錨桿支護理學(xué)論

1、第四講錨桿支護理論本講主要介紹錨桿常用支護理論包括一些近年來比擬流行和活潑的理論、錨桿支護設(shè)計方法和國外錨桿支護主 要經(jīng)驗,以及巷道容易冒頂?shù)氖N情況和五種應(yīng)對舉措.錨桿支護的作用機理尚在探討之中.目前己提生的觀點較多,其中影響較大的有懸吊作用、組合梁拱作用、組合拱、減跨理論、加固提升C、巾值作用等幾種.這幾種觀點 都是以圍巖狀態(tài)和利用錨桿桿體受拉力為前提來解釋錨桿支護作用機理的,因此,圍巖狀態(tài)及錨桿受拉力這兩個前提 的客觀性是判定上述理論正確性的標(biāo)準(zhǔn).一、錨桿支護理論支護：就是指為了地下巷道掘進、碉室開挖后的穩(wěn)定及 施工平安,而采取的支持、增強或改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)而打設(shè) 的構(gòu)件或采取的舉措的總

2、稱.支護包括兩個方面,一是支, 就是頂住頂板,預(yù)防頂板由現(xiàn)大量的下沉,使頂板下沉限制 在可控、平安的狀態(tài),二是護,就是保持頂板的完整性,防 止由現(xiàn)漏碎、漏頂、巷道掉渣等現(xiàn)象.支和護是一個有機統(tǒng) 一的整體,它們共同組成了支護系統(tǒng).一錨桿支護理論綜述1、懸吊理論1機理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩(wěn)定巖層上,以 預(yù)防較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落,錨桿所受的拉力來自 被懸吊的巖層重量.輟巖層圖4-1錨桿懸吊作用原理示意圖2缺點：沒有考慮圍巖的自承水平,而且將被錨固體 與原巖體分開.3適用條件：在錨桿的長度范圍內(nèi)有一層堅硬而穩(wěn)定 的巖層,錨桿可以錨固到頂板堅硬穩(wěn)定巖層.圖4-2 a拱形巷道的錨桿懸吊作用

3、 b軟弱巖層的錨桿懸吊作用2、組合梁理論1機理：將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊,增加巖層間的摩擦力,預(yù)防巖石沿層面滑動,預(yù)防各巖層由現(xiàn)離層現(xiàn)象,提 高其自撐水平.將幾層薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層組合 梁.在上覆巖層載荷的作用下,這種組合厚巖層內(nèi)的最大 彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小,組合梁的撓度亦減小.在于 通過錨桿的預(yù)拉應(yīng)力將原視為疊合梁板的巖層擠緊,增大巖層間的摩擦力；同時,錨桿本身也提供一定的抗剪水平,阻止其層間錯 動.錨桿把數(shù)層薄的巖層組合成類似鋼釘加固的組合梁,這 時被錨固的巖層便可看成組合梁,全部錨固層能保持同步變形,頂板巖層抗彎剛度得以大大提升.決定組合梁穩(wěn)定性的主要因素是錨桿的預(yù)拉應(yīng)力及桿

4、 體強度和巖層的性質(zhì).2缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；在頂板 較破碎、連續(xù)性受到破壞時,難以形成組合梁.這一觀點有 一定的影響,但是其工程實例比擬少,也沒有進一步的資料 供錨桿支護設(shè)計應(yīng)用,尤其是組合梁的承載水平難以計算, 而且組合梁在形成和承載過程中,錨桿的作用難以確定.另 外,巖層沿巷道縱向有裂縫時粱的連續(xù)性問題、梁的抗彎強 度等問題也難以解決.3適用條件：層狀地層,如圖4-3中2所示；頂板在相當(dāng)距離內(nèi)錨桿長度范圍內(nèi)不存在穩(wěn)定巖層,懸吊作用處于次要地位圖4-3錨桿的組合梁作用 a未打錨桿疊合梁 b布置錨桿組合梁3、組合拱理論1機理：在破碎區(qū)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時,在桿體兩端將 形成圓錐形

5、分布的壓應(yīng)力,如果沿巷道周邊布置錨桿群,只 要鋪桿間距足夠小,各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交 錯,在巖體中形成一個均勻的壓縮帶,即承壓拱,這個承壓 拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載.在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓,處于三向應(yīng)力狀態(tài),其圍巖強度得 到提升,支撐水平也相應(yīng)加大.2缺點：一般不能作為準(zhǔn)確的定量設(shè)計.3適用條件：頂板無穩(wěn)定巖層.圖4-4 a錨桿的組合拱作用原理示意圖b錨桿的減跨作用示意圖4、減跨理論1機理：把不穩(wěn)定的頂板巖層看成是支撐在兩幫的疊 合梁板,由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點安設(shè)了錨桿 就相當(dāng)于在該處打了點柱,增加了支點,減少了頂板的跨度 如圖,從而降低了頂板巖層

