【正文】 ①監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋指標(biāo)選擇 ? 井下監(jiān)測(cè)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(jì)的反饋信息指標(biāo)。一般包括無(wú)支護(hù)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(hù)巷，不同錨桿直徑、長(zhǎng)度、強(qiáng)度和支護(hù)密度，以及有無(wú)錨索，錨索密度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度等支護(hù)方案。錨固方式可以是端錨、全長(zhǎng)錨固或任意長(zhǎng)度錨固，這種單元還可以施加預(yù)緊力。 ①數(shù)值模擬計(jì)算方法： 數(shù)值計(jì)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。 巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲等的分布，對(duì)巷道的影響程度。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(jì)算錨桿長(zhǎng)度與錨桿間排距。可見，自然平衡拱理論對(duì)錨桿支護(hù)作用的分析實(shí)質(zhì)上是懸吊作用，并提供了計(jì)算圍巖破壞范圍的方法。 ③ 巷幫煤層單軸抗壓強(qiáng)度 為巷道高度煤和夾矸的加權(quán)平均值。 ④ 新奧法對(duì)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 ~。 對(duì)于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設(shè)備等對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有明顯影響，例如掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)優(yōu)于爆破掘進(jìn)，光面爆破優(yōu)于普通爆破。結(jié)構(gòu)面對(duì)裂隙巖體的強(qiáng)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。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 支護(hù)設(shè)計(jì)方法分類 （ 3）數(shù)值計(jì)算法： 英國(guó)、澳大利亞等建立了以地質(zhì)力學(xué)條件和以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的煤巷錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其核心是首先根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，以巖體力學(xué)評(píng)估為基礎(chǔ)，結(jié)合 數(shù)值模擬分析進(jìn)行錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和完善。假設(shè)鋼帶受到均布載荷 q的作用，則 3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 ? 一般認(rèn)為，網(wǎng)可以用來(lái)維護(hù)錨桿間的圍巖，防止松動(dòng)小巖塊掉落。 （ 2）錨固劑的抗拉與抗剪作用 ? 我國(guó)樹脂錨固劑的抗拉強(qiáng)度一般為 MPa。 對(duì)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(huì)使錨桿失去支護(hù)作用。 ② 中松動(dòng)圈 (厚度在 400～ 1 500mm之間 )，支護(hù)比較容易，采用懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)，懸吊點(diǎn)在松動(dòng)圈之外。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(qiáng)度 得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。 (5) 只適用于巷道頂板，不適用于巷道兩幫和底板。這些支護(hù)理論在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極作用。 ⑦ 錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。 ? 錨桿支護(hù)應(yīng)用初期，由于支護(hù)強(qiáng)度與剛度低，缺乏科學(xué)的支護(hù)理論和設(shè)計(jì)方法，支護(hù)材料、施工機(jī)具技術(shù)性能和配套性差，監(jiān)測(cè)儀器不完善，因而支護(hù)質(zhì)量不能保證，出現(xiàn)了多起冒頂死亡事故。 （ 5）先進(jìn)的錨桿施工機(jī)具不僅保證了支護(hù)質(zhì)量，而且提高了成巷速度，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。錨索加固技術(shù)也得到了大面積的推廣應(yīng)用。英國(guó)在 1872年就采用過金屬錨桿，美國(guó) 1900年使用過木錨桿。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。 （ 4）簡(jiǎn)化回采工作面端頭支護(hù)和超前支護(hù)。確保巷道的安全、快速掘進(jìn)，確保巷道使用期間的暢通、與圍巖穩(wěn)定，確保巷道的支護(hù)與維護(hù)成本較低等，是建設(shè)安全高效礦井的一項(xiàng)重要工作，具有重要意義。隨著巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與支護(hù)水平的提高，巖巷布置已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槊合锊贾谩? （ 6）巷道埋深從淺部向深部發(fā)展 ? 我國(guó)煤礦開采深度以 8~12m/a的速度增加。由于這些弊端，導(dǎo)致了英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家在使用錨桿支護(hù)過程中出現(xiàn)過反復(fù)。 如澳大利亞、英國(guó)等采用“地質(zhì)力學(xué)評(píng)估 —初始支護(hù)設(shè)計(jì) —井下施工與監(jiān)測(cè) —信息反饋與修改設(shè)計(jì) —日常監(jiān)測(cè)”的設(shè)計(jì)方法。 （ 7）采用科學(xué)、嚴(yán)格的管理，除了制訂有錨桿支護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)、錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范外，很多礦還配備有專門的錨桿支護(hù)工程師，對(duì)錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)、材料、施工等進(jìn)行專門的檢查與監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的安全與健康發(fā)展。通過進(jìn)一步的實(shí)測(cè)和計(jì)算，有了新的認(rèn)識(shí)： ①錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂隙產(chǎn)生等擴(kuò)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(qiáng)度和穩(wěn)定性。 （ 4） 單體風(fēng)動(dòng)和液壓錨桿 鉆機(jī) 、手持式錨桿鉆機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)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(hù)的要求，結(jié)束了錨桿鉆機(jī)主要靠進(jìn)口的歷史。 2 錨桿支護(hù)理論 懸吊理論 錨桿支護(hù)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。 ? 組合梁理論適用于層狀巖層。 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~。 2 錨桿支護(hù)的基本理論 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 ? 為描述錨桿對(duì)巖體的強(qiáng)化作用，引入強(qiáng)化系數(shù)，即錨固體的強(qiáng)度與未錨固巖體強(qiáng)度的比值。 3 錨桿支護(hù)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(hù)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 。同時(shí)，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護(hù)系統(tǒng)。 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。 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 ④ 地應(yīng)力。 為了將特定巖體條件下的設(shè)計(jì)與個(gè)別工程相應(yīng)條件下的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行工程類比，作出比較合理的設(shè)計(jì)方案， 進(jìn)行圍巖分類是非常必要的。 