锚喷支护和喷射混凝土支护(一)

落拱厚度），m；
B 为巷道跨度。 ③一般还可按L2=KH进行计算，H为软弱岩层厚度（或冒
K为考虑软弱岩层变化的安全系数，一般取1.5～2。 软弱岩层H的确定是根据地质资料，实测或经验估计，
冒落拱高度是按下式估算，即
H
B 2f
2）锚杆杆体直径 锚杆杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即
t 式中， d为锚杆杆体直径，㎜； Q为锚固力，由拉拔实验确定，KN； σt为杆体材料抗拉强度，MPa。
形成一整套比较科学的设计方法，以巷道围岩地
质力学评估及井下实测数据为基础，强调最大水 平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用。
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采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥
视仪、顶板离层指示仪、围岩深部多点位移计、
测力锚杆等监测仪器。
坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到
实践的完善的锚杆支护技术体系。
㈢ 锚杆支护参数确定
⑴ 按悬吊理论确定支护参数 1）锚杆长度 锚杆长度的计算公式为 L L1 L2 L3
式中： L1为锚杆外露长度，一般L1=0.1～0.15m。对 于端头锚固型锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+ （0.03～0.05）m；对于全长锚固锚杆，还 要加上穹形球体的厚度。 L2为锚杆有效长度。 L3为锚杆锚固段长度，一般端锚L3=0.3～ 0.4m，由拉拔实验确定；当围岩松软时还要 加大。
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美国锚杆技术精髓－ “两高一大”
美国的成功经验
支护领域的专业化、产业化。 锚杆设计、制造、服务一体化。
高强度
高预拉力
大排间距
锚杆等支护产品精细加工，而非材料消耗、废品利用
支护手段多样化、多系列，以适应各种不同的条件。 高新技术用于锚杆设计。
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英国
1952年大规模使用机械式端部锚固锚杆（楔缝式、倒
图 5-16 锚杆的组合作用
3．锚杆的楔固作用 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，如图5-17所示。
4．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。
高，而且支护成本明显提高，因此应选用锚喷联合支护。这时
以锚杆为主的喷混凝土只对锚杆间表面岩石进行局部支护和防 止围岩风化。
㈢ 喷射混凝土施工
1．施工机具 ⑴混凝土喷射机混凝土喷射机按喷射工艺可分．喷射混凝土材料 ⑴材料 1）水泥：一般选用硅酸盐水泥或普通水泥，其标号不应 低于425号。 2）砂：以采用粒径为0.35～3.0mm的中、细砂为好。 3）石子：一般选用坚硬的河卵石或碎石，其中碎石回弹 力低，但易于堵管和磨损管道，而河卵石则相反。石子粒径应 根据喷射机性能选取。在实际工作中，为了减少回弹，石子粒 径不成大于15mm。石子的合理级配是影响混凝土质量、水泥 用量和回弹率的重要因素之一，其合理级配可参考表5—19。
图 5-20 锚杆的布置形式 （a）方形布置；（b）梅花形布置
㈤ 锚杆支护施工
1．钻眼、锚杆安装 为了获得良好的支护效果，一般在爆破后即安设顶部锚 杆。目前可采用气腿凿岩机钻眼，手工安装锚杆。当围岩较 稳定时，也可以在爆破后先喷混凝土，等装岩后再用锚杆眼 打眼安装机进行文护工作，或者在装岩机后面用此机进行支 护。 2．锚杆的检验 为保证锚杆支护质量，必须对锚杆施工加强技术管理和 质量检查，主要检查锚杆孔直径、深度、间距及螺帽的拧 紧程度，并对锚杆锚固力进行抽查检验，常用设备是ML-20 型锚杆拉力计(图5-23)
一 锚喷支护 二 喷射混凝土支护
主要内容： 锚杆支护技术发展过程 锚杆支护原理 锚杆支护参数的确定 锚杆支护设计过程及案例 喷射混凝支护作用原理 喷射混凝土材料 喷射混凝土性能指标 喷射混凝土施工 喷射效果监测 难点：
重点： 锚杆作用原理 锚杆支护参数的确定 喷射混凝土作用原理 喷射混凝土施工
主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。 其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信
息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统
工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚
杆支护系统的设计方法。
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德国
自1932年发明Ｕ型钢支架以来，主要采用Ｕ型钢支
架支护巷道，支护比重达到90%以上。
有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘
进机或性能良好的单体锚杆钻机，满足施工要求
，并能实现快速掘进。
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国内支护发展
2个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为 分界点。（之前机械锚固、钢丝绳砂浆锚杆以及开发 研制的快硬水泥锚杆；之后高强度树脂锚固锚杆） 锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小 孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固 方式、监测技术等均发生了变化。 美国、澳大利亚接近100%，英国80%，美国锚杆 支护为巷道顶板的唯一支护方式。 我国1995年时约15.15%，目前约50%。 13
锚杆支护作用原理 喷射混凝土作用原理
一、锚杆支护 ㈠ 锚杆支护技术的发展 ㈡ 锚杆支护的作用原理 ㈢ 锚杆支护参数确定 ㈣ 锚杆的布置 ㈤ 锚杆支护施工 (六)锚杆支护设计案例
1 锚杆支护支护的发展现状
1995年时国内外状况
100 80 60 40 20 0 比重 澳 美 英 德 俄 波 中
喷射 混凝 土的 补强 作用
2．改善围岩应力状态 一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不平 引起的应力集中现象，避免过大的集中应力所造成的围岩破
坏；另一方面，使巷道周边围岩由双向受力状态变成三向受
力状态，提高了围岩的强度。
喷前围岩强度曲线 喷前围岩应力圆
3．柔性支护作用 喷射混凝土具有一定的柔性，可以和围岩共同变形产生 一定量的径向位移，使围岩的自支承能力得以充分发挥，喷 层本身的受力状态得到改善，另一方面，混凝土喷层在与围 岩共同变形中受到压缩，对围岩产生支护反力，抑制围岩产 生过大的变形，防止围岩发生松动破碎。 4．组合拱作用 开巷后及时喷射一层混凝土，抵抗围岩的局部破坏，防止 个别危岩活石的滑移或坠落，那么岩块间的联锁咬合作用就能 得以保持，这样，不仅能保持围岩自身的稳定，并且与喷层构 成共同承载的整体结构—组合拱。
3）锚杆间、排距
锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为a，并根据锚杆的 锚固力应等于或大于被悬吊岩石的重量的原则确定，即：
d 35.69
Q
Q a L2
式中，γ为岩石体积力，KN/m3。
⑵ 按挤压加固拱理论计算锚杆参数，它不要求锚杆伸入坚固岩层 中。这样锚杆长度和间距之间必须满足某种关系，才能形成一定厚度的 挤压加固拱，以支承地压，按照挤压加固拱理论，加固拱厚础与锚杆长 度和间距之间的关系可按下式 Ltg a b tg
对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度则为L2+ L3。
有效长度L2，有以下几种确定方法： ①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L2应大于 或等于它们的厚度。 ②当巷道围岩存在松动破碎带时，L2应大于巷道松动破 碎区高度hi，hi可按下式确定： (100 RMR) B hi 100 式中，RMR 为CSIR地质力学分级岩体总评分；
二、喷射混凝土支护
㈠支护的作用原理 ㈡喷射混凝土厚度 ㈢喷射混凝土施工 ㈣喷射混凝土支护存在的问题
㈠支护的作用原理
1．加固与防止风化 喷射混凝土以较高的速度射入张开的节理裂隙，产生如同 石墙灰缝一样的粘结作用，从而提高了岩体粘结力和内摩擦 角，也就是提高了围岩的强度。同时喷射混凝土层封闭了围 岩，能够防上因水和风化作用造成围岩的破坏与剥落。
b——加固拱厚度，m； L——锚杆的有效长度，m； α——锚杆在松散体中的控制角，度； a——锚杆的间距。
根据上式，如果按常用锚杆1600～1800㎜和间、排距 500～700㎜，则加固拱厚度将为1000～1200㎜，相当于 2～3层料石碹拱的厚度。
2013-7-28
㈣ 锚杆的布置
根据围岩的性质，锚杆可排列成方形、五花形等。方 形适用于稳定的岩层，梅花形适用于稳定性较差的岩层，其 布置如图5—20所示。锚杆的锚入方向，应与岩层面或主要 裂隙面成较大的角度相交，尽可能与其正交；层面与裂隙面 不明显时，锚杆应垂直于巷道周边锚入。
表5-19 喷射混凝土用石子的合理级配
4）水，要求洁净、不合杂质。污水、pH＞4的酸性水和硫酸盐含量按 SO4计超过水重1％的水，都不许使用。 5）速凝剂：为了使混凝土速凝，提高早期强度，一般 掺入水泥重量的2.5％～4％的速凝剂。要求初凝时间小于 5min，终凝时间小于10min。 ⑵混凝土配合比 合适的配合比应使喷层有足够的抗压、抗拉和粘结强度， 收缩变形值要小，回弹率要低。
㈡ 喷射混凝土厚度
由于地质条件十分复杂，计算喷厚的方法，只能供参考 或作验算用。现场仍多是根据工程类比按经验数据选取喷 厚。当岩体变形小，稳定性较好时，如果选用拱形断面，一 般只需喷射混凝土，不必打锚杆，喷厚为50～200㎜。 当岩体变形较大时，混凝土喷层将不能有效的进行支护。 实验证明当喷层厚度超过200mm时，不但支护能力不能提
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木支架严重损坏
支架破坏实况
拱型可缩性支架破坏
