锚杆及其钻孔机构


发布时间:

2018-02-07

锚杆是锚喷支护中锚固围岩,主要承受拉应力和剪切应力的构件。锚杆支护就是在巷道掘进后向围岩钻锚杆眼,然后将锚杆安设在锚杆眼内,对巷道围岩予以人工加固,加以维护。通常其一端(锚固端)设有锚固机构,以将锚杆固定在围岩钻孔之中;另一端(锚杆尾部)装有紧贴岩石表面紧固的托板承受围岩的荷载,并将其传递给锚杆。在锚固力的作用下,锚固端和托板之间的围岩就处于应力之下,致使岩体摩擦阻力增大,应力分布和应力状态改变,从而发挥和利用围岩的强度、提高围岩的稳定性与自承能力,防止围岩产生松动塌落。

  一、概述

  锚杆是锚喷支护中锚固围岩,主要承受拉应力和剪切应力的构件。锚杆支护就是在巷道掘进后向围岩钻锚杆眼,然后将锚杆安设在锚杆眼内,对巷道围岩予以人工加固,加以维护。通常其一端(锚固端)设有锚固机构,以将锚杆固定在围岩钻孔之中;另一端(锚杆尾部)装有紧贴岩石表面紧固的托板承受围岩的荷载,并将其传递给锚杆。在锚固力的作用下,锚固端和托板之间的围岩就处于应力之下,致使岩体摩擦阻力增大,应力分布和应力状态改变,从而发挥和利用围岩的强度、提高围岩的稳定性与自承能力,防止围岩产生松动塌落。

  锚杆的分类。根据在岩层中的锚固形式分为粘结式铀杆、摩擦胀固式锚杆、机械锚杆:按锚固范围可分为端部锚固锚杆,全长锚固式锚杆;按受力状况可分为预应力锚杆、无预应力锚杆;按材质可分为钢锚杆、木锚杆、竹锚杆、化学锚杆等等。

  全长锚固式锚杆又分为全长粘结式和摩擦胀固式锚固锚杆,前者是通过粘结剂来取代锚固机构,锚固力向岩层传递,主要是通过粘结的形式;而后者是向钻孔壁通过机械或者摩擦胀固等施加压力。全长粘结式锚杆安装时一般不产生预应力。

  二、锚杆作用原理

  1、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,就能提高岩体结构纵弱面的抗剪强庋,在围岩周边一定厚度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移动和变形的加固拱,从而保持巷道的稳定性。

  在弹性体上安装具有预张力的锚杆,一方面对围岩产生压应力,增加岩体节理裂隙面的摩擦阻力,另一方面预张力将岩块夹持在一起,能防止岩块的相对转动滑移和裂隙的张开,保证了裂隙面间的挤压结合。因而在弹性体内便以锚杆的锚头和拧紧部为顶点,形成算盘珠式分布的锥形体压缩带。如将锚杆以适当间距排列,使相邻锚杆的锥形体压缩带相重叠,便可形成连续压缩带,即岩石加固拱,它使巷道围岩由“载荷”变成了“承载结构”。

  2、悬吊作用

  悬吊作用是指锚杆把将要冒落的软弱岩压或危岩悬吊于上部坚固稳定的岩体上,用锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量。如煤巷的直接顶板一般比较软弱,且不厚,很容易离层冒落,它上面的老顶则比较坚固,这时,锚杆可以通过直接顶板达到老顶,把直接顶锚固在老顶上。锚杆的这种作用就象是“钉钉子”,把容易冒落的直接顶板“钉牢”在老顶上。

  3、组合梁作用

  在层状岩层的巷道顶板中,通过锚入一系列的锚杆,将锚杆长度以内的薄层岩石锚成岩石组合梁,从而提高其承载能力。在层状顶板中安设锚杆后,岩层由叠合梁变成组合梁,从而提高了顶板岩层的承载能力。锚杆本身也起着抗剪销钉的作用,有效地防止了岩层的层间错动。

  4、围岩补强作用

  巷道围岩深部的岩石处于三向受压状态。靠近巷道周边的岩石则处于二向受力状态,故易于破坏而丧失稳定性。巷道周围安设锚杆后,有些岩石又部分地恢复了三向受力状态,增大了它本身的强度。另外,锚杆也可以增加岩层弱面的剪断阻力,使围岩不易被破坏和失稳。这就是锚杆时围岩的补强作用。

