須有安全措施。(八)錨桿必須用機(jī)械或力矩扳手?jǐn)Q緊，確保錨桿的托板緊貼巷壁。(九)巖幫的涌水地點(diǎn)，必須處理。(十)處理堵塞的噴射管路時(shí)，噴槍口的前方及其附近嚴(yán)禁有其他人員。2023/7/205山東科技大學(xué)《煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范MT/T1104-2009對(duì)錨桿支護(hù)作出了以下規(guī)定：1.巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估結(jié)果證明錨桿支護(hù)可行時(shí)，進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。2.在采區(qū)巷道布置時(shí)，應(yīng)盡量使煤巷的軸線方向與最大水平主應(yīng)力的方向平行。3.煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法。4.錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)可采用一種或多種方法組合進(jìn)行。2023/7/206山東科技大學(xué)5.錨桿支護(hù)形式以錨桿為基本支護(hù)構(gòu)件，可選用以下構(gòu)件進(jìn)行組合：1）組合構(gòu)件（鋼筋托梁、鋼帶、鋼梁等）；2）護(hù)網(wǎng)；3）錨索。6.鉆孔直徑、錨桿直徑和樹脂錨固劑直徑應(yīng)合理匹配，鉆孔直徑和錨桿桿體直徑之差應(yīng)為6~10mm，鉆孔直徑和樹脂錨固劑直徑之差應(yīng)為4~8mm。2023/7/207山東科技大學(xué)7.煤巷頂板優(yōu)先采用樹脂錨固螺紋鋼錨桿。8.采煤工作面?zhèn)鹊拿簬蛢?yōu)先采用可切割錨桿。9.煤巷頂板錨桿支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)加固手段應(yīng)優(yōu)先采用錨索。10.煤巷復(fù)雜地段應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。復(fù)雜地段的支護(hù)范圍應(yīng)延伸到正常地段的5m以上。2023/7/208山東科技大學(xué)5.2錨桿支護(hù)材料5.2.1一般要求

設(shè)計(jì)選用的煤巷錨桿支護(hù)材料應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并具有產(chǎn)品合格證。錨桿（錨索）桿體及其附件、其他組合構(gòu)件等的力學(xué)性能應(yīng)相互匹配。2023/7/209山東科技大學(xué)5.2.2支護(hù)材料1.錨桿、托盤、螺母

金屬錨桿、托盤、螺母應(yīng)符合MT146.2-2002的規(guī)定。樹脂錨桿玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿體應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。2.錨固劑樹脂錨固劑應(yīng)符合MT146.1-2002的規(guī)定。錨固劑生產(chǎn)家應(yīng)提供質(zhì)量合格證。2023/7/2010山東科技大學(xué)3.鋼帶鋼帶的選用應(yīng)根據(jù)巷道具體情況選用不同型號(hào)和規(guī)格，鋼帶材料抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于375MPa。4.錨索錨索用鋼絞線應(yīng)符合GB/T5224-2003的規(guī)定，應(yīng)優(yōu)先選用抗拉強(qiáng)度等級(jí)不低于1860MPa，延伸率不小于3.5%，直徑不小于15.2mm的鋼絞線。與鋼絞線配合的錨具應(yīng)符合GB/T14370-2000的規(guī)定。2023/7/2011山東科技大學(xué)5.網(wǎng)煤巷錨桿支護(hù)巷道宜選用金屬焊接網(wǎng)，在條件允許的情況下，可選用符合相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編織金屬網(wǎng)或其他材料的網(wǎng)。6.噴射混凝土服務(wù)期長(zhǎng)的巷道或維修巷道可采用噴射混凝土等封閉措施。2023/7/2012山東科技大學(xué)5.3錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

5.3.1工程類比法

我國(guó)多數(shù)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范都明確規(guī)定，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)算應(yīng)以工程類比法為主，在必要時(shí)量測(cè)法及解析法為輔。

工程類比法是建立在已有工程支護(hù)設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，在圍巖條件、施工條件等各種影響因素基本一致的情況下，根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)和判斷能力，選定待建工程錨桿支護(hù)類型及參數(shù)。2023/7/2013山東科技大學(xué)5.3.2理論計(jì)算法（一）按懸吊作用計(jì)算（二）按擠壓加固拱理論計(jì)算（三）組合梁理論計(jì)算（四）高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿設(shè)計(jì)2023/7/2014山東科技大學(xué)5.3.3數(shù)值模擬法1）應(yīng)用廣泛。2）求解過程：建模，求解大規(guī)模的方程。影響因素：?jiǎn)栴}，介質(zhì)，精度，邊界條件和初始條件，參數(shù)選取，軟件。2023/7/2015山東科技大學(xué)3）數(shù)值模擬軟件：（1）有限元軟件：ANSYS,MARC（2）離散元軟件：UDEC,3DEC（3）有限差分軟件：FLAC3D.

