【正文】 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 5） 井下監(jiān)測與信息反饋及修正設計 ? 根據上述反饋指標選擇的原則，選用頂板離層值、兩幫相對移近量、錨桿與錨索受力 3個方面的 6個指標。 ⑦可操作性原則 提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。 4）錨桿支護動態(tài)信息設計方法 （ 4）錨桿支護形式和參數選擇應考慮的主要原則 ①一次支護原則 錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。 ? 建立數值模型。 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 ②數值模擬步逐 ? 確定巷道的位置與布置方向。因為沒有剛度矩陣不斷更新，所以大變形與小變形計算的機時消耗無明顯區(qū)別。 ? 離散元法 能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個物體相互作用問題、物體斷裂問題以及大位移和大轉動問題，能夠處理范圍廣泛的材料本構關系、相互作用準則和任意幾何形狀。黏結強度滿足設計要求后方可在井下施工中采用。 ④環(huán)境影響。 1） 巷道圍巖地質力學評估 ? 巷道圍巖地質力學評估是在地質力學測試基礎上進行的。 設巖石抗拉強度為 σt，則頂板穩(wěn)定時應滿足 即 式中 K1——安全系數，一般取 3~5。 4 錨桿支護設計方法 2）自然平衡拱理論分析設計方法 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 ? 組合梁理論認為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產生離層和相對滑動，將若干薄巖層錨固成一個較厚的巖層，形成組合梁。 。 ③錨桿間排距： 當錨桿間排距相等時，即 a1=a2，間排距為 14??Qd ??2KLQa ?4 錨桿支護設計方法 2）自然平衡拱理論分析設計法 ? 自然平衡拱理論認為，巷道開掘后，圍巖失去了層間聯系。 ⑦ 圍巖完整性指數 指圍巖節(jié)理、裂隙、層理的影響程度，一般可利用直接頂初步垮落步距代替。 煤巷圍巖的穩(wěn)定性分為 5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類極不穩(wěn)定。然而，要求每一個設計人員都具有豐富的實踐經驗是不切實際的。 公式 2：錨桿長度 L=k(+B/10) 式中 k—與圍巖有關的系數，取k=~，圍巖穩(wěn)定性差時取大值。 ? 錨桿長度選取 ① Hoek與 Brown等提出確定錨桿長度的一般經驗準則： 最小錨桿長度 =max[錨桿間距的兩倍，三倍不連續(xù)面平均間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度，巷道跨度之半 ]。 ⑥ 采動影響情況。在進行工程類比時，必須弄清巷道附近有無較大的地質構造、地質構造的特點，以及構造對巷道的影響程度。 其中 ，煤巖體的單軸抗壓強度是最常用的力學指標。這種設計方法已經在多個礦區(qū)得到推廣應用，錨桿支護設計的可靠性、合理性和科學性得到顯著提高。 （ 1）工程類比法 包括：根據已有的巷道工程，通過類比直接提出新建工程的支護設計（直接類比法）；通過巷道圍巖穩(wěn)定性分類提出支護設計；采用簡單的經驗公式確定支護設計。m2)，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。 鋼帶對巷道表面提供支護，抑制淺部巖層離層、裂隙張開，保持圍巖的完整性，減少巖層彎曲引起的拉伸破壞，改善巖層應力狀態(tài)，防止錨桿間松動巖塊掉落。 ? 樹脂錨固劑的抗剪強度一般可取 35MPa。當 τ(0)[τ]（ [τ]為黏結強度），錨固劑不會發(fā)生破壞。 無托板時錨桿軸力在巷道表面處為零， 在一定深度達到最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時，由于錨桿施加的預緊力和圍巖通過托板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道表面處達到一定值， 而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動，更接近巷道表面。 3 錨桿支護構件的作用 錨桿桿體的作用 （ 1）抗拉作用 錨桿桿體所能承受的拉斷載荷為 bdP ??42?3 錨桿支護構件的作用 錨桿桿體的作用 （ 2）抗剪作用 錨桿桿體所能承受的拉剪切載荷為 bdQ ??42?3 錨桿支護構件的作用 托板的作用 ? 托板是錨桿的重要構件，對錨桿支護作用的發(fā)揮影響很大 。