【正文】 長錨 固： 桿體直徑： 18~22mm 錨桿長度： ~ 間排距： ~ Ⅳ 不穩(wěn)定 錨桿 +w剛帶 +網(wǎng)，或增加錨索 桁架 +網(wǎng)，或增加錨索 全長錨固：桿體直徑： 18~22mm 錨桿長度： ~ 間排距： ~ Ⅴ 極不穩(wěn)定 頂板較完整 錨桿 +金屬可縮支架，或增加錨索 頂板較破碎 錨桿 +網(wǎng) +金屬可縮支架，或增加錨索 底臌嚴(yán)重 錨桿 +環(huán)形可縮支架 全長錨固：桿體直徑： 18~24mm 錨桿長度： ~ 間排距： ~ （ 2）關(guān)于煤巷圍巖穩(wěn)定性分類計(jì)算機(jī)程序簡介 ①程序功能 程序適應(yīng)于緩傾斜、傾斜、急傾斜、厚煤層第一分層、中厚煤層、薄煤層回采巷道（工作面上、下順槽）煤層上（下）善與煤層大巷圍巖穩(wěn)定性分類。 ②基本原理 程序的數(shù)學(xué)模型為模糊綜合評判模型。根據(jù)全國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類的研究成果，評語集合為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定 5 個(gè)類別。 ③運(yùn)行環(huán)境 程序用 BASIIC 語言編寫，凡具備漢字 BASIIC運(yùn)行系統(tǒng)的各類微機(jī)均可運(yùn)行本程序。 ④原始數(shù)據(jù)輸入方式 程序采用交互式與人 — 機(jī)對話的方式編寫，通過屏幕漢字提示，用鍵盤輸入 7個(gè)分類指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)和薄煤層影響系數(shù) K。 K為煤層開采厚度與巷道高度的比值。在薄煤層條件下， K等于實(shí)際比值，在其他條件下， K=1。 ⑤輸出結(jié)果 輸出結(jié)果包括：評語集 B 的模糊向量，對評語集排序擇優(yōu)，輸出巷道圍巖穩(wěn)定性類別。 （ 3） 表 3 緩傾斜、傾斜薄及中厚煤層回采巷道基本分類指標(biāo) 分類指標(biāo) 說明 頂板強(qiáng)度б cr (指單向抗壓強(qiáng)度， Mpa，下同 ) 取巷道寬度 倍范圍內(nèi)頂板強(qiáng)度的加權(quán)平均值 煤層強(qiáng)度б cc 取巷幫煤巖層強(qiáng)度加權(quán)平均值 底板強(qiáng)度б cf 取巷道寬度范圍內(nèi)底板強(qiáng)度的加權(quán)平均值 巷道埋深 H(m) 巷道所在位置至地表的垂直距離 護(hù)巷煤柱寬度 X(m) 一側(cè)煤柱的實(shí)際寬度。其中，沿空掘巷（無煤柱）時(shí)，X=0；巷道兩側(cè)均為實(shí)體煤時(shí)， X=100 采動影響系數(shù) N 指因工作面回采引起的超前支承壓力的影響， N=直接頂厚度 /采高（當(dāng) N44時(shí)，取 N=4） 圍巖完整性指數(shù) D 指圍巖節(jié)理裂隙、層理的影響程度，以 直接頂初次跨落步距代替 (表 4) （ 4） 表 4 煤層上、下山分類指標(biāo) 分類指標(biāo) 說明與代換方法 б cr б cc 說明同表 3 說明同表 3 б cf 說明同表 3 H 取上、下山兩端埋深的平均值 X 說明同表 3 N39。 N39。=W179。 N W為煤柱影響系數(shù)， W=1179。 D 說明同表 3 （ 5）附 煤巷圍巖穩(wěn)定性分類源程序文本 (見附件 ) 巷道圍巖松動圈分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 根據(jù)巷道圍巖松動圈支護(hù)理論，圍巖松動圈大小與巷道支護(hù)難易程度存在著密切關(guān)系。圍巖松動圈現(xiàn)場測試，根據(jù) 松動圈大小將圍巖分為 6級并以此給出支護(hù)建議，見表 5。 表 5 巷道圍巖松動圈分類及支護(hù)建議 圍巖類別 分類指標(biāo) 松動圈 /mm 支護(hù)機(jī)理與方法 備注 小松動圈 Ⅰ 穩(wěn)定圍巖 0— 40 噴射混凝土支護(hù) 圍巖整體性好，不易風(fēng) 化的可不支護(hù) 中松動圈 Ⅱ 較穩(wěn)定圍巖 40— 100 錨桿懸吊理論，噴層局部支護(hù) 可用剛性支架 Ⅲ 一般圍巖 100— 150 錨桿懸吊理論，噴層局部支護(hù) 剛性支護(hù)局部破壞 大松動圈 Ⅳ 一般不穩(wěn)定圍巖 150— 200 錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護(hù) 剛性支護(hù)大面積破壞 Ⅴ 不穩(wěn)定圍巖 200— 300 錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護(hù) 圍巖變形有穩(wěn)定期 Ⅵ 極不穩(wěn)定圍巖 300 二次支護(hù)理論 圍巖變形在一般支護(hù)條件下無穩(wěn)定期 第二節(jié) 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 錨桿支護(hù)理論分析計(jì)算法是根據(jù)待掘巷道具體的圍巖條件，選擇某種適合的支護(hù)理論，通過建立圍巖的力學(xué)模型和必備的巖體物理力學(xué)參數(shù)。