2023/7/2016山東科技大學(xué)5.4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)內(nèi)容

5.4.1確定錨桿類型錨桿類型：1）金屬倒楔式錨桿2）管縫式錨桿3）水力脹管式錨桿4）木錨桿和竹錨桿5）鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿2023/7/2017山東科技大學(xué)6）樹脂錨桿7）快硬水泥錨桿8）內(nèi)注式錨桿9）可拉伸錨桿10）其它錨桿2023/7/2018山東科技大學(xué)5.4.1.1金屬倒楔式錨桿

此種錨桿由桿體、固定楔、活動(dòng)倒楔、墊板和螺帽組成，如下圖所示。

這種錨桿屬端頭錨固型，安裝后可立即承載，可回收。錨固力達(dá)40KN左右。常用于圍巖比較破碎，需要立即承載的地下工程。2023/7/2019山東科技大學(xué)2023/7/2020山東科技大學(xué)2023/7/2021山東科技大學(xué)2023/7/2022山東科技大學(xué)5.4.1.2管縫式錨桿

管縫式錨桿又稱開縫式或摩擦式錨桿，它是采用高強(qiáng)度鋼板卷壓成帶縱縫的管狀桿體外徑38.1㎜，用鑿巖機(jī)強(qiáng)行壓入比桿徑小2～3mm的錨孔，為安裝方便，打入端略呈錐形。由于管壁彈性恢復(fù)力擠壓孔壁而產(chǎn)生錨固力，屬全長(zhǎng)錨固型錨桿。

對(duì)地層橫向錯(cuò)動(dòng)，有良好適應(yīng)能力，鉆孔變彎曲，錨固得更牢。這種錨桿的成本較高，不能回收復(fù)用，但錨固性能好，錨固力大（50~70KN）。2023/7/2023山東科技大學(xué)2023/7/2024山東科技大學(xué)5.4.1.3水力脹管式錨桿鋼管雙層異形鋼管。高壓水注入鋼管內(nèi)，膨脹變大，擠壓孔壁。錨固力較大，可達(dá)80KN。5.4.1.4木錨桿普通木錨桿，壓縮木錨桿2023/7/2025山東科技大學(xué)2023/7/2026山東科技大學(xué)a.普通木錨桿；b.壓縮木錨桿1—外楔；2—鐵墊圈；3—木托板；4—木桿體；5——內(nèi)楔2023/7/2027山東科技大學(xué)5.4.1.5鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿鋼筋或鋼絲繩砂漿錨稈是全長(zhǎng)錨固型錨桿。設(shè)計(jì)錨固力為30～50KN。2023/7/2028山東科技大學(xué)5.4.1.6樹脂錨桿

用樹脂為粘結(jié)劑，在固化劑和加速劑的作用下，將錨桿的頭部粘結(jié)在錨桿孔內(nèi)。端頭錨固型樹脂錨桿是由樹脂藥包和桿體組成(下圖)。

使用82型錨固劑，可在15～60s內(nèi)凝膠，5min后錨固力可達(dá)40KN以上，可滿足5min以上墊板擰緊螺帽的要求。

使用115型樹脂錨固劑，可在3～5min內(nèi)凝膠達(dá)到很高的錨固強(qiáng)度，15min后即可套上墊板緊固螺帽。2023/7/2029山東科技大學(xué)2023/7/2030山東科技大學(xué)5.4.1.7快硬水泥錨桿

桿體結(jié)構(gòu)與樹脂錨桿相同，是端頭錨固型錨桿。膠結(jié)材料：國(guó)產(chǎn)定型早強(qiáng)水泥和雙快水泥按一定比例混合而成。使用前需浸水2～3min，在錨桿孔內(nèi)經(jīng)桿頭攪拌，12min后錨固力開始增長(zhǎng)，1h后錨固力可達(dá)40-60kN。適用于圍巖自穩(wěn)時(shí)間超過12min的各類永久性地下工程。配合先噴后錨，在軟巖中亦可應(yīng)用。2023/7/2031山東科技大學(xué)2023/7/2032山東科技大學(xué)5.4.1.8內(nèi)注式注漿錨桿

