煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法課件VIP

1、煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法馬小鈞 簡介馬小鈞 男，1961年生于山東省安邱市。1986年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院采礦系，采礦高級(jí)工程師。中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)煤礦支護(hù)專業(yè)委員會(huì)特聘專家。勞動(dòng)人口部煤炭系統(tǒng)高級(jí)職業(yè)考評(píng)員，香港國際專利技術(shù)開發(fā)投資公司顧問。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法1.1.錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀錨桿支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀2.2.理論研究的必要性理論研究的必要性 3.3.研究目的研究目的4.4.主要研究成果主要研究成果5.5.煤巷圍巖分類方法煤巷圍巖分類方法6.6.參系數(shù)的選取參系數(shù)的選取7.7.煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法8.8.監(jiān)測與管理監(jiān)測與管理9.9.后話后話煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法1

2、 1.1.1錨固技術(shù)的發(fā)展史錨固技術(shù)的發(fā)展史 錨固技術(shù)的使用距今已有90年的歷史。 1912年美國在煤礦使用錨桿支護(hù)頂板；阿伯施萊辛(Aberschlesin)的弗里登斯（Friedens）煤礦 1915年至1920年在金屬礦山也開始使用錨桿； 1934年阿爾及利亞在筑壩工程中使用預(yù)應(yīng)力錨桿；(舍爾法壩加高)煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 1957年德國在土層深基坑中使用錨桿；（Bauer公司） 60年代出現(xiàn)頂板桁架(桁架錨桿)和螺紋錨桿； 1987年意大利大壩加固使用全長錨固錨桿(瑞士P.埃格)； 80年代土爾其、蘇聯(lián)、德國開始使用注漿錨桿。(C.比隆，E.阿里歐格盧礦井支護(hù)技術(shù))煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

3、1.21.2理論研究理論研究 懸吊作用理論：1952年路易斯帕內(nèi)科(Louis Panek)等提出； 組合梁作用理論：雅可比(Jacobio)等提出； 組合拱理論：1955年由奧地利學(xué)者L.拉布希維茲(Rabcewicz)提出； “新奧法”：1963年首次由L.拉布希維茲提出，1978年由L.米勒在日本講學(xué)時(shí)系統(tǒng)總結(jié)為新奧法煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法原理22條的隧道施工理念。1980年5月曾來我國講學(xué)。 新奧法的核心是：變載荷體（圍巖）為承載結(jié)構(gòu)，使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成一個(gè)支承環(huán)，充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力。它摒棄了隧道力學(xué)中傳統(tǒng)的以普氏理論和太沙理論為代表的松動(dòng)地壓理論，將巖體視為承載體。煤礦錨桿支

4、護(hù)設(shè)計(jì)方法1.31.3應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用現(xiàn)狀 目前錨桿支護(hù)非常普遍（每年使用的錨桿數(shù)量多達(dá)3億根左右）。錨桿的種類繁多（多達(dá)600余種）。常見的有：木錨桿、竹錨桿、倒楔式錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、管縫錨桿、塑料脹殼式錨桿、鋼筋樹脂錨桿、注漿錨桿，還有：水脹式、爆炸式、套管摩擦式、彈簧式錨桿等等。 美國、澳大利亞：在煤礦巷道的支護(hù)比重中幾乎達(dá)到了100%；煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 英國：在煤礦巷道支護(hù)中的比例也達(dá)到了80%以上； 法國、德國，俄羅斯等國錨桿支護(hù)的使用比例也在逐年增加； 日本、印度、新西蘭、挪威等國也有廣泛應(yīng)用； 世界各國在煤炭、冶金、水利、水電、鐵路隧道、地鐵、公路、軍工等眾多的巖土工程領(lǐng)域，

5、均已成功地應(yīng)用了錨固技術(shù)。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法中國： 1956年起在煤礦巖巷中使用錨桿支護(hù)，至今已有46年歷史。 20世紀(jì)60年代，普通砂漿錨桿和噴射混凝土支護(hù)開始大量應(yīng)用于礦山巷道、鐵路隧道和邊坡加固工程中。 1964年梅山水庫的壩基加固采用了預(yù)應(yīng)力錨索； 1995年國有重點(diǎn)煤礦當(dāng)年新掘巷道中錨桿支護(hù)率為28.19%，其中巖巷中占57.2%，半煤巖巷中占煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法30.07%，煤巷中占15.15%。 “九五”期間，原煤炭工業(yè)部將“錨桿支護(hù)”列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的五個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目之一， 計(jì)劃到2000年，國有重點(diǎn)煤礦錨桿支護(hù)率達(dá)到50%，其中煤巷30%，半煤巖巷60%，巖巷80%。經(jīng)過高

6、校、科研和生產(chǎn)單位的聯(lián)合攻關(guān)，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)有了較大提高，煤巷中錨桿支護(hù)的應(yīng)用也有了迅速發(fā)展。1998年全國煤巷錨桿支護(hù)率已提高到20.14%。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 由于錨桿支護(hù)顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，現(xiàn)已發(fā)展成為煤炭、冶金、水利、水電、地鐵、隧道、公路、軍工等地學(xué)領(lǐng)域的一種行之有效的支護(hù)手段。2.12.1錨桿支護(hù)比框式支架支護(hù)具有顯著優(yōu)越性錨桿支護(hù)比框式支架支護(hù)具有顯著優(yōu)越性 A.主動(dòng)支護(hù),變載荷體為承載體，充分利用圍巖的自承能力。 B.改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖的自承能力。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法及時(shí)補(bǔ)充第三向應(yīng)力，有效避免圍巖強(qiáng)度的過度衰減； C.錨桿與圍巖同步變形，可實(shí)現(xiàn)有約束讓壓,從而保

7、持巷道圍巖長期穩(wěn)定； D.簡化了回采工藝，提高了回采工作面的推進(jìn)速度； E.節(jié)省支護(hù)鋼材，降低支護(hù)成本； F.減少支護(hù)材料的運(yùn)輸工作量， G.減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度； H.利于機(jī)械化作業(yè)和提高掘進(jìn)速度。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法2.22.2錨桿支護(hù)理論研究相對(duì)落后錨桿支護(hù)理論研究相對(duì)落后 正是基于上述優(yōu)越性，大屯礦區(qū)的煤巷錨桿支護(hù)在礦區(qū)空前發(fā)展。自99年已來，礦區(qū)煤巷錨桿支護(hù)率均在50已上，使用范圍不斷擴(kuò)大：綜采、綜放、輕放、高檔、高放、水采等幾乎所有的采煤工藝的回采巷道，條件適宜的均使用了錨網(wǎng)支護(hù)。然而，由于錨桿支護(hù)的對(duì)象巷道圍巖本身所固有的非均質(zhì)性、非連續(xù)性、各向異性以及煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法采掘過

8、程的復(fù)雜性等，理論上不完善、機(jī)理的認(rèn)識(shí)上不統(tǒng)一，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)上很難做到科學(xué)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化。致使許多錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)大都是按經(jīng)驗(yàn)或工程類比法來完成的。參數(shù)設(shè)計(jì)不盡合理。錨桿支護(hù)的實(shí)踐（設(shè)計(jì)、施工）帶有一定的盲目性。2.2.1 2.2.1 現(xiàn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的弊端現(xiàn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的弊端 由于理論上的相對(duì)滯后，現(xiàn)行設(shè)計(jì)基本上是參照前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，或工程類比法。其缺點(diǎn)：煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 a.先設(shè)計(jì)從錨索，再設(shè)計(jì)錨桿，違反客觀規(guī)律； b. 許多計(jì)算是依照不同國度的某些統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來完成的，缺乏針對(duì)性； c. 設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性； d. 未考慮采動(dòng)影響； e. 未考慮煤巖體與煤巖試塊間力學(xué)參數(shù)的差異(