通過計(jì)算確定錨桿支護(hù)參數(shù)。錨桿支護(hù)理論很多，如懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論等，目前在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中，采用此種方法的比較廣泛。但不論采用何種理論模型計(jì)算，錨桿在實(shí)際工作中的作 用，都是各種理論綜合作用的結(jié)果，只不過有主有次而已。下面重點(diǎn)介紹幾種常用理論計(jì)算方法： 基于懸吊理論的錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法 懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層（偽頂、直接頂）懸吊在上部穩(wěn)定的巖層（老頂）中，通過錨桿及托盤的作用，阻止不穩(wěn)定巖層的垮落。根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計(jì)算錨桿長度，根據(jù)不穩(wěn)定巖層的重量計(jì)算錨桿的直徑和間排距。 （ 1）錨桿長度計(jì)算公式 L=L1+L2+L3 (2— 1) 式中： L— 錨桿長度 m； L1— 錨桿外露長度，取決于金屬網(wǎng)、鋼帶、托板及螺母的總厚度，一般取 ； L2— 錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度 m； L3— 錨桿錨固長度，端部錨固一般取 ~。 （ 2）錨桿錨固力與直徑確定 錨桿錨固力應(yīng)不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量，用下式計(jì)算： Q=KL2a1a2r (2— 2) 式中： Q— 錨桿錨固力， MN； K— 安全系數(shù)，取 ~2； a1a2— 錨桿間排距； R— 不穩(wěn)定巖層平均重力密度 MN/m3。 如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑可由下式得出： d= （ 2— 3） 式中： d— 錨桿直徑 m； σ t— 桿體材料的抗拉強(qiáng)度 Mpa。 （ 3）錨桿間排距 當(dāng)錨桿間排距相等時(shí)，即 a=a1=a2，則間排距為： a= （ 2— 4） 基于組合梁理論的錨桿參數(shù)計(jì)算方法 組合梁理論認(rèn)為，在層狀頂板巖層中，將其視為以巷道兩幫煤壁為支點(diǎn)的梁，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產(chǎn)生離層和相對滑動。通過錨桿將若干較薄巖層組合成一個(gè)較厚的巖層，形成組合梁，與不錨固巖層相比，組合梁的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，從而提高巷道頂板的穩(wěn)定性。通過計(jì)算組合梁所必需的承載能力來確定錨桿支護(hù)參數(shù)。 （ 1）錨桿長度 錨桿長度仍由式（ 2— 1）確定。錨桿有效長度 L2，即組合梁厚度，根據(jù)滿足頂板最下一層巖石外表面抗拉強(qiáng)度條件確定，則組合梁中點(diǎn)下表面上最大拉應(yīng)力值為： σ = （ 2— 5） 式中： B— 巷道跨度 m。 設(shè)巖石抗拉強(qiáng)度為σ t，則頂板穩(wěn)定時(shí)應(yīng)滿足： K1σ≤σ t （ 2— 6） 即 L2≥ B （ 2— 7） 考慮巖層蠕變的影響，在式（ 2— 7）右端引入蠕變安全系數(shù)ζ（ζ =）?？紤]頂板各巖層間摩擦作用對梁應(yīng)力和彎曲的 影響，引入隨巖層數(shù)目變化的慣性矩折減系數(shù)η，則錨桿有效長度的表達(dá)式為： L2= (2— 8) 式中：σ n— 原巖水平應(yīng)力分量 Mpa； η — 巖層數(shù)為 3 時(shí)，η分別為 、 ；巖層數(shù)不小于 4 時(shí)，η =。 （ 2）錨桿間排距 錨桿的間排距由組合梁的抗剪強(qiáng)度確定。設(shè)錨桿間排距相等，則間排距a 為： a≤ (2— 9) 式中： d— 錨桿桿體直徑 m； τ — 錨桿桿體材料抗剪強(qiáng)度 Mpa； K2— 頂板抗剪安全系數(shù)，一般取 3~6。 