不穩(wěn)定圍巖中，單純提高錨桿長(zhǎng)度和強(qiáng)度作用很小時(shí)，可采用內(nèi)注式注漿錨桿。

注漿硬化圍巖；1）可控內(nèi)壓注漿錨桿斷層破碎帶、淋水帶，需要初錨力和控壓注漿。2）普通內(nèi)注式錨桿2023/7/2033山東科技大學(xué)5.4.1.9可拉伸錨桿⑴套管摩擦式可拉伸錨桿這種錨桿是對(duì)桿件、內(nèi)錨頭、外錨頭及托板等構(gòu)件采用特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可伸縮的目的。2023/7/2034山東科技大學(xué)⑵彎曲可伸長(zhǎng)縮錨桿用優(yōu)質(zhì)鋼材，并對(duì)材料進(jìn)行專門加工處理，可制成較大延伸率的錨桿桿體。2023/7/2035山東科技大學(xué)5.4.1.10其它錨桿中空自鉆式錨桿：2023/7/2036山東科技大學(xué)各類錨桿特征表（一）2023/7/2037山東科技大學(xué)各類錨桿特征表（二）2023/7/2038山東科技大學(xué)各類錨桿特征表（三）2023/7/2039山東科技大學(xué)5.4.2選擇錨桿支護(hù)形式（1）單體錨桿支護(hù)（2）錨噴支護(hù)（3）錨網(wǎng)噴支護(hù)（4）錨網(wǎng)支護(hù)或錨笆支護(hù)（5）錨帶支護(hù)2023/7/2040山東科技大學(xué)（6）錨梁支護(hù)（7）錨桁支護(hù)（8）錨網(wǎng)帶或錨網(wǎng)梁支護(hù)（9）錨網(wǎng)桁支護(hù)（10）錨索支護(hù)（11）錨注支護(hù)2023/7/2041山東科技大學(xué)錨桿支護(hù)形式的選擇，必須根據(jù)巷道的用途、服務(wù)年限、圍巖強(qiáng)度、地應(yīng)力大小等因素來確定。錨噴、錨網(wǎng)噴等形式多應(yīng)用于服務(wù)年限長(zhǎng)的開拓巷道和硐室（巖巷）。錨帶、錨網(wǎng)、錨梁、錨帶網(wǎng)、錨桿桁架形式多應(yīng)用于服務(wù)年限較短的采準(zhǔn)巷道。各類圍巖煤巷的錨桿支護(hù)形式如下表所示。2023/7/2042山東科技大學(xué)2023/7/2043山東科技大學(xué)5.4.3計(jì)算錨桿支護(hù)參數(shù)1）錨固力

錨固力：錨桿對(duì)于圍巖的約束力。在實(shí)際應(yīng)用中，大都以抗拔力為錨固力。

錨桿安設(shè)在巖體內(nèi)部，它的受力以及它作用于圍巖的力同框式支架相比要復(fù)雜很多。2）錨桿長(zhǎng)度和直徑3）錨桿間距和排距2023/7/2044山東科技大學(xué)錨桿約束圍片的力2023/7/2045山東科技大學(xué)

2023/7/2046山東科技大學(xué)

2023/7/2047山東科技大學(xué)

2023/7/2048山東科技大學(xué)

2023/7/2049山東科技大學(xué)

2023/7/2050山東科技大學(xué)2023/7/2051山東科技大學(xué)5.4.3.3組合拱作用計(jì)算錨桿參數(shù)

由錨桿預(yù)應(yīng)力形成的承壓拱穩(wěn)定性，可按照結(jié)構(gòu)力學(xué)理論由拱座處巖石的最大抗壓強(qiáng)度、巖拱的抗剪能力及巖拱保持其承載拱形狀的變形等三個(gè)方面校核，并確定錨桿參數(shù)；也可按照固體力學(xué)理論由彈塑性解試算錨桿參數(shù)。2023/7/2052山東科技大學(xué)

