【正文】 錨桿支護設計 手冊 (討論稿 ) 開灤技術中心 20xx 年 9 月 錨桿支護設計手冊目錄 第一章 概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 1— 3 第二章 錨桿支護設計方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 3— 17 第一節(jié) 錨桿支護設計工程類比法┄┄┄┄┄┄┄ 3— 11 第二節(jié) 錨桿支護理論分析設計方法┄┄┄┄┄┄ 11— 15 基于懸吊理論的錨桿參數(shù)及設計計算方法┄┄┄ 11— 12 基于組合梁理論的錨桿參數(shù)計算方法┄┄┄┄┄ 12— 14 基于加固拱理 論錨桿參數(shù)計算方法┄┄┄┄┄┄ 14— 15 第三節(jié) 錨桿支護數(shù)值模擬計算方法 ┄┄┄┄┄┄ 15— 17 第三章 煤巷錨桿支護預緊力設計 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 17— 21 第四章 錨桿支護參數(shù)選擇確定原則 ┄┄┄┄┄┄┄┄ 21— 30 錨桿幾何參數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 21— 22 錨桿力學參數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 22— 23 錨固參數(shù)的選擇確定┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 23— 25 錨桿布置參數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 25— 27 錨桿組 合構件與網(wǎng)的參數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 27— 28 錨索參數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 28— 30 第五章 錨桿支護形式及材料 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 30— 39 錨桿支護形式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 30— 32 錨桿支護材料┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 32— 39 第六章 工程質(zhì)量檢測與礦壓監(jiān)測 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 39— 49 錨桿支護工程質(zhì)量檢測┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 40— 42 錨桿支護礦壓監(jiān)測┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 42— 49 錨桿 支護設計手冊 第一章 概述 開灤集團公司自 20世紀 70年代末 80年代初開始推廣煤巷錨桿支護技術至今，已有 30年的歷史?，F(xiàn)在，錨桿支護已成為采準巷道的主要支護形式之一，近幾年，全公司每年的煤巷錨桿支護量都在 8 萬米以上，占全部掘進巷道的半數(shù)以上。煤巷錨桿支護的推廣應用，明顯地改善了采準巷道的維護狀況，提高了圍巖的穩(wěn)定性。錨桿支護對于提高巷道斷面利用率，簡化回采工作面端頭支護工藝，降低支護成本，減輕工人勞動強度，特別是對于保證回采工作面快速推進，實現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效，從而提高礦井經(jīng)濟效益都發(fā)揮了明顯作用。