【正文】 一定的支護力 (已有的研究成果表明，我國現(xiàn)用菱形金屬網(wǎng)，在保證施工質(zhì)量的條件下，可提供 0． 01 MPa的支護力 /1t如圖所示，有網(wǎng)的情況下，雖然巷道表面圍巖已破壞，但沒有松散、垮落，網(wǎng)作為傳力介質(zhì)，使巷道深部圍巖仍處于三向應力狀態(tài)，提高巖體的殘余強度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時也保證了錨桿的錨固效果。 支護設計方法分類 ? 錨桿支護設計的主要方法可歸納為三大類：工程類比法、理論計算法和數(shù)值模擬法。因此，依據(jù)理論計算所作的設計結(jié)果很多情況下只能作為參考。在借鑒國外先進設計方法的基礎上，結(jié)合我國煤礦巷道的特點，提出了 動態(tài)化、信息化的設計方法 ，符合煤礦巷道地質(zhì)條件復雜性、多變性的特點。因此，已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設計人員的設計經(jīng)驗是直接工程類比法應用成敗的關鍵。對于煤礦巷道中常見的泥巖、粉砂巖及頁巖等巖石，受風化影響程度，遇水軟化與膨脹特性都應給予足夠重視； 力學性質(zhì) 包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等諸多參數(shù)。結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)包括：法向剛度、切向剛度；黏聚力與內(nèi)摩擦角等。 ③地質(zhì)構(gòu)造影響： 地質(zhì)構(gòu)造包括斷層、褶曲、陷落柱等，大型地質(zhì)構(gòu)造對煤巖體的強度、結(jié)構(gòu)、應力狀態(tài)，對煤巖體的完整性和穩(wěn)定性都有明顯的影響，對巷道支護形式與參數(shù)的選取起關鍵性作用。地應力一般分為垂直應力與水平應力。巷道特征包括 巷道斷面形狀 (拱形、矩形、梯形、倒梯形等 )，巷道斷面尺寸 (寬度、高度等 )，巷道軸線方向、傾角； 巷道使用條件包括 巷道類型 (大巷、采區(qū)集中巷、工作面回風和運輸巷、開切眼等 )和巷道服務年限。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 1）根據(jù)已有工程直接提出支護設計 —直接類比法 ⑦ 巷道施工技術。目前， 國內(nèi)外有多種錨桿支護設計的經(jīng)驗公式，以下列舉幾個比較經(jīng)典的公式。 ③ Schach等人提出確定錨桿長度的經(jīng)驗公式為 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 2）經(jīng)驗公式法 —錨桿長度的選取 ④日本的經(jīng)驗 表明，錨桿長度為巷道寬度或高度的 。 ⑥其他經(jīng)驗公式 公式 1： 頂板錨桿長度 L=2+ 兩幫錨桿長度 L=2+—與圍巖有關的系數(shù)，取 3~5。 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 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ①圍巖穩(wěn)定性分類方法 ? 直接工程類比法與支護設計者的實踐經(jīng)驗關系很大，是決定支護設計成敗的關鍵因素。 ? 國外比較典型的巖石分類法有 普氏堅固性系數(shù)分級法、巖心質(zhì)量指標 RQD分級法 (Deere， 1967)、以巖體中彈性波傳播速度為指標的分類方法 (池田和彥， 1973)，以及巖體質(zhì)量 Q分級法(Barton， 1974)和 RMR巖體分級法 (Bieniawski， 1979)等，有些分類方法提出了相應的錨桿支護建議。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設計建議 ? 煤炭系統(tǒng) 1988年頒布試用 《 我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案 》 后，經(jīng)過多年的應用和不斷的完善，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 回采巷道，煤層上、下山及其他煤巷，巖石巷道在內(nèi)的全部采準巷道圍巖穩(wěn)定性分類。 ② 底板巖石單軸抗壓強度 取巷道寬度 1倍范圍內(nèi)底板巖石單軸抗壓強度的加權平均值。 ⑥ 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值等于直接頂板厚度除以煤層采高。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ③巷道圍巖松動圈分類及支護設計建議 4 錨桿支護設計方法 1）懸吊理論分析設計法 ? 懸吊理論認為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中，阻止軟弱破碎巖層垮落。 4 錨桿支護設計方法 1）懸吊理論分析設計法 如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑為： 式中 d— 錨桿直徑， m； σ 1— 桿體材料的抗拉強度， MPa。