【正文】 ④ 錨桿 預(yù)應(yīng)力的擴散 對支護效果同樣重要。為了解決這些巷道支護難題，在引進(jìn)、消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過集中攻關(guān)，提出了針對我國煤礦條件的高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論，開發(fā)了強力錨桿、錨索支護系統(tǒng)，提高了巷道支護效果與安全性，并有利于巷道快速掘進(jìn)，使煤巷錨桿支護技術(shù)發(fā)展到一個新的水平。但對于困難條件，如復(fù)合頂板、破碎頂板、煤層頂板巷道，以及沿空掘巷、沿空留巷等，錨桿支護的可行性和適用性還沒有得到深入細(xì)致的研究。同時，單體錨桿鉆機、鉆頭鉆桿及快速安裝系統(tǒng)也有較快發(fā)展，基本滿足了錨桿支護施工的要求。德國除使用樹脂錨固錨桿外，還研制了可拉伸錨桿，使錨桿既具有足夠的支護阻力，又有一定的延伸性，適應(yīng)圍巖變形強烈的條件。 如美國、澳大利亞、英國等在錨桿支護設(shè)計前，要進(jìn)行全面、詳細(xì)的地應(yīng)力、圍巖強度和圍巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征的測量，分析巷道應(yīng)力場分布特征，巷道圍巖變形破壞的主要影響因素。初期樹脂錨桿為端部樹脂錨固，錨桿孔徑較大（ 38~45mm），以后發(fā)展到小孔徑（ 22~30mm）全長錨固樹脂錨桿。此后，錨桿支護在煤礦、非煤礦山、隧道及其他巖土工程中得到迅速發(fā)展，成為一種極具發(fā)展前景的支護方式。 1 錨桿支護技術(shù)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 （ 7）簡單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展 ?我國煤礦煤系地層中具有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井分布十分廣泛。 （ 5）由單巷布置向多巷發(fā)展 ? 回采工作面開采強度和產(chǎn)量越來越大，要求的運輸、通風(fēng)斷面逐年增加。此外對于特厚煤層開采和急傾斜煤層水平分層開采等條件，不僅巷道頂板與兩幫為煤層，有時底板也是煤層，屬全煤巷道，支護難度進(jìn)一步加大。 （ 5）提高掘進(jìn)速度 （ 6）消除安全隱患 ? 棚架與頂煤之間出現(xiàn)空隙，易造成煤自燃； ? 大斷面開切眼中安裝、回撤棚架和工作面上下順槽回撤支架時，易發(fā)生大面積冒落或傷亡事故。 ? 錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體性。煤礦巷道 錨桿支護理論 與技術(shù)及安全問題 太原理工大學(xué)采礦工藝研究所 202077 主要內(nèi)容 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 2 錨桿支護的基本理論 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 4 錨桿支護設(shè)計方法 5 錨桿與錨索施工工藝 6 影響錨桿支護效果的關(guān)鍵因素分析 7 錨桿支護巷道冒頂成因及其對策 8 我國煤礦錨桿支護技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展（展望） 9 野川煤業(yè) 井巷錨桿支護設(shè)計、施工與監(jiān)測 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 巷道支護的重要性 ? 巷道支護是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。 ? 由于預(yù)緊力的作用，形成壓縮巖梁或壓縮拱，阻止了巖體的離層作用，增大了巖層間的摩擦力，與錨桿本身的抗剪作用一起，阻止巖層間產(chǎn)生相對滑動，提高了巖層的承載能力。 （ 7）降低支護成本，特別是減少初期投資 ? 采用錨桿支護，可以大量地節(jié)約鋼材、木材等材料，降低支護成本。 （ 3）巷道從拱形斷面向矩形斷面發(fā)展 ? 拱形斷面雖然能夠改善巷道受力狀態(tài)，有利于巷道支護，但拱形巷道施工工藝比較復(fù)雜，成巷速度低，有時還需要破壞頂板，出現(xiàn)矸石。特別是高瓦斯礦井，往往單巷布置不能滿足生產(chǎn)要求，出現(xiàn)了一個工作面布置3~5條，甚至更多巷道的多巷布置方式。 北 起黑龍江、內(nèi)蒙古， 南 到廣東、廣西， 東 起山東、浙江， 西 到新疆、青海等廣大遼闊的幅員內(nèi)有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井遍布全國各主要產(chǎn)煤省區(qū)，近半數(shù)的礦區(qū)存在地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井。 從錨桿支護形式的發(fā)展過程分，可分為以下幾個階段： （ 1） 1950年 ~1960年，錨桿型式主要是機械端部錨固錨桿，分楔縫式、倒楔式、漲殼式等。這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應(yīng)性強，極大地促進(jìn)了錨桿支護技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。這是錨桿支護成功的必要前提。 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 國外錨桿支護技術(shù)發(fā)展的主要特點 （ 4）錨桿向高強度、高可靠性方向發(fā)展。 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 國外錨桿支護技術(shù)發(fā)展的主要特點 （ 6）錨桿支護監(jiān)測儀器與技術(shù)保證了巷道安全。 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 我國煤礦錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 （ 4） “ 九五 ” 期間， 原煤炭工業(yè)部將 “ 錨桿支護 ” 列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的 五個重點項目之一 ，展開了更深入、細(xì)致的試驗研究。概括起來，有以下主要成果。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍很有限，必須通過托板、鋼帶（鋼筋梯子梁）和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。 （ 3） 開發(fā)出了高強度、高剛度樹脂錨固錨桿支護 材料 ，實現(xiàn)了煤礦巷道支護材料的跨越式發(fā)展。 （ 9） 開發(fā)出了 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速原位測試系統(tǒng) ，包括地應(yīng)力（水壓致裂地應(yīng)力測試）、圍巖強度（根據(jù)頂針壓破鉆孔孔壁的臨界壓力計算）及圍巖結(jié)構(gòu)測定裝置（電子鉆孔窺視儀），實現(xiàn)了井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的快速、經(jīng)濟、大面積測量。逐步認(rèn)識到 預(yù)緊力在錨桿支護中的決定性作用，錨桿對圍巖強度的強化作用，錨桿對圍巖結(jié)構(gòu)面離層、滑動、節(jié)理裂隙張開等擴容變形的約束作用，以及保持圍巖完整性的重要作用 。 (2)錨桿安設(shè)后，由于 巖層變形、離層和破碎 ，會使 錨桿受力很大 ，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量（ 碎脹力 ）。 2 錨桿支護理論 組合梁理論 ? 組合梁理論認(rèn)為：在層狀巖體中開挖巷道，當(dāng)頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅硬穩(wěn)定巖層時，錨桿的懸吊作用居次要地位。 (2)沒有 考慮水平應(yīng)力 對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷： (1)只是將各錨桿的支護作用 簡單相加 ，得出支護系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對錨固巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究。