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) ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 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 ? 根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，松動(dòng)圈大小與巷道支護(hù)難易程度的關(guān)系，結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，將圍巖分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖 (厚度小于 400mm)、中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖 (厚度在 400～ 1 500 mm之間 )及大松動(dòng)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(hù)機(jī)理與方法，見表。 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 ? 按上式求出的 C為負(fù)值時(shí)表明煤體穩(wěn)定，正值表明煤體發(fā)生破壞的深度。 222 LqB??tK ?? ?1tqKBL?12 ?4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 3）組合梁理論分析設(shè)計(jì)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) 。 水文地質(zhì)條件，涌水量，水對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響，瓦斯涌出量，巖石風(fēng)化性質(zhì)等。離散元法的這些特點(diǎn)非常適用于類似煤巖體的非連續(xù)體。 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。 ②高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則 預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的重要參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)。 ? 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(gè)指標(biāo)。 ⑥均衡支護(hù)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(hù)，防止巷道先從某個(gè)部位破壞，影響巷道支護(hù)整體穩(wěn)定性。對(duì)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。 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(jì)算含大量單元的模型。測(cè)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(jì)錨固深度上進(jìn)行三組拉拔試驗(yàn)。 ? 動(dòng)態(tài)信息 設(shè)計(jì)方法包括 5部分：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)、信息反饋與修正設(shè)計(jì)。 頂板壓力： 按相對(duì)于巖層層理的法線確定的頂板壓力為 頂板錨桿長(zhǎng)度： 煤幫錨桿長(zhǎng)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(zhǎng)度之和，一般取 —。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 1）懸吊理論分析設(shè)計(jì)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(qiáng)度， MPa。 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) ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 ? 煤炭系統(tǒng) 1988年頒布試用 《 我國(guó)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其他經(jīng)驗(yàn)公式 公式 1： 頂板錨桿長(zhǎng)度 L=2+ 兩幫錨桿長(zhǎng)度 L=2+—與圍巖有關(guān)的系數(shù)，取 3~5。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(yùn)輸巷、開切眼等 )和巷道服務(wù)年限。對(duì)于煤礦巷道中常見的泥巖、粉砂巖及頁(yè)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等諸多參數(shù)。 支護(hù)設(shè)計(jì)方法分類 ? 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的主要方法可歸納為三大類：工程類比法、理論計(jì)算法和數(shù)值模擬法。 (2)支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。 E/8Kdxce)x( ??2121KKKKK??3 錨桿支護(hù)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。 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(jì)。圍巖一旦產(chǎn)生松動(dòng)圈，圍巖的最大變形載荷是松動(dòng)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(hù)的對(duì)象。 (2)沒有 考慮水平應(yīng)力 對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。 (2)錨桿安設(shè)后，由于 巖層變形、離層和破碎 ，會(huì)使 錨桿受力很大 ，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量（ 碎脹力 ）。 （ 9） 開發(fā)出了 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速原位測(cè)試系統(tǒng) ，包括地應(yīng)力（水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試）、圍巖強(qiáng)度（根據(jù)頂針壓破鉆孔孔壁的臨界壓力計(jì)算）及圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)定裝置（電子鉆孔窺視儀），實(shí)現(xiàn)了井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的快速、經(jīng)濟(jì)、大面積測(cè)量。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(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 （ 4） “ 九五 ” 期間， 原煤炭工業(yè)部將 “ 錨桿支護(hù) ” 列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的 五個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目之一 ，展開了更深入、細(xì)致的試驗(yàn)研究。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn) （ 4）錨桿向高強(qiáng)度、高可靠性方向發(fā)展。這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，極大地促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。 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(guó)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。 （ 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(hù)，但拱形巷道施工工藝比較復(fù)雜，成巷速度低，有時(shí)還需要破壞頂板，出現(xiàn)矸石。 ? 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(duì)滑動(dòng)，提高了巖層的承載能力。 ? 錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體性。此外對(duì)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(shí)底板也是煤層，屬全煤巷道，支護(hù)難度進(jìn)一步加大。 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) （ 7）簡(jiǎn)單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展 ?我國(guó)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。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(zhǎng)錨固樹脂錨桿。德國(guó)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(hù)阻力，又有一定的延伸性，適應(yīng)圍巖變形強(qiáng)烈的條件。但對(duì)于困難條件，如復(fù)合頂板、破碎頂板、煤層頂板巷道，以及