錨桿支護設計課件(同名2003)

5.錨桿支護設計

5.1錨桿支護要求5.2錨桿支護材料5.3錨桿支護設計方法5.3.1工程類比法5.3.2理論計算法5.3.3數(shù)值模擬法2023/7/2015.4錨桿支護設計內(nèi)容5.4.1確定錨桿類型5.4.2選擇錨桿支護形式5.4.3計算錨桿支護參數(shù)2023/7/202山東科技大學5.1錨桿支護要求《煤礦安全規(guī)程》對錨桿支護作出了以下規(guī)定：

第44條規(guī)定：采用錨桿、錨噴等支護形式時，應遵守下列規(guī)定：（一）錨桿、錨噴等支護的端頭與掘進工作面的距離，錨桿的形式、安裝角度，混凝土標號、噴體厚度，掛網(wǎng)所采用金屬網(wǎng)的規(guī)格以及圍巖涌水的處理等，必須在施工組織設計或作業(yè)規(guī)程中規(guī)定。2023/7/203山東科技大學(二)采用鉆爆法掘進的巖石巷道，必須采用光面爆破。(三)打錨桿眼前，必須首先敲幫問頂，將活矸處理掉，在確保安全的條件下，方可作業(yè)。(四)使用錨固劑固定錨桿時，應將孔壁沖洗干凈，砂漿錨桿必須灌滿填實。(五)軟巖使用錨桿支護時，必須全長錨固。(六)采用人工上料噴射機噴射混凝土、砂漿時，必須采用潮料，并使用除塵機對上料口、余氣口除塵。噴射前，必須沖洗巖幫。噴射后應有養(yǎng)護措施。作業(yè)人員必須佩戴勞動保護用品。2023/7/204山東科技大學(七)錨桿必須按規(guī)定做拉力試驗。煤巷還必須進行頂板離層監(jiān)測，并用記錄牌板顯示。對噴體必須做厚度和強度檢查，并有檢查和試驗記錄。在井下做錨固力試驗時，必須有安全措施。(八)錨桿必須用機械或力矩扳手擰緊，確保錨桿的托板緊貼巷壁。(九)巖幫的涌水地點，必須處理。(十)處理堵塞的噴射管路時，噴槍口的前方及其附近嚴禁有其他人員。2023/7/205山東科技大學《煤炭行業(yè)標準》中煤巷錨桿支護技術規(guī)范MT/T1104-2009對錨桿支護作出了以下規(guī)定：1.巷道圍巖地質(zhì)力學評估結(jié)果證明錨桿支護可行時，進行錨桿支護設計。2.在采區(qū)巷道布置時，應盡量使煤巷的軸線方向與最大水平主應力的方向平行。3.煤巷錨桿支護設計應采用動態(tài)設計方法。4.錨桿支護初始設計可采用一種或多種方法組合進行。2023/7/206山東科技大學5.錨桿支護形式以錨桿為基本支護構件，可選用以下構件進行組合：1）組合構件（鋼筋托梁、鋼帶、鋼梁等）；2）護網(wǎng)；3）錨索。6.鉆孔直徑、錨桿直徑和樹脂錨固劑直徑應合理匹配，鉆孔直徑和錨桿桿體直徑之差應為6~10mm，鉆孔直徑和樹脂錨固劑直徑之差應為4~8mm。2023/7/207山東科技大學7.煤巷頂板優(yōu)先采用樹脂錨固螺紋鋼錨桿。8.采煤工作面?zhèn)鹊拿簬蛢?yōu)先采用可切割錨桿。9.煤巷頂板錨桿支護補強加固手段應優(yōu)先采用錨索。10.煤巷復雜地段應進行聯(lián)合支護。復雜地段的支護范圍應延伸到正常地段的5m以上。2023/7/208山東科技大學5.2錨桿支護材料5.2.1一般要求

設計選用的煤巷錨桿支護材料應符合國家標準和相關行業(yè)標準，并具有產(chǎn)品合格證。錨桿（錨索）桿體及其附件、其他組合構件等的力學性能應相互匹配。2023/7/209山東科技大學5.2.2支護材料1.錨桿、托盤、螺母

