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锚杆在地下开采中的应用：最新水平的现状分析
矿业,矿产部，矿产CMD资源，西弗吉尼亚大学,摩根敦,
西弗吉尼亚州，美国收到1983年10月17日.
介绍:
在过去的30年，屋顶的使用螺栓加固地下矿山的屋顶一直在稳步增加。如今，顶板锚杆支护已成为主要的系统支持地下开采。目前(彭,1978)，在美国几乎所有的地下煤炭开采是开采下屋顶屋顶，在此期间,屋顶螺栓的使用导致了一个伟大的减少(Smelser ei。,1982年)的致命的和非致命的塌顶事故在煤矿。此外，由于螺栓我的屋顶可以提供一个畅通无阻的开放与最低的维护，产量增加,成本减少和通风得到了改善。
自成功使用锚杆安装由圣约瑟领导公司在1930年代(加德纳,1971),相当大的研究已经完成安装,机制,测试,和顶板锚杆支护的作用。然而,这一切都已经解决了锚杆安装的所有方面。随着矿业面临的挑战更高的生产率和增加安全、必须选择一个适当的顶板锚杆支护系统的各种类型的屋顶可用螺栓。本文的目的是总结国家的最先进的锚杆支护。因为它是描述在合理的深度方面不切实际啊，只有最显著的结果将对机械的重点（主要是胀壳）螺栓和全树脂锚杆，这是地下矿山最常用的锚杆。
在一般情况下，根据锚的类型，屋顶螺栓可分为2个主要群体，在每个组中的许多变化。一个是点锚（或张）螺栓和其他是全长锚固锚杆（或nontensioned）。承载板插入螺栓头和车顶作为在洞口其他锚点之间。在全长锚固锚杆，锚杆与孔壁之间的环形空间灌注树脂（或水泥）在孔的全长和无张力的螺栓。除了这2种主要的螺栓外，还使用了一些特殊的屋顶螺栓。
点锚而树脂锚杆支护已被越来越多的使用在过去的几年中，机械连接（主要是胀壳螺栓）仍在使用，安全性和经济性，在煤矿井下的绝大多数（夹竹桃树脂和德贝韦茨，1978）在美国。
虽然有各种类型的机械螺栓，所有这些都包括以下常见的元素（图1）：（1）一个实心钢棒或杆；（2）一个锚定装置在顶部的酒吧；和（3）在较低的一端的张紧装置。
在煤矿中使用的屋顶螺栓包括一个坚固的钢棒，虽然也有一些特殊的情况，但也有一些特殊的情况。在直径8毫米（15.9毫米）的钢筋，一般为5/ 8，具有光滑的表面或变形的外观，如螺纹钢或螺纹。在螺栓的锚固端，该条或一个已形成槽，以接受一个槽楔式锚的钢楔，或是螺纹接受扩展壳锚。在张紧端，该条可以是螺纹来接受一个力矩螺母或有一个完整的锻造头。木制杆必须是直的，强大的和不打结。虽然便宜，这些都是由于低强度相比，钢棒。通常它们用在采煤工作面需要削减后或在地板上防止冻胀。
钢棒屈服强度是确定螺栓的基本参数张力，这反过来是非常重要的一个机械螺栓的有效性。一般来说，从200到500的Mn在钢筋屈服强度的范围（ASTM，1976），这取决于碳含量，具有更高的屈服强度更高的碳（苔藓，1971）。虽然高强度的屋顶螺栓是可取的，使用螺栓的强度非常高，应避免，因为如果螺栓失败，它会射出一个高速度，创造一个安全隐患。因此，建议安装螺栓拉力不应超过60：（1）螺栓的屈服载荷（或50 60千牛5 / 8（15.9超高强螺栓；80-90千牛3 / 4（19毫米）超高强螺栓）或（2）的anchoragt能力。
锚栓是顶锚系统中最重要的部分。大多数锚杆相关的发展一直集中在困难条件下固定件的改进。
锚三大类型，即楔缝，胀壳，和灌浆锚，（见图）。
