【正文】 的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減少，從而提高巷道頂板的穩(wěn)定性。 4 錨桿支護設(shè)計方法 2）自然平衡拱理論分析設(shè)計方法 ? 按上式求出的 C為負(fù)值時表明煤體穩(wěn)定，正值表明煤體發(fā)生破壞的深度。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。 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 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 ③巷道圍巖松動圈分類及支護設(shè)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(guān)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(yīng)的支護機理與方法，見表。在圍巖穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的支護設(shè)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。為了將特定巖體條件下的設(shè)計與個別工程相應(yīng)條件下的實踐經(jīng)驗聯(lián)系起來進行工程類比，作出比較合理的設(shè)計方案， 進行圍巖分類是非常必要的。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 2）經(jīng)驗公式法 ? 錨桿間排距選取 ① Hoek與 Brown等提出，最大錨桿間距 =min[錨桿長度之半， 1． 5倍不連續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度 ]。 采動影響狀況包括： 采動空間關(guān)系 ，與鄰近巷道的位置關(guān)系，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；采動時間關(guān)系 ，巷道在采動影響前掘進、采動影響過程中掘進，還是采動影響穩(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。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 1）根據(jù)已有工程直接提出支護設(shè)計 —直接類比法 ④ 地應(yīng)力。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 1）直接類比法 ②圍巖結(jié)構(gòu)特征： 指煤巖體內(nèi)節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的空間分布及力學(xué)性能。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 1）根據(jù)已有工程直接提出支護設(shè)計 —直接類比法。 （ 2） 理論計算法 ：基于某種錨桿支護理論，如懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論，計算得出錨桿支護參數(shù)。同時，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統(tǒng)。 (3)均衡錨桿受力和提高整體支護作用。如果 υ28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，則錨固劑可提供 。隨著拉拔力增加， τ(0)也逐漸增加。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 錨固劑的作用 ? 錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護作用。托板的作用可分為兩個方面：一是通過給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預(yù)緊力， 并使預(yù)緊力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動和節(jié)理裂隙的張開，實現(xiàn)錨桿的主動、及時支護作用； 其二是圍巖變形使載荷作用于托板上，通過托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。 2 錨桿支護的基本理論 圍巖強度強化理論 ? 為描述錨桿對巖體的強化作用，引入強化系數(shù)，即錨固體的強度與未錨固巖體強度的比值。 ? 圍巖松動圈的厚度是圍巖強度與圍巖應(yīng)力的函數(shù)，它是一個綜合指標(biāo)。 最大水平應(yīng)力理論 ? 最大水平應(yīng)力理論認(rèn)為：礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，且水平應(yīng)力（構(gòu)造應(yīng)力）具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的~。 (3)只適用于層狀頂板，而且 僅考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用 ，沒有涉及錨桿對巖體強度、變形模量及應(yīng)力分布的影響。 ? 組合梁理論適用于層狀巖層。而懸吊理論 沒有考慮錨固圍巖的自承能力 。 2 錨桿支護理論 懸吊理論 錨桿支護的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層 懸吊 在上部穩(wěn)定的巖層上。 促進了錨桿支護技術(shù)的健康發(fā)展。 （ 4） 單體風(fēng)動和液壓錨桿 鉆機 、手持式錨桿鉆機的性能指標(biāo)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平，并形成了系列產(chǎn)品，基本滿足了錨桿支護的要求，結(jié)束了錨桿鉆機主要靠進口的歷史。 