9、煤巖體的節(jié)理裂隙)； f. 系數(shù)多、取值難。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法2.2.22.2.2安全上可靠性沒保障安全上可靠性沒保障 由于對(duì)錨桿支護(hù)機(jī)理上不清、理解不深，造成設(shè)計(jì)上不規(guī)范、不合理、施工上不能保證工程質(zhì)量這正是近年來在煤巷錨桿支護(hù)過程中事故頻出的主要原因。大屯同許多局礦一樣（如姚橋7359切眼）都相繼出現(xiàn)大面積冒頂，更多的是一些未遂事故。安全問題已成為煤巷錨桿支護(hù)健康發(fā)展的一大障礙。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法2.2.32.2.3經(jīng)濟(jì)上造成浪費(fèi)經(jīng)濟(jì)上造成浪費(fèi) 由于沒有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，設(shè)計(jì)上都無法實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大化，錨桿支護(hù)本身所具有的巨大技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力得不到充分發(fā)揮。2.32.3生產(chǎn)實(shí)踐的需要生產(chǎn)

10、實(shí)踐的需要 支護(hù)技術(shù)發(fā)展到今天，錨桿支護(hù)顯著的優(yōu)越性已成共識(shí)，錨桿支護(hù)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中高速發(fā)展和支護(hù)理論相對(duì)滯后的矛盾日益突出。迄今為止，錨桿支護(hù)的理論學(xué)說諸子百家，但真正能夠方便用于現(xiàn)場設(shè)計(jì)指導(dǎo)生產(chǎn)的并不多。沒有可靠的理論指導(dǎo)，就沒有系統(tǒng)、煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法科學(xué)、規(guī)范的設(shè)計(jì)，也就喪失了安全的保障。其結(jié)果往往要么造成支護(hù)失敗、甚至釀成事故，要么過于保守、造成經(jīng)濟(jì)上的巨大浪費(fèi)。錨桿支護(hù)技術(shù)在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，迫使我們不得不面對(duì)這樣一個(gè)課題：如何使設(shè)計(jì)做到技術(shù)上更可行、安全上更可靠、經(jīng)濟(jì)上更合理這實(shí)質(zhì)上正是評(píng)價(jià)一個(gè)支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)。2.3.12.3.1技術(shù)可行性準(zhǔn)則技術(shù)可行性準(zhǔn)則: :

11、技術(shù)可行性是技術(shù)本身在實(shí)施過程中的難易程度和可操作性。技術(shù)可行性是支護(hù)設(shè)計(jì)的前提，是實(shí)現(xiàn)安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益最大化準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法2.3.22.3.2安全可靠性準(zhǔn)則安全可靠性準(zhǔn)則: :控制巷道圍巖在生產(chǎn)過程中的相對(duì)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，是支護(hù)的根本目的。因此，安全可靠性是支護(hù)設(shè)計(jì)的先決條件。2.3.32.3.3經(jīng)濟(jì)效益最大化準(zhǔn)則經(jīng)濟(jì)效益最大化準(zhǔn)則: :在技術(shù)上可行、安全上可靠的前提下，追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化是支護(hù)設(shè)計(jì)的最終目的，也是設(shè)計(jì)工作者所應(yīng)追求的最高境界。上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。支護(hù)設(shè)計(jì)只有做到科學(xué)化、規(guī)范化，才是實(shí)現(xiàn)安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大化設(shè)計(jì)目標(biāo)的唯一途徑。因

12、此，支護(hù)設(shè)計(jì)必須有與設(shè)計(jì)對(duì)象客觀條件相適應(yīng)的、明確的理論依據(jù)，盡可能詳實(shí)的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法資料，嚴(yán)瑾的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念，明確的優(yōu)化指標(biāo)，及相應(yīng)的信息反饋和處理系統(tǒng)。為促進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展，提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)的效益最大化，研究切合本礦區(qū)特點(diǎn)的煤巷錨桿支護(hù)理論迫在眉睫，支護(hù)設(shè)計(jì)的規(guī)范化、科學(xué)化勢在必行。鑒于此，針對(duì)本礦區(qū)的煤層賦存條件和開采技術(shù)特點(diǎn)，研究適合本礦區(qū)煤層條件和圍巖特征的錨桿支護(hù)理論體系和設(shè)計(jì)方法，是進(jìn)一步推動(dòng)礦區(qū)錨桿支護(hù)技術(shù)健康發(fā)展、充分發(fā)揮錨桿支護(hù)潛在的巨大優(yōu)越性的必由之路。也是挖潛降耗、建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的需要。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 立足本礦

13、區(qū)特點(diǎn)，確定適合本礦區(qū)特點(diǎn)的煤巷錨桿支護(hù)理論依據(jù)，提出更具針對(duì)性的圍巖分類方法，有意義明確的圍巖分類指標(biāo)，圍巖分類與支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系起來，系數(shù)易于選取、并可通過不斷監(jiān)測反饋實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。從而實(shí)現(xiàn)煤巷錨桿支護(hù)的安全可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大化目標(biāo)。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.14.1提高了認(rèn)識(shí)、積累了經(jīng)驗(yàn)提高了認(rèn)識(shí)、積累了經(jīng)驗(yàn) 在10多年錨桿支護(hù)實(shí)踐的同時(shí)，開展了大量基礎(chǔ)研究工作：廣泛開展了煤巖物理力學(xué)參數(shù)的測量分析，原巖地應(yīng)力測量工作也已初步展開，為巷道圍巖分類提供了可靠的依據(jù)；圍巖分類又使人們對(duì)整個(gè)礦區(qū)的圍巖特征有了比較清楚的認(rèn)識(shí)；巷道圍巖松動(dòng)圈的實(shí)地測量，加深了人們對(duì)巷道開掘引起的應(yīng)力重新分布

14、和應(yīng)力集中，以及由于應(yīng)力集中引起的圍巖的破壞形態(tài)等問題的認(rèn)識(shí)，在一定程度上推動(dòng)了礦區(qū)錨桿支護(hù)的發(fā)展。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.24.2建立適合的煤巷圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)建立適合的煤巷圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)具體的煤層賦存條件和開采技術(shù)條件，從圍巖分類的原則分類指標(biāo)的選取影響分類指標(biāo)的主要因素及取值直至圍巖分類，系統(tǒng)全面地研究了適合大屯礦區(qū)的煤巷圍巖分類方法。實(shí)現(xiàn)了用意義明確的量化指標(biāo)，來定量地確定圍巖的類別問題。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.34.3提出了煤巖體物理力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)提出了煤巖體物理力學(xué)參數(shù)修正系數(shù) K2 以及通過實(shí)驗(yàn)室測試所獲得的煤巖塊物理力學(xué)參數(shù)和通過反分析方法確定的K2，來確定煤巖體物理力學(xué)參數(shù)的