該理論的要點為： ①錨桿支護的實質是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結構； ②錨桿支護可提高錨固體的力學參數，包括錨固體破壞前與破壞后的力學參數 (彈性模量、黏聚力、內摩擦角等 )，改善被錨巖體的力學性能；巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度均能得到強化； ③錨桿支護可改變圍巖的應力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護狀況； ④圍巖錨固體強度提高后，可減小巷道周圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。現有支護無法有效阻止圍巖松動圈的產生與發(fā)展。 (2)加固拱厚度 涉及很多因素， 很難較準確的估計 。其實，在水平應力較大的巷道中，水平應力是頂底板破壞、失穩(wěn)的主要原因。這時錨桿的作用是：一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層的摩擦力，防止巖層沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）這種組合厚巖層在上覆巖層荷載的作用下，其最大彎曲應變和應力都將大大減小。 (3)當錨桿穿過破碎巖層時，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度地改善破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力。這些認識對提高錨桿支護效果，特別是困難條件下巷道支護提供了有效的理論指導。 （ 10） 有些礦區(qū)針對具體條件，制定了本礦區(qū)的 錨桿支護技術規(guī)范，煤炭行業(yè)錨桿支護技術規(guī)范也已發(fā)布。包括左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，達到高強度和超高強度級別；樹脂錨固劑及生產設備； 高強度 W型、 M型鋼帶；小孔徑 樹脂錨固預應力錨索系列等。 鋼帶、金屬網等護表構件在預應力支護系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。 1 錨桿支護技術的發(fā)展 我國煤礦錨桿支護的主要新成果 （ 1）深化了對錨桿支護作用機理的認識 ?傳統(tǒng)的錨桿支護理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。經過教學、科研和生產單位的聯合攻關，煤巷錨桿支護技術有了很大提高，取得了很多寶貴經驗，主要有：單體錨桿支護，錨梁網組合支護，桁架錨桿支護，軟巖巷道錨桿支護，深井巷道錨桿支護，沿空巷道錨桿支護，可伸長錨桿，電動、風動和液壓錨桿鉆機，錨桿支護檢測與監(jiān)測儀器等。開發(fā)出頂板離層指示儀、聲波多點位移計、測力錨桿等監(jiān)測錨桿支護巷道圍巖變形、離層、支護體受力的儀器，及時、準確地監(jiān)測圍巖穩(wěn)定性與支護狀況，確保巷道的安全。一方面， 研制具有一定延伸率的高強度錨桿材料，如澳大利亞錨桿桿體材料的屈服強度在 400~600MPa，有的甚至大于 600MPa；英國錨桿材料的屈服強度為 640~720MPa；美國錨桿材料的屈服強度為 414~689MPa； 另一方面 加大錨桿直徑，國外多數使用 υ20~22mm的錨桿，有的達到 υ24mm。 （ 2）根據煤礦巷道特點，采用比較合理的錨桿支護設計方法。 （ 3） 1970~1980年，管縫式錨桿、脹管式錨桿等全長錨固錨桿研制成功，并在井下得到應用。這類錨桿錨固力低，在不同巖層中的錨固力變化大，支護剛度小，可靠性差，不宜在松軟破碎的巖層中使用。隨著我國 新生代第三紀煤田的開采及老礦井采深的增加 ，復雜地質條件煤礦的數量和分布范圍將會繼續(xù)增加和擴大。多巷布置帶來了煤柱留設、巷道受到二次甚至多次采動影響，增加了巷道維護的難度。對于回采巷道，拱形斷面給回采工作面端頭支護造成很大困難，阻礙工作面的正常推進。 （ 8）減少工人的勞動強度 （ 9）減少輔助運輸量 1 錨桿支護技術的發(fā)展 我國煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢 —— 迫切要求發(fā)展錨桿支護 隨著開采深度、開采強度與開采范圍的增加，巷道布置及圍巖出現了以下變化趨勢： （ 1）巖巷向煤巷發(fā)展 ? 傳統(tǒng)的巷道布置方式將開拓巷道和準備巷道布置在巖石中，雖然有利于巷道維護，但帶來一系列問題： 巷道掘進成本高，施工速度慢，增加了許多聯絡巷 ；掘進出現大量矸石，給礦井輔助運輸和地面環(huán)境造成極大壓力。 ? 改變了巷道表面巖體的受力狀態(tài)，由二向受力狀態(tài)轉化為三向受力狀態(tài)，提高了巖體的承載力。