1 錨桿支護技術(shù)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(rèn)識 ⑤ 在復(fù)雜與困難條件下，采用高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿組合支護系統(tǒng)，同時要求支護系統(tǒng)有一定的延伸量。通過進一步的實測和計算，有了新的認(rèn)識： ①錨桿支護的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂隙產(chǎn)生等擴容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態(tài)，以防止圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強度和穩(wěn)定性。 ?特別是 1996~1997年 ，我國引進了澳大利亞錨桿支護技術(shù)，在邢臺礦務(wù)局進行了現(xiàn)場演示，并完成了與錨桿支護技術(shù)相關(guān)的 15個項目，使我國的煤巷錨桿支護技術(shù)有了較大的提高。 （ 7）采用科學(xué)、嚴(yán)格的管理，除了制訂有錨桿支護材料標(biāo)準(zhǔn)、錨桿支護技術(shù)規(guī)范外，很多礦還配備有專門的錨桿支護工程師，對錨桿支護的設(shè)計、材料、施工等進行專門的檢查與監(jiān)測，促進了錨桿支護技術(shù)的安全與健康發(fā)展。錨桿桿體的拉斷載荷一般在 200kN以上，有的甚至超過 300kN。 如澳大利亞、英國等采用“地質(zhì)力學(xué)評估 —初始支護設(shè)計 —井下施工與監(jiān)測 —信息反饋與修改設(shè)計 —日常監(jiān)測”的設(shè)計方法。 但是管縫式錨桿、脹管式錨桿在井下容易銹蝕，錨固力受鋼材質(zhì)量、圍巖性質(zhì)、鉆孔直徑等因素影響較大，施工工藝比較復(fù)雜，錨固質(zhì)量難以保證，只能在適宜的條件下使用。由于這些弊端，導(dǎo)致了英國、法國等國家在使用錨桿支護過程中出現(xiàn)過反復(fù)。復(fù)雜地質(zhì)條件巷道圍巖穩(wěn)定性差、圍巖變形和破壞嚴(yán)重，巷道維護十分困難。 （ 6）巷道埋深從淺部向深部發(fā)展 ? 我國煤礦開采深度以 8~12m/a的速度增加。而矩形巷道，除巷道受力狀況比拱形巷道差外，拱形巷道的缺陷基本都被克服。隨著巷道支護技術(shù)的發(fā)展與支護水平的提高，巖巷布置已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槊合锊贾谩? 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 錨桿支護的優(yōu)越性 （ 2）變 “ 被動支護 ” 為 “ 主動支護 ” ? 棚式支護等待圍巖變形、破碎后支撐，承載。確保巷道的安全、快速掘進，確保巷道使用期間的暢通、與圍巖穩(wěn)定，確保巷道的支護與維護成本較低等，是建設(shè)安全高效礦井的一項重要工作，具有重要意義。 錨桿支護的優(yōu)越性 與棚式支架相比，錨桿支護具有顯著的優(yōu)越性。 （ 4）簡化回采工作面端頭支護和超前支護。隨著綜放開采技術(shù)的大面積推廣，煤頂巷道所占的比重逐年增加。煤層大巷的跨度已經(jīng)超過 6m，斷面超過 25m2；回采巷道寬度也達(dá) 5~6m，斷面達(dá) 15~20m2；開切眼跨度超 10m，斷面超過 40m2；井底換裝硐室的寬與高均已達(dá)到 10m，斷面積為100m2。預(yù)計在未來 20年我國很多煤礦將進入 1000m~1500m的開采深度。英國在 1872年就采用過金屬錨桿，美國 1900年使用過木錨桿。 1958年德國開始研制樹脂錨桿，經(jīng)過一年多的實驗室試驗，埃森采礦研究中心制作了第一批藥卷式樹脂錨固劑，于 1959年在煤礦井下進行試驗， 1961年取得成功。錨索加固技術(shù)也得到了大面積的推廣應(yīng)用。 如澳大利亞、英國主要采用樹脂全長錨固螺紋鋼錨桿。 （ 5）先進的錨桿施工機具不僅保證了支護質(zhì)量，而且提高了成巷速度，促進了錨桿支護技術(shù)的發(fā)展。 （ 3） “ 八五 ” 期間 （ 1991~1995）， 原煤炭工業(yè)部把煤巷錨桿支護技術(shù)作為重點項目進行攻關(guān)，取得了一大批水平較高的科研成果，并應(yīng)用于新汶、鐵法、兗州、峰峰、淮南等多個礦區(qū)。 ? 錨桿支護應(yīng)用初期，由于支護強度與剛度低，缺乏科學(xué)的支護理論和設(shè)計方法，支護材料、施工機具技術(shù)性能和配套性差，監(jiān)測儀器不完善，因而支護質(zhì)量不能保證，出現(xiàn)了多起冒頂死亡事故。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護設(shè)計的關(guān)鍵。 ⑦ 錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。 （ 7） 研制出了錨桿支護施工質(zhì)量檢測與礦壓 監(jiān)測成套儀器 。這些支護理論在生產(chǎn)實踐中起到了積極作用。 ? 在比較 軟弱的圍巖中 ，巷道開掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動破碎區(qū)，在其 上部形成自然平衡拱，錨桿支護的作用是將下部松動破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上，這是懸吊理論的進一步發(fā)展。 (5) 只適用于巷道頂板，不適用于巷道兩幫和底板。 ? 組合梁理論充分考慮了錨桿對 離層及滑動 的約束作用。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向 及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強度 得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。錨桿的作用是抑制巖層沿錨桿軸向的膨脹和垂直于軸向的剪切錯動 (見圖 )，因此，要求錨桿強度大、剛度大、抗剪能力強，才能起到上述兩方面的約束作用。 ② 中松動圈 (厚度在 400～ 1 500mm之間 )，支護比較容易，采用懸吊理論設(shè)計錨桿參數(shù)，懸吊點在松動圈之外。