錨桿支護(hù)原理課件xie

1、主講人：謝中輝主講人：謝中輝單位：岱莊煤礦綜掘二隊(duì)單位：岱莊煤礦綜掘二隊(duì)掘進(jìn)施工基礎(chǔ)知識(shí)掘進(jìn)施工基礎(chǔ)知識(shí) 錨桿支護(hù)經(jīng)典理論簡(jiǎn)介錨桿支護(hù)經(jīng)典理論簡(jiǎn)介一、巷道支護(hù)類型一、巷道支護(hù)類型目前巷道支護(hù)的主要形式有：目前巷道支護(hù)的主要形式有：u錨桿支護(hù)：（還包括錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)帶支護(hù)）（還包括錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)帶支護(hù)）u架棚支護(hù)u砌碹支護(hù)u錨噴支護(hù)：（錨噴支護(hù)包括錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、噴錨噴錨錨噴支護(hù)包括錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、噴錨噴錨 網(wǎng)噴支護(hù)、噴錨梁噴、錨網(wǎng)噴支護(hù)網(wǎng)噴支護(hù)、噴錨梁噴、錨網(wǎng)噴支護(hù) ）二、巷道斷面設(shè)計(jì)選擇二、巷道斷面設(shè)計(jì)選擇u巷道圍巖應(yīng)力是引起圍巖變形和失穩(wěn)破壞的根本作用力,其

2、壓力大小和分布與巷道的斷面形狀有關(guān)。因此在圍巖穩(wěn)定的條件下 ，可選擇形狀簡(jiǎn)單的折線型巷道斷面，在圍巖不穩(wěn)定的條件下，可選擇形狀復(fù)雜的曲線型巷道斷面。 不同形斷面應(yīng)力集中系數(shù)見表不同形斷面應(yīng)力集中系數(shù)見表1表1巷道斷面形狀巷道斷面形狀應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)橢圓形巷道（長(zhǎng)短軸之比橢圓形巷道（長(zhǎng)短軸之比1：5）1.5圓形巷道圓形巷道2圓拱形巷道圓拱形巷道2.5拱形巷道拱形巷道3矩形、梯形巷道矩形、梯形巷道3.5 （一）矩形，倒梯形斷面 （二）圓弧拱、微弧拱、切圓拱、偏心拱斷面 拱形巷道受力較為均勻，不容易形成應(yīng)力集中區(qū)域和集中點(diǎn)，并且，拱型巷道圍巖自撐能力強(qiáng)，是深部巷道較為理想的斷面。 偏心拱和微

3、弧拱適用于頂板壓力相對(duì)較小，圍巖相對(duì)較穩(wěn)定，加服務(wù)年限較短的回采巷道采煤工作面上下順槽。 切圓拱和圓弧拱適應(yīng)于頂板壓力相對(duì)較大，頂板圍巖相對(duì)較松軟，穩(wěn)定性較差的回采巷道。 （三）馬蹄形、橢圓、半圓拱、曲墻拱型斷面u直墻半圓拱形：頂板承載效果較好，由于幫部為直墻，抵抗幫部圍巖變形能力較差，在側(cè)壓較大時(shí)，不利于控制幫部變形。u曲墻拱形：頂部仍為半圓拱形，幫部由過(guò)去直墻改為曲墻，圍巖自身抵抗幫部變形的能力大大增強(qiáng)，在深部頂壓和側(cè)壓都較大的情況下，是控制巷道變形、提高巷道自穩(wěn)比較理想的斷面。u馬蹄形：為不規(guī)則斷面形狀，適用于服務(wù)年限比較長(zhǎng)對(duì)巷道底板質(zhì)量要求比較高的峒室。 適用于服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng)的開拓、