錨桿所需要的承載能力由破壞巖石的重量確定，而且與巷道斷面形狀、尺寸、埋藏深度、采動影響程度、巖層傾角、強度、結(jié)構(gòu)等有關。m3； H——巷道距地表的深度， m； B——表征采動影響程度的無因次參數(shù)； f ——煤層硬度系數(shù)； h——煤層厚度或巷道輪廓范圍內(nèi)煤夾層的厚度， m； υ——煤的內(nèi)摩擦角， 176。 ； Ky——待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；fn—錨固巖層的硬度系數(shù)。 頂板壓力： 按相對于巖層層理的法線確定的頂板壓力為 頂板錨桿長度： 煤幫錨桿長度： 式中 Δ—錨桿錨入圍巖破壞范圍之外的深度與錨桿外露長度之和，一般取 —。 ? 圖示是頂板組合梁的力學模型。 固支梁中點下表面上最大拉應力值為 式中 B——巷道跨度， m。 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護理論分析設計法 3）組合梁理論分析設計方法 ②錨桿間排距 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護理論分析設計法 4）加固拱理論分析設計方法 ? 加固拱理論認為，在錨桿錨固力作用下， 每根錨桿周圍形成一個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)成一個一定厚度的加固拱(或均勻壓縮帶 )。 ? 動態(tài)信息 設計方法包括 5部分：巷道圍巖地質(zhì)力學評估、初始設計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設計。 ②地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)。 包括垂直主應力和兩個水平主應力，其中最大水平主應力的方向和大小對錨桿支護設計尤為重要。 巷道與采掘工作面、采空區(qū)的空間位置關系，層間距大小及煤柱尺寸；巷道掘進與采動影響的時間關系 (采前掘進、采動過程中掘進、采動穩(wěn)定后掘進 )；采動次數(shù)，一次采動影響、二次或多次采動影響等。測試應采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設計錨固深度上進行三組拉拔試驗。對于數(shù)值模擬不太好反映的參數(shù)，如鉆孔直徑、組合構(gòu)件參數(shù)等采用其他方法確定。離散元法充分考慮結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，適用于解決節(jié)理化巖石力學問題。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 2） 初始設計方法 ①數(shù)值模擬計算方法： ? 有限差分法 是一種最古老的數(shù)值計算方法，但是隨著現(xiàn)代數(shù)值計算手段的飛速發(fā)展，賦予差分法更多的功能和更廣的應用范圍。 FLAC不需要存貯矩陣，在不增加很大內(nèi)存要求的情況下可計算含大量單元的模型。錨桿單元是一種一維軸向單元，在一定拉力下屈服。所以在錨桿支護設計和巷道圍巖穩(wěn)定性研究所廣泛采用有限差分法。一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的煤巖體中和應力降低區(qū)；另一方面，應將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。對于回采巷道，斷面形狀應優(yōu)先選擇矩形，以滿足回采工作面快速推進的要求。 根據(jù)模擬對象確定模擬方案。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 3） 錨桿支護需要確定的主要參數(shù) ? 錨桿種類 (螺紋鋼錨桿，圓鋼錨桿，其他錨桿 )； ? 錨桿幾何參數(shù) (直徑、長度 )； ? 錨桿力學參數(shù) (屈服強度、抗拉強度、延伸率 )； ? 錨桿密度，即錨桿間、排距； ? 錨桿安裝角度； ? 鉆孔直徑； ? 錨固方式 (端部錨固，加長錨固，全長錨固 )和錨固長度； ? 錨桿預緊力矩或預緊力； ? 鋼帶形式、規(guī)格和強度； ? 金屬網(wǎng)形式、規(guī)格和強度； ? 錨索種類； ? 錨索幾何參數(shù) (直徑、長度 )； ? 錨索力學參數(shù) (抗拉強度、延伸率 )； ? 錨索密度，即錨索間、排距； ? 錨索安裝角度； ? 錨索孔直徑，錨固方式和錨固長度； ? 錨索預緊力； ? 錨索組合構(gòu)件形式、規(guī)格和強度。 ③ “ 三高一低 ” 原則 即 高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則 。 ⑥均衡支護原則 根據(jù)巷道各部位的受力情況，應做到頂板和兩幫各部位均衡支護，防止巷道先從某個部位破壞，影響巷道支護整體穩(wěn)定性。監(jiān)測的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始設計?？紤]到從掘進到回采影響的時間比較長，不利于及時進行信息反饋和修改設計，而且在采煤工作面前方一般要進行超前支護，故選擇掘進影響期的數(shù)據(jù)進行信息反饋。 ? 