基于加固拱理論錨桿參數(shù)計(jì)算方法 加固拱理論認(rèn)為 ,在錨桿錨固力及螺母擰緊力矩的作用下，每根錨桿沿其軸線周圍形成一個(gè)呈 45176。角，兩頭帶圓錐的筒狀壓縮區(qū)，各錨桿所形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)成一個(gè)一定厚度的加固拱（或均勻壓縮帶），該拱（帶）具有較大的承載能力和一定的可縮性，起到有效支護(hù)巷道的目的，根據(jù)所需加固拱的厚度計(jì)算錨桿參數(shù)。 研究表明，加固拱厚度、錨桿長度與錨桿間排距有以下近似關(guān)系。 L= （ 3— 1） 式中： L— 錨桿有效長度 m； B— 加固拱厚度 m； α — 錨桿在圍 巖中的控制角（176。）； a— 錨桿間排距 m。 如果錨桿的控制角取 45176。，則： L=a+b (3— 2) 理論計(jì)算法作為一種比較簡單、方便的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，雖然在相當(dāng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用，而且如果所選理論與圍巖實(shí)際情況相符，也能起到較好的結(jié)果。但是，由于圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜多變，各種理論對錨桿支護(hù)作用的機(jī)理的認(rèn)識都有片面性和局限性，且有些理論的力學(xué)參數(shù)難以確定和選取，這就在一定程度上影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，理論計(jì)算法的設(shè)計(jì)結(jié)果只能作為參考，把理論計(jì)算與其他方式的設(shè)計(jì)參數(shù)相互參照，就能獲得理 想的設(shè)計(jì)方案。 第三節(jié) 錨桿支護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算方法 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算方法越來越多地應(yīng)用到巷道支護(hù)設(shè)計(jì)當(dāng)中，它們在解決非圓型、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方面顯示出較大的優(yōu)越性。數(shù)值模擬計(jì)算方法可以考慮多種錨桿支護(hù)巷道圍巖變形、破壞的因素，詳細(xì)計(jì)算錨桿各部位的受力狀況，通過多方案的比較，確定最優(yōu)方案。這種設(shè)計(jì)方法具有較高的科學(xué)性和合理性。但是，這種設(shè)計(jì)方法需要較深厚的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)，嫻熟地操作計(jì)算機(jī)的能力，以及豐富的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些條件對于現(xiàn)場工程技術(shù)人員來說是很難達(dá)到的，而且這種計(jì)算方法仍在不斷修改完善過程中，目前，只限于科研院校研究應(yīng)用。在此作一下簡要介紹，為有志于從事此項(xiàng)技術(shù)研究的人提供一個(gè)檢索。 目前，用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方法主要有 3種。 有限元法 目前，有多種有限元軟件，如： NASTRAN、 ABAQUS、 ADINA、 ALGOR、 ANSYS等，國內(nèi)外巖土工程方面 ANSYS軟件應(yīng)用較多，該軟件有自己的語言（ APOL），具備一般計(jì)算機(jī)的所有功能，用戶可用變量的形式建立模型，可在其他環(huán)境下編程。 有限元法主要適用于模擬連續(xù)介質(zhì)。 離散元法 離散元法是 Cundau于 1971 年提出的，該法適用于研究在準(zhǔn)靜力或動力條件下的節(jié)理系統(tǒng)或塊體集合的力學(xué)問題。近年來，離散元法有了長足的發(fā)展，已成為解決巖土力學(xué)問題的一種重要數(shù)值方法。 離散元法能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個(gè)物體相互作用問題。物體斷裂問題以及大位移和大轉(zhuǎn)動問題，能夠處理范圍廣泛的材料本構(gòu)問題，相互作用準(zhǔn)則和任意幾何形狀。這些特點(diǎn)非常適用于類似煤巖體的非連續(xù)性。 