锚杆支护设计课件

➢ （3）围岩松动圈与支护的关系：一般的支护不能有效 地阻止松动圈的发生和发展。
➢ （4）围岩松动圈与巷道宽度的关系：在相似材料模型 试验与现场的对应试验中发现，巷道宽度在3—7m范围内，
其他条件不变时松动圈(LP)变化不明显。

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• 松动圈测试分析
图6围岩松动圈实测结果
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• 椭圆形：为全封闭式支护， 巷道围岩四周压力都很大， 且不均匀时，可选用此断 面形状。
由此可见，选择断面形状，要针对不同的地点，具体问题具体分析，届时，
必须综合考虑巷道围岩的性质、地应力大小和方向、巷道的服务年限、用途
及位置、巷道支护形式和支护材料这三大因素有针对性的作出选择。（充分
发挥其力学性能）
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三、锚杆支护经典原理
（一）锚杆悬吊理论 （二）锚杆组合梁理论 （三）锚杆组合拱理论 （四）挤压加固拱理论 （五）巷道围岩松动圈理论 （六）高强高预应力支护理论 （七）二次支护理论
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（一）锚杆悬吊理论
巷道开挖后，围岩中的原始地应力出现重新分布，形成应力集中区。在该区域内，岩体 中原有的节理、裂隙、层理、断层等不连续面可能进一步发展，并可能产生新的不连续 面，各不连续面可能相交、贯通，并在自重作用下产生冒落。锚杆的悬吊作用就是将这 些松散、破碎岩石锚固在围岩内部较坚硬、稳定的岩层中。如图1所示。
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（四）挤压加固拱理论 对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，如果及时用锚
杆加固，就能提高岩体结构弱面的抗剪强度，在围岩周边一定厚度的 范围内形成．一个不仅能维持自身稳定，而且能防止其上部围岩松动 和变形的加固拱，从而保持巷道的稳定。如图4所示
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一、巷道支护类型
目前巷道支护的主要形式有：
锚杆支护：（还包括锚杆支护、锚网支护、锚网带支护）
架棚支护
砌碹支护
锚喷支护：（锚喷支护包括锚喷支护、锚网喷支护、喷锚喷锚
网
喷支护、喷锚梁喷、锚网喷支护。 ）
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二、巷道断面设计选择
巷道围岩应力是引起围岩变形和失稳破坏的根 本作用力,其压力大小和分布与巷道的断面形状 有关,在巷道拐角处应力集中程度高,能产生较大 的剪应力，拐角处的曲率半径愈小，应力集中系 数愈大，巷道直线部分则容易产生拉应力。因此 在围岩稳定的条件下 ，可选择形状简单的折线 型巷道断面，在围岩不稳定的条件下，可选择形 状复杂的曲线型巷道断面。
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不同形断面应力集中系数见表1
表1
巷道断面形状 椭圆形巷道（长短轴之比1：5） 圆形巷道 圆拱形巷道 拱形巷道 矩形、梯形巷道
应力集中系数 1.5 2 2.5 3 3.5
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根据矿不同的埋深、围岩条件、技术条件、用途、服务年限等选 择不同的巷道断面形状。
（一）矩形，倒梯形断面
顶板围岩自承能力相对较差，当顶压和侧压均不大时，可选择矩形或倒梯 形断面。
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（二）圆弧拱、微弧拱、切圆拱、偏心拱断面
➢ 拱形巷道受力较为均匀，不容易形成应力集中区域和集中点，并且，拱型巷道 围岩自撑能力强，是深部巷道较为理想的断面。
➢ 偏心拱和微弧拱适用于顶板压力相对较小，围岩相对较稳定，加服务年限较短 的回采巷道采煤工作面上下顺槽。
图5
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2、围岩松动圈的性质
➢ （1）围岩松动圈的形状：由于围岩性质不同，松动圈 可能有圆形、椭圆形和异形等形状。
➢ （2）围岩松动圈形成的时间性：在有控制条件下松动 圈的稳定时间是，当Lp<l00cm时，10～20d；Lp＝100～ 150cm，20—30d；Lp >150cm，1—3个月。
➢ 切圆拱和圆弧拱适应于顶板压力相对较大，顶板围岩相对较松软，稳定性较差 的回采巷道。
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（三）马蹄形、椭圆、半圆拱、曲墙拱型断面
适用于服务年限相对较长的开拓、准备巷道和永久峒室。
直墙半圆拱形：顶板承载效果较好，由于帮部为直墙，抵抗帮部围岩变 形能力较差，在侧压较大时，不利于控制帮部变形。
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（五）巷道围岩松动圈理论
1、围岩松动圈的概念
• 该理论认为，开巷以后巷道围岩 应力将发生显著变化，巷道周边 径向应力(σr)为0，围岩强度明显 下降；围岩中出现应力集中现象。 如果集中应力小于岩体强度，围 岩将处于弹性状态。当围岩应力 超过围岩强度之后，巷道周边将 首先破坏，并逐渐向深部扩展， 直至在—定深度取得三向应力平 衡为止。此时，围岩已过渡到破 碎状态。围岩中产生的这种松弛 破碎带被定义为围岩松动圈(Lp) 见图5
（六）高强高预应力支护理论
巷道开挖后在围岩变形很小（约在破坏载荷的25%以下）时，脆性特征明 显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度 大大弱化，如果巷道开挖后立即安装锚杆但未施加预拉力，由于锚杆极限 变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因 而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相 当的程度(在钢筋混凝土中达到极限载荷的60～75％)以后，锚杆才起到阻 止裂纹扩展的作用，这时 围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗 拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。这也就是说，这里围岩和锚杆不同步承载， 先是围岩受力破坏，达到一定程度，锚杆才开始承载。在目前开采深度不 大和非强烈构造应力区，这种矛盾常常不突出，支护的成功掩盖了问题的 实质。
曲墙拱形：顶部仍为半圆拱形，帮部由过去直墙改为曲墙，围岩自身抵
抗帮部变形的能力大大增强，在深部顶压和侧压都较大的情况下，是控制
巷道变形、提高巷道自稳比较理想的断面。
马蹄形；为不规则断面形状，适用于服务年限比较长对巷道底板质量要 求比较高的峒室。
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• 皮带机头峒室底板布置设 备基础，对质量要求比较 高，不允许出现犟底，底 臌，否则，影响设备运行， 马蹄形断面为全封闭支护， 底板上的三心拱梁可进一 部扼制底板底臌变形，满 足设备平稳运行的需要。
该理论在浅部还具有一定的指导意义，在深部巷道围岩一定范围内已不存 在坚硬稳定岩层，围岩形成大松动圈，半径在2m以上，因此该理论已不能 有效指导我矿锚杆支护设计。
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（二）锚杆组合梁理论
• 该理论适用于巷道顶板为较厚的层状岩层。当巷道顶板出现 下沉和离层时，沿层面将产生垂直位移和水平位移，锚杆所 提供的轴向力将对岩层的下沉和离层产生约束，并且增大岩 层间的摩擦力，该摩擦力与锚杆所提拱的抗剪力一同阻止岩 层间产生相对滑动，从而将几个薄岩层通过锚杆夹紧而形成 一个岩层组合梁。根据材料力学知识，组合梁作用与组合梁 前后的内应力对比如图2所示。