6、的彎曲應(yīng)力和撓度,維持了頂 板與巖石的穩(wěn)定性,使巖石不易變形和破壞.2使用條件：同懸吊理論,其實質(zhì)就是錨桿的“減跨 作用,它實際上來源于錨桿的懸吊作用.3缺點：它也未能提供用于錨桿支護參數(shù)設(shè)計的方法 和參數(shù).5、圍巖松動圈巷道支護理論圍巖松動圈巷道支護理論是在對圍巖狀態(tài)進行深入研 究后提由的,通過研究,發(fā)現(xiàn)松動圈的存在是巷道圍巖的固 有特性,它的范圍大小厚度值目前可以用聲波儀或者多點 位移計等手段進行測定.松動圈理論認(rèn)為：巷道支護的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn) 生、開展過程中產(chǎn)生的碎脹變形力,錨桿受拉力的來源在于 松動圈的發(fā)生、開展,并根據(jù)圍巖松動圈厚度值大小的不同 將其分為小、中、大三類,松動圈的

7、類別不同,那么錨桿支護 機理也就不同.本理論認(rèn)為,巷道支護的對象除松動圈圍巖自重和巷道深部圍巖的局部彈塑性變形力外,還有松動圍圍巖的變形 力.后者,往往占據(jù)主導(dǎo)地位.簡而言之,巷道支護的對象 主要是圍巖松動圈在形成過程中的巖石碎脹力.在現(xiàn)有支護條件下, 試圖用支護手段阻止圍巖松動破壞 是不可能的.松動圈理論認(rèn)為,支護的作用是限制圍巖松動圈形成過 程中碎脹力所造成的有害變形.支護對破碎圍巖的維護作用： 松動圈開展變形過程中維 持破碎巖塊相互嚙合不垮落, 通過提供支護阻力限制破裂縫 隙過度擴張,從而減少巷道的收斂變形.1小松動圈40cm圍巖的變形壓力可以忽略不計, 巷道支護載荷只是松動 圈內(nèi)圍巖的

8、自重,其數(shù)值小于 0.1MPa,只用單一噴混凝土 支護即可到達(dá)支護的目的.2中松動圈40cm150cm圍巖碎脹變形比擬明顯,變形量較大,使剛性的噴射混 凝土支護產(chǎn)生裂縫或破壞,必須采用以錨桿為主體構(gòu)件的錨噴支護方式,以錨桿為主體支護結(jié)構(gòu)限制其碎脹變形,噴層 將只作為錨桿間活石的支護和預(yù)防圍巖風(fēng)化.由于圍巖松動圈厚度小于常用錨桿長度,因此可采用錨桿懸吊作用機理來設(shè)計支護參數(shù).3大松動圈150cm圍巖表現(xiàn)由軟巖的工程特征,圍巖松動圈碎脹變形量大,初期圍巖收斂變形速度快,變形持續(xù)時間長,礦壓顯現(xiàn)大,支護難度大.支護不成功時,巷道底板由現(xiàn)底豉.在這 種條件下,如果用懸吊理論設(shè)計錨桿支護參數(shù),常因設(shè)計錨

9、 桿過長、過粗而失去其普遍應(yīng)用的價值.在單根錨桿作用下每根錨桿因受拉應(yīng)力而對圍巖產(chǎn)生擠壓,在錨桿兩端周圍形成一個兩端圓錐形的受壓區(qū),合理 的錨桿群可使單根錨桿形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)系起來,形成一個厚度為b的均勻壓縮帶.對于拱形巷道,壓縮帶將在圍巖 破裂處形成拱形；對于矩形巷道,壓縮帶將在圍巖破裂處形 成矩形結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱之為組合拱作用機理.表4-1松動圈分類表圍巖類別松動圈支護方法備注小I穩(wěn)定300二次支護無穩(wěn)定期6、錨桿支護的“關(guān)健承載圈 及 擴容一穩(wěn)定理論由煤炭科學(xué)研究總院開采所康紅普博士提由,該理論認(rèn)為：巷道圍巖的變形和破壞狀態(tài)在掘進、穩(wěn)定、回采等不同 階段是不同的,具有顯著差異.因此主張根據(jù)圍

