锚固剂的作用原理

煤巷锚杆支护机理探讨李学文（龙煤集团能岗分公司兴安煤矿，黑龙江鹤岗154102）摘要该文根据锚杆在实际支护中的作用，针对回采巷道的支护特点，论述了回采巷道不同受力阶段锚杆的支护机理。同时也阐述了锚索的作用。锚杆受力的主要原因是围岩扩容、离层与滑动作用造成的，锚杆支护可在围岩破坏区内形成次生承载结构，保持锚固区的稳定，不易发生破碎变形与滑动。关键词锚杆支护围岩支护机理应用效果中图分类号TD353+．6文献标识码A锚杆支护机理的研究目的是弄清锚杆、锚索与围岩三者之间的相互作用关系，从而为锚杆支护设计提供理论基础。笔者根据锚杆支护在兴安煤矿的实际应用加之理论分析，广泛、深入地探讨了煤巷锚杆支护作用机理，从而为锚杆支护设计提供可靠的保证。1锚杆的作用（1）锚杆的作用机理主要表现在两方面：①抗拉作用；②抗剪作用。（2）锚固剂的作用是将钻孔孔壁岩石与锚杆杆体粘结在一起。锚固剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿径向方向是均匀分布的。锚杆作用主要有两方面：①将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力。②当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。（3）钢筋网可以用来维护锚杆间的围岩，防止松动小岩块掉落。钢筋网所能承受松散岩石的载荷与锚杆间距密切相关。一定程度上能够控制松散岩石的进一步变形。（4）钢盘托除可以防止锚杆间的松动岩块掉落外，还可均衡锚杆受力，改善顶板岩层应力状态，与钢筋网、锚杆共同形成组合支护系统，增加围岩的稳定性，减少了巷道围岩的变形量。2煤巷锚杆支护原理分析根据锚杆支护的扩容－稳定理论及对兴安煤矿三水平南23层一四区三段煤田、二水平南28层一区二段煤田、三水平北21层二区三段煤田以及三水平北18层边界区煤田回采巷道围岩变形、破坏的分析，锚杆支护的作用原理如下：2．1锚杆的初期作用*收稿日期：2011－07－06作者简介：李学文（1974－），男，工程师，黑龙江省鹤岗市人1994年毕业于阜新煤炭工业学校采煤专业，现任黑龙江龙煤矿业集团鹤岗分公司兴安煤矿掘进二区副区长。在巷道开掘初期阶段，顶板破坏范围较小，此时锚杆的作用主要是控制顶板下部岩层的滑动、离层、失稳。此时锚杆安装越及时，预紧力越大，围岩的变形量越小，则锚杆的支护效果越好。可见，锚杆预紧力越大，锚杆直径越大，锚杆提供的抗剪力越大，岩层间越不容易发生错动。相反，如果锚杆安装不及时，锚杆没有达到预紧力，则只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，即在锚杆起作用前，顶板岩层就已经产生滑动、失稳和离层的现象，显然不能有效控制之前的顶板岩层的离层和失稳的现象，达不到锚杆的锚固效果。2．2锚杆的中期作用掘进影响稳定后至受到采动影响前称之为锚杆支护的中期阶段。此阶段主要是由于岩石的流变效应，致使随着时间推移，岩层强度不断降低，顶板下沉量及锚杆受力逐渐加大，导致巷道围岩破坏严重。通过兴安煤矿在实际应用表明，当锚杆能锚固到上部稳定岩层时，其主要作用表现为：（1）将围岩破坏区内的岩层与稳定岩层相连，阻止破坏岩层垮落。（2）锚杆提供径向和切向支撑力，阻止破坏区岩层扩容、离层及滑动，提高岩层的水平承载能力。当锚杆不能锚固到稳定岩层时，锚杆的作用主要为：①可以阻止锚固区域内的岩层扩容、离层及滑动，从而提高岩层的水平承载能力，在破坏范围内形成次生承载层，它可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层。②次生承载层形成后，会使上部岩层内的应力分布趋于均匀，有助于巷道的稳定。2．3锚杆的后期作用当巷道支护时间很长或受到回采影响后，巷道围岩破坏区会进一步扩大，围岩变形急剧增加，锚杆的受力也随之增大。3煤帮锚杆的作用通过实际应用，表明巷道侧帮变形与破坏规律很多方面同顶板类似。对于煤巷，由于煤帮的强度一般比顶板强度小而且顶板与煤层层面的强度更小，因此与岩石巷道相比，煤巷变形和破坏有其特点。（下转第140页）8312012年第2期3．1工作面地质条件31120薄煤层工作面围岩条件复杂，直接顶为砂质泥岩，厚度0．30～4．80m，平均1．50m；老顶为香炭砂岩，厚度为3．28～15．40m，平均厚度8．90m；直接底为厚度0．20～2．30m，平均1．30m厚的砂质泥岩组成；老底由平均18．90m厚的大占砂岩组成。煤层厚度0．2～2．0m，平均厚度约1．