煤矿深部巷道锚杆支护技术

2．几种易混淆的力之间的关系 2.2 预紧力和预紧扭矩的关系：
2.2.2预紧力是力，是施加在锚杆（锚索）上的拉力，单 位kN;预紧扭矩是力矩，施加在压紧螺母上，单位N·m.
2.2.3二者测量仪器不同。预紧力可以通过安装在锚杆 托盘与螺母间的锚杆测力计观测；预紧扭矩可以通过数字显 示或带有刻度显示的锚杆扭力扳手观测。
定程度时，锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层可 以得以消除。
高预紧力锚杆指在建立预应力顶板，预应力顶板存在 一定程度上保护着顶板使其免受水平应力的破坏，使顶板 岩层处于横向压缩的状态，以克服高水平应力对顶板稳定 性的影响。
1．概念 1.3.1 锚杆预紧力的作用：
1.3.1.2预应力结构的形成是有条件的，锚杆预紧力是关 键。在水平应力大的条件下，锚杆的作用在于给顶板及时 提供很高的预应力以形成预应力顶板，形成一个压力自撑 结构。
1.1 锚杆强度-抗破坏能力 ✓ 拉伸：屈服强度（力）、拉伸强度（力） 、延伸率等； ✓ 剪切：剪切强度（力）。
锚杆杆体拉伸应力-应变曲线
1.2 刚度-抗变形能力
K
AE L
A–锚杆杆体截面积； E–锚杆弹性模量； L–锚杆长度。
支 架 载 荷
位移
支架载荷与位移关系曲线
✓ 安装时间：锚杆安装越及时，锚固体刚度越大； ✓ 预应力：锚杆预应力越高，锚固体刚度越大； ✓ 锚固方式：全长锚固刚度大。
2.1.1锚固力是锚杆对围岩产生的约束力，是限制围岩变 形，起支护作用的力。锚杆拉拔力是锚杆锚固后拉拔实验时， 所能承受的极限载荷，反映的是杆体、锚固剂、岩石粘结到 一起后，锚杆破断或失效的最大拉力。
2．几种易混淆的力之间的关系 2.1 锚固力与拉拔力区别：
2.1.2锚固力随着被支护围岩变形、围岩的膨胀而增大， 因此锚固力是一个动态发展并不断变化的力。锚杆拉拔力是 一个固定值，不随围岩变形和锚杆受力而改变。如果围岩不 发生变形且不考虑杆体的松驰效应，锚固力等于初锚力。
围压内存在各种节理、层理、裂隙等不连续面，这些 结构面的分布与强度对岩体的整体强度影响很大。通过锚 杆提供的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻 止不连续面产生移动上滑动。通过提高节理岩体的整体强 度、完整性与稳定性。
1．锚杆支护的加固作用
王楼煤矿27304工作面锚杆受剪切力照片
1．锚杆支护的加固作用 1.3锚杆支护对围岩应力分布的影响
2．几种易混淆的力之间的关系 2.3 预紧力与预紧应力区别：
锚杆预紧力：在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴 向拉力。
锚杆预应力：锚杆预紧力与杆体横截面积的比值。
2．几种易混淆的力之间的关系 2.2 预紧力和预紧扭矩的关系：
2.2.4锚杆施工设计要求的是预紧力，而不是预紧扭矩。 但在实际施工中，由于预紧扭矩测读方便而预紧力测量相对 复杂，且预紧力随着预紧扭矩增大而增大，为了检测方便， 通过直接检测预紧扭矩而达到间接检测锚杆的预紧力的目的。 因此，锚杆安装时通常检测预紧扭矩，而不检测预紧力。
1．概念 1.1.1 锚固力的作用：锚杆的锚固作用体现为径向和切向
锚固力的作用。径向锚固力对围岩施加围压，将围岩由单 向、双向受力状态转化为双向、三向受力状态，提高围岩 的稳定性。锚杆贯穿同一岩层中的弱面，切向锚固力改善 了弱面的力学性质，从而改善了围岩的力学性质。因此锚 杆是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形式。径向 锚固力主要起着支护作用，切向锚固力主要起着加固作用。 而在煤巷围岩中，主要是径向锚固力起作用，起到支护作 用。
41
148.4
15.1
42
152.0
15.5
43
155.6
15.9
44
159.2
16.2
45
162.8
16.6
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166.4
17.0
47
170.0
17.3
48
173.7
17.7
49
177.3
18.0
50
180.9
18.5
51
184.5
18.8
52
188.2
19.2
53
191.8
19.6
54
195.4
12
43.4
4.4
13
47.0
4.8
14
50.7
5.2
15
54.3
5.5
16
57.9
5.9
17
61.5
6.3
18
65.1
6.6
