锚杆支护原理及类型

• 锚杆的加固作用如图4-8所示。
（六）最大水平主应力理论
（六）最大水平主应力理论
• 最大水平应力理论论述了巷道围岩水平应力对巷 道稳定性的影响以及锚杆支护起到的作用，
• 它是以实测地应力及岩心实验室力学试验参数为 基础形成的一套锚杆支护设计方法，
• 运用有限差分法(采用莫尔一库仑强度淮则)对试 验巷道锚杆支护参数进行设计，
• 大松动圈（>150cm）
• 围岩表现出软岩的工程特征，围岩松动圈碎胀变形量大， 初期围岩收敛变形速度快，变形持续时间长，矿压显现大， 支护难度大。支护不成功时，巷道底板出现底鼓。在这种 条件下，如果用悬吊理论设计锚杆支护参数，常因设计锚 杆过长、过粗而失去其普遍应用的价值。
• 在单根锚杆作用下每根锚杆因受拉应力而对围岩产生挤压， 在锚杆两端周围形成一个两端圆锥形的受压区，合理的锚 杆群可使单根锚杆形成的压缩区彼此联系起来，形成一个 厚度为b的均匀压缩带。对于拱形巷道，压缩带将在围岩 破裂处形成拱形；对于矩形巷道，压缩带将在围岩破裂处 形成矩形结构，统称之为组合拱作用机理。
1. 围岩松动圈巷道支护理论
• 围岩松动圈巷道支护理论是在对围岩状态进行深 入研究后提出的，
• 通过研究，发现松动圈的存在是巷道围岩的固有 特性，它的范围大小(厚度值)目前可以用声波仪 或者多点位移计等手段进行测定。
• 松动圈理论认为：巷道支护的主要对象是围岩松 动圈产生、发展过程中产生的碎胀变形力，锚杆 受拉力的来源在于松动圈的发生、发展，并根据 围岩松动圈厚度值大小的不同将其分为小、中、 大三类，松动圈的类别不同，则锚杆支护机理也 就不同。
（2）巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固 体破坏前和破坏后的力学参数（E、C、φ），改善锚固体 的力学性能。
（3）锚杆锚固体区域内的岩体峰值强度或峰后强度、残余 强度均得到强化。
（4）巷道锚杆支护可以改变围岩的受力状态、增加围压， 从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况。
（5）巷道围岩锚固体强度提高后，巷道破碎区、松动圈范 围减小，有利于巷道围岩保持稳定。
• 松动圈理论认为，支护的作用是限制围岩松动圈形成 过程中碎胀力所造成的有害变形。
• 支护对破碎围岩的维护作用：松动圈发展变形过程中 维持破碎岩块相互啮合不垮落，通过提供支护阻力限 制破裂缝隙过度扩张，从而减少巷道的收敛变形。
• 小松动圈（<40cm）
围岩的变形压力可以忽略不计，巷道支护载荷只是松动圈内围 岩的自重，其数值小于0.1MPa，只用单一喷混凝土支护即可达 到支护的目的。
• 中松动圈（40cm～150cm）
围岩碎胀变形比较明显，变形量较大，使刚性的喷射混凝土支 护产生裂缝或破坏，必须采用以锚杆为主体构件的锚喷支护方 式，以锚杆为主体支护结构控制其碎胀变形，喷层将只作为锚 杆间活石的支护和防止围岩风化。
由于围岩松动圈厚度小于常用锚杆长度，因此可采用锚杆悬吊 作用机理来设计支护参数。
（六）最大水平主应力理论
（六）最大水平主应力理论
• 在深部开采的高应力条件下，最大水平应力的作 用使顶底板岩层出现错动滑移和松动膨胀，在顶 板出现破坏区 (图4-7)。
• 而锚杆的作用就是防止岩层的错动和膨胀，特别 是顶板变形的早期阶段，岩层能够得到及时加固， 可以保持顶板的稳定，控制后期变形破坏的发展。
组合梁作用的本质
• 在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的 岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；
• 同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其 层间错动。
• 锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合 梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚 固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大 大提高。
• 决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力 及杆体强度和岩层的性质。
第九章 巷道锚杆支护
• 第一节 简介 • 第二节 锚杆支护原理 • 第三节 锚杆支护类型 • 第四节 锚杆支护设计
第一节 简 介
国外：
• 1912年煤矿开始使用锚杆支护； • 1940-50，机械涨壳式锚杆应用广泛； • 70-80，砂浆、树脂、管缝式锚杆； • 90年代，树脂锚杆占据了市场。 • 国外锚杆支护的发展方向为：提高锚杆的锚固
（一）悬吊作用
• 由于锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩 石的重量(自重)，而是破碎带产生和发展过 程中的碎胀变形力，而后者碎胀变形力远 大于前者破碎带内岩石的自重。
（一）悬吊作用
•软弱围岩中， •锚杆的作用是将直接 顶板的破碎岩石悬吊在 其上部部的自然平衡拱 上，拱高可采用普氏的 压力拱理论估算。
（六）最大水平主应力理论
（六）最大水平主应力理论
• 澳大利亚、英国目前普通采用盖尔(GaIe)最大水 平主应力理论设计锚杆支护参数。该理论认为：
• （1）矿井岩层的水平应力在埋深小于500m时通 常大于垂直应力；水平应力具有明显的方向性， 其中最大水平应力一般为最小水平应力的1.5-2.5 倍。
1. 围岩松动圈巷道支护理论