4、準(zhǔn)備巷道和永久硐室適用于服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng)的開拓、準(zhǔn)備巷道和永久硐室由此可見，選擇斷面形狀，要針對(duì)不同的地點(diǎn)，具體問(wèn)由此可見，選擇斷面形狀，要針對(duì)不同的地點(diǎn)，具體問(wèn)題具體分析，屆時(shí)，必須綜合考慮巷道圍巖的性質(zhì)、地題具體分析，屆時(shí)，必須綜合考慮巷道圍巖的性質(zhì)、地應(yīng)力大小和方向、巷道的服務(wù)年限、用途及位置、巷道應(yīng)力大小和方向、巷道的服務(wù)年限、用途及位置、巷道支護(hù)形式和支護(hù)材料這三大因素有針對(duì)性的作出選擇。支護(hù)形式和支護(hù)材料這三大因素有針對(duì)性的作出選擇。（充分發(fā)揮其力學(xué)性能）（充分發(fā)揮其力學(xué)性能） 三、錨桿支護(hù)經(jīng)典理論三、錨桿支護(hù)經(jīng)典理論u（一）懸吊理論（一）懸吊理論u（二）組合梁理論（二）組合梁理論

5、u（三）組合拱理論（三）組合拱理論u（四）擠壓加固拱理論（四）擠壓加固拱理論 u（五）巷道圍巖松動(dòng)圈理論（五）巷道圍巖松動(dòng)圈理論u（六）高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（六）高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論u（七）二次支護(hù)理論（七）二次支護(hù)理論（一（一) )、懸吊理論、懸吊理論 巷道開挖后，圍巖中的原始地應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，形成應(yīng)力集中區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，巖體中原有的節(jié)理、裂隙、層理、斷層等不連續(xù)面可能進(jìn)一步發(fā)展，并可能產(chǎn)生新的不連續(xù)面，各不連續(xù)面可能相交、貫通，并在自重作用下產(chǎn)生冒落。錨桿的懸吊作用就是將這些松散、破碎巖石錨固在圍巖內(nèi)部較堅(jiān)硬、穩(wěn)定的巖層中。如圖1所示： 該理論在淺部還具有一定的指導(dǎo)意義，在深部巷道圍巖一

6、定范圍內(nèi)已不存在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層，圍巖形成大松動(dòng)圈，半徑在2m以上，因此該理論已不能有效指導(dǎo)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。(錨桿的錨固范圍內(nèi)和錨固范圍外離層解決方法） （二（二) )、組合梁理論、組合梁理論該理論適用于巷道頂板為較厚的層狀巖層。當(dāng)巷道頂板出現(xiàn)下沉和離層時(shí)，沿層面將產(chǎn)生垂直位移和水平位移，錨桿所提供的軸向力將對(duì)巖層的下沉和離層產(chǎn)生約束，并且增大巖層間的摩擦力，該摩擦力與錨桿所提拱的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而將幾個(gè)薄巖層通過(guò)錨桿夾緊而形成一個(gè)巖層組合梁。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，組合梁作用與組合梁前后的內(nèi)應(yīng)力對(duì)比如圖2所示： （三（三) )、錨桿組合拱理論、錨桿組合拱理論 對(duì)于被縱橫交錯(cuò)的弱面所切

7、割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時(shí)用錨桿加固，就能提高巖體結(jié)構(gòu)弱面的抗剪強(qiáng)度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成一個(gè)不僅能維持自身穩(wěn)定，而且能防止其上部圍巖松動(dòng)和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定。如圖4所示：（四（四) )、擠壓加固拱理論、擠壓加固拱理論 （五（五) )、圍巖松動(dòng)圈理論、圍巖松動(dòng)圈理論1、圍巖松動(dòng)圈的概念、圍巖松動(dòng)圈的概念 該理論認(rèn)為，開巷以后巷道圍巖應(yīng)力將發(fā)該理論認(rèn)為，開巷以后巷道圍巖應(yīng)力將發(fā)生顯著變化，巷道周邊徑向應(yīng)力生顯著變化，巷道周邊徑向應(yīng)力(r)為為0，圍巖強(qiáng)度明顯下降；圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中圍巖強(qiáng)度明顯下降；圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖現(xiàn)象。如果集中應(yīng)