  5、减小跨度作用

  巷道顶板打了锚杆,相当于在该处打了点柱,减少了顶板跨度,从而增强了顶板岩石的稳定性,使岩石不易变形和破坏。

  6、挤压连结作用

  锚杆将巷道围岩锚栓挤紧,对岩石施加预应力,以平衡岩石内所产生的张应力,阻止裂隙的继续扩大。而且对于松散的岩石能起到挤压连结和加固作用。通过锚杆的预应力作用,可以在彼此毫无粘结力的碎石之间产生一种侧向挤压摩擦阻力,足以支持碎石自身的重量而不会摔下未,好象碎石间互相连结起来一样。

  锚杆支护的上述几项作用并非各自独立存在,往往是同时并存、互为补充,只不过在不同条件下,某种支护作用占主导地位而已。

  三、 粘结式锚杆

  (一)树脂锚固锚杆系统

  树脂锚固锚杆系统,系由锚固剂(聚乙稀类的复合薄膜卷制成胶囊分别注入树脂、固化剂和促凝剂,严密包装在胶囊袋中,并根据需要制成不同长度和不同直径的规格)、金属的或木制的锚杆杆体和托板组合(金属的或木制的锚杆杆体塞入树脂胶囊中),形成锚固系统。

  安装过程中,锚杆杆体起混合器的作用,锚杆旋转进入钻孔,使预先放置于钻孔顶部的树脂胶囊被捣破,使树脂和固化剂混合起化学反应,树脂会很快的固化,把岩石与锚杆胶结在一起,起到锚固作用,安装后一般 4~15分钟即可承受载荷。

  树脂锚固胶囊是由不饱和聚胺树脂、固化剂、促进剂和无机填料等按一定配比组成胶泥状粘结的锚固材料,其特点是:常温快速固化、粘结强度高、锚固力可靠、具有抗震效应。适应于钢锚杆、木锚杆、竹锚杆等配套使用。

  锚杆杆体一般采用圆钢加工而成,其锚固端压扁拧转成反麻花状,使固化后杆体有较大的结构阻力,增强锚固的可靠性。直径16~20mn的杆体其锚固长度应为200~250mm。杆体端头横向压扁,其顶部宽度为38mm。自杆体至端头压扁截面之间应是渐变的,以防止变化过大产生的应力集中。杆体端头锚固部分应设置挡圈,以防止树脂外流。

  对沿钻孔全长锚固的锚杆,则采用螺纹钢做杆体加工。

  金属锚杆杆体的材质,按围岩性质、所需要的锚固力等选项用。

  树脂锚杆的锚固力是指锚杆被拔出的最大载荷。其大小取决于锚固剂与杆体之间的粘结强度、锚固剂与锚固体(围岩、混凝土等)之间的粘结强度、杆体本身的强度。

  影响树脂锚杆锚固力的因素:

  1、安装操作:如钻孔偏深,未锚到底:杆体丝扣破坏:搅拌时间短混合不匀,固化不完全;搅拌时间过长,破坏已开始胶凝的固化剂分子结构;固化剂尚未固化而发生杆体与锚固剂产生相对移动等,均将降低锚固力、增大锚杆的移动量。

  2、围岩与地质条件:一般来说,岩石坚硬,与锚固剂的粘结强度高,锚固力大,位移则小:岩石松软或节理层理发育,特别是煤层、断层破碎带等,其锚固力则低,位移就大。

  3、放炮震动和低温条件:树脂锚杆半小时后,震动对锚固力无影响。低温时对固化不利。

  4、钻孔中有淋水、积水、特别是孔中的泥浆,会降低锚固力。

  5、锚孔直径与杆体直径相适应:锚孔直径应大于杆体直径4~12mm、或者通过头部砸扁成麻花状,以形成需要的环形间隙。

  锚杆安装操作步骤:

  1、安装前检查锚孔深度(锚杆的眼深不应小于杆体有效长度,但也不应超过杆体有效长度30mm;锚杆眼距误差不宜超过150mm,其钻孔轴线应符合设计规定),锚杆眼位、眼径、眼深及布置形式应符合设计要求。锚杆原材料型号、规格、品种,锚杆各部件质量及技术性能应符合设计要求。检查树脂胶囊有否变质、硬化现象,遇有早固化硬结者不能使用。