10、巖的狀態(tài)特 點分別按 關(guān)鍵承載圈理論和 擴容-穩(wěn)定理論分析闡述錨 桿支護的作用機理.1)關(guān)鍵承載圈是指在巷道周圍圍巖一定深度的范圍 內(nèi),存在一個能承受較大切向應(yīng)力的巖石圈,該巖石圈處于應(yīng)力平衡狀態(tài),具有結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性,可以用來懸吊承載 圈以內(nèi)的巖層.關(guān)鍵承載圈理論認(rèn)為, 承載圈以內(nèi)的巖石重量是支護的 對象一一即荷載高度.理論分析及工程實踐說明：承載圈厚度越大,圈內(nèi)應(yīng)力 分布越均勻,承載水平越大；在對圍巖未采取人工支護等控 制舉措時,承載圈離巷道周邊越近,荷載高度越低,巷道越 易維護.關(guān)鍵承載圈的位置及厚度,可以根據(jù)對圍巖狀態(tài)的分析計算得由.關(guān)鍵承載圈理論認(rèn)為,當(dāng)載荷高度不大,通常錨桿 長度能夠

11、伸入到關(guān)鍵承載圈中時,用“關(guān)鍵承載圈觀點闡 述錨桿支護機理.其主要觀點是：(1)關(guān)鍵承載圈以內(nèi)的巖石重量是支護的對象,荷載高度是關(guān)鍵承載圈以下的不穩(wěn)定巖層的高度.(2)錨桿的支護作用主要是： 將破壞區(qū)巖層與關(guān)鍵承載圈 相連,阻止破碎巖層垮落；對圍巖提供徑向、切向約束力, 阻止破壞區(qū)巖層的擴容、離層、滑動,提升破碎區(qū)的承載能力,如圖4-5所示圖4-5錨桿支護的關(guān)鍵承載圈理論示意圖2)擴容一穩(wěn)定理論巷道經(jīng)受采動影響之后,圍巖的破壞范圍會逐漸擴大, 當(dāng)通常錨桿的長度不能伸入到關(guān)鍵承載圈時,依據(jù)“擴容 穩(wěn)定理論闡述錨桿支護的作用,主要觀點：(1)錨桿要限制圍巖的擴容變形,阻止深部破碎巖層的進一步擴容相

12、離層.(2)在破壞區(qū)內(nèi)形成次生關(guān)鍵承載層:使圍巖深部關(guān)鍵承 載圈內(nèi)的應(yīng)力分布趨于均勻和內(nèi)移, 提升關(guān)鍵承載圈的承載 水平.(3)錨桿對煤幫的限制效果尤為明顯,由于煤層強度較低且受到采動影響程度較為嚴(yán)重,所以回采巷道兩幫支護顯得尤為重要,安裝錨桿后,對煤幫的擴容、松動和擠生均有限制 作用,加鋼帶后效果會更好.擴容一穩(wěn)定理論的核心思想就是限制圍巖的擴容變 形,形成次生關(guān)鍵承載層,提升承載圈的承載水平使圍巖趨 于,急定.次生關(guān)鍵承載層厚度的影響因素很多,當(dāng)其厚度較薄且遠(yuǎn)小于巷道尺寸時,在水平應(yīng)力的作用下,次生關(guān)鍵層很容 易發(fā)生“壓曲失穩(wěn)、彎曲失穩(wěn)破壞,造成巷道支護失敗.因此,合理確定次生關(guān)鍵承載層的

13、厚度至關(guān)重要,錨桿 的存在,減小了巖層壓曲或者彎曲失穩(wěn)的可能性,錨桿預(yù)緊 力越大,支護效果越好.二錨桿索支護作用機理分析1、錨桿支護主要作用在于限制錨固區(qū)圍巖的離層、滑 動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴容變形與破壞,盡量使圍巖 處于受壓狀態(tài),抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的由現(xiàn), 最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性,提升錨固區(qū)圍巖的整體性和穩(wěn)固性.2、在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu),阻止錨 固區(qū)外巖層離層,改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài).3、錨桿支護系統(tǒng)的剛度十分重要,特別是錨桿預(yù)應(yīng)力 起著決定性作用.根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力 是支護設(shè)計的關(guān)鍵.較高的預(yù)應(yīng)力要求錨桿具有較高的強 度.4、

14、錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散對支護效果同樣重要.單根錨桿 預(yù)應(yīng)力的作用范圍有限,必須通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu) 件,將預(yù)應(yīng)力擴散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中.鋼帶、金屬網(wǎng)等護表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用.5、錨索的作用主要有兩個方面：一是將錨桿形成的次 生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,提升次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性. 二是錨索施加較大的預(yù)緊力,擠緊和壓密巖石中的層理、節(jié) 理裂隙等不連續(xù)面,增加不連續(xù)面之間的抗剪力,從而提升 圍巖的整體強度.二、錨桿的三徑匹配1、鉆孔直徑比錨桿直徑大 610mm.2、鉆孔直徑比樹脂藥卷大 6mm左右.3、一般鉆孔直徑 29mm ,錨桿直徑20、22mm ,樹脂藥 卷直徑23mm.圖4