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 ? 錨桿支護由錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成，錨桿支護的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。 對于端部錨固錨桿， 托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件，通過托板給錨桿施加預(yù)緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體 .如果托板本身失效，以及托板下方的圍巖松散脫落，導(dǎo)致托板與表面不緊貼，都會使錨桿失去支護作用。國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究與試驗，得出黏結(jié)應(yīng)力分布的公式與曲線。 （ 2）錨固劑的抗拉與抗剪作用 ? 我國樹脂錨固劑的抗拉強度一般為 MPa。 E/8Kdxce)x( ??3 錨桿支護構(gòu)件的作用 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用 ? 鋼帶是錨桿支護系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對提高錨桿支護整體支護效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。假設(shè)鋼帶受到均布載荷 q的作用，則 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 ? 一般認(rèn)為，網(wǎng)可以用來維護錨桿間的圍巖，防止松動小巖塊掉落。如果沒有金屬網(wǎng)或金屬網(wǎng)失效，圍巖破壞會從表面發(fā)展到深部，逐漸破碎、松散，失去強度，導(dǎo)致圍巖垮落，錨桿失效。 4 錨桿支護設(shè)計方法 支護設(shè)計方法分類 （ 3）數(shù)值計算法： 英國、澳大利亞等建立了以地質(zhì)力學(xué)條件和以數(shù)值計算為基礎(chǔ)的煤巷錨桿支護系統(tǒng)設(shè)計方法，其核心是首先根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，以巖體力學(xué)評估為基礎(chǔ)，結(jié)合 數(shù)值模擬分析進行錨桿支護初始設(shè)計，然后再根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對原設(shè)計進行修正和完善。 ? 直接類比的主要內(nèi)容有： ①圍巖物理力學(xué)性質(zhì)： 包括巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈锢砹W(xué)參數(shù)、煤層賦存狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面對裂隙巖體的強度、變形和破壞特征的影響非常明顯，甚至是最關(guān)鍵的因素。實測數(shù)據(jù)表明，垂直應(yīng)力與巷道埋藏深度有較強的相關(guān)關(guān)系，而水平應(yīng)力則影響因素復(fù)雜，可靠的方法是通過井下實測得到地應(yīng)力的大小與方向。 對于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設(shè)備等對圍巖的穩(wěn)定性也有明顯影響，例如掘進機掘進優(yōu)于爆破掘進，光面爆破優(yōu)于普通爆破。如果再加長錨桿，支護效果將不會明顯變化。 ④ 新奧法對錨桿間距的選擇提出一些準(zhǔn)則：硬巖，錨桿間距取 1． 5~；中硬巖石，錨桿間距取 1． 5 m；松軟破碎的巖體，錨桿間距取 ~。 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圍巖分類方法 ? 我國學(xué)者 在巖體分類方面也做了大量工作。 ③ 巷幫煤層單軸抗壓強度 為巷道高度煤和夾矸的加權(quán)平均值。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計算錨桿長度，根據(jù)錨桿懸吊的不穩(wěn)定巖層重量計算錨桿直徑和間排距?？梢?，自然平衡拱理論對錨桿支護作用的分析實質(zhì)上是懸吊作用，并提供了計算圍巖破壞范圍的方法。 煤幫擠壓力： 當(dāng) C為正值時，作用在破壞煤幫上的水平擠壓力 Q/kN設(shè)組合梁上部受均布載荷 q作用，在平面應(yīng)變狀態(tài)下，計算錨桿長度與錨桿間排距。該拱 (帶 )具有較大的承載能力和一定的可縮性，能夠起到有效支護巷道的作用。 巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲等的分布，對巷道的影響程度。 ⑥ 黏結(jié)強度測試。 ①數(shù)值模擬計算方法： 數(shù)值計算常用的方法有：有限元法，離散元法、邊界元法和有限差分法。 ? 目前應(yīng)用比較廣泛的 FLAC軟件 (二維、三維 )，可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。錨固方式可以是端錨、全長錨固或任意長度錨固，這種單元還可以施加預(yù)緊力。如當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。一般包括無支護巷道，不同巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角、不同煤柱尺寸護巷，不同錨桿直徑、長度、強度和支護密度，以及有無錨索，錨索密度、長度、強度等支護方案。在提高錨桿強度與支護整體剛度，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上的錨桿數(shù)量，提高掘進速度。 ①監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋指標(biāo)選擇 ? 井下監(jiān)測數(shù)據(jù)很多，必須從眾多數(shù)據(jù)中選取修改、調(diào)整初始設(shè)計的反饋信息指標(biāo)。錨桿