15、問題。解決了煤巷圍巖分類及錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)過程中所涉及到的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)的取值難題。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.44.4提出采動(dòng)影響系數(shù)提出采動(dòng)影響系數(shù) K1，解決取值問題，解決取值問題 采動(dòng)影響是決定受采動(dòng)影響巷道圍巖類別和錨桿支護(hù)參數(shù)的最主要因素之一。根據(jù)現(xiàn)場受采動(dòng)影響巷道圍巖變形的變化規(guī)律和實(shí)驗(yàn)室物理模擬的試驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)造性地提出并解決了采動(dòng)影響系數(shù)K1的取值問題，從而不僅在理論上探討了采動(dòng)影響系數(shù)K1對(duì)圍巖類別等的影響。而且在實(shí)際應(yīng)用上，也使采動(dòng)影響系數(shù)K1能真正參予到圍巖分類指標(biāo)及錨桿支護(hù)參數(shù)的計(jì)算里去。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.5 4.5 較好地解決圍巖分類結(jié)果同支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)較好地解決

16、圍巖分類結(jié)果同支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的脫節(jié)問題的脫節(jié)問題 把用于圍巖分類的主要指標(biāo)同支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系在一起，明確了何種情況必須采取錨索加固等問題。從而使錨桿索）支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)步驟清晰、參與計(jì)算的因素意義明確、設(shè)計(jì)結(jié)果更趨合理。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法5.1 5.1 圍巖分類與支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系圍巖分類與支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系 圍巖分類是一個(gè)宏觀的概念，旨在給人以粗線條的認(rèn)識(shí)，在沒有支護(hù)理論或支護(hù)理論發(fā)展的初期，它曾一度是我們進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的方法，其實(shí)質(zhì)是經(jīng)驗(yàn)類比型設(shè)計(jì)方法。圍巖分類結(jié)果只能用來宏觀確定支護(hù)形式，而無法直接進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。因此，那種企圖以分類代替設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)是幼稚的。圍巖分類工作和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)工作

17、是整個(gè)支護(hù)設(shè)計(jì)過程的兩個(gè)階段。兩者既有密切聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，不能互為代替。圍巖分類結(jié)果用來進(jìn)行支護(hù)方案的選擇，參數(shù)設(shè)計(jì)則是支護(hù)方案的具體量化體現(xiàn)。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法5.25.2圍巖分類方法的確定與分類指標(biāo)計(jì)算圍巖分類方法的確定與分類指標(biāo)計(jì)算 5.2.15.2.1分類方法的確定分類方法的確定 原則：針對(duì)本礦區(qū)巷道的圍巖特點(diǎn)，確立有意義明確的綜合分類指標(biāo)，參數(shù)容易獲取，方法易于掌握，并與支護(hù)設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起。 圍巖的分類方法很多，自羅曼首次提出圍巖分類概念以來，從早期的普氏圍巖硬度分類法、到董氏圍巖松動(dòng)圈分類法、煤巖截割阻抗分類法、蔣氏煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法亞分類法、極限平衡區(qū)分類法，還有專門的軟巖

18、分類法等，均代表著人們在不同發(fā)展時(shí)期各自對(duì)支護(hù)對(duì)象的認(rèn)知程度，各自從不同的角度去盡可能準(zhǔn)確地描述支護(hù)對(duì)象、從而提出相應(yīng)的支護(hù)形式。從這個(gè)意義上說，無論何種分類方法，只要能夠更準(zhǔn)確地描述和反應(yīng)支護(hù)對(duì)象、并與支護(hù)設(shè)計(jì)有機(jī)地聯(lián)系起來，就是好方法。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 基于上述基本指導(dǎo)思想，決定以極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度為主要指標(biāo)，以巷道周邊位移u為輔助指標(biāo)，進(jìn)行巷道圍巖分類。二者都是影響巷道圍巖穩(wěn)定性各種因素的綜合反映，用主要指標(biāo)劃分圍巖類別，以及進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，用輔助指標(biāo)和實(shí)測結(jié)果的差異反饋初始設(shè)計(jì)中可能存在的問題，并以此為依據(jù)，修改初始設(shè)計(jì)。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法5.2.25.2.2分類指標(biāo)

19、的計(jì)算分類指標(biāo)的計(jì)算 從某種意義上講，極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度和巷道周邊位移綜合地反映了巷道圍巖的穩(wěn)定狀況和礦壓顯現(xiàn)的顯現(xiàn)形式。根據(jù)彈塑性理論，雙向等壓情況下，受采動(dòng)影響圓形巷道的極限平衡區(qū)半徑及周邊位移可表示為：煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 ctgCKiPctgCKHKaR2)sin1)(21( )2()sin1 (sin/ 1)21(22sinctgCKiPctgCKHKGKau Rasin2/ )sin1 (煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法式中式中：極限平衡區(qū)深入圍巖的深度； Pi支護(hù)阻力； H原巖應(yīng)力； a巷道當(dāng)量半徑；R極限平衡區(qū)半徑； u巷道周邊位移；G剪切彈性模量； C粘結(jié)力； 內(nèi)摩擦角； K1

20、采動(dòng)影響系數(shù)； K2煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法6.1 6.1 巷道當(dāng)量半徑的確定巷道當(dāng)量半徑的確定 巷道的斷面形狀與尺寸，直接影響著人為擾動(dòng)所誘發(fā)的應(yīng)力重新分布結(jié)果，從而影響巷道礦壓顯現(xiàn)的劇烈程度。 根據(jù)目前巖石力學(xué)和礦山壓力的發(fā)展水平，非圓形巷道周圍應(yīng)力重新分布的理論解析解還沒有達(dá)到令人滿意的結(jié)果，而計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬由于進(jìn)行了大量的簡化和假設(shè)，計(jì)算出的結(jié)論用作定性討論和計(jì)算參考或用來進(jìn)行反演分析尚可，直接用于定量計(jì)算還是不足取的。所以采用非圓形巷道的圓形標(biāo)準(zhǔn)化法來確定巷道斷面尺寸和形狀的影響問題。 非圓形巷道圓形標(biāo)準(zhǔn)化分三步進(jìn)行。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法(1)求當(dāng)量半徑: 將其它形

21、狀的巷道尺寸折算成相當(dāng)?shù)膱A形巷道。 rs=kx （S/）1/2 式中：rs巷道當(dāng)量半徑，米； S實(shí)際巷道斷面積，米2 表6.1 巷道斷面修正系數(shù)kx斷面形狀橢圓拱形正方形正梯形 長方形 單邊斜梯修正系數(shù)1.051.101.151.201.201.25煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法(2)求外接圓半徑: 用幾何做圖法或解析計(jì)算法做非圓形巷道的外接圓，用該外接圓的半徑表示實(shí)際巷道的特徑尺寸。(3)求巷道理論半徑： 比較求得的當(dāng)量半徑和外接圓半徑，以其小者作為巷道理論半徑。 a=minrs，ry6.26.2煤巖物理力學(xué)參數(shù)的確定煤巖物理力學(xué)參數(shù)的確定 巷道極限平衡區(qū)和巷道周邊位移的計(jì)算，涉及的是巖體力學(xué)參數(shù)，計(jì)