金屬錨桿、托盤、螺母應符合MT146.2-2002的規(guī)定。樹脂錨桿玻璃纖維增強塑料桿體應符合有關標準的規(guī)定。2.錨固劑樹脂錨固劑應符合MT146.1-2002的規(guī)定。錨固劑生產(chǎn)家應提供質(zhì)量合格證。2023/7/2010山東科技大學3.鋼帶鋼帶的選用應根據(jù)巷道具體情況選用不同型號和規(guī)格，鋼帶材料抗拉強度應不低于375MPa。4.錨索錨索用鋼絞線應符合GB/T5224-2003的規(guī)定，應優(yōu)先選用抗拉強度等級不低于1860MPa，延伸率不小于3.5%，直徑不小于15.2mm的鋼絞線。與鋼絞線配合的錨具應符合GB/T14370-2000的規(guī)定。2023/7/2011山東科技大學5.網(wǎng)煤巷錨桿支護巷道宜選用金屬焊接網(wǎng)，在條件允許的情況下，可選用符合相應技術標準的編織金屬網(wǎng)或其他材料的網(wǎng)。6.噴射混凝土服務期長的巷道或維修巷道可采用噴射混凝土等封閉措施。2023/7/2012山東科技大學5.3錨桿支護設計方法

5.3.1工程類比法

我國多數(shù)錨桿支護設計規(guī)范都明確規(guī)定，錨桿支護設計算應以工程類比法為主，在必要時量測法及解析法為輔。

工程類比法是建立在已有工程支護設計的成功經(jīng)驗基礎之上，在圍巖條件、施工條件等各種影響因素基本一致的情況下，根據(jù)工程師的經(jīng)驗和判斷能力，選定待建工程錨桿支護類型及參數(shù)。2023/7/2013山東科技大學5.3.2理論計算法（一）按懸吊作用計算（二）按擠壓加固拱理論計算（三）組合梁理論計算（四）高強預應力讓壓錨桿設計2023/7/2014山東科技大學5.3.3數(shù)值模擬法1）應用廣泛。2）求解過程：建模，求解大規(guī)模的方程。影響因素：問題，介質(zhì)，精度，邊界條件和初始條件，參數(shù)選取，軟件。2023/7/2015山東科技大學3）數(shù)值模擬軟件：（1）有限元軟件：ANSYS,MARC（2）離散元軟件：UDEC,3DEC（3）有限差分軟件：FLAC3D.

2023/7/2016山東科技大學5.4錨桿支護設計內(nèi)容

5.4.1確定錨桿類型錨桿類型：1）金屬倒楔式錨桿2）管縫式錨桿3）水力脹管式錨桿4）木錨桿和竹錨桿5）鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿2023/7/2017山東科技大學6）樹脂錨桿7）快硬水泥錨桿8）內(nèi)注式錨桿9）可拉伸錨桿10）其它錨桿2023/7/2018山東科技大學5.4.1.1金屬倒楔式錨桿

此種錨桿由桿體、固定楔、活動倒楔、墊板和螺帽組成，如下圖所示。

這種錨桿屬端頭錨固型，安裝后可立即承載，可回收。錨固力達40KN左右。常用于圍巖比較破碎，需要立即承載的地下工程。2023/7/2019山東科技大學2023/7/2020山東科技大學2023/7/2021山東科技大學2023/7/2022山東科技大學5.4.1.2管縫式錨桿

管縫式錨桿又稱開縫式或摩擦式錨桿，它是采用高強度鋼板卷壓成帶縱縫的管狀桿體外徑38.1㎜，用鑿巖機強行壓入比桿徑小2～3mm的錨孔，為安裝方便，打入端略呈錐形。由于管壁彈性恢復力擠壓孔壁而產(chǎn)生錨固力，屬全長錨固型錨桿。

對地層橫向錯動，有良好適應能力，鉆孔變彎曲，錨固得更牢。這種錨桿的成本較高，不能回收復用，但錨固性能好，錨固力大（50~70KN）。2023/7/2023山東科技大學2023/7/2024山東科技大學5.4.1.3水力脹管式錨桿鋼管雙層異形鋼管。高壓水注入鋼管內(nèi)，膨脹變大，擠壓孔壁。錨固力較大，可達80KN。5.4.1.4木錨桿普通木錨桿，壓縮木錨桿2023/7/2025山東科技大學2023/7/2026山東科技大學a.普通木錨桿；b.壓縮木錨桿1—外楔；2—鐵墊圈；3—木托板；4—木桿體；5——內(nèi)楔2023/7/2027山東科技大學5.4.1.5鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿鋼筋或鋼絲繩砂漿錨稈是全長錨固型錨桿。設計錨固力為30～50KN。2023/7/2028山東科技大學5.4.1.6樹脂錨桿