19
68.7
7.0
P
F
MPa
KN
t
20
72.4
7.4
21
76.0
7.8
22
79.6
8.1
23
83.2
8.5
24
86.8
8.9
25
90.5
9.2
26
94.1
9.6
27
97.7
10.0
2．几种易混淆的力之间的关系 2.1 锚固力与拉拔力区别：
2.1.4检查锚杆施工质量时，一般检查锚杆拉拔力。监测 分析锚杆工作情况时，测锚固力。测量锚固力是为了验证支 护的可靠性，为以后修改支护设计提供依据。设计和施工时， 必须保证锚杆拉拔力大于杆体破断力这一基本原则，即锚杆 杆体受力超过其破断力后，锚杆可能被拉断，但锚杆不能被 拉出。常见错误是设计的锚杆拉拔力小于杆体破断力。
MT/T 1104—2009《煤巷锚杆支护技术规范》中明确要 求，锚杆的锚固力应不小于锚杆杆体屈服强度的1.2倍。
例如：Ф22×2800mm高强度螺纹钢锚杆(Q500)屈服强度 190kN，故锚固力应不小于228kN。现场使用锚杆拉力计做拉 拔试验，一般规定达到20MPa，即72.4KN（7.4t）后即认为 锚杆施工质量合格，只达到了锚固力的31.2%。
1．概念 1.2 .1 拉拔力检测标准：
锚索合格条件为: 首先锚索支护材料要符合施工措施的规 定， 且最小锚固长度要≥1.5 米； 分级张拉，分级方式为 0―30 千牛―60 千牛―90 千牛―130 千牛。 测试要求： ASTMA419-98(1*7 × 15.24mm) 单根钢绞线，抗拔力大 于 120KN。
19.9
55
199.0
20.3
56
202.6
20.7
计算公式：F=S×P。其中：F为锚固力（KN）；S为活塞面积；P为拉力指示 表读数（MPa）。
1.锚杆支护作用的新认识 控制围岩离层、滑动及新裂纹等不连续、不协调扩容变形， 保持围岩完整性和自承能力，减小围岩强度降低。
拉伸-阻止岩层离层
剪切-阻止岩层滑动
2．几种易混淆的力之间的关系 2.2 预紧力和预紧扭矩的关系：
2．几种易混淆的力之间的关系 2.2 预紧力和预紧扭矩的关系：
常见锚杆钢材强度比较
牌号 屈服强度 抗拉强度
屈服力/KN
拉断载荷/KN
Mpa
Mpa φ18mm φ20mm φ22mm φ18mm φ20mm φ22mm
Q235
240
380
61
75
91
96.7 119.4 144.5
BHRB335 335
490
85
105
127 124.7 153.9 186.3
BHRB500 500
670
127
157
190 170.5 210.5 254.7
BHRB600 600
800
152
188
228 203.6 251.3 304.1
例如：王楼煤矿现用φ22mm高强度螺纹钢锚杆(Q500)施 工过程中对锚杆施加预紧扭矩为350N•m，则
围岩变形：不连续、不 协调扩容变形；连续、 整体变形。锚杆主要对 前者起作用；
锚杆支护系统刚度非常 重要，及时支护、施加 合理的预应力，并有效 扩散到围岩是关键，可 抑制围岩扩容变形。
巷道掘进工作面空间布置
2、锚杆实际受力状态
锚杆井下受力状态复杂 巷道表面凹凸不平及施工原因，井下锚杆与巷道表面不垂
煤矿深部巷道支护技术
主讲：王永宝
1．概念
锚固力 预紧力 拉拔力 预紧扭（力）矩 预应力
1．概念
1.1 锚固力：指锚杆对围岩的约束力，它包括径向锚固力 和切向锚固力，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是 托板阻止向巷道内位移，对围岩施加的径向支护力；粘锚 力是锚杆通过粘结剂对围岩施加的径向作用力；切向锚固 力是锚杆体施加贯穿岩体弱面，对弱面的滑动和张开产生 的限制力，单位：kN。
巷道开挖后，应力重新分布。通过锚杆给围岩施加一定 的压应力，改善围岩应力状态。对于受拉区域，可抵消部分 拉应力，提高围岩抗拉能力；对于受剪区域，通过压应力区 域，通过压应力产生的摩擦力，提高围岩的抗剪能力。
1．锚杆支护的加固作用
1.1 锚杆提供的支护强度： 岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、黏聚力
和内摩擦角等力学参数。锚杆的主要作用是改善破碎区、塑 形区内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。
σ
屈服点
无约束 有约束 岩石软化（可以承载）
岩石崩落（不能承载）
0
锚固前后岩体强度曲线
ε
1．锚杆支护的加固作用 1.2 锚杆对不连续面（围岩结构）的加固作用
1．概念 1.2 拉拔力：