22、算時(shí)應(yīng)當(dāng)以煤巖體力學(xué)參數(shù)做為確切的計(jì)算依據(jù)。但煤巖體力學(xué)參數(shù)的測量非常困難，影響因素太多，目前應(yīng)用不現(xiàn)實(shí)?？尚械姆椒ㄊ菂⒄諏?shí)驗(yàn)室煤巖塊力學(xué)參數(shù)的測量結(jié)果，充分考慮實(shí)驗(yàn)試巖塊同實(shí)際煤巖體的差異，用參數(shù)修正。根據(jù)巖體力煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法學(xué)參數(shù)的測量結(jié)果：煤巖體的內(nèi)摩擦角同煤巖塊的內(nèi)摩擦角相近，二者的主要差異表現(xiàn)在粘結(jié)力和彈性模量。因此，在分類指標(biāo)計(jì)算時(shí)，內(nèi)摩擦角按實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果取值，而用K2對(duì)粘結(jié)力和彈性模量進(jìn)行修正。6.36.3圍巖應(yīng)力和支護(hù)阻力的確定圍巖應(yīng)力和支護(hù)阻力的確定 考慮到礦區(qū)的井下生產(chǎn)逐步向深部發(fā)展，因此圍巖應(yīng)力以海姆假說的理論結(jié)果H為基準(zhǔn)，考慮采動(dòng)影響時(shí)，用采動(dòng)影響系數(shù) K1 對(duì)

23、其加以修飾。 x=y=z=H 在目前國內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度較低的情況下，支護(hù)阻力對(duì)極限平衡范圍和巷道周邊位移影響較小，計(jì)算時(shí)可以不予考慮。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法6.4煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K2的確定 煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K2 ，可以通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的反演分析來求取。 不受采動(dòng)影響的巷道，巷道周邊位移的計(jì)算公式中不存在采動(dòng)影響系數(shù)K1，需要根據(jù)理論值與實(shí)測值反演確定的只有煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K2 。(開巷即布點(diǎn)實(shí)測，至變形穩(wěn)定) 在不考慮采動(dòng)影響的情況下，直接把實(shí)驗(yàn)室所做煤巖塊的物理力學(xué)參數(shù)代入巷道周邊位移u的計(jì)算公式中，求出巷道周邊位移的理論值。假如不存在煤巖體同煤巖塊強(qiáng)度之間的差異問題，該理論值就

24、應(yīng)當(dāng)是巷道開掘影響趨于穩(wěn)定后的實(shí)際變形值。但實(shí)際情況往往煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 實(shí)測值遠(yuǎn)大于理論值。其原因就是工程巖體同實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊物理力學(xué)參數(shù)之間的差異所引起的。主要是煤巖體的非連續(xù)性(節(jié)理、裂隙的存在)，導(dǎo)致煤巖體的宏觀強(qiáng)度的降低。 利用這一規(guī)律，通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的反演分析，可以求出煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù) K2 的統(tǒng)計(jì)平均規(guī)律。針對(duì)今后生產(chǎn)實(shí)踐中碰到的類似條件，可以直接把該K2用來計(jì)算圍巖分類指標(biāo)R和u。根據(jù)礦區(qū)已完成的觀測資料分析， K2的統(tǒng)計(jì)平均情況及相應(yīng)的取值方法如下：煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法2一般應(yīng)用取值取值范圍取值1/2.51/31/2備注1.一般情況下， K2取平均值1/2.5 ；2

25、.煤體松酥，裂隙發(fā)育時(shí)取下限值；3.煤體韌性較大，完整性相對(duì)較好時(shí)取上限值；4.無煤柱或小煤柱護(hù)巷時(shí)取下限值，有煤柱或?qū)嶓w煤中掘巷時(shí)取上限值。表6.2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K2取值表煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法6.56.5采動(dòng)影響系數(shù)采動(dòng)影響系數(shù) K K1 1 在求得K2的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場實(shí)測和實(shí)驗(yàn)室物理模擬等手段，來進(jìn)一步分析求算采動(dòng)影響系數(shù)K1。 （A）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，分析采動(dòng)影響系數(shù)K1表達(dá)式考慮煤巖體力學(xué)參數(shù)修正參數(shù)K2影響的實(shí)際巷道，掘巷影響趨于穩(wěn)定時(shí)，巷道變形將是非常緩慢而可控的。但當(dāng)巷道受到采面的采動(dòng)影響時(shí)，巷道周邊位又將繼續(xù)快速增加，而且這種變形量的增加隨著其同煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

26、方法采面距離的接近而將越發(fā)加劇。顯然這種巷道周邊位移的增加所反映的就是采動(dòng)影響系數(shù)K1。 已往的研究結(jié)果表明：采動(dòng)影響系數(shù)K1的大小不僅和測量點(diǎn)同采面之間的距離X1有關(guān),而且還同護(hù)巷煤柱的寬度(X2)及護(hù)巷方式有關(guān)。對(duì)于現(xiàn)場某一具體巷道的某個(gè)具體測點(diǎn)而言，此時(shí)的護(hù)巷方式及護(hù)巷煤柱寬度是確定的，即 X2 為一定值，因此，利用現(xiàn)場實(shí)測資料分析某煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法一具體巷道某測點(diǎn)的采動(dòng)影響系數(shù)時(shí)，可以不考慮 X2 的影響，從而能夠直接得到采動(dòng)影響系數(shù) K1 同 X1 的關(guān)系。 受采動(dòng)影響的巷道變形總量實(shí)際上由兩個(gè)主要部分組成，一部分是巷道開挖引起的巷道變形，而另一部分則是由采動(dòng)影響所引起的附加變形

27、，顯然這種附加變形產(chǎn)生的結(jié)果是受采動(dòng)影響巷道的實(shí)際變形要比考慮煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù) K2 情況下的巷道變形的理論值高出很多。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法X1101520253035K1X12.041.741.521.361.241.16 K10.30.220.160.120.08表6.3 采動(dòng)影響系數(shù)表1X11.111.071.041.031.02 K10.050.040.030.010.01煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法綜上看出： 除測點(diǎn)同回采工作面之間的距離X1外，采動(dòng)影響系數(shù)K1和煤巖體本身物理力學(xué)性質(zhì)（C、 、G、 K2 ），原巖應(yīng)力（H），巷道的斷面形狀和尺寸（a）以及支護(hù)

28、阻力（Pi）等有直接的關(guān)系。 A采動(dòng)影響系數(shù)是一個(gè)始終大于或等于1的系數(shù)，理論上講，只有當(dāng)測點(diǎn)離采面無窮遠(yuǎn)時(shí)（X1），K1才能等于1。但實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為當(dāng)測點(diǎn)處于采動(dòng)影響范圍以外時(shí)，就可以認(rèn)為K1等于1。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 B采動(dòng)影響系數(shù)K1（X1）隨X1呈負(fù)指數(shù)函數(shù)的變化，隨測點(diǎn)距采面距離的減少而迅速增加，特別在采動(dòng)影響峰值點(diǎn)前后，X1的很小變化都將導(dǎo)致K1（X1）的很大變化。這表明： 加大回采時(shí)的超前支護(hù)距離，對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)有很大的影響。隨著采深的加大，及巷道圍巖的弱化，適當(dāng)加大超前支護(hù)的距離是十分必要的。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法C其它條件不變的情況下，采動(dòng)影響系數(shù)同巷道所處的采深

29、成反比關(guān)系，即采深較大情況下，采動(dòng)引起變形增加的相對(duì)倍數(shù)比采深小時(shí)要低（增加的絕對(duì)量雖然隨采深的增加而增，但相對(duì)比卻是降低的，這點(diǎn)應(yīng)引起注意），如表6.4所示。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法表6.4 K1（20）隨采深變化情況表 H(m)300 4005006007008009001000h(MPa)7.5 1012.5 15.0 17.5 2022.5 25.0K1(20) 2.7 2.15 1.84 1.64 1.50 1.41 1.33 1.28備注1 K1(20)表示離采面20米距離時(shí)的采動(dòng)影響系數(shù)。2表中的數(shù)據(jù)是根據(jù)7003溜子道號(hào)測站的統(tǒng)計(jì)分析理論結(jié)果得來。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 由于巷道所