槽楔锚最长在锚杆应用早期。实践（Peng，1978）是安装一个1（25.4毫米）在1个螺栓）在（31.7毫米）孔气动塞或代用的钻。该锚栓是通过将一个钢楔插入到螺栓顶端的中心槽中，通过驱动楔形板来扩大槽的底部的孔。为了实现良好的锚固，孔的长度需要小心地控制。虽然这种类型的锚杆提供了硬岩好的锚地，它的使用已经几乎被胀壳螺栓取代。主要原因是普遍缺乏空气在地下煤矿，使气动钻机使用极为不便，和旋转冲击钻与屋顶的逃亡者相关的快速发展。
膨胀壳锚是目前最常用的地下煤矿。在美国，一般的做法是安装一个5 / 8（15.9毫米）螺栓在LG（34.9毫米）孔。该锚定是通过施加扭矩的螺栓头，这反过来又拉的楔形插入到壳和扩大锯齿叶对双方的孔。在这种类型的锚，它是没有必要钻的确切长度的孔，但孔的直径必须小心地控制，因为一个超大的洞，可以导致在可怜的锚（苔藓，1971）。一般情况下，胀壳锚杆可以被锚定并拧紧在一个过程和一个电动旋转冲击钻。可安装膨胀型壳螺栓，有助于地下煤矿的广泛使用。
大量的扩展外壳设计，可与外壳长度的主要变化，锯齿类型、插头和叶形成壳数角，如图2所示。一般来说，他们可以分为2种类型的锚：标准型和保释型。标准的胀壳形似短油管纵向分割成两个或两个四块，一个坚实的整体部分的左下端。在保释类型中，壳体内通常被分成两半，其全长，但与一个叉状的钢结构，图3保持在一起。X线片，由米切尔和德贝韦茨（1970）培养E o。（1975）已证明，标准和保释扩张壳产生不同的壳钻孔接口接触。标准壳的接触面积被限制在插头的长度，因为刚性壳叶附件的基础。另一方面，该类的保释类型能够与整个壳的整个长度进行充分接触。因此，在软岩中，由于较小的应力集中，锚定能提供较好的锚锚，而标准锚栓则能更高的受力集中，从而能更好地为其提供更好的控制力。
扩展外壳形状和类型的锯齿是好的锚的重要因素。stefanko和德拉克鲁兹（1964）分析了商业壳改性壳之间的锚固性能（图4）。他们说，在商业壳锯齿导致岩石造成过度排放的失败，因为通过楔形传播力量在锯齿的尖端的方向，因而产生过大的应力集中。
改良的壳，由于与平板边缘的锯齿状向上反转，允许楔的力作用于齿面接近正常。因此，提高锚定的过度应力集中，可以避免。这导致了更低的出错率。
在树脂锚杆树脂代替机械胀壳在洞的尽头。锚固是通过树脂、螺栓和孔壁之间的粘结实现的。该系统的功能相同的一个扩展壳螺栓，但提供了一定的重要优势，如提高锚固能力，能够承受高装夹载荷，并灵活地调整树脂的长度取决于岩石强度。尽管在其较好的锚固，这种类型的锚，直到最近，在有限的使用，由于以下因素（夹竹桃树脂和乙二醇，1979）。首先，树脂的固化速度慢，通常需要20-30分钟延迟前张力可以应用，其次，安装需要笨重的两步过程排除在快速锚杆支护在矿山的使用周期。另外一个缺点是，在薄的接缝处，孔的长度必须要有紧密的控制，以避免螺纹杆的投影。
根据美国矿业局的定义，这个锚的类型可以分为两类：（1）纯点锚系统具有0.6个或更少的锚固长度，和（2）组合支护系统（图5）在灌浆长度超过0.6米的纯点锚系统具有机械螺栓而结合
图为美国双峰增强特性的组合锚杆支护系统（夹竹桃树脂和
霍克，1979）。锚杆支护系统，加强灌浆部分上层为全长粘结式锚杆和灌浆部分由夹紧力在机械螺栓。