理論 研究和實踐經(jīng)驗均證明，錨桿支護作為巷道的先進支護方式，有著架棚不可比擬的諸多優(yōu)越性，對于從根本上解決深井、大地壓巷道的支護問題，錨桿支護更是代表了巷道支護技術的發(fā)展方向，世界各國和國內(nèi)各大型煤礦都把錨桿支護作為巷道的主要支護形式，許多礦區(qū)的錨桿支護率都達到了 100%，取得了巨大的技術、經(jīng)濟效益。 開灤集團公司在采準巷道錨桿支護工作推廣過程中，在面臨各種復雜、困難地質(zhì)條件和井深、礦壓顯現(xiàn)大等不利情況下，勇于實踐和創(chuàng)新，取得了大批科研成果，積累了豐富的經(jīng)驗。使得這項技術的推廣不斷向深度和廣度發(fā)展。和任何新生事物 的發(fā)展都要經(jīng)過艱難、曲折一樣，錨桿支護在其發(fā)展過程中也不是一帆風順的。特別是當錨桿支護巷道出現(xiàn)一些冒頂、垮落乃至傷人事故時，往往會出現(xiàn)一些對錨桿支護安全可靠性的懷疑情緒，使得錨桿支護的推廣受到阻礙。應當指出的是，錨桿支護作為煤礦所有新技術推廣中“最具革命性”的技術進步，雖然已被無數(shù)的事實證明它是先進的，代表未來支護發(fā)展方向的，但直到現(xiàn)在，人們對錨桿支護的理論研究和各種實踐活動仍未停止，其原因就在于煤礦各種條件的復雜性和人們對客觀世界的認識還需要進一步深化，而只有當人們的主觀認識和客觀條件相統(tǒng)一時，我們才能從 必然王國走向自由王國?；仡櫤头治黾瘓F公司歷次錨桿支護巷道事故發(fā)生的原因，按照今天我們所確立的錨桿支護技術的新理念，可以看出，絕大部分的錨桿事故都不是必然要發(fā)生的，而是帶有相當偶然性。這些偶然性的事故出現(xiàn)，證明了我們在錨桿支護推廣工作中還需要重點解決以下問題：第一：錨桿支護理念需要更新。特別是面對開灤大多屬于深部開采的現(xiàn)狀，必須用先進的支護理念來指導工程實踐，才能取得預期效果。第二：要科學設計錨桿支護。這是關系到錨桿支護工程的質(zhì)量優(yōu)劣、是否安全可靠及經(jīng)濟是否合理的重要問題。第三：要規(guī)范各類錨桿產(chǎn)品的加工，采用 先進工藝，確保錨桿及配套產(chǎn)品的質(zhì)量。第四：要嚴格培訓各級技術人員，特別是現(xiàn)場主管技術人員和管理人員，確保按設計施工，確保施工質(zhì)量。第五：要建立健全錨桿巷道的質(zhì)量檢驗標準和錨桿巷道的礦壓監(jiān)測體系。 當前，集團公司的采準巷道錨桿支護的推廣工作，已進入發(fā)展的關鍵階段，雖然從總量上看，數(shù)量不小，但發(fā)展不平衡，有些礦基本上處于空白狀態(tài)，有些礦由于各種原因，錨桿支護呈現(xiàn)萎縮停滯現(xiàn)象。隨著采深的不斷加大，礦壓顯現(xiàn)更為強烈，已經(jīng)推廣使用 10多年的錨桿支護系統(tǒng)表現(xiàn)出了種種不適應情況，比如巷道變形量大，需要套修，錨桿、錨索拉斷 現(xiàn)象時有發(fā)生，錨桿支護的巷道穩(wěn)定性和安全性受到挑戰(zhàn)，解決這些問題，需要我們更新觀念，與時俱進，學習借鑒國內(nèi)外先進支護理念和技術，結合開灤實際創(chuàng)造性地開展工作，扎扎實實地做好各方面的基礎性工作，只有這樣，才能使集團公司的錨桿支護健康快速地發(fā)展，促進企業(yè)的技術進步和礦井整體技術面貌和經(jīng)濟效益的提高。 本設計手冊是在結合開灤實際，全面總結開灤在推廣煤巷錨桿支護工作中正反兩個方面的經(jīng)驗，廣泛吸收和借鑒國內(nèi)外先進支護理念和技術的基礎上編制的。編制該手冊的目的是為從事錨桿支護的技術人員提供一個可供參考的、涉及錨桿支護設 計、施工、監(jiān)測以及錨桿產(chǎn)品標準等方面的文件，希望以此達到規(guī)范設計和施工，促進集團公司錨桿支護技術發(fā)展，確保安全生產(chǎn)的目的。 第二章 錨桿支護設計方法 巷道支護的目的就在于使巷道在服務期間保持穩(wěn)定。而支護設計的目的就是在保持巷道穩(wěn)定的前提下確定更經(jīng)濟合理的支護形式與參數(shù)。因此，錨桿支護設計是關系到錨桿支護巷道工程質(zhì)量優(yōu)劣、是否安全可靠及經(jīng)濟是否合理的基礎。