用樹脂為粘結(jié)劑，在固化劑和加速劑的作用下，將錨桿的頭部粘結(jié)在錨桿孔內(nèi)。端頭錨固型樹脂錨桿是由樹脂藥包和桿體組成(下圖)。

使用82型錨固劑，可在15～60s內(nèi)凝膠，5min后錨固力可達40KN以上，可滿足5min以上墊板擰緊螺帽的要求。

使用115型樹脂錨固劑，可在3～5min內(nèi)凝膠達到很高的錨固強度，15min后即可套上墊板緊固螺帽。2023/7/2029山東科技大學2023/7/2030山東科技大學5.4.1.7快硬水泥錨桿

桿體結(jié)構與樹脂錨桿相同，是端頭錨固型錨桿。膠結(jié)材料：國產(chǎn)定型早強水泥和雙快水泥按一定比例混合而成。使用前需浸水2～3min，在錨桿孔內(nèi)經(jīng)桿頭攪拌，12min后錨固力開始增長，1h后錨固力可達40-60kN。適用于圍巖自穩(wěn)時間超過12min的各類永久性地下工程。配合先噴后錨，在軟巖中亦可應用。2023/7/2031山東科技大學2023/7/2032山東科技大學5.4.1.8內(nèi)注式注漿錨桿

不穩(wěn)定圍巖中，單純提高錨桿長度和強度作用很小時，可采用內(nèi)注式注漿錨桿。

注漿硬化圍巖；1）可控內(nèi)壓注漿錨桿斷層破碎帶、淋水帶，需要初錨力和控壓注漿。2）普通內(nèi)注式錨桿2023/7/2033山東科技大學5.4.1.9可拉伸錨桿⑴套管摩擦式可拉伸錨桿這種錨桿是對桿件、內(nèi)錨頭、外錨頭及托板等構件采用特殊結(jié)構實現(xiàn)可伸縮的目的。2023/7/2034山東科技大學⑵彎曲可伸長縮錨桿用優(yōu)質(zhì)鋼材，并對材料進行專門加工處理，可制成較大延伸率的錨桿桿體。2023/7/2035山東科技大學5.4.1.10其它錨桿中空自鉆式錨桿：2023/7/2036山東科技大學各類錨桿特征表（一）2023/7/2037山東科技大學各類錨桿特征表（二）2023/7/2038山東科技大學各類錨桿特征表（三）2023/7/2039山東科技大學5.4.2選擇錨桿支護形式（1）單體錨桿支護（2）錨噴支護（3）錨網(wǎng)噴支護（4）錨網(wǎng)支護或錨笆支護（5）錨帶支護2023/7/2040山東科技大學（6）錨梁支護（7）錨桁支護（8）錨網(wǎng)帶或錨網(wǎng)梁支護（9）錨網(wǎng)桁支護（10）錨索支護（11）錨注支護2023/7/2041山東科技大學錨桿支護形式的選擇，必須根據(jù)巷道的用途、服務年限、圍巖強度、地應力大小等因素來確定。錨噴、錨網(wǎng)噴等形式多應用于服務年限長的開拓巷道和硐室（巖巷）。錨帶、錨網(wǎng)、錨梁、錨帶網(wǎng)、錨桿桁架形式多應用于服務年限較短的采準巷道。各類圍巖煤巷的錨桿支護形式如下表所示。2023/7/2042山東科技大學2023/7/2043山東科技大學5.4.3計算錨桿支護參數(shù)1）錨固力

錨固力：錨桿對于圍巖的約束力。在實際應用中，大都以抗拔力為錨固力。

錨桿安設在巖體內(nèi)部，它的受力以及它作用于圍巖的力同框式支架相比要復雜很多。2）錨桿長度和直徑3）錨桿間距和排距2023/7/2044山東科技大學錨桿約束圍片的力2023/7/2045山東科技大學

2023/7/2046山東科技大學

2023/7/2047山東科技大學

2023/7/2048山東科技大學

2023/7/2049山東科技大學

2023/7/2050山東科技大學2023/7/2051山東科技大學5.4.3.3組合拱作用計算錨桿參數(shù)

由錨桿預應力形成的承壓拱穩(wěn)定性，可按照結(jié)構力學理論由拱座處巖石的最大抗壓強度、巖拱的抗剪能力及巖拱保持其承載拱形狀的變形等三個方面校核，并確定錨桿參數(shù)；也可按照固體力學理論由彈塑性解試算錨桿參數(shù)。2023/7/2052山東科技大學