其他锚具包括锚杆组合爆炸装置。在爆炸装置锚，炸药被插入在锚管末端的螺栓。用炸药扩大锚管，产生的波纹效应（shutack和汉娜，1968）固定螺栓与孔之间的牢固纽带。虽然这种锚固方式是成功的，但由于其复杂性和成本的限制，其应用有限。在组合锚（膨胀壳和不配合树脂）的有效锚定的机械扩展壳的树脂结合的优势实现。此外，由于不使用树脂盒的旋转混合，安装速度快得多。
特别是，该系统：（1）增加了叶子的面积之间的空隙填充锯齿在每个金属叶片；（2）形成一个360度的承载面积的树脂充填的叶，楔之间的空间，和钻孔壁；（3）创建一个更长的插头，保持与总有效叶面积的接触；和（4）产生额外 的阻力运动积累下的树脂锚杆壳但上面的垫片。
车顶螺栓附件包括轴承板、垫圈、木块、钢结构和金属丝在车顶螺栓的张紧端使用的网格。
钢承板用螺栓头与车顶之间是1 / 4（6.3毫米）或3 / 8（9.5毫米）厚，通常150-200平方毫米。他们一般都是平的或钟或炸圈饼形与中心孔直径1 / 8（3.2毫米）大于螺栓直径（见图6）。承载板的主要功能是从螺栓到岩石表面分布荷载。承压板下的轴承应力不应超过岩石表面的承载力，因此不会发生岩石的破坏，从而保持适当的螺栓拉力。在实践中，屋顶表面，因此承载板不总是垂直于螺栓。角垫圈或球形垫圈用于为螺母或头，这是正常的螺栓轴创建一个统一的轴承表面。、
在轴承板和螺母或头之间通常使用硬化的平垫圈。一个坚硬的洗衣机不仅增加了转矩张力比使用，而且减少了螺栓张力的随机变化（索耶CR，1976）在安装引起的。在岩石表面和螺母之间经常使用特制的圆顶垫圈。圆垫圈扭曲在一个已知的张力。因此，当洗衣机是扁平的，它表明螺栓张正确（加德纳，1971）。
这是一种常见的做法，在许多矿山把一个木头块或头（例如50times;200times;450毫米）下的钢板，以增加轴承面积，从而减少屋顶之间的螺栓。然而，连续压缩的木材在负载下和矿山环境恶化会导致螺栓拉伸的出血。由于紧张的损失可能达到80%，在某些情况下，一些矿山现在使用一个超大的浮雕板（例如：6 x 150 x 450 mm）代替木块额外的承载面积（潘尼克和M，1973）。
使用钢丝绳和钢丝网在可能出现的屋顶落下的地方也很常见。丝网是特别有用的永久性设施结合气动放砂浆时（即喷）提供实质性的支撑作用。
屋顶螺栓的安装。
当楔缝式锚杆在煤矿中应用，通常的做法是用一个气动制动器螺栓孔钻、锚栓通过驱动楔进槽用冲击钻，然后拧紧螺母用扳手。如前所述，这种类型的螺栓已不再用于美国煤矿。
今天，随着膨胀螺栓的广泛使用，该螺栓包括钻井安装，锚紧，是通过一个更高效的液压锚杆机、锚杆机。安装过程如下：第一，钻孔。然后将螺栓插入垫圈（如果有的话），轴承板和扩展壳组装在该命令。螺栓插入后，由液压驱动钻电机旋转。当螺栓被旋转时，插头被拔下，迫使壳体与孔壁扩大。当扭矩达到预定值时，旋转会自动停止。同时，外壳牢牢地把孔壁和拉力是建立在螺栓上。
现在有各种各样的螺栓机。大部分都是自我运行，电—驱动、液压驱动和安装在橡胶轮胎。在某些情况下，卡特彼勒或轨道安装的机器也被使用。虽然移动机械通常的旋转式钻井类型，旋转冲击钻井也可用于屋顶非常坚硬的岩石可能会遇到。锚机（朗等人，1979）配备了单臂和双臂都可以使用。
几个版本的树脂点锚栓已被用于在过去，每一个不同程度的成功。一般的安装程序如下：在钻孔后，要适当长度，足够的树脂来灌浆所需长度的钢筋，并通过旋转的酒吧 螺母放置在螺栓端。当树脂已足以支持预期负载，拧紧夹头定位和锚拉。图7概述了这个过程。