應當指出的是，尋求一種絕對合理能適應絕大多數(shù)巷道支護應用的錨桿支護設計方法，多年來一直是專家、學者追求的目標，但是，由于礦井條件復雜多變，不確定因素多 ，加之當前研究手段的制約，至今尚未有一種設計方法“放之四海而皆準”。根據(jù)不同理論所建立的錨桿支護計算和設計方法，均存在一定的局限性，因此，設計者在進行特定條件下的錨桿支護設計時，首先需要對設計對象進行深入全面的了解，然后可根據(jù)相應的設計方法進行設計。需要強調(diào)指出的是，錨桿支護設計應當是一個動態(tài)的設計過程，應遵循地質(zhì)力學評估→初步設計→監(jiān)測與信息反饋→修改完善設計的原則。通過這樣一個過程，才能最終確定比較科學、合理的錨桿支護設計。 目前，國內(nèi)外錨桿支護設計方法主要歸納為三大類：（也有分為四大類）即： 工程類比法、理論計算法、數(shù)值模擬法、（監(jiān)測法）。 第一節(jié) 錨桿支護設計工程類比法 直接類比法 工程類比法在煤巷錨桿支護設計中應用比較廣泛。這種方法是根據(jù)已開掘的，成功應用錨桿支護巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開掘的巷道條件進行對比，在各種條件基本相同的情況下，參照已掘巷道的支護形式與參數(shù)，來設計待掘巷道的各種支護參數(shù)。 采用工程類比法進行錨桿支護設計時，要求相比的兩條巷道的條件要基本相似，不能有較大的差異。比較的內(nèi)容要全面、細致、可靠，不僅要抓住主要因素，而且不能忽略細節(jié)，工程類比的內(nèi)容主要有以下 幾個方面： （ 1）圍巖物理力學性質(zhì)。 圍巖物理力學性質(zhì)包括巷道頂?shù)装?、煤層賦存狀態(tài)、物理力學參數(shù)。巷道頂?shù)装鍛∠锏缹挾?1~ 倍范圍巖層進行比較。物理性質(zhì)包括巖性、礦物成份、密度、孔隙率、水理性質(zhì)等內(nèi)容。力學性質(zhì)包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量等，其中，巖層的單軸抗壓強度是最常用的力學指標。 （ 2）圍巖結構特征 。指煤巖體內(nèi)節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的空間結構特征。 （ 3）地質(zhì)構造。 地質(zhì)構造對煤巖體的完整性和穩(wěn)定性有明顯的影響，對巷道支護形式與參數(shù)的選取起關鍵性作用。因此，必須搞清。 （ 4）地應力。 地應力大 小與方向是影響巷道變形與破壞的重要因素之一，地應力一般分為垂直應力和水平應力。地應力對比參數(shù)一般應包括垂直主應力的大小方向，最大水平主應力的大小方向，最小水平主應力的大小方向，以及最大水平主應力與巷道軸線的夾角。 （ 5）巷道特征與使用條件。 包括巷道斷面形狀、尺寸等。 （ 6）開采深度。 隨著開采深度的增加，地應力在增加。采深是巷道支護必須考慮的重要因素。 （ 7）煤柱尺寸。 煤柱尺寸的大小對礦壓顯現(xiàn)的大小及巷道維護的難易有著重要影響。 （ 8）采動影響特征。 采動影響狀況包括：采動空間關系、采動時間關系、采動次數(shù)等。采 動對采準巷道圍巖變形與破壞影響很大，類比時應作為一個重要考慮因素。 經(jīng)驗公式 經(jīng)驗公式是在大量支護設計經(jīng)驗的基礎上，得出的指導支護設計，計算錨桿相關參數(shù)的簡單公式。采用經(jīng)驗公式來選擇和確定錨桿相關參數(shù)，在目前的錨桿支護設計中應用相當普遍，它簡便易行，但也存在著明顯的缺陷和弊端：一是經(jīng)驗公式只能提供錨桿支護的主要參數(shù)（錨桿長度、直徑、間排距等），而其他重要參數(shù)，如錨桿桿體結構、預緊力、錨固長度、托板結構與尺寸等，很難在經(jīng)驗公式中全面反映。二是經(jīng)驗公式一般只考慮巷道寬度、高度、巖石軟硬程度、結構面分布，而影 響巷道變形和破壞的因素還有很多，經(jīng)驗公式都不能全面、客觀地反映。