30、處的煤層賦存條件和開采技術(shù)條件不同，巷道的護(hù)巷方式、護(hù)巷煤柱的尺寸不同，以及巷道所處的層位不同等等，使得不同巷道的回歸系數(shù)各不相同。這種不同實(shí)際上恰恰反映了地下煤礦生產(chǎn)的客觀規(guī)律。因此，如何針對(duì)各類巷道的具體情況，分門別類地研究采動(dòng)影響系數(shù)，將是今后很長一段時(shí)間內(nèi)需要繼續(xù)深入研究的課題。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 如前所述，除煤層賦存條件和開采技術(shù)條件等客觀因素外，采動(dòng)影響系數(shù)的大小，不僅和測點(diǎn)同采面之間的距離X1有關(guān)，而且還同護(hù)巷煤柱的尺寸及護(hù)巷方式有關(guān)（這里歸一化為測點(diǎn)離側(cè)向采空區(qū)邊緣的距離X2）。 顯然，由于受到護(hù)巷方式的影響，X2對(duì)采動(dòng)影響系數(shù)的影響，要比X1對(duì)采動(dòng)影響系數(shù)的影響更趨復(fù)雜，而

31、且也更不宜于通過現(xiàn)場實(shí)測的方法來統(tǒng)計(jì)分析。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法因此用實(shí)驗(yàn)手段分析。結(jié)果如下： （1）側(cè)向采空區(qū)影響和開掘巷道本身影響相互疊加（巷道不是開在實(shí)體煤中，或護(hù)煤柱的尺寸不是很大時(shí)），受本采面采動(dòng)影響前的巷道周圍的應(yīng)力狀態(tài)受控于側(cè)向采空區(qū)，即側(cè)向護(hù)巷煤柱的大小等決定了巷道及護(hù)巷煤柱上應(yīng)力分布的總的趨勢。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 （2）護(hù)巷煤柱很大時(shí)（大于4050m時(shí)），理論上側(cè)向采空區(qū)對(duì)巷道仍有較大影響，但這時(shí)的影響主要表現(xiàn)在護(hù)巷煤柱上的應(yīng)力而不是變形，對(duì)巷道本身的影響已相對(duì)較低，此種情況在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可按實(shí)體煤中開掘巷道的情況等同考慮。 （3）側(cè)向采空區(qū)中頂板巖層懸頂長度的大小，

32、對(duì)護(hù)巷煤柱上的應(yīng)力分布狀態(tài)及其對(duì)巷道維護(hù)的影響有決定性的意義。懸頂長度越長，煤柱上的集中應(yīng)力峰值越高，對(duì)巷道的維護(hù)越不利。因此，上區(qū)煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法段相臨回采工作面回采時(shí)，使采空區(qū)充分垮落（放頂煤回采時(shí)，涉及到如何盡量放掉兩巷附近頂煤的問題），關(guān)系到相鄰巷道的維護(hù)問題。 （4）無煤柱或小煤柱護(hù)巷時(shí)（煤柱尺寸小于38m），由于小煤柱在側(cè)向采空區(qū)和開掘巷道引起的應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中的作用下已處于極限平衡狀態(tài)（光彈實(shí)驗(yàn)條件下，由于沒法模擬煤巖層的塑性狀態(tài)，使得小煤柱時(shí)的應(yīng)力峰值很高，最高時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1215，顯然，實(shí)際上煤柱在如此高應(yīng)力的作用下已被壓壞，進(jìn)入塑性或破壞狀態(tài)）。 煤礦錨桿

33、支護(hù)設(shè)計(jì)方法 從應(yīng)力的角度上講，巷道處于所謂的免壓區(qū)內(nèi)，應(yīng)當(dāng)更利于巷道維護(hù)（淺采深，框架式支架護(hù)巷時(shí)確實(shí)如此，也正因?yàn)槿绱?，才引出了無煤柱護(hù)巷的概念）。但對(duì)于采深較深情況下，以錨桿（索）為支護(hù)方式的巷道，由于巷道周圍煤巖體松酥，極限平衡區(qū)很大，巷道周邊位移也很大時(shí)，由于巷周錨固體自身承載能力隨煤巖體的松酥而顯著衰減，不能按無煤柱護(hù)巷時(shí)的礦壓顯現(xiàn)小于有煤柱護(hù)巷時(shí)的礦壓顯現(xiàn)的傳統(tǒng)概念考慮錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。此時(shí)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮加強(qiáng)支護(hù)的問題。 綜合現(xiàn)場實(shí)測和實(shí)驗(yàn)室模擬研究的結(jié)果，采動(dòng)影響系數(shù) K1 的取值歸納如下： 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法K1一般應(yīng)用取值取值范圍值1.61.32.3說明1上面的應(yīng)用取

34、值及取值范圍都指離采面20m超前支護(hù)時(shí)， K2（X1） K1（20）考慮的。2當(dāng)點(diǎn)處于采動(dòng)影響范圍以外時(shí)（一般大于6070m時(shí)）， K1（X1）=1考慮，此時(shí)，側(cè)向采空區(qū)距離及護(hù)巷方式對(duì)R及u的影響體現(xiàn)在K2里。3不受采動(dòng)影響時(shí)K1=1。4采深較深、大于700m時(shí)，用取值范圍的下限。5采深較淺、小于350m時(shí)，用取值范圍的上限。6大煤柱（大于40m）或?qū)嶓w煤中的巷道，在相應(yīng)取值的基礎(chǔ)再減少0.3。表6.5 采動(dòng)影響系數(shù)取值與相應(yīng)條件一覽表（距采面20m時(shí)）煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 簡單地講，本方法的理論基礎(chǔ)有兩個(gè)：一個(gè)是彈塑性理論，一個(gè)是懸吊理論。眾所周知，彈塑性理論有它的局限性，它是建立在均質(zhì)彈

35、塑性體基礎(chǔ)上的力學(xué)模型。為此，引入了煤巖體物理力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)和采動(dòng)影響系數(shù)加以修正。 井下巷道的開掘工作，破壞了地層原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致巷道周邊巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布和集中。如果巷道周邊圍巖的集中應(yīng)力小于煤巖體強(qiáng)度，這時(shí)煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法圍巖的物性狀態(tài)保持不變，煤巖體仍處于彈性狀態(tài)；如果圍巖局部區(qū)域的應(yīng)力超過煤巖體強(qiáng)度，則這部分圍巖的物性狀態(tài)就要改變，巷道周圍就會(huì)產(chǎn)生一定范圍的極限平衡區(qū)，同時(shí)引起應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。 顯然，處于彈性狀態(tài)的巷道圍巖，由于其自身處于彈性狀態(tài)，具有承載能力，因此，不需要對(duì)其進(jìn)行人為加固。巷道支護(hù)或加固所要考慮的僅僅是巷周已煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法處于極限平衡狀態(tài)的