随着该系统在两步操作的主要缺点，目前的设计降低了安装一个操作使用以下基本部分（图8）：一个长的加强筋，当灌浆作为一个锚；螺纹头适当的长度，张力可以应用螺栓；和后张紧装置的连接螺栓和锚。这些后张拉设备在不同厂家提供的各种配置（如剪切销，支撑螺母、卷曲或粘螺纹），但它们的功能是相同的，即防止线而树脂混合，随后允许螺栓张紧时高扭矩的应用。图9说明了该锚栓系统的安装过程。
转矩与张力的关系
在我们煤矿，大部分的胀壳螺栓在整体的头型，这通常是由扭矩与锚杆机的应用张紧螺栓头。
无论是螺栓扭矩螺母或螺栓头拧紧，扭矩和螺栓张力的关系一般可表示为
P —— CT
其中P和T在LB螺栓张力（1磅= 4.448 N）和英尺磅的扭矩（1英尺磅= 1.3558 J），分别为，和c是一个常数，取决于螺栓的直径和安装技术（美国政府，1969；富勒和卡德比，1981）。经验法则是C - 50 5 / 8（15.9毫米）的螺栓，40 3 / 4（19.1毫米）螺栓、30自动定心的双头螺栓和60的硬化钢垫圈螺栓（面板lsaquo;和M，1973）。
虽然较高的扭矩将引起更高的压力，反过来又将有一个更高的夹紧效果，所施加的扭矩建议从100到250英尺磅（135至340磅），因为螺栓的屈服强度和锚定容量的岩石。
测试结果（富勒和卡德比，1981；巴里子，1954）表明，相当一部分
在克服螺栓组件中存在的摩擦时，将所施加的转矩的转矩应用于螺栓头上。对于带整体头的顶螺栓，由于所施加的转矩，在螺栓的拉伸应力上存在一个扭转应力。扭转应力和拉应力的联合作用会降低（stefanko，1961）螺栓的屈服强度。同时还发现，所有螺栓的经验损失随时间的衰减率从一个螺栓到下一个变化的张力（mahyera EI在。，1981）。
为了开发和维护一个足够的张力，螺栓，以下
建议：（一）使用淬火垫圈与螺栓头和螺纹润滑，（b）使用低推力，（c）使用低最终扭转速度，和（d）调整可变衰减通过安装而失去张力迅速和低张力的张力慢慢失去螺栓高张力。
锚固试验
屋顶螺栓的有效性主要取决于锚对孔壁的牢固性。锚试验的目的是评估在一个特定的安装锚栓能力。几个测试是可取的（巴尼斯，1971），在一个特定的区域，以获得完整的数据进行评估。基本上，有2种类型的测试，以确定性能的螺栓锚，即锚定能力测试（或拉测试）和锚定效率测试（或蠕变试验）。
一个螺栓可以承受的最大载荷，在一定的视野中没有锚的滑动屋顶可以通过地下的地下对屋顶螺栓进行测试。从测试中，可以用一个图的位移对螺栓载荷的锚定的特点。
荷载引起的荷载略有增加，引起过多的锚固位移被定义为该层位的锚栓能力。过多的位移，可以是由于螺栓的伸长（可从实验室测试）和锚固滑移，这两者都有助于在螺栓拉力（或出血）或螺栓故障损失。
克鲁兹（1964）在不同类型的岩石中对膨胀壳锚的锚固性能进行了研究。从这些试验得出的结论是：（1）矿山岩石的抗锚能力有很大差异，不仅从矿山到矿山，而且在不同位置的矿山；（二）不同的锚固能力和不同的岩石条件下的行为显着不同。
豪（1968）分析影响胀壳锚杆使孔壁的平行接触锚固性能的因素。得到了锚、磷、屈服岩石性质和锚体几何关系的表达式： 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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