  2、安装前用压缩空气吹扫眼内积水和岩粉、泥浆,防止影响锚固剂与孔壁的粘结。

  3、树脂锚杆搅拌的工具——钻机和连接头,必须对正中(连接头由长0.2~0.3m的麻花钻杆焊上套筒或螺母构成)。

  4、安装时,先将胶囊送入钻孔内,再把杆体插入孔中,将胶囊徐徐推入到孔底,然后在杆体尾部套上钻机,开动钻机撕破塑料薄膜并搅拌(钢杆体搅拌30S左右,木杆体搅拌20S左右),在安装、搅拌过程中不能停钻。

  5、杆体安装完毕后,为防止在胶凝期间杆体因自重而下滑,在取下钻机之前可用木楔或矸石等在钻孔口楔紧杆体。

  6、在树脂固化程度已达到80~90%的最终强度时,(一般可控制在安装后15min)再在杆体下端安设垫板,并用30cm的扳手拧紧螺母等进行孔口锚固。

  7、树脂锚杆宜存放在阴凉、干燥和温度在+5%~+25℃的防火仓库中。

  (二)水泥胶结锚固卷 ,除需放入水中浸泡时间要求在2分钟外,其余安装与树脂锚固剂相同。 (略)

  四、摩擦胀固式锚杆

  摩擦胀固式型锚杆,它是通过杆体自身被压缩、膨胀,或通过注入高压水,或通过引爆炸药等手段,使杆体与眼壁间生产径向压力和摩擦力,获得可靠而有效的锚固力。这种类型的锚杆,多为全长锚固式,且又有较大的预应力和较好的滑移让压特性。其主要类型有:管缝式锚杆、水力膨胀式管状锚杆、压缩木锚杆、液力顶板梢钉、爆固式锚杆。下面介绍管缝式锚杆的结构特点等有关情况。

  1、管缝式锚杆结构特点:管缝式锚杆系由杆体、托板及环形法兰三部分组成。

  锚杆杆体,由低碳钢或低碳合金钢薄板,按设计尺寸冷轧压滚成开口管状的杆体,沿管状杆体全长开有一条开缝,管的上端压成锤形体,下端焊有一个φ6~8mm盘条制成的圆环,用以支锁托板,杆体壁厚 2~3mm,直径35~45mm,开缝宽度10~15mm,安装时锚杆直径比锚孔直径大2~4mm,当杆体被外力强压入锚孔后,杆体被迫压缩,与孔壁之间产生径向挤压应力,使杆体牢固地胀撑在锚孔内;杆体与眼壁间产生的摩擦力便形成为锚固力。并是沿杆体全长分布的。

  其主要特点:全长锚固、锚固力随支护时间增长而增大,随围岩变形移动而增大,锚固可靠;安装方便简捷,不需任何外加的及辅助的锚具或材料,一次楔入,易于实现机械化操作;有较大的预应力和滑移让压特性,因而有广泛的适用范围,尤其在压力、位移较大的矿山动压和软岩井巷,有良妤的效果。但其最大缺点是,当岩层发生脱落时,则容易失去锚固作用,随着时间的推移,容易产生疲劳失效。

  2、管缝式锚杆技术特性

  管缝式锚杆,在岩层中的锚固力基本上由三个变量来控制,即管壁越厚锚固力越大,锚杆所用钢材的屈服应力值越高,应变越小,锚固力越大;管缝杆体与锚孔直径差越大,其锚固力越大。改变其中任何一个变量,都会使锚固力发生变化。在使用过程中,随着围岩的收敛变形,锚孔被挤压缩小,将使锚固力进一步增大,并由于杆体的柔体作用,可适应围岩的变形影响,是优于任何脆性材料的一个特点。

  管管缝式锚杆特性曲线表明,管缝式锚杆柱位移为零时,对应为初始锚固力。这类似于杆体的预应力,它等于或小于管缝式锚杆安装时的楔进力。随着位移的增大,锚固力增大到某一定值,特性曲线趋于平缓状态。这表明,随着位移的继续增大,管缝式锚杆既能保持其锚固力,又不被拉断破坏。这就是管缝式锚杆有预应力的全长锚固、适应较大压力位移的滑移让压特性。

