錨桿支護設(shè)計材料和方法

1、錨桿支護設(shè)計材料和方法2022/7/1925.1 錨桿支護要求5.2 錨桿支護材料5.3 錨桿支護設(shè)計方法 5.3.1 工程類比法 5.3.2 理論計算法 5.3.3 數(shù)值模擬法2022/7/1935.4 錨桿支護設(shè)計內(nèi)容 5.4.1 確定錨桿類型 5.4.2 選擇錨桿支護形式 5.4.3 計算錨桿支護參數(shù)2022/7/194錨桿支護要求煤礦安全規(guī)程對錨桿支護作出了以下規(guī)定： 第44條規(guī)定：采用錨桿、錨噴等支護形式時，應(yīng)遵守下列規(guī)定：（一）錨桿、錨噴等支護的端頭與掘進工作面的距離，錨桿的形式、安裝角度，混凝土標(biāo)號、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)計或作業(yè)規(guī)

2、程中規(guī)定。2022/7/195(二) 采用鉆爆法掘進的巖石巷道，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，應(yīng)將孔壁沖洗干凈，砂漿錨桿必須灌滿填實。(五) 軟巖使用錨桿支護時，必須全長錨固。(六) 采用人工上料噴射機噴射混凝土、砂漿時，必須采用潮料，并使用除塵機對上料口、余氣口除塵。噴射前，必須沖洗巖幫。噴射后應(yīng)有養(yǎng)護措施。作業(yè)人員必須佩戴勞動保護用品。2022/7/196(七) 錨桿必須按規(guī)定做拉力試驗。煤巷還必須進行頂板離層監(jiān)測，并用記錄牌板顯示。對噴體必須做厚度和強度檢查，并有檢查和試驗記錄。在井下做錨

3、固力試驗時，必須有安全措施。(八) 錨桿必須用機械或力矩扳手?jǐn)Q緊，確保錨桿的托板緊貼巷壁。(九) 巖幫的涌水地點，必須處理。(十) 處理堵塞的噴射管路時，噴槍口的前方及其附近嚴(yán)禁有其他人員。2022/7/197煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中煤巷錨桿支護技術(shù)規(guī)范MT/T 1104-2009對錨桿支護作出了以下規(guī)定：1.巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估結(jié)果證明錨桿支護可行時，進行錨桿支護設(shè)計。2.在采區(qū)巷道布置時，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.煤巷錨桿支護設(shè)計應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計方法。4.錨桿支護初始設(shè)計可采用一種或多種方法組合進行。2022/7/1985.錨桿支護形式以錨桿為基本支護構(gòu)件，可選用以下構(gòu)件進

4、行組合：1）組合構(gòu)件（鋼筋托梁、鋼帶、鋼梁等）；2）護網(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610mm，鉆孔直徑和樹脂錨固劑直徑之差應(yīng)為48mm。2022/7/1997.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.煤巷頂板錨桿支護補強加固手段應(yīng)優(yōu)先采用錨索。10.煤巷復(fù)雜地段應(yīng)進行聯(lián)合支護。復(fù)雜地段的支護范圍應(yīng)延伸到正常地段的5m以上。2022/7/19105.2 錨桿支護材料一般要求 設(shè)計選用的煤巷錨桿支護材料應(yīng)符合國家標(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

5、力學(xué)性能應(yīng)相互匹配。2022/7/1911支護材料1.錨桿、托盤、螺母 金屬錨桿、托盤、螺母應(yīng)符合的規(guī)定。 樹脂錨桿玻璃纖維增強塑料桿體應(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)符合的規(guī)定。錨固劑生產(chǎn)家應(yīng)提供質(zhì)量合格證。2022/7/19123.鋼帶 鋼帶的選用應(yīng)根據(jù)巷道具體情況選用不同型號和規(guī)格，鋼帶材料抗拉強度應(yīng)不低于375MPa。4.錨索 錨索用鋼絞線應(yīng)符合GB/T 5224-2003的規(guī)定，應(yīng)優(yōu)先選用抗拉強度等級不低于1860MPa，延伸率不小于3.5%，直徑不小于的鋼絞線。 與鋼絞線配合的錨具應(yīng)符合GB/T 14370-2000的規(guī)定。2022/7/19135.網(wǎng) 煤巷錨桿支護巷