36、下位煤巖體（如果考慮煤巖體的塑性強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，這部分圍巖其實(shí)也有一定的承載能力，但為安全起見，設(shè)計(jì)時(shí)，以這部分圍巖全部需要加固或支護(hù)來考慮）。因此，在劃分巷道圍巖類別時(shí)，我們以極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度為主要指標(biāo)，從而把巷道的圍巖類別與支護(hù)設(shè)計(jì)必然地聯(lián)系在了一起。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法地質(zhì)力學(xué)調(diào)查、 圍巖物理力學(xué)參數(shù)、 K1K2的取值計(jì)算巷道圍巖分類指標(biāo) R,U確定載荷集度 q求錨桿間排距 H,I安全效驗(yàn)求錨桿間直徑 D錨固長度錨桿長度 支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)煤巷錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)流程圖煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法7.1 類圍巖巷道 該類圍巖的巷道，即便考慮采動(dòng)影響時(shí)，極限平衡區(qū)深入圍巖的最大深度也小于

37、1.5m，因此可以不考慮錨索加固的問題。 以1類圍巖為例，說明錨桿參數(shù)的計(jì)算問題。 該類巷道極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度小于0.5m，即需要支護(hù)加固的下位極限平衡煤巖體厚度最大為0.5m。據(jù)此，可進(jìn)行各類錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)。 （a）錨桿長度： L=L1+L2 式中：L為錨桿長度； L1為錨固長度； L2為錨桿外露長度，取0.1米； 為巷道極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 對(duì)于這類小極限平衡區(qū)圍巖的巷道，由于需要支護(hù)加固的圍巖范圍有限，人為支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的載荷也有限，因此，當(dāng)采用錨桿支護(hù)方式維護(hù)巷道時(shí)，可以采用端錨（當(dāng)然也可以用目前較流行的半錨或全錨）方式錨固錨桿。 這里按端錨方式安

38、設(shè)錨桿，錨固段長度L1可按工程類比法確定，也可按粘結(jié)段的粘錨力同錨桿承擔(dān)的最大載荷相匹配的原則來計(jì)算確定。 錨固段內(nèi)金屬錨桿同粘結(jié)劑之間的總的粘結(jié)力與錨桿載荷之間滿足如下關(guān)系： P=djL1j 從而有： L1 =P/( dj j ) 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 式中：dj為錨桿直徑；j為粘結(jié)劑同金屬錨桿之間的粘結(jié)強(qiáng)度；P為錨桿載荷； L1為按破壞面發(fā)生在金屬錨桿表面處要求的錨固段長度。 同理，錨固段內(nèi)粘結(jié)劑同鉆孔巖壁之間的總粘結(jié)力與錨桿載荷之間也存在有： P=dyL1y 從而有： L1 =P/( dyy) 式中：dy為鉆孔直徑； y為粘結(jié)劑同鉆孔巖壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度；P為錨桿載荷； L1為按破壞面發(fā)生

39、在鉆孔巖壁表面處要求的錨固段長度。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 實(shí)際選用的錨固段長度應(yīng)為二者之中的尺寸較大者，即： L L1 1=K=Kj jmaxmaxL1， L1 錨固段長度確定以后，錨桿的長度實(shí)際上就相應(yīng)地確定了下來。 L Lmaxmax=L=L1 1+ + maxmax+L+L2 2 （b）錨桿直徑的確定： 錨桿的直徑D，也即單根桿體的最大承載能力同錨桿的間排距之間存在著相互關(guān)聯(lián)的反比關(guān)系。同樣載荷集度大小的情況下，錨桿的直徑D越大，單根錨桿的最大承載能力就越大，相應(yīng)地錨桿的間排距就可以適當(dāng)?shù)胤艑?；反之，錨桿的直徑D越小，單根錨桿的最大承載能力就越小，相應(yīng)地錨桿的間煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法排距就

40、應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)乜s小。每根錨桿負(fù)責(zé)的維護(hù)面積確定的情況下(即錨桿的間排距確定的情況下)，需支護(hù)加固的最大載荷密度： q qd d = n= n（R-hR-h） 式中： 為極限平衡區(qū)煤或巖石的容重； n為荷載備用系數(shù)，取2； h為矩形巷道的半高； R為極限平衡區(qū)半徑。 根據(jù)每根錨桿所維護(hù)的面積S(S間距排距，SHI)，及載荷集度，可以計(jì)算出每根錨桿所承擔(dān)的載荷，從而可以確定出需要的錨桿直徑。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 dqSD422/14dqSD 式中：D錨桿直徑； 桿體材料的許用強(qiáng)度。 （c）錨桿間排距的確定： 以頂錨桿為例，根據(jù)最大載荷密度和人為選定的錨桿直徑，來求解錨桿間排距。每根錨桿提供給圍巖的錨固

41、力應(yīng)當(dāng)與其所負(fù)責(zé)支護(hù)的載荷重量相平衡，即：42DqHId煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 dqDIH42當(dāng)HI時(shí)：2/124dqDIH 式中：S為每根錨桿負(fù)責(zé)支護(hù)的面積；H、I分別為錨桿的間距和排距。 通過以上（a）、(b)、(c)三部相關(guān)計(jì)算，錨桿布置參數(shù)全部確定下來。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 同樣，對(duì)于2，3類圍巖的巷道，也可按上面的步驟進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，所不同的是： 1）隨著極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度的加深，2和3類圍巖巷道不能再用端錨，而宜用半錨或全錨。 2）為了增加巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，除錨桿本身外，2和3類巷道還應(yīng)考慮網(wǎng)片、鋼筋梯、金屬鋼帶等配套設(shè)施。 3）對(duì)于3類巷道，如果不考慮錨索加強(qiáng)支護(hù)的話，

42、必須適當(dāng)加大錨桿長度，在現(xiàn)有常用錨桿長度2m的基礎(chǔ)上，增長至2.5m。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法7.2 7.2 類圍巖巷道錨支護(hù)設(shè)計(jì)類圍巖巷道錨支護(hù)設(shè)計(jì)錨索加固問題錨索加固問題 這類圍巖的巷道，考慮其受到采動(dòng)影響時(shí)極限平衡區(qū)范圍較大，因此除考慮錨桿支護(hù)外，還應(yīng)考慮錨索加固問題。 當(dāng)巷道圍巖屬于類需錨索加固時(shí)，先按巷道不受采動(dòng)影響時(shí)的極限平衡尺寸設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)，然后依據(jù)巷道受采動(dòng)影響的極限平衡區(qū)范圍的最終結(jié)果考慮錨索設(shè)計(jì)。 不考慮采動(dòng)影響時(shí)巷道周邊極限平衡區(qū)徑 R： 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法ctgCKP)sin1)(ctgCKH(aR2i2aR 式中：R，分別為不考慮采動(dòng)影響時(shí)的極限平衡區(qū)半徑和極限平衡區(qū)深

43、入圍巖的深度；其它各參數(shù)意義同前。和R相比，R的差異在于在其計(jì)算公式中沒有采動(dòng)影響系數(shù)K1。求得后，可按計(jì)算類巷道錨桿參數(shù)時(shí)的方法，進(jìn)行錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法21LLLhRnqd2/14dqSD2/124dqDIH式中：各參數(shù)意義同前。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法等吊起，避免潛在危巖垮落造成人員傷害及其它損失。 （b）錨索長度L 我們這里所討論的情況，基本上都是錨索懸吊下位錨網(wǎng)支護(hù)體的問題。理論上講，考慮采動(dòng)影響時(shí)，極限平衡區(qū)深入圍巖的深度就是需要錨索加強(qiáng)支護(hù)時(shí)需要考慮的載荷范圍，按前面所述的R的計(jì)算公式，就可以確定：Ra的大小，從而通過該值來確定錨索的長度等。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法錨