8、力小于巖體強(qiáng)度，圍巖將處于彈性狀態(tài)。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)將處于彈性狀態(tài)。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度之后，巷道周邊將首先破壞，并逐漸向度之后，巷道周邊將首先破壞，并逐漸向深部擴(kuò)展，直至在深部擴(kuò)展，直至在定深度取得三向應(yīng)力定深度取得三向應(yīng)力平衡為止。此時(shí)，圍巖已過(guò)渡到破碎狀態(tài)。平衡為止。此時(shí)，圍巖已過(guò)渡到破碎狀態(tài)。圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶被定義為圍圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶被定義為圍巖松動(dòng)圈巖松動(dòng)圈(Lp)見圖見圖5：（六（六) )、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論u巷道開挖后在圍巖變形很?。s在破壞載荷的25%以下）時(shí)，脆性特征明顯的巖體就出現(xiàn)開裂、離層、滑動(dòng)、裂紋擴(kuò)展和松動(dòng)等現(xiàn)象，使圍

9、巖強(qiáng)度大大弱化，如果巷道開挖后立即安裝錨桿但未施加預(yù)拉力，由于錨桿極限變形量大于圍巖極限變形量，又由于各類錨桿都有一定的初始滑移量，因而錨桿不能阻止圍巖的開裂、滑動(dòng)和弱化。只有當(dāng)圍巖的開裂位移達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭?在鋼筋混凝土中達(dá)到極限載荷的6075)以后，錨桿才起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用，這時(shí) 圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力，加固體的抗拉和抗剪能力主要依賴于錨桿。這也就是說(shuō)，這里圍巖和錨桿不同步承載，先是圍巖受力破壞，達(dá)到一定程度，錨桿才開始承載。在目前開采深度不大和非強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，這種矛盾常常不突出，支護(hù)的成功掩蓋了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。u如果在安裝錨桿的同時(shí)施加足夠的預(yù)拉力，不僅消除了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的初始滑

10、移量，而且給圍巖一定的預(yù)壓應(yīng)力，改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境。對(duì)于受拉截面，可以抵消一部分拉應(yīng)力，從而大大提高抗拉能力；對(duì)于受剪截面，由壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力大大提高了加固體的抗剪能力。因此，及時(shí)施加預(yù)拉力直接避免巷道圍巖過(guò)早出現(xiàn)張開裂縫，可以大大減緩圍巖的弱化過(guò)程，巖體利用自身強(qiáng)度及時(shí)參與承載過(guò)程，即形成整體承載結(jié)構(gòu)，限制破碎區(qū)的發(fā)展，保證了巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。（六（六) )、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（續(xù)）、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（續(xù)）u與這種主動(dòng)錨桿支護(hù)相比，普通無(wú)預(yù)拉力被動(dòng)錨桿支護(hù)旨在建立“鋼”性頂板，即每一排使用盡量多的錨桿，行間距和排間距都很密，有使頂板“鋼鐵化”的態(tài)勢(shì)。被動(dòng)錨桿支護(hù)雖能保證在錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)

11、的頂板巖層發(fā)生離層變形后仍產(chǎn)生很大的支護(hù)抗力，但因頂板已發(fā)生離層，這種抗力無(wú)助于恢復(fù)或提高頂板總體的抗剪強(qiáng)度。盡管錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)的頂板“鋼”性化，但避免不了在錨桿長(zhǎng)度以外的頂板巖層發(fā)生離層，出現(xiàn)垮冒。實(shí)際上這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。u據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高強(qiáng)錨桿的應(yīng)用推廣中，支護(hù)后發(fā)生冒頂?shù)南锏赖倪M(jìn)尺比重占總進(jìn)尺的萬(wàn)分之五左右，支護(hù)的安全可靠性尚不能滿足煤礦生產(chǎn)的實(shí)際需要。我國(guó)現(xiàn)在錨桿間、排距普遍在600800m之間，即使桿體強(qiáng)度再高，實(shí)踐中錨固區(qū)整體離層破壞甚至垮冒而錨桿實(shí)際受力卻很小的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這促使我們思考如何發(fā)揮錨桿的作用，并避免這類現(xiàn)象發(fā)生。 （六（六) )、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（續(xù)）、高強(qiáng)高預(yù)