36m，倾角2～6°，有走向起伏，煤层为黑色鳞状或粉状，半光亮型，煤质为痩贫无烟煤，局部含夹矸。矿区大部分可采。3．2采煤方法和回采工艺31120工作面采用薄煤层综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。工艺流程为割煤→移架→推溜，采用中部斜切进刀，反向割三角煤方式，往返一次割一刀。采用ZY3400/12/23型掩护式液压支架支护顶板，共计102架。邻架操作，及时支护，端头支护采用迈步自移支护。工作面采用MG250/560—WD型双滚筒采煤机落煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤。该面由滚筒式采煤机的滚筒螺旋叶片进行主装煤，刮板运输机铲煤板进行辅助装煤。工作面使用一部SGZ764/500型输送机将原煤运至下顺槽，下顺槽采用转载机及皮带机将煤运至出煤系统。ZY3400/12/23型掩护式液压支架采用液压控制系统操作，可实现操作方式为：邻架操作；各工序作业间距为拉架步距600mm/次且溜子直线段偏差±50mm，弯曲段＞25m。3．3技术理论和现场观测试验（1）利用矿压在线监测系统，实时观测工作面液压支架受力状况，掌握工作面初次来压、周期来压步距和压力大小、研究回采与放煤等不同工序时期的矿压参数变化。（2）掌握工作面顶底板移近量变化与工作阻力变化之间的变化规律，总结工作面不同时间段（初次来压、周期来压等）顶底板的变化特征。（3）利用巷道顶板离层观测仪和测杆，观测、研究采煤工作面推进过程中顶板的移动规律。通过对上述几个方面的研究，制定出31120薄煤层工作面开采技术，为薄煤层工作面开采工艺的安全性评价和制定有针对性的作业规程和相关的安全技术措施提供基础资料。（上接第138页）巷道开掘初期，煤帮变形和破坏范围都较小。锚杆的作用在于控制浅部煤层的扩容和松动。显然，同顶板锚杆一样，帮锚杆安装越及时，预紧力越大，效果越好。然而随着时间推移，由于煤层的流变效应，导致破坏范围逐渐扩大。如果不采取支护，会导致煤层片帮，顶板变形量增大。因此采用锚杆支护后会出现两种效果。（1）锚杆能锚固到稳定煤层时，帮锚杆的作用主要表现为将破坏煤层与稳定煤层相连，阻止破坏煤层向巷道内移动。锚杆给破坏区煤层提供径向和切向约束，从而减小煤层扩容、松动和位移，增大其承载能力。有利于阻止煤帮的整体移动。（2）锚杆不能锚固到稳定煤层时，锚杆主要起到破坏煤层内形成次生承载层的作用，它具有较大的垂直承载能力，并能阻止内部煤层的进一步扩容、松动。有利于减小锚固区域内煤层的整体移动。4顶板支护与两帮支护的关系保持煤帮的稳定性，给顶板支护系统提供了强有力的支点，不会出现煤层片帮而引起巷道跨度增大，导致顶板下沉剧烈、失稳、垮落等现象。同样，顶板保持稳定、完整也有助于煤帮的稳定性，两者是相辅相成的，任何一个环节出现问题，都会影响巷道围岩的整体稳定性。由于煤层相对较软，两帮是易变形的部位，因此回采巷道两帮的支护显得尤为重要。5锚索作用机理与锚杆相比，锚索具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大的预紧力等诸多优点，是困难巷道工作支护加固不可缺少的重要手段。目前，兴安煤矿生产实际中普遍采用的是小孔径树脂锚固预应力锚索。一般认为这种锚索主要起悬吊作用，锚索把下部不稳定岩层悬吊于上部稳定的岩层。锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键承载层相连，阻止因次生承载层失稳而引起的顶板垮落。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。6结论通过兴安煤矿在三水平南23层一四区三段煤田、二水平南28层一区二段煤田、三水平北21层二区三段煤田、三水平南24层一二区二段煤田、三水平南27层边界区三段煤田以及三水平北18层边界区煤田实际应用表明：巷道围岩的扩容、离层与滑动是锚杆受力的主要原因。回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差别，因而锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好。锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键承载层相连，阻止因次生承载层失稳而引起的顶板垮落。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度保持围岩的稳定性。0412012年第2期