巷道圍巖的穩(wěn)定狀況與錨桿受力大小和是否受到損壞關系很大。 ? 頂板 離層值包括頂板錨固區(qū)內(nèi)離層值和錨固區(qū)外離層值兩個指標。反 饋指標選擇的原則為： ? 能夠比較全面反映巷道圍巖變形狀況； ? 能夠比較全面反映錨桿與錨索的受力與分布情況； ? 反饋指標應盡量簡單、易于測取。 ⑧降低巷道支護綜合成本原則 在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行，施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。 ④臨界支護剛度與強度原則 錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護剛度與強度，如果支護剛度與強度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。 ②高預應力和預應力擴散原則 預應力是錨桿支護的關鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的重要參數(shù)，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護。 ? 模擬結(jié)果分析。 根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，確定模型模擬范圍、模型網(wǎng)格及邊界條件，選擇合理的模擬圍巖和支護體的力學模型。 ? 確定巷道斷面形狀與尺寸。 巷道位置與布置方向一般根據(jù)煤層條件、井田和 采區(qū)劃分、回采工作面布置及采煤方法等因素確定。 FLAC內(nèi)部還有一種編程語言 FISH。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 2） 初始設計方法 ①數(shù)值模擬計算方法： ? FLAC軟件內(nèi)部含有多個力學模型，如摩爾 —庫侖模型、應變硬化／軟化模型、節(jié)理模型及雙屈服模型等，用以模擬高度非線性、不可逆等地質(zhì)材料的變形特征。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞。離散元法的這些特點非常適用于類似煤巖體的非連續(xù)體。 有限元法、有限差分法、邊界元法等數(shù)值方法是建立在連續(xù)性假設基礎上的。 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護動態(tài)信息設計法 2） 初始設計方法 ? 錨桿支護初始設計采用數(shù)值模擬計算結(jié)合其他方法確定 。 采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的黏結(jié)強度。 水文地質(zhì)條件，涌水量，水對圍巖強度的影響，瓦斯涌出量，巖石風化性質(zhì)等。巷道圍巖中不連續(xù)面的分布狀況，如分層厚度和節(jié)理裂隙間距的大小，不連續(xù)面的力學特性等。包括以下幾方面： ①巷道圍巖巖性和強度。根據(jù)所需加固拱的厚度計算錨桿參數(shù)。 222 LqB??tK ?? ?1tqKBL?12 ?4 錨桿支護設計方法 3）組合梁理論分析設計方法 考慮巖層蠕變的影響，在上式右端引入 蠕變安全系數(shù) 。 ①錨桿長度： L=L1+L2+L3 式中 L L2分別為錨桿外露長度和錨固長度。與不錨固巖梁相比，組合梁的最大彎曲應變和應力都將大大減少，從而提高巷道頂板的穩(wěn)定性。m1為 式中 γy 、 γn煤和巖石的重力密度， kN 4 錨桿支護設計方法 2）自然平衡拱理論分析設計方法 ? 按上式求出的 C為負值時表明煤體穩(wěn)定，正值表明煤體發(fā)生破壞的深度。 4 錨桿支護設計方法 2）自然平衡拱理論分析設計方法 ? 圍巖破壞范圍 圖示是根據(jù)自然平衡拱理論確定 巷道圍巖破壞范圍的計算圖。在上覆巖層壓力作用下，淺部圍巖發(fā)生破壞，而在深部一定范圍內(nèi)形成自然平衡拱。 ①錨桿長度： 錨桿長度計算： L=L1+L2+L3 式中 L —錨桿長度， m； L1—錨桿外露長度，取決于錨桿類型與錨固方式，一般取0． 15m； 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 ～ 。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設計建議 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ③巷道圍巖松動圈分類及支護設計建議 ? 根據(jù)巷道圍巖松動圈支護理論，現(xiàn)場圍巖松動圈測試，松動圈大小與巷道支護難易程度的關系，結(jié)合錨噴支護機理，將圍巖分為小松動圈穩(wěn)定圍巖 (厚度小于 400mm)、中松動圈一般穩(wěn)定圍巖 (厚度在 400～ 1 500 mm之間 )及大松動圈不穩(wěn)定圍巖 (厚度大于 1 500mm)三大類，然后提出圍巖分類及相應的支護機理與方法，見表。 ④ 巷道埋深 指巷道位置與地表的垂直距離，應討論不同埋深時的圍巖類別。在圍巖穩(wěn)定性分類的基礎上，結(jié)合已有的支護設計與實踐經(jīng)驗，提出了巷道錨桿支護基本形式與主要參數(shù)選擇的建議。如制訂了 《