架棚巷道变形和支架损坏情况
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沿空掘巷维护状况
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锚杆支护巷道维护状况
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锚杆支护特点
锚杆支护已成为当今世界上主要产煤国家煤矿回采巷道最 主要的支护形式； 工人劳动强度低，减少巷道维护费用； 可以简化回采工序，为回采工作面快速推进、实现高产高 效创造有利条件； 巷道支护成本较低； 与传统金属支架相比具有较大的优势。
楔式、涨壳式），锚固力变化大、支护刚度小、可靠
性差。但最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机
械式锚杆。
到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。 1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司
参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行
业重新推广锚杆支护，煤矿开始盈利。
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澳大利亚
澳、美、英锚杆支护比重已达90%以上，德、俄、波正在
大力发展，比重在50%以上；我国为15.15%（低水平）。
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国外
美国
世界上最早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶
板支护方式的国家。
美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪30
年代初，1943年开始有计划有系统地使用锚杆。
1947年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事
故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到2年的时间 内，锚杆在采矿工业中得到普及。
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60年代末发明树脂锚固剂，锚杆使用的相当一部分
比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。
在70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂
联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的高 预拉力可以达到杆体本身强度的50%～75%。

㈡ 锚杆支护的作用原理
1．悬吊作用 悬吊作用是利用锚杆将软弱的直接顶悬吊于上部坚固稳 定的岩层上，或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块 连结在松动区外的完整坚固岩体上，使松动岩块不致冒落。
图 5-15 锚杆的悬吊作用
2013-7-28
2．组合梁作用 组合梁作用是将层状岩体各层用锚杆连接并紧固,锚杆 把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，从而提高了 岩层的整体抗弯能力。
自80年代以来，由于采深加大，Ｕ型钢支架支护费
用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护。
80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。
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国外锚杆支护的发展现状—成功经验
采用高强度、超高强度材料制造锚杆，加工精细
，将锚杆作为产品、实现了产业化、商品化，而 不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的 系列化产品。
锚杆支护使用范围
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类全面推广，Ⅳ、Ⅴ类得到推广应用
综放沿空掘巷锚杆支护 软弱、破碎煤巷锚杆支护 三软煤巷锚杆支护 深井煤巷锚杆支护
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锚杆支护效果
锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在： 属于主动支护 将巷道围岩变成承载体 对巷道不规则断面适应性强 巷道围岩变形量显著减小，安全生产得到保证，大幅 度减少 了冒顶、瓦斯、火灾事故 简化巷道布置，减少岩石工程 实现沿空掘巷，提高煤炭资源采出率，延长矿井寿命 锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是我 国煤炭行业继综合机械化之后的第二次支护技术革命