44、索設(shè)計(jì)錨索設(shè)計(jì)： 由于放頂煤沿底巷道為全煤巷道，加之大屯礦區(qū)煤體松酥，裂隙發(fā)育，且采動(dòng)影響較大，因此采深較大時(shí)的大部分沿底煤巷都屬于類圍巖，存在著錨索加強(qiáng)支護(hù)的問題。 （a）錨索的作用機(jī)理 和眾說紛云的錨桿作用機(jī)理所不同，關(guān)于錨索的作用，地學(xué)工作者有相對(duì)較一致的看法即錨索的懸吊原理，通過錨固在深部堅(jiān)硬(完整)巖層上的強(qiáng)力錨索將下部有滑落移動(dòng)趨勢的潛在危巖、錨網(wǎng)支護(hù)體煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 但在實(shí)際應(yīng)用中，礦區(qū)范圍內(nèi)7主采煤層，平均厚度5米左右，考慮沿底巷道的高度2.53.0m左右時(shí)，剩下頂煤的厚度往往在2m左右。因此，實(shí)際進(jìn)行錨索設(shè)計(jì)時(shí)，如max小于頂煤厚度，則按錨網(wǎng)支護(hù)體在煤層和頂板分界面處有

45、潛在垮落危險(xiǎn)來考慮。 錨索長度：L Lmaxmax=L=L1 1+ + maxmax+L+L2 2 式中：L為錨索長度；L1為堅(jiān)硬巖層內(nèi)的錨固段長度，可按工程類比法取1.01.5m，也可根據(jù)粘結(jié)劑同錨索索體或鉆孔巖壁間的粘結(jié)強(qiáng)度來計(jì)算確定；max為考慮采動(dòng)影響時(shí)極限平衡區(qū)深入圍巖的最大深度；L2為錨索外露長度，0.3m。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 （c）錨索排距b 為了充分發(fā)揮錨索的功能，每排最好布置2根錨索，下部用槽鋼或其它形式的鋼帶結(jié)構(gòu)形成桁架。因此設(shè)計(jì)錨索時(shí)，重點(diǎn)確定的錨索布置參數(shù)是錨索的排距。 1）需錨索承載的有潛在垮落趨勢的危巖荷載 W=bB 式中：B為巷道跨度；為極限平衡區(qū)煤巖體容重；為

46、極限平衡區(qū)深入頂板圍巖的深度，或頂煤厚度。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 式中：為內(nèi)摩擦系數(shù)；為內(nèi)摩擦角；Ph 為作為用滑移面上的水平應(yīng)力2）潛在危巖有下滑趨勢時(shí)的擦阻力f：hhPBPbf22)245(202tgPhtg)245()(022tgtgBbf煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法)245()245(2020221tgtgBtgtgBYb 式中：Y1為錨索的屈服載荷。 通過以上（a），(b)，(c)三個(gè)步驟就將與錨索有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)全部確定下來。 整個(gè)大屯礦區(qū)不同圍巖類別情況下的煤巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)歸納如下： fWY12 3）求錨索的排距：根據(jù)錨索的屈股載荷，按每排2根錨索考慮。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法圍巖類別1

47、23（m）0.50.51.01.01.5u(mm)100100200200300支護(hù)型式錨桿or錨網(wǎng)錨網(wǎng)or錨網(wǎng)梁錨桿長度1000160018002200巷道圍巖類別、支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)一覽表煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法圍巖類別123（m）1.5 2.02.02.52.5u(mm)300 400400500 500支護(hù)型式錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)錨桿長度20002500巷道圍巖類別、支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)一覽表（續(xù)）煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法8.18.1斷面形狀斷面形狀 巷道成型及錨桿(索)施工質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)一切錨桿作用原理的根本前提。在放頂煤工作面的順槽掘進(jìn)時(shí)，平頂?shù)木匦螖嗝娌焕诔浞职l(fā)揮錨桿支護(hù)效果，采用一定的弧拱

48、更有利。 8.28.2錨桿布置形式錨桿布置形式 目前，錨桿支護(hù)的一個(gè)突出問題是支護(hù)跟不上掘進(jìn)機(jī)的速度，嚴(yán)重影響開機(jī)率和單進(jìn)，解決的有效途徑是采用掘錨聯(lián)合機(jī)組。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法錨桿支護(hù)的另一個(gè)尚不被人們重視的問題是錨桿的布置方式，目前應(yīng)用最廣泛的錨桿布置方式是間排距相等的正方形布置，雖施工方便但不利于圍巖控制和提高單進(jìn)。 圍巖的破壞往往先在錨桿間未受約束部分而離錨桿最遠(yuǎn)點(diǎn)上開始。 正方形布置時(shí)，這個(gè)最遠(yuǎn)點(diǎn)至錨桿的距離tz為：zzlt22煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 正三角形布置時(shí)，這個(gè)最遠(yuǎn)點(diǎn)至錨桿的距離ts為： 令ts =tz ，則： 錨桿間距l(xiāng)s為： 錨桿排距ms為： ； 間排距相等的等腰三角形布

49、置時(shí)，最遠(yuǎn)點(diǎn)距離ty為： ltss33llzs26lmzs423煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法令： ty =tz ， 則錨桿間距、排距為： ltyy85zyylml524煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 在保證完全相同的支護(hù)強(qiáng)度條件下，通過改變布置形式，可以加大間排距，而最遠(yuǎn)點(diǎn)至錨桿的距離t 不變，從而保證頂板有同樣的支護(hù)效果。顯然，以上兩種三角形布置方式都比正方形布置好得多，而以間排距不等的正三角形布置為最佳。當(dāng)然，由于間排距的加大支護(hù)密度變小，要保證完全相同的支護(hù)強(qiáng)度，必須適當(dāng)增加單根錨桿的承載能力，錨桿直徑的增大可以按支護(hù)強(qiáng)度相等原則求出。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法正方形布置時(shí)支護(hù)密度為： 正三角形布置時(shí)支護(hù)密度

50、為： 間、排距相等的等腰三角形布置時(shí)支護(hù)密度為： lzz21zzssll93493433222zyyl322512煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法設(shè)單根錨桿的承載能力為P，按支護(hù)強(qiáng)度相等原則有： s ps = zpz 又： p=d2/4 則： s ds 2= zdz2 解得：（正三角形布置） 同理: （間排距相等的等腰三角形布置） ddzs2274ddzy524煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿采用三角形布置的好處是在不增加成本的情況下，不僅能提病高掘進(jìn)速度，還提高錨桿的徑向粘錨力和切向抗剪能力，實(shí)際上使錨桿的綜合錨固力得到提高。例如：采用18mm直徑錨桿，采用800mm800mm間排距的正方形布置改為間距為98

51、0mm、排距為848mm的正三角形布置時(shí)，只要將錨桿直徑改為20mm，錨桿長度不變，即可在不增加成本的情況下獲得相同的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)效果，而錨桿的抗剪能力提高近50，循環(huán)進(jìn)尺提高近30。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法8.38.3提高和保證錨桿初錨力的措施提高和保證錨桿初錨力的措施 通過對(duì)桿尾螺紋的力學(xué)分析，不難得出錨桿螺母預(yù)緊力(初錨力)與螺母安裝扭矩、摩擦角、螺紋升角及螺紋中徑間的關(guān)系。通過對(duì)錨桿螺紋的受力分析，可得出錨桿安裝扭矩與錨桿軸向力的關(guān)系式：煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法)1)()(2)1(402 tgdDtgtgdMtgPdw 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法)(1 ()(2)1 (410121dwdDdSM

