锚喷支护

在瑞士的一条隧道中使用喷射混凝土机械手的情况
粉尘大、回弹率高是长期困扰喷射混凝土支护技术的两大难题。“七 五”和“八五”期间，我国对喷射机及喷射工艺、喷射材料、外加剂等进 行了系统的试验与研究。近10多年来，从单机到喷机组，从干喷机到湿 喷机、潮喷机，从喷射主机到上料辅机，从粉状速凝剂到液体速凝剂竿进 行了攻关，取得了显著的研究成果，使我国喷射混凝土支护技术和装备发 展到了一个新水平。
在西班牙某隧道现场采用的Sika- Pm500型移动式喷射混凝土机
《施工与验收规范》第6.4.2条 喷射混凝土支护应符合下列规定：
一、喷射混凝土的原材料：
二、混合料的配比应准确。称量的允许偏差：水泥和速凝剂应为±2％，砂、 石应为±3％。
采用玻璃纤维作为增强材料，以聚脂树脂为基材， 经专用拉挤机的牵引，通过预成型模在高温高压下 固化成为全螺纹玻璃纤维增强塑料杆体。加上树脂 锚固剂、托盘和螺母组成玻璃钢锚杆。玻璃钢杆体 具有可割性，很适合于综采工作面临时支护使用， 而且具有良好的防腐性能，可以部分取代钢锚杆。
当杆体直径为16mm，粘结长度分别为100mm和200mm时，拉力分 别为30kN和40kN，平均扭力小于10 N·m，可满足锚杆安装的要求。
2. 组合梁作用：
锚杆锚固力一方面增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免 各岩层出现离层现象；另一方面，可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间 的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的 岩层（组合梁）。
缺陷：在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 组合 梁理论适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。
水压——拌和效果 水灰比——喷层质量和回弹率 喷射距离与倾角——回弹率 一次喷射厚度——回弹率 分次喷射间隔时间及拌和料的存放时间（20min，2h）
高性能喷射混凝土在各阶段的性能特点要求如下 ：
(1)喷射阶段。具有高粘聚性、附着性，回弹率低、粉尘小； (2)硬化早期。早凝、早强，化学缩减小，干缩小； (3)硬化后期。强度适应，高抗渗、高抗碳化、高耐腐蚀。
这种玻璃钢锚杆杆体可切割、轻质高强、便于安装；成本低，与金属锚 杆相比，成本降低40%左右，可替代现有煤帮金属锚杆、木锚杆、竹锚杆 等煤帮支护。
二．锚杆支护作用机理：
1. 悬吊作用 将软弱直接顶、伪顶悬挂在
坚硬的老顶上或稳定的完整岩 体上
缺陷：只适应于顶板
如果顶板中没有坚硬稳定岩层或 顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范 围较大，无法将锚杆锚固到上面坚 硬岩层或者未松动岩层时，悬吊理 论就不适用。
2. 树脂锚固剂适应性强，不仅应 用于井巷支护、井筒安装、水电工 程预应力锚杆加固，而且在建筑物 加固，高速公路修补、隧道施工、 基础生根、设备基础及构件锚固等 领域有它广泛的应用之地。
5. 快硬水泥和快硬膨胀水泥锚杆
成本低，材料来源广。
快硬水泥锚杆: 端头锚固长度为400mm时，水泥卷直径37mm， 长270mm，水泥装量421g；端头锚固长度为300mm时，水泥卷 直径37 mm，长205 mm，水泥装量320g。水泥卷使用前需浸水2 ～3min，在钻孔中经锚杆头搅拌，12min以后锚固力开始增长，1h 后锚固力可达40～60kN左右。
每孔安装两个树脂药卷，成本在30元左右）。
杆体直径18～24mm， 锚固力不应低于5吨， 托板厚度不应小于8～ 10mm，面积不应小于 150×150mm
树脂锚固剂是一种高强高效的粘结式锚固材料，目前已在多种领 域得到广泛应用，具有以下性能特点：
1. 承载快，锚固力大。具有“双快一高”的特性：固化时间快 （速度可调）、强度增长快、强度高。能及时承受载荷，且锚固力 大。
1. 钻眼与安装：凿岩机——锚杆钻机
