锚杆支护理论与工程实践

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
➢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%。
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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
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（1）悬吊理论
适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层
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（2）组合梁理论
机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力， 防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其 自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合 梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最 大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。
缺点：一般不能作为准确的 定量设计。 适用条件：顶板无稳定岩层
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（4）最大水平应力理论
机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平 应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶 底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀 造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨 胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。
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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 16
2 锚杆支护理论
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（1）悬吊理论
机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以 避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉 力来自被悬吊的岩层重量。 缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与 原岩体分开。
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。
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（4）最大水平应力理论
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（5）锚杆支护围岩强度强化理论
围岩与支护强度的关系 随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度提高， 围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。
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（5）锚杆支护强度强化理论
锚杆与围岩相互作用，形成锚杆—围岩的共同承载 结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值强度和残 余强度，特别是残余强度的提高，有效提高围岩的自承 能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由 不稳定状态向稳定状态转变。
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。
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
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。
锚杆支护理论与工程实践 主要内容
1 锚杆支护发展 2 锚杆支护理论 3 锚杆支护体系 4 锚杆支护巷道冒顶调查分析 5 设计方法 6 施工 7 监测
1 锚杆支护发展
1995年时国内外状况
100
80
60
40
20wk.baidu.com
0
比重
澳美英德俄波中
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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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。
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。
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美国锚杆技术精髓－ “两高一大”
美国的成功经验
高强度 高预拉力 大排间距
支护领域的专业化、产业化。 锚杆设计、制造、服务一体化。 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 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。
煤层
岩层
破碎区、塑性区
缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板较破碎、 连续性受到破坏时，难以形成组合梁。
适用条件： •层状地层 •顶板在相当距离内不存在稳定 岩层，悬吊作用处于次要地位。
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（3）组合拱理论 机理：在破碎区安装预应力锚杆时，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锚杆群，只 要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相 互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱， 这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。 在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状 态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。