15、-6錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑的關(guān)系三、錨桿支護設(shè)計錨桿支護設(shè)計可歸納為三大類,分別是工程類比法、理 論計算法、以計算機數(shù)值模擬為根底的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法. 我們今天主要講理論計算法,其他方法簡單介紹一些.一工程類比法：是一種實用的方法,在我國錨桿支護設(shè)計中占主導(dǎo)地位.這種方法是在已有的大量、成功實踐的根底上,根據(jù)巷道的生產(chǎn)地質(zhì)條件確定支護參數(shù). 主要有以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類為根底的工程類比法；巷道圍巖松動圈分類為根底的工程類比法.采用?我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道穩(wěn)定性分類方案?,將巷道分為 5類.制訂相應(yīng)的煤巷錨桿支護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).(二)動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法：首先進行地質(zhì)力學(xué)評估(含 地應(yīng)力測試)

16、,將地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、錨桿參數(shù)等輸入計算機數(shù) 值模擬軟件,以圍巖強度強化理論為依據(jù),按限制圍巖變形 效果和經(jīng)濟合理的原那么選擇最優(yōu)方案,組織施工,并對巷道 圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿載荷監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測反應(yīng)信息確定是否調(diào)整錨桿支護參數(shù),經(jīng)反復(fù)實踐,在動態(tài)中修改完善設(shè)計.(三)理論計算方法(k的取值)1、按加固拱原理確定錨桿參數(shù)：1)頂錨桿(1)錨桿長度：L= N(1.1+B/10) =1.0X (1.1+4.2/10)=1.52m ;根據(jù)我礦支護經(jīng)驗,錨桿長度取L=2.0-2.2m o式中：1.一錨桿長度；N一圍巖穩(wěn)定影響系數(shù),取1.0m；B一巷道跨度.(2)錨桿直徑：D =L/110= (2.0-2.2)

17、 /110=0.018-0.02m , 取 D=18-20mm.(3)錨桿間距：d46 值：10.750.70.65B巷道E和麥,m；(7 1 最上一層巖層抗拉計算強度,可取試驗強度的0.3-0.4倍,單位為 MPa； (TX原巖水平應(yīng)力,x=X rz MPa,人一側(cè)壓力系 數(shù),一般為0.25-0.4, Z一巷道埋深,m.(2)錨桿間距以上所選錨桿長度,還需驗算組合梁各層間不發(fā)生相對 滑動,并保證最下面一層巖層的穩(wěn)定性.D 1.63mi i/KP/2式中：m i 最下面一層巖層的厚度mK平安系數(shù),取 8-10P 本層自重均布荷載 P=rimiMPa ;ri最下面一層巖層的容重,KN/m 3四、

18、國外錨桿支護主要經(jīng)驗：i、美國錨桿支護技術(shù)的精髓是兩高一大.高強度螺紋鋼；高預(yù)拉力漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用,使 得錨桿具有很高的預(yù)拉力,錨桿的預(yù)拉力可以到達(dá)桿體本身強度的50%75%;大排間距.2、澳大利亞主要推廣全長樹脂錨固錨桿,強調(diào)錨桿強 度要高.其錨桿設(shè)計方法是將地質(zhì)調(diào)研、設(shè)計、施工、監(jiān)測、信息反應(yīng)等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各個局部作為一個系統(tǒng)工 程進行考察,使它們形成一個有機的整體,形成了錨桿支護 系統(tǒng)的設(shè)計方法.3、波蘭主要推廣及時支護技術(shù),在巷道開挖后,及時 進行支護,以適應(yīng)圍巖應(yīng)力重新分布的要求,及時限制圍巖 變形.4、國外錨桿支護的開展現(xiàn)狀,即成功經(jīng)驗D采用高強度、超高強度材

19、料制造錨桿,加工精細(xì),將錨桿作為產(chǎn)品、實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化,而不是簡單的支 護材料,并形成適用于不同條件的系列化產(chǎn)品.(2)形成一整套比擬科學(xué)的設(shè)計方法,以巷道圍巖地 質(zhì)力學(xué)評估及井下實測數(shù)據(jù)為根底,強調(diào)最大水平應(yīng)力在巷道布置與支護參數(shù)設(shè)計上的應(yīng)用.(3)采用可靠的監(jiān)測手段,大力推廣應(yīng)用頂板光纖窺 視儀、頂板離層指示儀、圍巖深部多點位移計、測力錨桿等 監(jiān)測儀器.(4)堅持科學(xué)治理,嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)測,形成了從理論到 實踐的完善的錨桿支護技術(shù)體系.(5)有比擬可靠的配套機具,采用掘錨一體化聯(lián)合掘 進機或性能良好的單體錨桿鉆機,滿足施工要求,并能實現(xiàn) 快速掘進.五、掘進巷道容易冒頂?shù)氖N情況(一)淋水嚴(yán)重的地點1、淋水大的地點往往是節(jié)理、裂隙發(fā)育的地點,頂板 完整性差.2、水對頂板圍巖強度