12、應(yīng)力支護(hù)理論（續(xù)）u 層狀巖體在水平地應(yīng)力的作用下易于發(fā)生剪切破壞而出現(xiàn)離層現(xiàn)象。產(chǎn)生離層以后，頂板的承載能力將大幅度下降，影響到支護(hù)效果，更直接影響到安全狀況。因此，應(yīng)將巷道頂板是否離層作為巷道穩(wěn)定性判別的標(biāo)準(zhǔn)。是否離層是頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能否形成的基本要素，因而可以將二者統(tǒng)一起來(lái)，把錨桿預(yù)拉力納入錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)中，以頂板離層作為分析的原則和依據(jù)，提供一個(gè)避免或大大減少巷道冒頂?shù)脑O(shè)計(jì)方法。應(yīng)該指出，由于不同巖性、不同支護(hù)條件所允許的變形量差別很大，以巷道圍巖變形量的大小作為準(zhǔn)確判斷巷道的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是不合適的，是不能保證安全的。由于目前國(guó)內(nèi)常用的單體鉆機(jī)扭矩偏低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的錨桿預(yù)拉力，真正

13、意義上的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)尚難形成。但它指出了支護(hù)技術(shù)發(fā)展的方向，如何提高錨桿的預(yù)拉力，并通過(guò)其它手段進(jìn)一步提高頂板預(yù)應(yīng)力水平是施工技術(shù)努力的目標(biāo)。比如中等穩(wěn)定的頂板條件需錨桿預(yù)拉力達(dá)到40-50kN左右，而一般只能達(dá)到20-30kN左右，所以單純采 用高預(yù)拉力錨桿支護(hù)尚不能滿足要求，需進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)以確保巷道頂板局部離層或圍巖發(fā)生較大變形時(shí)支護(hù)系統(tǒng)安全可靠。在類似條件下國(guó)內(nèi)目前大都采用小孔徑預(yù)拉力錨索加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。但實(shí)驗(yàn)表明，錨索在作用范圍超過(guò)6m時(shí)仍難以從根本上控制中間部分巖體的變形或離層，即使采用錨桿、錨索組合支護(hù)技術(shù)也難以在厚層復(fù)合頂板條件下取得支護(hù)的根本成功。因此，必須開發(fā)新型的預(yù)拉力支護(hù)技

14、術(shù)，應(yīng)用新型支護(hù)結(jié)構(gòu)和手段對(duì)頂板巖層進(jìn)行有效加固。 （七（七) )、二次支護(hù)理論、二次支護(hù)理論二次支護(hù)理論的核心是讓壓支護(hù)，即“先柔后剛”，一次支護(hù)采用全螺紋鋼錨桿延伸率大，強(qiáng)度低，可以使開挖后巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)行釋放和應(yīng)力轉(zhuǎn)移，完成應(yīng)力重新分布，緊隨其后實(shí)施二次支護(hù)。從支護(hù)效果上分析，一次支護(hù)應(yīng)盡早進(jìn)行，巷道開挖后即實(shí)施，二次支護(hù)必須在圍巖卸壓后實(shí)施。根據(jù)相關(guān)巖石力學(xué)理論和工程實(shí)踐，深部高應(yīng)力軟巖巷道的圍巖變形規(guī)律可分為四個(gè)階段，即巷道開挖后的加速變形階段、減速變形階段、近似線性的恒速度變形階段和二次加速階段。二次支護(hù)過(guò)早與過(guò)遲都將降低支護(hù)效果。因此，必須選擇合理的時(shí)間實(shí)施，理論上講應(yīng)在減速變形階段之后，二次加速變形階段之前的近似線性的恒速階段最為合理。 二次支護(hù)最佳時(shí)機(jī)確定二次支護(hù)最佳時(shí)機(jī)確定巷道開挖后，變形逐漸加大。以變形區(qū)分，可劃分以下四個(gè)階段：加速變巷道開挖后，變形逐漸加大。以變形區(qū)分，可劃分以下四個(gè)階段：加速變形階段、減速變形階段、近似線性的恒速變形階段