锚杆支护原理及施工工艺
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锚杆支护原理及施工工艺
一、锚杆支护原理
1、锚杆的悬吊作用
悬吊作用是指用锚杆将软弱的直接顶板吊挂在其上的坚固老顶之上。如图1所示，或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块连接在松动区外的完整坚固岩石上，使松动岩块不至冒落。
图1 锚杆的悬吊作用
（a）悬吊软弱层状顶板；（b）悬吊危岩 1-锚杆；2-不稳定岩层；3-危岩；4-稳定围岩
这一理论提出的较早（1952-1962年LouisA，paneK经过理论分析及实验室和现场测试提出），只有满足其前提条件时，才有一定的实用价值，在我国，由于锚杆长度一般在1.6-2.2m之间，当破碎带较大超过其锚杆长度时，采用悬吊理论无法设计支护参数，而且大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆也能发挥其作用。例如，在全煤巷道中，锚杆锚固在煤层中也能起到支护作用，这从一个侧面说明悬吊理论在应用中的局限性。
2、锚杆的组合梁理论
为了解决悬吊理论的局限性，1952年德国Jacobio等在层状地层中提出了组合梁理论。理论认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄
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层状岩层中，利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是锚杆组合梁作用。组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁（板）的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力；同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层便可看成组合梁，全部锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯刚度得以大大提高，决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力及杆体强度和岩层的性质。如图2
图2 锚杆的组合梁作用 （a）不打锚杆；（b）布置顶板锚杆
1-锚杆；2-层状地层
这一观点有一定影响，但是其工程实例比较少，也没有进一步的资料供锚杆支护设计应用，尤其是组合梁的承载能力难以计算，而且组合梁在形成和承载过程中，锚杆的作用难以确定。另外，岩层沿巷道纵向有裂缝时，梁的连续性问题、梁的抗弯强度等问题也难以解决。
3、挤压加固拱作用
形成以锚杆头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。如将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列，在预应力作用下，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，在围岩中形成一连续压缩带。它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，组织上部围岩的松动和变形。
显然，对锚杆施加预紧力是形成加固拱的前提。如图3
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图3 锚杆的加固拱作用
（a）锚固层组合拱；（b）压力拱效应
4、锚杆锲固作用
是指在围岩中存在一组或多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4。
бbббpcosα+бbsinααбpb22αбpбpбpбpsinαcosα节理面(бp- бb)sinαcosα顶板线节理面顶板线б锚杆的楔固作用b锚杆的楔固作用бb
5、锚杆的减跨作用
如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于在该处打了点柱增加了支点而减少了顶板的跨度，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的“减跨”作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。
上述几种锚杆支护作用并非是孤立存在的，实际上是相互补充的
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综合作用，只不过在不同地质条件下，某种支护作用占的地位不同而已。
二、锚杆支护作用机理分析
巷道开掘以后，由于受掘进工作面迎头及两帮的支撑，顶板下沉和变形很小。此时安装锚杆，其主要作用是控制顶板浅部岩层的离层、滑动。锚杆安装越及时，预应力越大，则锚固范围内岩层的整体刚度越高，岩层处于压缩状态，岩层间不发生离层和弯曲变形等有害变形，岩层的完整性和整体强度得到保持。