6、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)期長的巷道或維修巷道可采用噴射混凝土等封閉措施。2022/7/19145.3 錨桿支護設(shè)計方法5.3.1 工程類比法 我國多數(shù)錨桿支護設(shè)計規(guī)范都明確規(guī)定，錨桿支護設(shè)計算應(yīng)以工程類比法為主，在必要時量測法及解析法為輔。 工程類比法是建立在已有工程支護設(shè)計的成功經(jīng)驗基礎(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)驗和判斷能力，選定待建工程錨桿支護類型及參數(shù)。2022/7/19155.3.2 理論計算法（一）按懸吊作用計算（二）按擠壓加固拱理論計算（三）組合梁理論

7、計算（四）高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿設(shè)計2022/7/1916 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：問題，介質(zhì)，精度，邊界條件和初始條件，參數(shù)選取，軟件。2022/7/19173）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：FLAC 3D. 2022/7/19185.4 錨桿支護設(shè)計內(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2022/7/19196）樹脂錨桿7）快硬水泥錨桿8）內(nèi)注式錨桿9）可拉伸錨桿

8、10）其它錨桿2022/7/1920金屬倒楔式錨桿 此種錨桿由桿體、固定楔、活動倒楔、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40KN左右。常用于圍巖比較破碎，需要立即承載的地下工程。2022/7/19212022/7/19222022/7/19232022/7/1924管縫式錨桿 管縫式錨桿又稱開縫式或摩擦式錨桿，它是采用高強度鋼板卷壓成帶縱縫的管狀桿體外徑38.1，用鑿巖機強行壓入比桿徑小23mm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，屬全長錨固型錨桿。 對地層橫向錯動，有良好適應(yīng)能力，鉆孔變彎曲，錨固得更牢

9、。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（5070KN）。 2022/7/19252022/7/1926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80KN。木錨桿普通木錨桿， 壓縮木錨桿2022/7/19272022/7/1928a.1外楔；2鐵墊圈；3木托板；4木桿體；5內(nèi)楔2022/7/1929鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿 鋼筋或鋼絲繩砂漿錨稈是全長錨固型錨桿。設(shè)計錨固力為3050KN。2022/7/1930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)。

10、 使用82型錨固劑，可在1560s內(nèi)凝膠，5min后錨固力可達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35min內(nèi)凝膠達到很高的錨固強度，15min后即可套上墊板緊固螺帽。2022/7/19312022/7/1932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：國產(chǎn)定型早強水泥和雙快水泥按一定比例混合而成。使用前需浸水23min，在錨桿孔內(nèi)經(jīng)桿頭攪拌，12min后錨固力開始增長，1h后錨固力可達40-60kN。 適用于圍巖自穩(wěn)時間超過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。 2022/7/19332022/

11、7/1934內(nèi)注式注漿錨桿 不穩(wěn)定圍巖中，單純提高錨桿長度和強度作用很小時，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2022/7/1935可拉伸錨桿 套管摩擦式可拉伸錨桿 這種錨桿是對桿件、內(nèi)錨頭、外錨頭及托板等構(gòu)件采用特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可伸縮的目的。2022/7/1936 彎曲可伸長縮錨桿 用優(yōu)質(zhì)鋼材，并對材料進行專門加工處理，可制成較大延伸率的錨桿桿體。2022/7/1937中空自鉆式錨桿 ：2022/7/1938各類錨桿特征表（一）2022/7/1939各類錨桿特征表（二）2022/7/1940各類錨桿特征表（三）

12、2022/7/19415.4.2 選擇錨桿支護形式（1）單體錨桿支護（2）錨噴支護（3）錨網(wǎng)噴支護（4）錨網(wǎng)支護或錨笆支護（5）錨帶支護2022/7/1942（6）錨梁支護（7）錨桁支護（8）錨網(wǎng)帶或錨網(wǎng)梁支護（9）錨網(wǎng)桁支護（10）錨索支護（11）錨注支護2022/7/1943錨桿支護形式的選擇，必須根據(jù)巷道的用途、服務(wù)年限、圍巖強度、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形式如下表所示。2022/7/19442022/7/19455.4.3 計算錨桿支