因此，經(jīng)驗公式提供的支護參數(shù)一般只能作為參考，不能不顧巷道的具體條件生搬硬套。在此介紹一些應用較多、效果較好的經(jīng)驗公式，供設計者參考： （ 1）錨桿長度的選取與計算 ① Hoek 與 Brown等提出確定錨桿長度的一般經(jīng)驗準則： 最小錨桿長度 =[錨桿間距的兩倍、三倍不連續(xù)面平均間距所確定的不穩(wěn)定巖塊寬度，巷道跨度之半 ]。 ② Lang 與 Bischoog認為： 錨桿長度與錨桿間排距之比應為 ~，錨桿長度 L與巷道寬度的函數(shù)關系為： L=B2/3 ③ Schach 等人提出確定錨桿長度的經(jīng)驗公式為： L=+(非預應力錨桿 ) L=+(1+)1/2(預應力錨桿 ) ④日本的經(jīng)驗認為： 錨桿長度與巷道寬度或高度的 ，如果再加長錨桿，支護效果將不會明顯變化。 ⑤我國學者提出錨桿長度的經(jīng)驗公式 對于巖巷錨噴支護巷道： L=N(+W/10) 對于煤巷： L=N(+W/10) 式中： W— 巷道或峒室跨度 m L— 錨桿總長度 m N— 圍巖影響系數(shù)（按表 1選取） 表 1 圍巖類別影響系數(shù)取值 圍巖類別 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 圍巖影響系數(shù)N ⑥其他經(jīng)驗公式 頂板錨桿長度： L=2+幫錨桿長度： L=2+式中： B— 巷道寬度 m； H— 巷道高度 m； K— 由圍巖性質(zhì)等有關的系數(shù)，一般取 3~5。 （ 2）錨桿間排距選取與計算 ① Hoek 與 Brown等人提出： 最大錨桿間距 =[錨桿長度之半、 倍不連續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度 ]。 ② Lang 與 Bischoog認為： 錨桿間排距與錨桿長度之比為 2/3~5/6 比較合理。 ③ Schach 等從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā)認為： 錨桿長度 與錨桿間距的比值應接近 2。 ④新奧法對錨桿間距提出的準則 : 硬巖，錨桿間距取 ~ 中硬巖石，錨桿間距取 松軟破碎巖體，錨桿間距取 ~ ⑤我國學者提出錨桿間距經(jīng)驗公式為： 對于巖巷錨噴支護：錨桿間距 M≤ 對于煤巷錨桿支護：錨桿間距 M≤ 以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的錨桿支護設計建議 （ 1）我國《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》 。 經(jīng)過多年的應用和不斷完善，已經(jīng)發(fā)展成為包括緩傾斜、傾斜、急傾斜煤層及不同煤層厚度的所有回采巷道的分類。煤巷圍巖穩(wěn)定性分為五 個類別：Ⅰ類非常穩(wěn)定，Ⅱ類穩(wěn)定，Ⅲ類中等穩(wěn)定，Ⅳ類不穩(wěn)定，Ⅴ類及極不穩(wěn)定。在圍巖穩(wěn)定性分類的基礎上，結合已有的支護設計和實踐經(jīng)驗，提出了巷道錨桿支護基本形式和主要參數(shù)選擇的建議，見表 2。 表 2 巷道頂板錨桿支護形式與主要支護參數(shù)選擇 巷道類別 巷道圍巖穩(wěn)定狀況 基本支護形式 主要支護參數(shù) Ⅰ 非常穩(wěn)定 整體砂巖、石灰?guī)r類巖層：不支護 其他巖層：單體錨桿 端錨：桿體直徑：≥ 16mm 錨桿長度： ~ 間排距： ~ 設計錨固力：≥ 64KN Ⅱ 穩(wěn)定 頂板較完整：單體錨桿 頂板較破碎：錨桿 +網(wǎng) 端錨：桿體直徑： 16~18mm 錨桿長度： ~ 間排距： ~ 設計錨固力： 64~80KN Ⅲ 中等穩(wěn)定 頂板較完整 :錨桿 +鋼筋梁，或桁架 頂板較破碎： 錨桿 +w剛帶（或鋼筋梁） +網(wǎng)，或增加錨索 桁架 +網(wǎng)，或增加錨索 端錨：桿體直徑： 16~18mm 錨桿長度： ~ 間排距： ~ 設計錨固力： 64~80KN 端錨或全