相反，如果锚杆没有预应力，则只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，显然不能控制在这以前顶板岩层的离层和错动，导致顶板从浅部向深部逐渐离层、破坏，失去完整性与稳定性。预应力太小也不能起到有效约束顶板离层的作用。如果锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生离层、滑动，岩层承载能力丧失很大，再打锚杆，支护效果效果会受到明显影响。综上所述，提出锚杆支护机理的要点为：
(1) 锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，尽量使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，提高锚固区围岩的整体强度和稳定性。
(2) 在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。
(3) 为了实现上述支护效果，锚杆支护系统的刚度十分重要，特别是锚杆预应力起着决定性作用。根据巷道围岩条件确定合理的锚杆预应力是支护设计的关键。当然，较高的预应力要求锚杆具有较高的强度。
(4) 锚杆预应力的大小对支护效果非常重要，锚杆预应力的扩散同样重要。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面，即使施加很小的支护力，也会明显抑制围岩的变形与破坏，保持顶板的完整。因此，钢带、金属网等护表构件在预应力
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支护系统中发挥重要的作用。
(5) 鉴于锚杆支护的上述作用，锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。
三、锚杆施工工艺
1、打锚杆眼
（1）打眼前，首先严格按中、腰线（或激光线）检查巷道断面规格，不符合设计要求时必须先进行处理；
（2）打眼前要先按照由外向里、先顶后帮的顺序。
（3）打设锚杆眼前必须严格执行“敲帮问顶”制度，处理好浮石及罩头，确认安全后方可作业。
（4）锚杆眼位置要准确，眼位误差不得超过100mm，眼向误差不得大于15°。锚杆眼深度应与锚杆长度相匹配，打眼时应在钻钎上做好标志，严格按锚杆长度打锚杆眼。 （5）打锚杆眼严禁戴手套。 （6）严格杜绝出货支护平行作业。
2、安装锚杆
树脂锚杆的安装工序包括装锚固剂、插入杆体、搅拌树脂锚固剂、等待固化，以及拧紧螺母，使锚杆达到设计预紧力。
（1）安装前应将眼孔内的积水、岩粉用压风吹扫干净。吹扫时，操作人员应站在孔口一侧，眼孔方向不得有人。
（2）装树脂锚固剂。在装树脂锚固剂前，应检查锚固剂是否过期、硬化或损坏，这些锚固剂严禁使用。按设计要求的树脂锚固剂型号、数量、顺序，依此装入钻孔内。
（3）插入杆体。锚杆杆体套上托板并带上螺母，杆尾通过安装器与锚杆钻机机头连接，杆体端部插入已装好树脂锚固剂的钻孔中，升起锚杆钻机，利用杆体将孔口处的树脂锚固剂送入孔底。
（4）搅拌树脂锚固剂。利用锚杆钻机带动锚杆杆体旋转搅拌树脂锚固剂，随即快速旋转8-15秒后停转，等待锚固剂凝固。
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（5）拧紧螺母施加预紧力。继续保持推力60秒后，采用锚杆钻机拧紧螺母，压紧托盘，给锚杆提供一定的预紧力。当锚杆钻机的扭矩力不能满足锚杆设计预紧力的要求时，必须采取扭矩扳手、扭矩倍增器或锚杆张拉器等设备对锚杆施加预紧力。
（6）安装锚杆时必须保证四人作业，两人用手托住钢带紧贴顶板。一人操作钻机，另一人安装锚杆(禁止带手套，防止转动中绞手伤人)。 3、锚杆安装顺序
先支护顶板锚杆，待出货完毕后，再支护两帮锚杆。严格杜绝锚杆穿皮。
四、施工注意事项：
1、成孔质量包括三个方面
(1)孔直度要高，即接换钻杆时，应确保钻机位置不动，保持一条中心线；
(2)孔深应准确，即要求采用与锚杆等长的钻杆完成钻孔，误差不能大于2cm；
(3)孔壁要清洁，钻孔完成后，应反复冲刷直至孔内出清水，不留煤岩粉。
2、保证锚杆具有较高的初锚力
(1)搅拌及时，匀速搅拌至孔底，并保证整个搅拌时间达到30s； (2)等待充分，确保50s后树脂凝固一次上紧；
(3)掉顶处应及时采用各种规格的木楔调节，木楔位置必须放置在钢带和金属网之间，使金属网紧贴岩面；
(4)采用锚杆钻机检查螺母扭紧程度时，单体锚杆钻机不能继续转动；
(5)必须有专人对锚杆进行二次加扭，使锚杆的预紧力达到设计要求。
3、锚杆安装合格应有以下几个标志
(1)丝扣露出螺母10≤L≤40mm，确保锚杆上紧时，仍留有丝扣； (2)网应封闭顶帮岩煤体，金属网搭接长度为100mm，接扣间距≤50mm。
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