  3、安装操作

  (1)测量锚孔深度,应不小于杆体总长度。

  (2)清理锚孔,用压缩空气或扫孔器清净眼内浮渣。

  (3)从杆体上端套入托板,然后将杆体锥端插入锚孔,以人力方式或机械方式,将杆体打入锚孔,直到托板紧贴于岩面上,并产生足够的锚固预应力。

  (4)向锚孔打入管缝杆体时,需要足够的撞击力,打入的杆体越长,打进力相应增大,杆体轴线必须与锚孔轴线一致,防止纵向弯曲变形。打进方法有三种:

  ①人工安装:用大锤撞击杆体尾部,杆体逐渐入孔。

  ②用风钻安装:使用一内径大于杆体圆环钢筋的短套筒钎尾,用风钻与套筒联接,然后开动风钻,通过其活塞冲击作用,逐步将锚杆锚入钻孔。

  ③机械安装:国内采用专用的液压安装机(单体式),美国有专用的液压锚杆安装台车,钻孔完毕后,更换一专用的锚杆安装振动器用以撞击安装,效果更佳。

  (5)安装锚杆前,必须精确确定锚孔与杆体直径。杆体直径过小,容易打入钻孔,但损失了摩擦阻力,降低锚固力甚至失效了。杆体直径过大,则很很难打入锚孔,撞击力过大则又产生杆体弯折,因此,必须特别注意确定两者直径比例。

  五、机械式锚杆

  机械式锚杆是使用最平、结构多样的锚杆类型,基本上是属于端头锚固的类型。其共同特点是:锚固机构主要通过一个楔子锚头系统在钻孔中进行轴向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上,从而锚着于岩孔壁,达到锚固的目的。

  锚固机构通过摩擦连接将锚固力大都传递给岩层。一般,锚固机构必须直接领先预应力来固定。

  机械式锚杆的主要类型有:涨壳式、楔缝式、倒楔式等。

  六、 小孔径锚杆

  小孔径锚杆,系对常用的普通孔径锚杆而言,即钻孔直径小,锚杆直径小。一般的普通孔径锚杆,其直径为41~45mm,相应的孔径也在40mm以上。而小孔径锚杆直径约为23~32mm左右,钻孔直径27~34mm左右。

  小孔径锚杆是一种新型的、先进的、并有好的技术经济指标。特点是:安全、快速、节约钢材。符合锚喷支护的有关规定,满足矿井支护巷道的作业要求。是一项锚喷支护方面的创新成果,正在广泛应用。我国有两种类型的小孔径锚杆:一是村脂锚固剂小孔径药卷,二是管缝式小孔径锚杆。

  (一)树脂锚固剂小孔径锚杆

  此种树脂锚固剂,现国内已成批生产,可生产出适合小孔径锚杆所需要的小直径树脂药卷。如可生产直径为23mm、28mm、32mm等系列产品。前两种分别适合于不同杆体直径锚杆、岩孔。配合低碳合金钢的杆体,可获得足够的锚固力。

  (二)管缝式小孔径锚杆

  现也在现场实际中广泛应用。现将一个主要品种GFMG~29型管缝锚杆的主要性能介绍如下:

  1、普通孔径锚杆与小孔径锚杆的主要区别

  (1)普通孔径管缝锚杆杆体本身机械强度超过规范要求的强度多,潜力甚大,直径43~45mm的管缝锚杆,壁厚2.5mm,采用低碳合金钢,其杆体破坏强度达150KN以上。本身机械强度与实际需要的锚固力不相匹配,一般超过需要强度近1倍。

  (2)普通孔径锚杆,需配以直径41~43mm的钻杆钻锚杆孔,其钻进速庋平均为0.46m/min。小孔径锚杆,配以直径27mm的钻头钻锚杆孔,其钻进速度平均为0.73m/min(均在相同的砂质页岩顶板条件下钻孔),后者比前者的钻进速并提高约58%。

  (3)此种小孔径管缝式锚杆断面系略呈椭圆形截面,安装时减少一部分杆钵与岩体摩擦阻力,便于安装。安装后杆体弹胀力有效地与孔壁紧密接触,增强与钻孔壁的摩擦力,有效地稳固围岩。