根據(jù)錨桿組合拱作用，巷道圍巖內(nèi)的錨桿將在破裂區(qū)內(nèi)形成一個防止破裂區(qū)擴展到承壓拱，可以承受破裂區(qū)上部巖石的徑向荷載。2023/7/2053山東科技大學案例濟寧二號礦4304回采巷道支護設計2023/7/2054山東科技大學1.支護問題濟寧二號礦4304頂煤最大厚度可達2.5m左右（巷道高度2.8m），上部泥巖厚度為1.6m左右，煤與泥巖復合形成的軟層頂板厚度最大可達4.1m左右；同時又加之巷道斷面擴大至4.2m，這樣，2.2m長的普通錨桿很難對4.1m左右的復合軟層頂板起到有效的加固作用，如下圖所示。因此，必須選用較長的錨桿進行加固。2023/7/2055山東科技大學普通錨桿支護頂板失穩(wěn)示意圖2023/7/2056山東科技大學2.支護方式選擇根據(jù)這種軟層復合頂板的特點，采用預應力錨索與錨桿聯(lián)合加固方案，即在普通錨桿錨固的基礎上通過沿適當斷面安裝錨索對頂板進行加固，其作用為：（a）錨索可將上位的頂板加固成為一個具有較強承載能力的上位壓力拱，稱之為“外拱”；（b）“外拱”不僅能保持自身的穩(wěn)定性，而且成為下位由常規(guī)錨網(wǎng)支護形成的平衡拱即“內(nèi)拱”賴以保持穩(wěn)定的基礎，如下圖所示；2023/7/2057山東科技大學錨索加固機理示意圖（斷面圖）2023/7/2058山東科技大學（c）通過適當?shù)呐啪?，錨索將使得沿巷道的走向“外拱”相互重疊，保持“外拱”范圍內(nèi)巖體整體穩(wěn)定性，如下圖所示：錨索加固機理示意圖（走向剖面圖）2023/7/2059山東科技大學

2023/7/2060山東科技大學當寬度比3.8/2.8=1.36時，kc=3.0；取γ=25KN/m3;當兩側(cè)均為實體煤時，Kc=1；幫的單向抗壓強度σm=19.1Mpa；煤層的內(nèi)摩擦角為20°；埋深取為H=651.49m。將上述參數(shù)帶入得：C=2.02m2023/7/2061山東科技大學

2023/7/2062山東科技大學4.普通錨桿加固參數(shù)（a）幫錨桿長度如下圖所示，對于兩幫的加固，可以取在破壞范圍的2/3處，即合力作用點所處位置，作為兩幫支護長度的下限，而全部破壞范圍作為支護的上限。因此，兩幫錨桿有效范圍長度l幫=1.346~2.02m，取平均值l幫=1.68，考慮到外露部分長度0.2m，則實際幫錨桿長度為l′幫=2.0m。2023/7/2063山東科技大學巷道圍巖破壞范圍示意圖2023/7/2064山東科技大學（b）頂錨桿長度同樣，沿著支護合力作用點為端點形成的拱高b1作為頂板錨桿支護的下限，頂板在支護條件下全松動范圍拱高作為支護的上限，故頂板錨桿有效錨固長度l頂為:取平均值并考慮外露端長度0.2m，則頂板錨桿的實際長度取l頂=2.2m。2023/7/2065山東科技大學（c）頂板錨桿間排距頂板錨桿數(shù)量應滿足以下兩個條件：

1）能有效承受拱內(nèi)巖重；

2）桿體抗剪強度能滿足要求。2023/7/2066山東科技大學（Ⅰ）平衡拱內(nèi)巖重所需錨桿間距S1式中RT—錨桿的實際錨固力，取RT=40KN/根；

k—安全系數(shù)，取k=3；

γ—煤的體積密度，取γ=13.5KN/m3。將上述參數(shù)代入得：2023/7/2067山東科技大學（Ⅱ）校核桿體抗剪強度所需錨桿間距S2式中b—頂板最大破壞范圍;k2—頂板抗剪安全系數(shù)，一般取k2=3~5；P0—錨桿錨固力，P0=40kN；2a—巷道跨度，取2a=4.2m；l頂—頂板錨桿有效錨固長度f—分層間摩擦因數(shù)，取f=0.3。將上述參數(shù)代入得：s2=1.2m。2023/7/2068山東科技大學

2023/7/2069山東科技大學綜上所述，4304回采巷道錨桿支護形式及參數(shù)選擇（見下圖）如下：1）頂板：