根據(jù)錨桿組合拱作用，巷道圍巖內(nèi)的錨桿將在破裂區(qū)內(nèi)形成一個(gè)防止破裂區(qū)擴(kuò)展到承壓拱，可以承受破裂區(qū)上部巖石的徑向荷載。2023/7/2053山東科技大學(xué)案例濟(jì)寧二號(hào)礦4304回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)2023/7/2054山東科技大學(xué)1.支護(hù)問題濟(jì)寧二號(hào)礦4304頂煤最大厚度可達(dá)2.5m左右（巷道高度2.8m），上部泥巖厚度為1.6m左右，煤與泥巖復(fù)合形成的軟層頂板厚度最大可達(dá)4.1m左右；同時(shí)又加之巷道斷面擴(kuò)大至4.2m，這樣，2.2m長(zhǎng)的普通錨桿很難對(duì)4.1m左右的復(fù)合軟層頂板起到有效的加固作用，如下圖所示。因此，必須選用較長(zhǎng)的錨桿進(jìn)行加固。2023/7/2055山東科技大學(xué)普通錨桿支護(hù)頂板失穩(wěn)示意圖2023/7/2056山東科技大學(xué)2.支護(hù)方式選擇根據(jù)這種軟層復(fù)合頂板的特點(diǎn)，采用預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿聯(lián)合加固方案，即在普通錨桿錨固的基礎(chǔ)上通過沿適當(dāng)斷面安裝錨索對(duì)頂板進(jìn)行加固，其作用為：（a）錨索可將上位的頂板加固成為一個(gè)具有較強(qiáng)承載能力的上位壓力拱，稱之為“外拱”；（b）“外拱”不僅能保持自身的穩(wěn)定性，而且成為下位由常規(guī)錨網(wǎng)支護(hù)形成的平衡拱即“內(nèi)拱”賴以保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)，如下圖所示；2023/7/2057山東科技大學(xué)錨索加固機(jī)理示意圖（斷面圖）2023/7/2058山東科技大學(xué)（c）通過適當(dāng)?shù)呐啪?，錨索將使得沿巷道的走向“外拱”相互重疊，保持“外拱”范圍內(nèi)巖體整體穩(wěn)定性，如下圖所示：錨索加固機(jī)理示意圖（走向剖面圖）2023/7/2059山東科技大學(xué)

2023/7/2060山東科技大學(xué)當(dāng)寬度比3.8/2.8=1.36時(shí)，kc=3.0；取γ=25KN/m3;當(dāng)兩側(cè)均為實(shí)體煤時(shí)，Kc=1；幫的單向抗壓強(qiáng)度σm=19.1Mpa；煤層的內(nèi)摩擦角為20°；埋深取為H=651.49m。將上述參數(shù)帶入得：C=2.02m2023/7/2061山東科技大學(xué)

2023/7/2062山東科技大學(xué)4.普通錨桿加固參數(shù)（a）幫錨桿長(zhǎng)度如下圖所示，對(duì)于兩幫的加固，可以取在破壞范圍的2/3處，即合力作用點(diǎn)所處位置，作為兩幫支護(hù)長(zhǎng)度的下限，而全部破壞范圍作為支護(hù)的上限。因此，兩幫錨桿有效范圍長(zhǎng)度l幫=1.346~2.02m，取平均值l幫=1.68，考慮到外露部分長(zhǎng)度0.2m，則實(shí)際幫錨桿長(zhǎng)度為l′幫=2.0m。2023/7/2063山東科技大學(xué)巷道圍巖破壞范圍示意圖2023/7/2064山東科技大學(xué)（b）頂錨桿長(zhǎng)度同樣，沿著支護(hù)合力作用點(diǎn)為端點(diǎn)形成的拱高b1作為頂板錨桿支護(hù)的下限，頂板在支護(hù)條件下全松動(dòng)范圍拱高作為支護(hù)的上限，故頂板錨桿有效錨固長(zhǎng)度l頂為:取平均值并考慮外露端長(zhǎng)度0.2m，則頂板錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度取l頂=2.2m。2023/7/2065山東科技大學(xué)（c）頂板錨桿間排距頂板錨桿數(shù)量應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：

1）能有效承受拱內(nèi)巖重；

2）桿體抗剪強(qiáng)度能滿足要求。2023/7/2066山東科技大學(xué)（Ⅰ）平衡拱內(nèi)巖重所需錨桿間距S1式中RT—錨桿的實(shí)際錨固力，取RT=40KN/根；

k—安全系數(shù)，取k=3；

γ—煤的體積密度，取γ=13.5KN/m3。將上述參數(shù)代入得：2023/7/2067山東科技大學(xué)（Ⅱ）校核桿體抗剪強(qiáng)度所需錨桿間距S2式中b—頂板最大破壞范圍;k2—頂板抗剪安全系數(shù)，一般取k2=3~5；P0—錨桿錨固力，P0=40kN；2a—巷道跨度，取2a=4.2m；l頂—頂板錨桿有效錨固長(zhǎng)度f(wàn)—分層間摩擦因數(shù)，取f=0.3。將上述參數(shù)代入得：s2=1.2m。2023/7/2068山東科技大學(xué)

2023/7/2069山東科技大學(xué)綜上所述，4304回采巷道錨桿支護(hù)形式及參數(shù)選擇（見下圖）如下：1）頂板：