  2、结构特点

  小孔径锚杆其结构及工作原理与普通管缝式锚杆基本相同,系由杆体、法兰套环、托板组成。小孔径杆体是呈椭圆形截面,长轴29.5mm,短轴28.5mm,孔径与锚杆杆体直径差2mm,杆体壁厚2.2~2.5mm,缝槽宽度10mm,杆体长度1000mm~2000mm。

  材质:低碳合金钢或冷压延低碳钢,托板为低碳钢冲压成扇形凸缘面形状。

  3、技术性能、规格 (略)

  4、影响锚固力的主要因素

  经测试、验算得知,影响锚固力的主要因紊是:孔径差,有效锚固长度,杆体与岩体的摩擦系数,杆体钢材的弹性模量(成正比关系)以及管壁厚度与管缝宽度。管缝锚杆的锚固力并不因为管径减小而减小,锚固力并不全取决于管径。

  七、锚杆的质量检验

  锚杆的质量检验,仅仅涉及单根锚杆的实际性能检验,即可在试验室,也可在现场进行,但主要应以现场试验为主。试验的主要内容包括:锚杆的最大锚固力,锚杆的锚固力特性曲绒,锚杆锚固力的大小及其随时间的变化,震动时锚固力的影响等。

  锚杆施工质量,主要指单根锚杆的施工质量。必须按设计技术要求 ,采用相应的检验方法,并且必须在地下施工现场进行检验。

  其检测程序如下:

  (一)确定检测的数量:巷道每30-50m,硐室每300根锚杆或300要以下,取样不少于一组;300根以上,每增加1-300根相应多取样一组。设计或材料发生变更,应另取一组。每组不得少于3 根。

  可使用MLJ—10锚杆拉力计或MC扭力矩扳手进行抗拔力测定.

  (二)检查点:在检查点同一断面内的一排锚杆呈均匀取3根或3根以上作为一组。

  (三)检验:检验锚杆抗拔力要做到:

  1)安装拉力计时,其作用线应与锚杆同心。

  2)缓慢均匀加压,直至压力表读数达到锚杆设计抗拔力相对应的数值为止,或使锚杆松动为止,一般不作破坏性试验。

  3)接力计安装应牢靠。

  4)应有安全保护措施,防止拉拔装置脱落伤人。

  5)树脂、快硬水泥、早强水泥砂浆锚杆应在安装后28天测定抗拔力。树脂锚杆若在安装后半小时测定,应将测定什乘以1.3的系数。

  6)将压力表读数(数显值)按以下公式换算成锚杆抗拔力:

  F=CPF

  式中:F-----锚杆抗拔力(N)

  C------压力表与抗拔力之间相关系数,在仪器标定时确定;

  P------压力表读数(Mpa)

  S-----锚杆拉力计千斤顶活塞面积(mm2)

  (四)根据《锚喷支护工程质量检测规程》、《煤矿井巷工程质量检验评定标准》中的有关规定进行质量评定:

  1)在检查点一组锚杆中,锚杆抗拔力最小值不小于设计值的90%,该检查点合格;若最低值大于或等于设计值,该点为优良。

  2)所检工程所有检查点均合格,则该工程锚杆抗拔力质量合格;在合格的基础上,其中有50%及其以上检查点符合优良规定,则该工程锚杆抗拔力质量评为优良。

  八、锚杆选择原则

  1、技术先进、质量稳定

  锚杆的材质要好、构造要先进,适应范围要广泛;锚固装置要适应具体岩性和工程地质条件;锚固力要大于设计锚固力;要保证达到安全可靠的支护目的。

  2、经济合理

  在满足技术要求的条件下,对预选锚杆的价格进行排队,选取价格合理的锚杆,以降低工程造价,提高经济效益。

  3、操作简单、安装方便

  根据锚杆安装技术要求的高低、安装操作的难易程度,优先考虑机械化安装,以提高安装工作效率,减轻工人的体力劳动,加快工程进度。

  4、货源充足、保证供应

  供货单位要满足施工数量的要求、运输条件要保证锚杆按时按量满足施工的需要,确保生产的连续性。

  根据以上原则,结合各种锚杆的性能特点及国内实际情况,目前锚喷支护应优先选择树脂锚杆和水泥锚杆。