【正文】 ①監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋指標選擇 ? 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)整初始設計的反饋信息指標。一般包括無支護巷道，不同巷道軸向與最大水平主應力方向夾角、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。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緊力。 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。 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。設組合梁上部受均布載荷 q作用，在平面應變狀態(tài)下，計算錨桿長度與錨桿間排距?？梢姡匀黄胶夤袄碚搶﹀^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。 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。 ④ 新奧法對錨桿間距的選擇提出一些準則：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 ~。 對于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設備等對圍巖的穩(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。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。 4 錨桿支護設計方法 支護設計方法分類 （ 3）數(shù)值計算法： 英國、澳大利亞等建立了以地質(zhì)力學條件和以數(shù)值計算為基礎的煤巷錨桿支護系統(tǒng)設計方法，其核心是首先根據(jù)地應力測試結(jié)果，以巖體力學評估為基礎，結(jié)合 數(shù)值模擬分析進行錨桿支護初始設計，然后再根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對原設計進行修正和完善。假設鋼帶受到均布載荷 q的作用，則 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 ? 一般認為，網(wǎng)可以用來維護錨桿間的圍巖，防止松動小巖塊掉落。 （ 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。 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，導致托板與表面不緊貼，都會使錨桿失去支護作用。 ② 中松動圈 (厚度在 400～ 1 500mm之間 )，支護比較容易，采用懸吊理論設計錨桿參數(shù)，懸吊點在松動圈之外。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向 及切向均受壓，處于三向應力狀態(tài)，其圍巖強度 得到提高，支撐能力也相應加大。 (5) 只適用于巷道頂板，不適用于巷道兩幫和底板。這些支護理論在生產(chǎn)實踐中起到了積極作用。 ⑦ 錨桿支護應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。 ? 錨桿支護應用初期，由于支護強度與剛度低，缺乏科學的支護理論和設計方法，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。 （ 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。錨索加固技術(shù)也得到了大面積的推廣應用。英國在 1872年就采用過金屬錨桿，美國 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 5~6m，斷面達 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到 10m，斷面積為100m2。 （ 4）簡化回采工作面端頭支護和超前支護。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，是建設安全高效礦井的一項重要工作，具有重要意義。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? （ 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。由于這些弊端，導致了英國、法國等國家在使用錨桿支護過程中出現(xiàn)過反復。 如澳大利亞、英國等采用“地質(zhì)力學評估 —初始支護設計 —井下施工與監(jiān)測 —信息反饋與修改設計 —日常監(jiān)測”的設計方法。 （ 7）采用科學、嚴格的管理，除了制訂有錨桿支護材料標準、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。通過進一步的實測和計算，有了新的認識： 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。 （ 4） 單體風動和液壓錨桿 鉆機 、手持式錨桿鉆機的性能指標達到了國外同類產(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。 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。 ? 組合梁理論適用于層狀巖層。 最大水平應力理論 ? 最大水平應力理論認為：礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力，且水平應力（構(gòu)造應力）具有明顯的方向性，最大水平應力一般為最小水平應力的~。 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。 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。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，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統(tǒng)。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 1）根據(jù)已有工程直接提出支護設計 —直接類比法。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 1）根據(jù)已有工程直接提出支護設計 —直接類比法 ④ 地應力。 為了將特定巖體條件下的設計與個別工程相應條件下的實踐經(jīng)驗聯(lián)系起來進行工程類比，作出比較合理的設計方案， 進行圍巖分類是非常必要的。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設計建議 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ③巷道圍巖松動圈分類及支護設計建議 ? 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的支護機理與方法，見表。 4 錨桿支護設計方法 2）自然平衡拱理論分析設計方法 ? 按上式求出的 C為負值時表明煤體穩(wěn)定，正值表明煤體發(fā)生破壞的深度。 222 LqB??tK ?? ?1tqKBL?12 ?4 錨桿支護設計方法 3）組合梁理論分析設計方法 考慮巖層蠕變的影響，在上式右端引入 蠕變安全系數(shù) 。 水文地質(zhì)條件，涌水量，水對圍巖強度的影響，瓦斯涌出量，巖石風化性質(zhì)等。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。 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高預應力和預應力擴散原則 預應力是錨桿支護的關(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)，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護。 ? 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。 ⑥均衡支護原則 根據(jù)巷道各部位的受力情況，應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。對于回采巷道，斷面形狀應優(yōu)先選擇矩形，以滿足回采工作面快速推進的要求。 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算含大量單元的模型。測試應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計錨固深度上進行三組拉拔試驗。 ? 動態(tài)信息 設計方法包括 5部分：巷道圍巖地質(zhì)力學評估、初始設計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設計。 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 —。 4 錨桿支護設計方法 1）懸吊理論分析設計法 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。 4 錨桿支護設計方法 工程類比設計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的支護設計 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設計建議 ? 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)的全部采準巷道圍巖穩(wěn)定性分類。 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。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、工作面回風和運輸巷、開切眼等 )和巷道服務年限。對于煤礦巷道中常見的泥巖、粉砂巖及頁巖等巖石，受風化影響程度，遇水軟化與膨脹特性都應給予足夠重視； 力學性質(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)。 支護設計方法分類 ? 錨桿支護設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。 (2)支護巷道表面和改善圍巖應力狀態(tài)作用。 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。 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。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)沒有 考慮水平應力 對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。 (2)錨桿安設后，由于 巖層變形、離層和破碎 ，會使 錨桿受力很大 ，而遠非破碎巖層重量（ 碎脹力 ）。 （ 9） 開發(fā)出了 巷道圍巖地質(zhì)力學快速原位測試系統(tǒng) ，包括地應力（水壓致裂地應力測試）、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)力學參數(shù)的快速、經(jīng)濟、大面積測量。單根錨桿預應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)件將預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。 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、細致的試驗研究。 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。這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應性強，極大地促進了錨桿支護技術(shù)的發(fā)展與廣泛應用。 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，但拱形巷道施工工藝比較復雜，成巷速度低，有時還需要破壞頂板，出現(xiàn)矸石。 ? 由于預緊力的作用，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。 ? 錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體性。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，支護難度進一步加大。 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)條件向復雜地質(zhì)條件發(fā)展 ?我國煤礦煤系地層中具有復雜地質(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）全長錨固樹脂錨桿。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，適應圍巖變形強烈的條件。但對于困難條件，如復合頂板、破碎頂板、煤層頂板巷道，以及