UDEC、 3— DEC等二維、三維離散元軟件已經(jīng)在我國得到應(yīng)用，在分析頂板垮落、頂煤冒落、節(jié)理化巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)設(shè)計(jì)等方面取得良好的效果。 有限差分法 差分法是一種最古老的數(shù)值計(jì)算方法，但隨著現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算手段的飛速發(fā)展，賦予差分法更多的功能和更廣的應(yīng)用范圍。 目前應(yīng)用比較廣泛的 FLAC 軟件，可模擬土、巖石等力學(xué)行為，要采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù)，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞。 FLAC 具有多種功能，可以模擬各種支護(hù)構(gòu)件及巖層的不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理等滑動，因此在研究設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)等方面有著良好的應(yīng)用前景。 采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)一般按以下步驟進(jìn)行： （ 1）確定巷道的位置與布置方向。 （ 2）確定巷道斷面形狀與尺寸。 （ 3）建立數(shù)值模型。 （ 4）、確定模擬方案。 （ 5）模擬結(jié)果分析，通過多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟(jì)、便于施工的支護(hù)方案。 第三章 煤巷錨桿支護(hù)預(yù)緊力設(shè)計(jì) 問題的提出： 我國專家、學(xué)者通過研究近十幾年來的煤巷錨桿支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，除了對已取得的成就和進(jìn)步給予充分肯定，同時(shí)指出，從目前國內(nèi)推廣應(yīng)用情況看，還存在著三方面的問題：①設(shè)計(jì)思想偏于保守，錨桿密度偏高，錨桿實(shí)際受力常常遠(yuǎn)低于桿體強(qiáng)度，支護(hù)系統(tǒng)的能力得不到充分發(fā)揮，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不能得到充分體現(xiàn)。②一些復(fù)雜條件下的支護(hù)效果不理想，復(fù)合頂板的離層破壞未得到有效控 制，惡性冒頂事故時(shí)有發(fā)生。③支護(hù)材料性能、施工質(zhì)量、監(jiān)測技術(shù)等不能滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求。通過對大量巷道冒頂事故及頂板嚴(yán)重離層變形的現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致冒頂?shù)脑虿粌H僅是錨桿強(qiáng)度不夠，也不能通過增加錨桿密度來解決，主要的原因是錨桿的預(yù)緊力不夠造成的。錨桿預(yù)緊力是頂板穩(wěn)定最至關(guān)的因素，改變錨桿預(yù)緊力是提高頂板穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)的手段，預(yù)緊力的確定是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的中心內(nèi)容。 理論研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 1992 年，美國學(xué)者觀測了高水平地應(yīng)力與巷道頂板產(chǎn)生的離層及剪切破壞程度的關(guān)系，并提出了采用桁架控制巷道頂板的措施。 1994~1998年美國學(xué)者又系統(tǒng)地研究了水平地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為水平地應(yīng)力是造成巷道頂板離層垮落、底板鼓起的主要原因，但可以通過提高巷道頂板錨桿預(yù)緊力，將水平地應(yīng)力的消極影響變?yōu)榉e極作用，從而極大地提高巷道的穩(wěn)定性，并開始在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中考慮錨桿預(yù)緊力的影響。 1993~1995年中國學(xué)者的研究表明，當(dāng)錨桿的預(yù)緊力達(dá)到 60~70KN 時(shí)，就可以有效地控制巷道