【正文】 數(shù) (錨桿長(zhǎng)度、間排距等 )，而其他參數(shù)，如錨桿桿體結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力、錨固長(zhǎng)度、托板結(jié)構(gòu)與尺寸、組合構(gòu)件形式與尺寸等，很難在經(jīng)驗(yàn)公式中全面反映，這些參數(shù)卻在錨桿支護(hù)中同樣起著十分重要的作用； 二是 經(jīng)驗(yàn)公式中考慮影響錨桿支護(hù)效果的因素很少，如上述的經(jīng)驗(yàn)公式中，只考慮了巷道寬度、高度，巖石軟硬程度，結(jié)構(gòu)面分布，而影響巷道圍巖變形與破壞的因素還有很多。如制訂了 《 工程 巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 》 ，根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)對(duì)巖體進(jìn)行基本質(zhì)量分級(jí)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)及地下水等修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；綜合考慮巖石強(qiáng)度、巖體完整性指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)和分布、地應(yīng)力及圍巖自穩(wěn)時(shí)間等，比較全面、合理地提出錨噴支護(hù)圍巖分類 (GBJ86—1985)； 將圍巖變形量這個(gè)眾多影響因素作用的綜合指標(biāo)作為分類的基礎(chǔ)，提出以圍巖變形量大小為指標(biāo)的分類方法；圍巖松動(dòng)圈是與圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及巷道斷面形狀和尺寸等多種因素有關(guān)的綜合指標(biāo)， 提出以圍巖松動(dòng)圈為指標(biāo)的分類方法 ；采用模糊聚類分析方法，用模糊綜合評(píng)判預(yù)測(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性類別，預(yù)測(cè)巷道圍巖移近量，制訂了 《 我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案 》 。 ④ 巷道埋深 指巷道位置與地表的垂直距離，應(yīng)討論不同埋深時(shí)的圍巖類別。 ①錨桿長(zhǎng)度： 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算： L=L1+L2+L3 式中 L —錨桿長(zhǎng)度， m； L1—錨桿外露長(zhǎng)度，取決于錨桿類型與錨固方式，一般取0． 15m； L2—錨桿有效長(zhǎng)度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度， m； L3—錨桿錨固長(zhǎng)度，端部錨固一般取 ～ 。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 2）自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)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(jì)算圖。m1為 式中 γy 、 γn煤和巖石的重力密度， kN ①錨桿長(zhǎng)度： L=L1+L2+L3 式中 L L2分別為錨桿外露長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度。根據(jù)所需加固拱的厚度計(jì)算錨桿參數(shù)。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(xué)特性等。 采用錨桿拉拔計(jì)確定樹(shù)脂錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度。 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(shè)基礎(chǔ)上的。它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(dòng)和破壞。 FLAC內(nèi)部還有一種編程語(yǔ)言 FISH。 ? 確定巷道斷面形狀與尺寸。 ? 模擬結(jié)果分析。 ④臨界支護(hù)剛度與強(qiáng)度原則 錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度與強(qiáng)度，如果支護(hù)剛度與強(qiáng)度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。反 饋指標(biāo)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(biāo)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、易于測(cè)取。 ? 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(guān)系很大。監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)。 ③ “ 三高一低 ” 原則 即 高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則 。 根據(jù)模擬對(duì)象確定模擬方案。一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的煤巖體中和應(yīng)力降低區(qū)；另一方面，應(yīng)將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。錨桿單元是一種一維軸向單元，在一定拉力下屈服。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 2） 初始設(shè)計(jì)方法 ①數(shù)值模擬計(jì)算方法： ? 有限差分法 是一種最古老的數(shù)值計(jì)算方法，但是隨著現(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。對(duì)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。 巷道與采掘工作面、采空區(qū)的空間位置關(guān)系，層間距大小及煤柱尺寸；巷道掘進(jìn)與采動(dòng)影響的時(shí)間關(guān)系 (采前掘進(jìn)、采動(dòng)過(guò)程中掘進(jìn)、采動(dòng)穩(wěn)定后掘進(jìn) )；采動(dòng)次數(shù)，一次采動(dòng)影響、二次或多次采動(dòng)影響等。 ②地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 3）組合梁理論分析設(shè)計(jì)方法 ②錨桿間排距 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 4）加固拱理論分析設(shè)計(jì)方法 ? 加固拱理論認(rèn)為，在錨桿錨固力作用下， 每根錨桿周圍形成一個(gè)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 )。 ? 圖示是頂板組合梁的力學(xué)模型。 ； Ky——待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；fn—錨固巖層的硬度系數(shù)。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(dòng)影響程度、巖層傾角、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ③巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 1）懸吊理論分析設(shè)計(jì)法 ? 懸吊理論認(rèn)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。 ② 底板巖石單軸抗壓強(qiáng)度 取巷道寬度 1倍范圍內(nèi)底板巖石單軸抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。 ? 國(guó)外比較典型的巖石分類法有 普氏堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)法、巖心質(zhì)量指標(biāo) RQD分級(jí)法 (Deere， 1967)、以巖體中彈性波傳播速度為指標(biāo)的分類方法 (池田和彥， 1973)，以及巖體質(zhì)量 Q分級(jí)法(Barton， 1974)和 RMR巖體分級(jí)法 (Bieniawski， 1979)等，有些分類方法提出了相應(yīng)的錨桿支護(hù)建議。 ③ Schach等從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā)，認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度與錨桿間距的比值應(yīng)接近 2。 ③ Schach等人提出確定錨桿長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類比設(shè)計(jì)方法 2）經(jīng)驗(yàn)公式法 —錨桿長(zhǎng)度的選取 ④日本的經(jīng)驗(yàn) 表明，錨桿長(zhǎng)度為巷道寬度或高度的 。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類比設(shè)計(jì)方法 1）根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì) —直接類比法 ⑦ 巷道施工技術(shù)。地應(yīng)力一般分為垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力。結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)包括：法向剛度、切向剛度；黏聚力與內(nèi)摩擦角等。因此，已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是直接工程類比法應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。因此，依據(jù)理論計(jì)算所作的設(shè)計(jì)結(jié)果很多情況下只能作為參考。如圖所示，有網(wǎng)的情況下，雖然巷道表面圍巖已破壞，但沒(méi)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(yīng)力狀態(tài)，提高巖體的殘余強(qiáng)度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時(shí)也保證了錨桿的錨固效果。 3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用 ? 分析鋼帶受力的簡(jiǎn)化模型是將兩根錨桿之間的鋼帶段作為一簡(jiǎn)支梁 (見(jiàn)圖 )，采用材料力學(xué)的相關(guān)公式計(jì)算鋼帶受力與變形。可見(jiàn)錨固劑可提供一定的抗剪能力。當(dāng)曲線下方面積最大時(shí)，錨桿拉拔力達(dá)到最大。 （ 1）錨固劑的黏結(jié)作用 ? 在工程設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算錨桿拉拔力的簡(jiǎn)化方法是假定錨固劑與桿體、錨固劑與鉆孔孔壁之間的黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度內(nèi)均勻分布，則錨桿拉拔力可用下式計(jì)算： ? 這種簡(jiǎn)化的方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但不符合錨桿拉拔時(shí)黏結(jié)應(yīng)力分布的實(shí)際情況。托板強(qiáng)度不足、安裝質(zhì)量差、受較大偏載都會(huì)顯著降低錨桿的作用。在錨桿強(qiáng)度一定時(shí)，錨桿對(duì)殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用大于對(duì)極限強(qiáng)度的強(qiáng)化，這對(duì)控制破碎區(qū)圍巖的變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。 根據(jù)松動(dòng)圈的大小，將圍巖分為 3種類型，并給出了相應(yīng)的支護(hù)方式： ① 小松動(dòng)圈 (厚度小于 400mm)，錨桿支護(hù)作用不明顯，只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。 2 錨桿支護(hù)理論 最大水平應(yīng)力理論 2 錨桿支護(hù)理論 最大水平應(yīng)力理論 ? 在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形（頂板下沉與底臌）。如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮拱，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部 破碎巖石施加的徑向載荷。 ? 組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為： ? 組合梁的最大彎曲應(yīng)變?yōu)? ? 組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。 懸吊理論無(wú)法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的原因。 ? 在頂 板 上部有穩(wěn)定巖層 ，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下 (圖 a)，這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。到目前為止，已提出了多達(dá) 十幾種 錨桿支護(hù)理論，如 懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論 等等。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 （ 6） 立足我國(guó)煤礦現(xiàn)有的掘進(jìn)裝備，形成了一套綜掘機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)的 煤巷快速掘進(jìn)施工工藝 ，使煤巷錨桿支護(hù)單進(jìn)水平有了較大提高。 ⑥ 錨索的作用主要有兩個(gè)方面： 一是 將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是 錨索施加較大預(yù)緊力，擠壓和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度。 ③ 錨桿支護(hù)的剛度十分重要，其中錨桿 預(yù)應(yīng)力 起著決定性作用。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 ? 我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了低強(qiáng)度錨桿 —高強(qiáng)度錨桿 —高預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)力錨桿支護(hù)的發(fā)展階段。 （ 2） 1960’S錨桿支護(hù) 進(jìn)入采區(qū) ，主要是采區(qū)上下山，但由于采區(qū)巷道圍巖松軟，受采動(dòng)影響后圍巖變形量大，對(duì)支護(hù)要求很高，加之錨桿支護(hù)理論、設(shè)計(jì)方法、錨桿材料、施工機(jī)具、監(jiān)測(cè)手段等還不夠完善，因而事故頻發(fā)，發(fā)展緩慢。 在提高錨桿強(qiáng)度的條件下，降低支護(hù)密度，有利于快速掘進(jìn)。 （ 3）根據(jù)本國(guó)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，采用適宜的錨桿形式。 （ 5） 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固錨桿以其優(yōu)越的錨固效果和簡(jiǎn)便的施工工藝，逐步取代了其他類型的錨桿，成為錨桿支護(hù)的主導(dǎo)型式。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 （ 2） 1960年 ~1970年，樹(shù)脂錨桿研制成功，并得到推廣應(yīng)用。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 ? 100多年前，國(guó)外一些礦山就開(kāi)始應(yīng)用錨桿支護(hù)。煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，進(jìn)一步加速了礦井深度的增加。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢(shì) ——迫切要求發(fā)展錨桿支護(hù) （ 4）巷道從小斷面向大斷面發(fā)展 ? 隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開(kāi)采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運(yùn)輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來(lái)越大。 （ 2）巖石頂板煤巷向煤層頂板巷道和全煤巷道發(fā)展 ? 綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，或沿厚煤層的穩(wěn)定層布置，巷道頂板是煤。 （ 3）減少巷道維修量，特別是在困難與復(fù)雜條件下 ? 錨桿支護(hù)能及時(shí)加固圍巖，減少圍巖變形，防止頂板早期離層和片幫。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)是經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)形式。 巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 ? 煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過(guò)程。 ? 錨桿支護(hù)利用錨固劑、桿體、托板及各種構(gòu)件或噴層，通過(guò)預(yù)緊力和錨桿桿體的剛度，給圍巖一定的支護(hù)強(qiáng)度，與圍巖共同組成支護(hù)體系，并且隨圍巖變形，支護(hù)力不斷增加。特別是現(xiàn)代化礦井，巖巷占的比例已經(jīng)很少，幾乎沒(méi)有。另外，在層狀破碎頂板條件下，巷道兩拱部的巖石不僅不能起到承載作用，還會(huì)成為支護(hù)的荷載。新汶、淄博、開(kāi)灤、徐州等礦區(qū)的開(kāi)采深度已超過(guò) 1000m，出現(xiàn)了一批千米深井。有的復(fù)雜地質(zhì)條件礦井，每米巷道的支護(hù)費(fèi)用已高達(dá) 1~2萬(wàn)元，并多次返修，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。如英國(guó)煤礦在 1957年使用了約 50萬(wàn)根錨桿，法國(guó)煤礦用量也較大，但到 20世紀(jì) 60年代初，錨桿用量大幅度降低。 （ 4） 1980~1990年，錨桿支護(hù)形式更加多樣化，出現(xiàn)了混合錨固錨桿、鋼帶式組合錨桿、桁架錨桿、可拉伸錨桿、錨注錨桿等特種錨桿，錨索加固技術(shù)也得到了應(yīng)用，樹(shù)脂錨桿材料得到了進(jìn)一步改進(jìn)與提高。這種方法符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性與多變性的特點(diǎn)，因此得到國(guó)際上的普遍認(rèn)可和采用。英國(guó)還研制出拉斷載荷 500kN的大錨桿。 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 （ 1） 1956年在煤礦 穩(wěn)定的巖層巷道 中使用錨桿支護(hù)。 ?同時(shí)，困難條件下的錨桿 錨索支護(hù)技術(shù)得到了應(yīng)用，并取得了令人滿意的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。 ② 在錨固區(qū)形成 剛度 較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。高預(yù)應(yīng)力要求錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的 30%~50%；強(qiáng)力錨桿要求桿體有較大的破斷強(qiáng)度。 （ 5） 研制出了適合工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì) 軟件 如北京開(kāi)采所、太原理工大學(xué)、安徽理工大學(xué)等單位科研人員，均研制出了適合現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、咨詢系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)等，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性與速度，大大減輕了工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 2 錨桿支護(hù)理論 ? 為了弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，人們一直把錨桿支護(hù)作用機(jī)理作為一個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行了廣泛、深入的研究。