指阻止锚杆从岩体拔出的力。拉拔力可分为设计拉拔力 和检测拉拔力。通常说的拉拔力指设计拉拔力，其值应大 于锚杆破断力，单位：kN。
1．概念 1.2 .1 拉拔力检测标准：
抗拔力应符合以下规定合格： 最低值不小于设计的 90% 。 优 良：最低值不小于设计值。 检查数量： 每安装 300 根锚杆， 抽试三组进行测试， 每 组不得少于 3 根， 其中每组拱顶锚杆 2 根，边帮锚杆 1 根；锚索测试数量取总数的 5%。
1．概念 1.3 锚杆预紧力：
在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向力，单位： kN
1.3.1 锚杆预紧力的作用： 1.3.1.1发挥锚杆主动支护作用，特别是在层状岩层、破 碎围岩条件下，增大预紧力能够改变围岩性质，防止围岩 破坏，保持围岩稳定，有利于对围岩支护。
1．概念
1.3.1 锚杆预紧力的作用： 对顶板稳定性具有决定性的作用。当预紧力大到一
直，不处于理想拉伸状态，而是处于受拉、弯、扭、剪切的 复合应力状态。
施加预应力前
施加预应力后
锚固剂
杆体
钻孔
托盘 球垫 螺母
(a) 树脂锚固锚杆结构
锚杆受拉伸、弯 曲、扭转引起的 复合应力。
l C
l1
(b) 锚杆受力状态
P
AB
T
Mt
R
树脂锚固锚杆力学模型
1．锚杆支护的加固作用 1.1 锚杆提供的支护强度：
1．概念 1.4 锚杆的预紧扭矩：
在锚杆安装过程中，对锚杆螺母施加的力矩，单位N•m； M=F*L，M为扭矩，F为力（N），L为距离(m)
1.4.1 锚杆预应力：
在锚杆安装过程中，对锚杆杆体施加的轴向拉应力，等 于锚杆预紧力与杆体横截面积的比值，单位MPa。
2．几种易混淆的力之间的关系 2.1 锚固力与拉拔力区别：
28
101.3
10.3
29
104.9
10.7
30
108.6
11.1
31
1பைடு நூலகம்2.2
11.4
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115.8
11.8
33
119.4
12.2
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123.0
12.5
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126.6
12.9
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130.3
13.3
37
133.9
13.7
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137.5
14.0
P
F
MPa
KN
t
39
141.1
14.4
40
144.7
14.8
锚杆预紧力： F=M/（DK）=350N•m/(0.022m*0.39)=40792N≈40KN
锚杆预应力： P=F/S=40792N/380*10-6m2=107MPa
F：锚杆预紧力 N M：预紧扭矩 N•m D：锚杆直径 mm P ：锚杆预应力 MPa K ：系数 S：锚杆截面积 m2
1KN=0.98吨
2．几种易混淆的力之间的关系 2.1 锚固力与拉拔力区别：
2.1.3锚固力检测使用安装于锚杆螺母和托盘之间的锚杆 测力计，一般在锚杆安装时把锚杆测力计安好。检测锚固力 是为了监测锚杆受力状况，需要进行长期观测。锚杆拉拔力 检测使用锚杆拉力计，检测可以在锚杆安装完成后任何时候 进行，检测锚杆拉拔力是为了查验锚杆杆体、锚固剂、岩石 粘结效果。在施工中，检测锚杆拉拔力时，一般只要达到设 计锚固力即可；在做破坏性检测时，则要求锚杆被拉断或锚 杆被拉出才终止。
从经验来讲，锚杆预紧力不易超出锚杆屈服强度 的50%。
LDZ-200煤矿用锚杆拉力计千牛、兆帕、吨位对照表
P
F
MPa
KN
t
1
3.6
0.4
2
7.2
0.7
3
10.9
1.1
4
14.5
1.5
5
18.1
1.8
6
21.7
2.2
7
25.3
2.6
8
28.9
3.0
9
32.6
3.3
10
36.2
3.7
11
39.8
4.1
围岩硬度越高，岩石强度越大。在巷道顶板安装锚杆就 相当于给顶板提供围压。对于中等强度以上岩石（单轴抗压 强度大于30MPa，变形模量大于100MPa），增加的围压很 小，因此锚杆支护在岩石破坏前对其强度影响不大。因为煤 层强度较低，特别是中等强度以下的煤层（煤层单轴抗压强 度小于15MPa），锚杆在煤体破坏前对其强度有比较明显的 影响。