52、P上式也可表示為： )(1 ()(2)1 (410121dwdDdSk煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法式中：式中：摩擦角，摩擦角， ； d d2 2螺紋中徑；螺紋中徑； 螺紋升角，螺紋升角， ； ss螺紋導(dǎo)程。螺紋導(dǎo)程。1 tg21dstg煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法則初錨力與螺母安裝扭矩間關(guān)系可表示為： MKP（圖二）（圖二） 錨桿尾部諸摩擦副受力分析錨桿尾部諸摩擦副受力分析 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法（圖三）（圖三） 錨尾結(jié)構(gòu)示意圖錨尾結(jié)構(gòu)示意圖圖中：1桿體；2螺母；3平面鋼墊圈；4托盤；5普通塑料墊；6、7高效減摩副。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法由式C及表8可知：在錨桿規(guī)格選定的情況下，螺紋升在錨桿規(guī)格選定的情況下，螺

53、紋升角是一定的，且螺紋升角角是一定的，且螺紋升角不到摩擦角不到摩擦角的三分之一，的三分之一，遠(yuǎn)小于摩擦角，影響螺母安裝扭矩和初錨力間轉(zhuǎn)換系遠(yuǎn)小于摩擦角，影響螺母安裝扭矩和初錨力間轉(zhuǎn)換系數(shù)數(shù)K值大小的關(guān)鍵因素：一是螺紋部的摩擦因數(shù)，二值大小的關(guān)鍵因素：一是螺紋部的摩擦因數(shù)，二是端部結(jié)合面間摩擦因數(shù)。因此提高初錨力的手段有是端部結(jié)合面間摩擦因數(shù)。因此提高初錨力的手段有四：四：一是選用大扭矩錨桿機(jī)；一是選用大扭矩錨桿機(jī)；二是提高螺紋加工精度等級(jí)，減少摩擦阻力和摩擦扭二是提高螺紋加工精度等級(jí)，減少摩擦阻力和摩擦扭矩；矩；煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法三是使用油脂對(duì)螺紋部加強(qiáng)潤滑，減少摩擦阻力三是使用油脂對(duì)螺紋部

54、加強(qiáng)潤滑，減少摩擦阻力和摩擦扭矩；和摩擦扭矩；四是使用高效減磨副，減少螺母、墊圈和托盤間四是使用高效減磨副，減少螺母、墊圈和托盤間諸摩擦副的摩擦阻力和摩擦扭矩諸摩擦副的摩擦阻力和摩擦扭矩。此外，在扭矩相同情況下，錨桿直徑越大初錨力越低、直徑越小初錨力越高。因此，M20以上大直徑錨桿除應(yīng)加強(qiáng)潤滑外，還應(yīng)選擇大扭矩錨桿機(jī)以利提高其初錨力。 幫錨桿鉆機(jī)由于多數(shù)為手持式，所以扭矩往往較小，不利于幫錨桿支護(hù)能力的發(fā)揮和巷幫的穩(wěn)定 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法M16M16M18M18M20M20M22M22M24M24螺紋參數(shù)S S2 22.52.52.52.52.52.53 3D2 D2 14.70114.70

55、116.37616.376 18.37618.376 20.37620.376 22.05122.051D3 D3 13.83613.83615.29415.294 17.29417.294 19.29419.294 20.75220.752 2.47962.47962.78202.7820 2.47962.4796 2.23652.2365 2.47972.4797表1-1扭矩與初錨力的對(duì)應(yīng)關(guān)系及桿體承載能力(20MnSi) 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法M16M16M18M18M20M20M22M22M24M24無潤滑8.53088.5308+ + 11.01011.31311.01010.7671

56、1.011K K0.69920.61050.55940.51620.4661扭扭矩矩(Nm)(Nm) 190190初初錨錨力力(KN)(KN) 132.85116106.2898.0888.5614014097.8985.4778.3172.2665.2610010069.9261.0555.9451.6146.61表1-2扭矩與初錨力的對(duì)應(yīng)關(guān)系及桿體承載能力(20MnSi) 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法M16M16M18M18M20M20M22M22M24M24有潤滑4.28914.2891 + + 6.76877.07116.76876.52566.7688K K1.14620.98460.917

57、00.85810.7642扭扭矩矩(Nm)(Nm) 190190初初錨錨力力(KN)(KN) 217.78187.08174.23163.04145.19140140160.47137.84128.38120.13106.98100100114.5998.4691.7085.8176.40表1-3扭矩與初錨力的對(duì)應(yīng)關(guān)系及桿體承載能力(20MnSi) 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法M16M16M18M18M20M20M22M22M24M24桿體抗拉能力KN 普通 屈服力50.26761.54378.68897.944113.307破斷力76.67893.692119.789149.108172.497等強(qiáng)

58、 屈服力67.35585.247105.244127.344151.551破斷力102.540129.780160.221193.866230.719普通錨桿截面損失率(%) 25.2227.8025.23523.0925.235平均損失率(%) 25.356 表1-4扭矩與初錨力的對(duì)應(yīng)關(guān)系及桿體承載能力(20MnSi) 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 由表1可知： (1)螺紋升角不到摩擦角的三分之一，可見影響k值的主要因素是摩擦角而不是螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)。無潤滑條件下，“鋼鋼”摩擦副（螺母與螺栓）動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15，有潤滑條件下為0.050.10，平均為0.075。經(jīng)計(jì)算k值可平均增大63左右，通過加強(qiáng)潤

59、滑可以在相同安裝扭矩下達(dá)到提高初錨力的目的，效果十分顯著。因此提高初錨力的手段有四：一是選用大扭矩錨桿機(jī)；二是提高螺紋加工精度減少摩擦；三是使用油脂加強(qiáng)潤滑；四是使用塑料減磨墊減少螺母和托盤間的摩擦。此外，錨尾等強(qiáng)處理可減少支護(hù)材料25以上，換言之，相同的支護(hù)成本情況下可提高支護(hù)能力25%以上。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 (2)在扭矩相同情況下，錨桿直徑越大初錨力越低、直徑越小初錨力越高。因此，20mm以上大直徑錨桿除應(yīng)加強(qiáng)潤滑外，還應(yīng)選擇大扭矩錨桿機(jī)以利提高其初錨力。江陰產(chǎn)MQT85J的眾多技術(shù)指標(biāo)已超過進(jìn)口產(chǎn)品。 (3)幫錨桿鉆機(jī)由于多數(shù)為手持式，所以扭矩往往較小，不利于兩幫錨桿支護(hù)能力的發(fā)揮

60、和兩幫的穩(wěn)定。研制大扭矩機(jī)具是錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的需要(江陰產(chǎn)MQBT45J)。 煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨索與錨桿由于其剛度不同，延伸率不同，而錨索的初錨力又往往較高(100KN左右)，導(dǎo)致支護(hù)初期的載荷集中于錨索，在支護(hù)的整個(gè)周期內(nèi)錨桿的工作錨固力基本維持在初錨力水平上(1030KN)，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。造成支護(hù)體系在整個(gè)支護(hù)過程中不能同步承載、形不成合力。從而大大降低了支護(hù)體系的整體支護(hù)能力，要么支護(hù)失敗，要么造成浪費(fèi)，達(dá)不到預(yù)期的效果。煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 57鋼絞線錨索的極限承載能力216KN，而一根22mm等強(qiáng)錨桿極限承載能力為194KN，基本達(dá)到了錨索的極限承載能力，只不過錨