MQT系列气动锚杆钻机 【用途】：广泛应用于顶板硬度f≤8的各种岩巷、煤巷， 进行顶板锚护作业时钻锚杆孔和安装锚杆。 【特点】：该机体积小，重量轻，转矩大，操作简单，维 修方便、集钻孔、搅拌、安装锚杆于一身。 【构造】：MQT系列气动锚杆钻机由三大部分组成
1.支腿； 2.回转部分； 3.操纵臂。
（七）锚杆必须按规定做拉力试验。煤巷还必须进行顶板离层监测，并用记录牌 板显示。对喷体必须做厚度和强度检查，并有检查和试验记录。在井下做锚固力 试验时，必须有安全措施。
（八）锚杆必须用机械或力矩扳手拧紧，确保锚杆的托板紧贴巷壁。 （九）岩帮的涌水地点，必须处理。 （十）处理堵塞的喷射管路时，喷枪口的前方及其附近严禁有其他人员
三．喷射混凝土厚度与强度：
单独支护时50~150cm之间，锚喷支护时50~120cm。
强度不小于C15。
《技术规范》：4.3.1 喷射混凝土的设计强度等级不应低于C15； 对于立井及重要隧洞和斜井工程，喷射混凝土的设计强度等级不应 低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa。钢纤维喷 射混凝土的设计强度等级不应低于C20，其抗拉强度不应低于2MPa， 抗弯强度不应低于6MPa。
潮喷和干喷通用CP-5中型喷射机
2. 喷射材料和配合比 水泥——硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号大于325 细骨料——中砂或粗砂，细度模数大于2.5 粗骨料——粒径小于20mm 速凝剂——初凝小于5min，终凝小于10min 配合比——水灰比0.4～0.45
3. 工艺参数
工作风压——喷层质量和回弹率 工作风压= 0.1 + 0.001×输料管长度（m）
快硬膨胀水泥锚杆: 安装时，把水泥卷的塑料外套、纱网内的圆 纸筒去掉，把水泥卷串入杆体放至阻挡垫圈，再将锚杆头部和水泥 卷插在水中浸3～5s后送入钻孔中，用带挡圈的套管将水泥卷冲压 密实，而后安装垫板和紧固螺母。安装1个水泥卷的锚固力达20～ 40kN；安装2个水泥卷的锚固力达60～90kN。
6. 玻璃钢锚杆
《验收规范》第6.4.3条 锚杆支护，应符合下列规定：
一、根据设计要求并结合现场情况，定出锚杆的孔位； 二、锚杆的孔深和孔径应与锚杆类型、长度、直径相匹配； 三、孔内的积水及岩粉应吹洗干净； 四、锚杆的杆体使用前应平直、除锈、除油； 五、锚杆尾端的托板应紧贴壁面，未接触部位必须楔紧，锚杆体露 出岩面的长度不应大于喷混凝土的厚度； 六、锚杆必须做抗拔力试验。
⑵ 按挤压加固拱理论： b Ltg a , α—— 锚杆在松散体中控制 tg
角，取为45°；
支护能力估算：拉麦公式—单位面积的承载强度P为
P
z
2
1
R2
b R2
式中
——破裂锚固体强度，按最软围岩验算，取
z
z
=10MPa；
b——组合拱厚度；
R——巷道的半径或1/2宽度。
四、锚杆支护的施工
2. 质量检查：材质、长度、直径——地面检查 方向、深度、数量、间排距——打眼检查 螺帽的拧紧程度、托板的楔紧程度——安装 锚固力——安装后
胶管接头
标尺
空心千斤顶
ML-20型锚杆拉力机
高压胶管
压力表
手摇油泵
ML-20型锚杆拉力计由一空心千斤顶和一台SYB-1型高压手摇油泵组成， 最大拉力200kN，质量12kg。试验时，用卡具将锚杆紧固在千斤顶活塞上， 摇动油泵手柄，驱使活塞对锚杆产生拉力。压力表读数乘以活塞面积即为 锚杆的锚固力。锚杆的位移量可从随活塞一起移动的标尺上直接读出。
根据锚喷支护原理，要求喷层具有一定的柔性。因此，规定喷射混凝 土厚度一般不应超过200mm，特别在软弱围岩中作初期支护，喷层过厚， 会产生过大的形变压力，易导致喷层出现破坏，这是不经济的。当喷层不 能满足支护抗力要求时，可用锚杆或配筋予以加强。
四．施工
1. 喷射机具 混凝土喷射机：干式——潮式——湿式 配套机械：混凝土搅拌机，喷射机械手
（三）打锚杆眼前，必须首先敲帮问顶，将活矸处理掉，在确保安全的条件下， 方可作业。 （四）使用锚固剂固定锚杆时，应将孔壁冲洗干净，砂浆锚杆必须灌满填实。 （五）软岩使用锚杆支护时，必须全长锚固。 （六）采用人工上料喷射机喷射混凝土、砂浆时，必须采用潮料，并使用除尘机 对上料口、余气口除尘。喷射前，必须冲洗岩帮。喷射后应有养护措施。作业人 员必须佩戴劳动保护用品。