我國煤礦以井工開采為主，需要在井下開掘大量巷道，而且 80%以上是煤巷、半煤巖巷，或為松軟破碎圍巖巷，或為遇水軟化膨脹圍巖巷。 （ 1）可顯著提高巷道支護效果 ? 對不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用。 為采煤工作面的快速推進、產量與效益的提高創(chuàng)造良好條件。一般情況下，煤相對于巖石比較松軟、破碎，顯然增加了巷道支護難度。巷道斷面積的增大，顯著增加了支護難度。深部開采將帶來一系列高地應力巷道支護難題，如沖擊礦壓、圍巖大變形、強烈底鼓等淺部巷道沒有的支護問題。而地下工程中大量采用錨桿支護是在 20世紀 40年代末期。之后樹脂錨桿在世界主要采煤國家逐步得到應用和發(fā)展。 （現在的錨固技術） 1 錨桿支護技術的發(fā)展 國外錨桿支護技術發(fā)展的主要特點 （ 1）十分重視巷道圍巖地質力學參數的測試，對支護對象有比較清楚地了解。美國使用的錨桿種類比較多，包括樹脂錨固錨桿、漲殼式錨桿及混合錨固錨桿。 澳大利亞、美國大量采用掘錨聯合機組，實現了掘進與錨桿支護一體化，大幅度提高了巷道掘進速度與工效。 基本上解決了一般條件下的巷道支護問題 。隨著綜采放頂煤開采技術的廣泛應用和礦井向深部延伸，出現了一系列復雜困難條件，包括全煤巷道、沿空掘巷、極破碎圍巖巷道等，而且隨著開采強度的增大，要求的巷道斷面越來越大。當然，較高的預應力要求錨桿具有較高的強度。 1 錨桿支護技術的發(fā)展 我國煤礦錨桿支護的主要新成果 （ 2）動態(tài)性、系統(tǒng)性、信息性的錨桿支護設計方法得到普遍認可與應用 ? 認為錨桿支護 設計 不是一次完成的，而是一個動態(tài)的、系統(tǒng)的過程，設計應充分利用每個過程中提供的信息，實時進行信息收集、信息分析與信息反饋。頂板離層指示儀、測力錨桿、錨桿（索）測力計等監(jiān)測儀器得到推廣應用，在判斷支護設計合理性、圍巖穩(wěn)定性與巷道安全性方面起到了重要作用。但是，各種理論都有其適用條件，都不同程度地存在著局限性、片面性，甚至有不合理性或不可操作性。 (圖 b)。 ? 總之，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動抗拉作用，沒有涉及對巖體抗剪能力及對破碎巖層整體強度的改變。 2 錨桿支護理論 組合梁理論 ? 組合梁理論存在的明顯缺陷： (1)組合梁 有效組合厚度很難確定 。錨桿支護的 作用是形成較大厚度和較大強度的加固拱， 拱的厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定。這也正是錨桿支護技術特別強調高強度、全長錨固的原因。 ③ 大松動圈 (厚度大于 1 500mm)，錨桿的作用是給松動圈內破裂圍巖提供約束力，使其恢復到接近原巖的強度并具有可縮性，采用加固拱理論設計錨桿支護參數。 錨桿桿體的作用 ? 對于錨桿桿體本身來說，由于桿體長度方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，所以力學上屬于 桿件 。 對于加長錨固錨桿 ，托板的作用同樣重要，通過托板壓緊巷道表面給錨桿施加預緊力，預緊力對錨桿工作阻力和受力分布又產生影響，提高支護效果。 )(DP 21壁之間破壞發(fā)生在錨固劑與孔錨桿之間）（破壞發(fā)生在錨固劑與lldP??????3 錨桿支護構件的作用 錨固劑的作用 （ 1） 錨固劑的黏結作用 在拉拔狀態(tài)下 ， 桿體錨固段剪應力分布為負指數曲線 ， 見圖 。如果 υ28 mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，則錨固劑可提供 kN的抗拉力。鋼帶的作用主要表現在以下 3方面： (1)錨桿預緊力和工作阻力擴散作用。其實，網的作用遠不止這一個，特別是在高地應力、破碎圍巖條件下，網是錨桿支護系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護設計的重要性 ? 支護設計是巷道錨桿支護中的一項十分重要的工作，對充分發(fā)揮錨桿支護的優(yōu)越性和保證巷道安全具有十分重要的意義。這種設計方法通過對多個方案的比較分析，可以選擇得到更好方案。巷道頂底板應取一定范圍的巖層 (如 2倍巷道寬度 )進行比較 。因此，進行圍巖結構特征比較時，應盡量全面、詳細。地應力參數包括垂直主應力的大小與方向、最大水平主應力的大小與方向、最小水平主應力的大小與方向，以及最大水平主應力與巷道軸線的夾角。此外，不同的開挖順序也可能影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。 ⑤新奧法 對錨桿長度的選擇也提出一些準則。 ? 經驗公式最大的特點是使用簡單、方便， 但存在兩方面的弊端：一是 經驗公式只能提供錨桿支護的主要參