锚杆的分类与安装及锚杆支护作用机理

2010-08-12 09:46:12 互联网

1.锚杆支护作用机理

锚杆支护的作用机理有加固拱作用、悬吊作用、组合梁作用、围岩补强作用和减小跨度作用等，如图5—3所示。(风险世界网 专业研究安全风险管理,安全员的门户网站!)

(1)悬吊作用在层状岩层中，锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳固的岩层上。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。

(2)组合梁作用在没有稳固岩层的薄层状岩层中，通过锚杆的预拉应力，将视为组合梁的各薄岩层挤紧，提高其自承能力。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性质。

(3)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，而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱，从而保持巷道的稳定。

(4)减少跨度作用巷道顶板打上锚杆，相当于在该处打上了点柱。因此，就相当于把巷道顶板岩石悬露的跨度缩少了，从而提高了顶板岩层的抗弯曲能力。

2.锚杆的分类与安装

1)木锚杆

我国使用的木锚杆有两种，即普通木锚杆和压缩木锚杆。

(1)普通木锚杆，是采用优质木材制作的，常用的有榆木、槐木、桑木等。要求木纹平直、无疵病，有足够的强度。普通木锚杆由木内楔、木杆体、木托板和木外楔组成。杆体上下两楔缝应相互垂直，防止打楔造成劈裂。 木锚杆的安装方法是先将木内楔插到锚杆顶端楔缝中，然后将杆体放入眼孔内，在锚杆尾端加力锤击，锚杆锚固后，再上好木托板，在锚杆尾端楔缝中加打木外楔封住眼孔并撑紧托板。

普通木锚杆结构简单，取材方便，加工容易，成本低。但锚固力小，易腐朽变形，多在服务年限短的采区煤或半煤巷中锚固煤帮用，使用时应注意防腐处理。

(2)压缩木锚杆，是利用压缩木制成的锚杆。压缩木是把潮湿的木材加以横纹压缩，就会产生较大的弹性变形，在变形状态掘进工下予以热处理和冷却，弹性变形就转化成塑性变形即成了压缩木。当压缩木吸水后，塑性变形又转化为弹性变形，产生一种能恢复到接近原来尺寸和开头的膨胀特性。压缩木的密度可达1.4t/m3力学强度要比一般木材大2～3倍。

水电水利工程预应力锚杆用水泥锚固剂技术规程

水电水利工程中，预应力锚杆是一种很重要的固结构件，在建筑地质勘测中经常会用到。其作用是将连续墙体、钢筋和混凝土构件等通过预应力形成一个整体，从而增强其对于外力作用的抗力和刚度，保证工程结构的可靠性和安全性。

预应力锚杆的技术要求十分严格，其固结方式对于工程质量同样有着至关重要的影响。目前，使用水泥锚固剂来固结预应力锚杆的情况比较普遍。下面，我将就水泥锚固剂技术规程进行详细的介绍。

首先，需要说明的是，水泥锚固剂是使用硬化后的水泥浆将锚杆安装孔内部与锚杆连接固定的材料。其主要组成成分是水泥、砂子、水和硬化控制剂等。在使用水泥锚固剂时，应按照以下的技术规程进行施工：

一、确认预应力锚杆钢筋束的长度和加工工艺，将预应力筋组合成，安装在定型钢模内，形成整个预应力锚杆。

二、在钢模中设置多个预应力锚杆孔，定位预应力锚杆角度、位置及距离。

三、在预应力锚杆孔中钻孔并清理，以确保充分聚合效果将来进行浇注时的出钢筋，并准备好充分的充填材料。

四、水泥锚固剂搅拌准备工作，将准备好的水泥锚杆三灌注到锚杆孔内。

五、水泥锚固剂的浇注，先从孔内靠后部分浇注，再由小往大的顺序纵向浇注。

六、垂直层肘和斜向的斜肘的弯曲部分要在水泥浆充填之后在两端加上钢制管套，封堵好水泥浆流出就可以。

七、水泥锚固剂充填完毕后，在其硬化之前，应遵守以下规定，以保证其固结效果：

1.不能触碰、移动和震动，避免破坏结构的固钉特性；

2.不能受到水的浸润，避免水泥固化过早；

3.等待水泥经过充分的饱和、膨胀和收缩之后，然后在一定时间内进行预应力装置的变形（张拉）。

总的来说，使用水泥锚固剂进行预应力锚杆的固结技术规程是比较严格的，需要严格按照规范进行施工，在施工过程中认真把控监测结果，进行必要的调整和修正，以保证整个工程结构的质量和安全性。

锚喷支护的原理

锚喷支护是一种由锚杆和喷射混凝土面板组成的支护形式，其原理主要包括以下几点：

1、锚杆的锚固作用：锚杆通过在围岩中钻孔、插入锚杆、注入锚固剂等步骤，将锚杆固定在围岩中，形成一种锚固体系。锚杆在围岩中产生的锚固力可以有效地提高围岩的稳定性和抗变形能力。

2、喷射混凝土的加固作用：喷射混凝土通过高压空气将混凝土混合料喷敷在围岩表面，形成一种密实的面板，可以有效地封堵围岩表面的裂缝和漏洞，使围岩表面平整，提高了围岩的整体性和稳定性。

3、锚杆和喷射混凝土的共同作用：通过锚杆和喷射混凝土的组合作用，可以形成一种具有较高承载能力和较强变形能力的支护体系。锚杆通过锚固作用将围岩与喷射混凝土面板连接在一起，使整个支护体系成为一个整体，共同承担围岩的压力和变形。

4、及时性：锚喷支护可以在施工期间及时对围岩进行加固，有效地控制围岩的变形和失稳，具有很好的及时性。

综上所述，锚喷支护的原理是通过锚杆的锚固作用、喷射混凝土的加固作用以及两者的共同作用，实现对围岩的加固和稳定，提高围岩的承载能力和稳定性，达到维护巷道和保障安全的目的。