圍巖一旦產(chǎn)生松動圈，圍巖的最大變形載荷是松動圈產(chǎn)生過程中的碎脹變形，圍巖破裂過程中的巖石碎脹變形是支護的對象。 2 錨桿支護理論述評 圍巖強度強化理論 ? 侯朝炯教授等在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護圍巖強度強化理論。 至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是非常小的，可以忽略不計。圖示是有、無托板時錨桿軸力與剪力分布示意圖。 E/8Kdxce)x( ??2121KKKKK??3 錨桿支護構(gòu)件的作用 錨固劑的作用 （ 1）錨固劑的黏結(jié)作用 由上式可知，錨固起始段處 x=0， τ(0)=c。可見錨固劑提供的抗拉力遠(yuǎn)小于錨桿桿體。 (2)支護巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。 (2)緊貼巷道表面，提供一定的支護力 (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 支護設(shè)計方法分類 ? 錨桿支護設(shè)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。在借鑒國外先進(jìn)設(shè)計方法的基礎(chǔ)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(shè)計方法 ，符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性、多變性的特點。對于煤礦巷道中常見的泥巖、粉砂巖及頁巖等巖石，受風(fēng)化影響程度，遇水軟化與膨脹特性都應(yīng)給予足夠重視； 力學(xué)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)。 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(yīng)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(guān)鍵性作用。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(fēng)和運輸巷、開切眼等 )和巷道服務(wù)年限。目前， 國內(nèi)外有多種錨桿支護設(shè)計的經(jīng)驗公式，以下列舉幾個比較經(jīng)典的公式。 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(guān)的系數(shù)，取 3~5。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護設(shè)計 ①圍巖穩(wěn)定性分類方法 ? 直接工程類比法與支護設(shè)計者的實踐經(jīng)驗關(guān)系很大，是決定支護設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護設(shè)計 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設(shè)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(yīng)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(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。 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(shè)計方法 1）懸吊理論分析設(shè)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。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。 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 —。 固支梁中點下表面上最大拉應(yīng)力值為 式中 B——巷道跨度， m。 ? 動態(tài)信息 設(shè)計方法包括 5部分：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設(shè)計。 包括垂直主應(yīng)力和兩個水平主應(yīng)力，其中最大水平主應(yīng)力的方向和大小對錨桿支護設(shè)計尤為重要。測試應(yīng)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(shè)計錨固深度上進(jìn)行三組拉拔試驗。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(xué)問題。 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。所以在錨桿支護設(shè)計和巷道圍巖穩(wěn)定性研究所廣泛采用有限差分法。對于回采巷道，斷面形狀應(yīng)優(yōu)先選擇矩形，以滿足回采工作面快速推進(jìn)的要求。 4 錨桿支護設(shè)計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)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(xué)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(yù)緊力矩或預(yù)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(xué)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(yù)緊力； ? 錨索組合構(gòu)件形式、規(guī)格和強度。 ⑥均衡支護原則 根據(jù)巷道各部位的受力情況，應(yīng)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?？紤]到從掘進(jìn)到回采影響的時間比較長，不利于及時進(jìn)行信息反饋和修改設(shè)計，而且在采煤工作面前方一般要進(jìn)行超前支護，故選擇掘進(jìn)影響期的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息反饋。 ? 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(biāo)。 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(shù)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。 ②高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則 預(yù)應(yīng)力是錨桿支護的關(guān)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(yù)應(yīng)力的錨桿支護才是真正的主動支護。 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(xué)模型。 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。 4 錨桿支護設(shè)計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法 （ 2） 初始設(shè)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(xué)模型，如摩爾 —庫侖模型、應(yīng)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。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。 4 錨桿支護設(shè)計方法 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法 2） 初始設(shè)計方法 ? 錨桿支護初始設(shè)計采用數(shù)值模擬計算結(jié)合其他方法確定 。 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(fēng)化性質(zhì)等。包括以下幾方面： ①巷道圍巖巖性和強度。 222 LqB??tK ?? ?1tqKBL?12 ?4 錨桿支護設(shè)計方法 3）組合梁理論分析設(shè)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) 。與不錨固巖梁相比，組合梁