13、護參數(shù)1）錨固力 錨固力：錨桿對于圍巖的約束力。在實際應(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）錨桿長度和直徑3）錨桿間距和排距2022/7/1946錨桿約束圍片的力2022/7/19472022/7/19482022/7/19492022/7/19502022/7/19512022/7/19522022/7/1953組合拱作用計算錨桿參數(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

14、錨桿參數(shù)。2022/7/1954 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)形成一個防止破裂區(qū)擴展到承壓拱，可以承受破裂區(qū)上部巖石的徑向荷載。2022/7/1955案例濟寧二號礦4304回采巷道支護設(shè)計2022/7/19561.支護問題 濟寧二號礦4304頂煤最大厚度可達左右（巷道高度），上部泥巖厚度為左右，煤與泥巖復(fù)合形成的軟層頂板厚度最大可達左右；同時又加之巷道斷面擴大至，這樣，長的普通錨桿很難對左右的復(fù)合軟層頂板起到有效的加固作用，如下圖所示。因此，必須選用較長的錨桿進行加固。2022/7/1957普通錨桿支護頂板失穩(wěn)示意圖2022/7/19582.支護方式選擇 根據(jù)這種軟層復(fù)合頂

15、板的特點，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)斷面安裝錨索對頂板進行加固，其作用為：（a）錨索可將上位的頂板加固成為一個具有較強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；2022/7/1959錨索加固機理示意圖（斷面圖）2022/7/1960（c）通過適當(dāng)?shù)呐啪啵^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：錨索加固機理示意圖（走向剖面圖）2022/7/19612022/7/1962當(dāng)寬度比時，kc；取=25K

16、N/m3;當(dāng)兩側(cè)均為實體煤時，Kc=1；幫的單向抗壓強度m；煤層的內(nèi)摩擦角為20；埋深取為H=651.49 m。將上述參數(shù)帶入得：2022/7/19632022/7/19644.普通錨桿加固參數(shù)（a）幫錨桿長度 如下圖所示，對于兩幫的加固，可以取在破壞范圍的2/3處，即合力作用點所處位置，作為兩幫支護長度的下限，而全部破壞范圍作為支護的上限。因此，兩幫錨桿有效范圍長度l幫，取平均值l幫，考慮到外露部分長度0.2 m，則實際幫錨桿長度為l幫=2.0 m。2022/7/1965巷道圍巖破壞范圍示意圖2022/7/1966（b）頂錨桿長度 同樣，沿著支護合力作用點為端點形成的拱高b1作為頂板錨桿支護

17、的下限，頂板在支護條件下全松動范圍拱高作為支護的上限，故頂板錨桿有效錨固長度l頂為:取平均值并考慮外露端長度0.2 m，則頂板錨桿的實際長度取l頂。2022/7/1967（c）頂板錨桿間排距 頂板錨桿數(shù)量應(yīng)滿足以下兩個條件： 1）能有效承受拱內(nèi)巖重； 2）桿體抗剪強度能滿足要求。2022/7/1968（）平衡拱內(nèi)巖重所需錨桿間距S1式中 RT錨桿的實際錨固力，取RT =40KN/根； k安全系數(shù)，取k=3； 煤的體積密度，取3 。將上述參數(shù)代入得：2022/7/1969（）校核桿體抗剪強度所需錨桿間距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=35； P0 錨桿錨固力，

18、P0 =40kN； 2a巷道跨度，取2a=4.2 m； l頂頂板錨桿有效錨固長度 f分層間摩擦因數(shù)，取f。 將上述參數(shù)代入得：s2。2022/7/19702022/7/1971綜上所述，4304回采巷道錨桿支護形式及參數(shù)選擇（見下圖）如下：1）頂板：錨桿+網(wǎng)+鋼梯，錨桿長度2.2 m，桿體為20 mm的螺紋鋼，3卷樹脂藥卷，進行全長錨固，錨桿間排距0.7 m0.7 m.。2）兩幫：錨桿+網(wǎng)，錨桿長度為2.0 m，用18mm螺紋鋼作為錨桿桿體，兩個25mm350mm樹脂藥卷，間排距為700mm700mm。為了控制底板的變形，下幫角處錨桿與水平夾角為45。2022/7/1972普通錨桿加固斷面示意圖