• 本理论认为，巷道支护的对象除松动圈围岩自重和巷 道深部围岩的部分弹塑性变形力外，还有松动围围岩 的变形力。后者，往往占据主导地位。简而言之，巷 道支护的对象主要是围岩松动圈在形成过程中的岩石 碎胀力。
• 在现有支护条件下，试图用支护手段阻止围岩松动破 坏是不可能的。
• （2）巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响， 并且有3个特点：
（六）最大水平主应力理论
• ① 巷道轴向与最大水平应力方向平行的巷道受水 平应力最小(顶底板稳定性最好)；
• ② 与最大水平应力方向呈锐角相交巷道的顶底板 失稳破坏偏向巷道的一帮：
• ③ 与最大水平应力方向垂直的巷道受水平应力影 响最大(顶底板稳定性最差)(图4-6)。
围岩松动圈分类表
围岩类别 松动圈 支护方法
• 同时在使用中强调监测的重要性，并根据监测结 果修正和完善初始设计。
（六）最大水平主应力理论
• 但是用它无法定量设计锚杆支护参数，因 为该理论仍然存在着以下几个方面的问题 没有解决：
（1）在实测地应力(最大水平应力)方面； （2）在岩体力学参数测定方面； （3）岩体本构方程方面； （4）围岩状态方面分析。
（二）组合梁作用
• 这一观点有一定的影响，但是其工程实例 比较少，也没有进一步的资料供锚杆支护 设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以 计算，而且组合梁在形成和承载过程中， 锚杆的作用难以确定。
• 另外，岩层沿巷道纵向有裂解决。
（三）挤压加固拱作用
•组合拱理论是由兰氏（T A Lang）和彭德 （Pender）通过光弹试验提出来的。 •组合拱原理认为: 在拱形巷道围岩的破裂 区中，安装预应力锚杆时，在杆体两端将 形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周 边布置的锚杆间距足够小，各个锚杆的压 应力锥体相互交错，这样使巷道周围的岩 层形成一种连续的组合带（拱）。
一、锚杆作用机理
• （一）悬吊作用 • （二）组合梁作用 • （三）挤压加固作用 • （四）围岩强度强化理论 • （五）最大水平主应力作用 • （六）减跨作用 • （七）松动圈理论 • （八）关键承载圈理论
（一）悬吊作用
（一）悬吊作用
（一）悬吊作用
• 1952-1962年，Louis A, Pane K经过理论分析及 实验室和现场测试，提出锚杆杆作用机理是将直 接顶板悬吊到坚硬岩层上(如图4-1)。
（九）根据围岩状态特征分类阐述锚杆支护机理
• 地下工程条件千变万化，不同的围岩状态条件下， 巷道支护的荷载势必大不相同。如膨胀性地层以围 岩的吸水膨胀变形压力为主，小松动圈围岩以围岩 的自重压力为主，二者的支护作用显然不同。所以， 锚杆支护机理不能一概而论，应根据围岩状态特征 区别对待。
• 近年来比较活跃的锚杆支护理论如松动圈支护理论、 关键承载圈支护理论等，都是从这一原则出发，结 合围岩状态分别按悬吊理论、组合拱理论、加固理 论等分析锚杆支护机理和设计锚杆支护参数。
让压锚杆。
第二节 锚杆支护机理
• 一、锚杆作用机理 • 二、锚喷作用机理 • 三、锚梁作用机理 • 四、锚杆桁架作用机理 • 五、锚索作用机理 • 六、锚注作用机理
第二节 锚杆支护机理
• 锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。目前 己提出的观点较多，其中影响较大的有悬 吊作用、组合梁(拱)作用、加固(提高C、φ 值)作用等几种。这几种观点都是以围岩状 态和利用锚杆杆体受拉(力)为前提来解释锚 杆支护护作用机理的，因此，围岩状态及 锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上 述理论正确性的标准。
组合拱理论示意图
（三）挤压加固拱作用
（三）挤压加固拱作用
（三）挤压加固拱作用
• 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、而且能阻止其上部围岩松动和变 形的加固拱，从而保持巷道的稳定。
（六）最大水 平主应力理论
（七）锚杆的楔固作用（销钉）
锚杆的楔固作用是在围岩中存在一组或几组不同产状的 不连续面的情况下，由于锚杆穿过这些不连续面，防止或减 少了围岩沿不连续面的移动，如下图所示。
（八）锚杆的减跨作用
•把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两 帮的叠合梁(板)，由于可视悬吊在老顶 上的锚杆为支点安设了锚杆就相当于在 该处打了点柱，增加了支点，减少了顶 板的跨度(如图)，从而降低了顶板岩层 的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石 的稳定性，使岩石不易变形和破坏。 •这就是锚杆的“减跨”作用，它实际 上来源于锚杆的悬吊作用。 •但是，它也未能提供用于锚杆支护参 数设计的方法和参数。
（四）锚杆的加固作用
（四）锚杆的加固作用
• 弹塑性理论在对围岩状态作了正确分析后，对锚 杆支护的作用机理提出了一个观点：
• 利用锚杆提供足够的支护抗力，加固围岩提高其 承载能力、减小其变形量，并且大量的实验室相 似模拟试验证实通过锚杆锚固可使围岩的抗压强 度峰值提高50％-100％(相对于无锚杆情况)，同时 据此用摩尔理论抗剪强度包络线解释，可以使围 岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变形量 的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性围岩状态， 见图4-4。