三．锚杆支护参数的确定
⑴ 按悬吊理论：
①长度：L = L1 + L2 + L3 ；
L2—锚杆有效长度；f ≥3时 H =
B 2f
或取松动圈厚度
②间排距： a = Q ，Q为设计锚固力；k为安全系数。
k L2
③杆体直径：d 35.52 Q t
d
Q 4 103 ，mm t 3.14
4
d 2 t
Q
按杆体承载力与锚固力相等原则设计
锚喷支护
中国矿业大学
一．锚杆的结构类型
1. 砂浆锚杆：全长锚固
钢筋砂浆锚பைடு நூலகம்、钢丝绳砂浆锚杆
杆体材料宜用20锰硅、25锰硅 或5号钢筋，亦可采用3号钢筋
杆体钢筋直径一般为14～ 22mm，锚杆的抗拉拔力不得低 于50kN
2. 木锚杆 φ38mm，L=1.2～1.8m，缝长250mm，设计锚固力10～
20kN，不防腐1年，帮支护
竹锚杆：最经济，主要用于围岩稳定的巷道支护以及断面小或服务
年限短的回采巷道两帮支护。安装在煤体中不影响爆破和采煤机割煤等。
3.管缝式锚杆：
全长锚固型
管体宜用16锰、20猛硅等低合金钢，壁厚为2～2.5mm 锚杆外径为38～42mm，开缝宽度为13～18mm 托板宜采用盆形，板厚不应小于4mm，面积不小于120mm×120mm 钻孔直径应小于管缝锚杆外径2.0～3.0mm
喷射混凝土支护
1. 张向东, 张树光, 李永靖. 喷 射混凝土技术的发展与应 用. 煤. 2001. 10（1）： 19～21
2. 王红喜,陈友治,丁庆军. 喷 射混凝土的现状与发展.岩 土工程技术. 2004. 18 （1）：51～54
一．工艺流程
二．支护作用原理
①封闭围岩，防止风化 ②改善围岩的应力状态——恢复三向应力状态 ③填凹补平消除应力集中、 ④密切岩体、柔性支护结构作用——共同变形，围岩应力释放，抑制更 大变形。 ⑤射入缝隙，增强黏结——岩块间的连接咬合作用得以维持——组合拱 ⑥防护锚杆间危石掉落
3. 挤压加固作用 （组合拱理论）
预应力——锥型压缩区——连续压缩带——挤压加固拱 自身稳定，承受地压，阻止上部围岩的松动变形
组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程 中没有深入考虑围岩－支护的相互作用，缺乏对被加固岩体本身力学行为 的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确 的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。
50年代开始研制WG－25型双罐干式喷混凝土机，于60年代定 型生产并大量应用，成为我国锚喷支护第一代喷混凝土机械。与此 同时，也出现了ZHP－2型转子式喷射机、LHP－701型水平螺旋 喷射机、SPD－320型风动单罐喷射机等不同类型的设备，但是除 转子式喷射机外，其他都因工作的可靠性、使用寿命和粉尘较大等 问题而被淘汰。但双罐式喷射机也因上料高和体积较大、笨重，采 用钟型阀改变风压上料而使粉尘较大等缺点而急待改进或换型。
《技术规范》条文说明： 4.3.3 喷射混凝土的收缩较大，若其厚度小
于50mm时，喷层中粗骨料的含量甚少，更容易引起收缩开裂。同时，喷 层过薄也不足以抵抗岩块的移动，常出现局部开裂或剥落。近几年来，有 关部门对喷射混凝土支护使用情况调查结果表明，喷射混凝土支护层产生 局部开裂剥落者，其厚度多在50mm以下，也有30～40mm的。因此， 本条规定喷射混凝土支护的最小厚度不应小于50mm。
《煤矿安全规程》第四十四条 采用锚杆、锚喷等支护形式时，应遵守下列规定： （一）锚杆、锚喷等支护的端头与掘进工作面的距离，锚杆的形式、规格、安装 角度，混凝土标号、喷体厚度，挂网所采用金属网的规格以及围岩涌水的处理等， 必须在施工组织设计或作业规程中规定。 （二）采用钻爆法掘进的岩石巷道，必须采用光面爆破。
因管缝式锚杆管径大于孔径，需用风钻（需装特制顶具）或其 他专用机具强行将杆体挤入钻孔，依靠管体的弹性变形恢复力而与 孔壁紧紧挤压，在杆体全长产生锚固力。锚固力可达50～70kN。
4. 树脂锚杆：
中速2～5min，快速0.5～1min，一个药包的锚固力可达50kN以
上、端头锚固，（K2350和Z2350, 长度为2.00m、φ20mm螺纹钢，