【文章內(nèi)容簡介】 的穩(wěn)定。 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。 ? 錨固體極限強度強化系數(shù) KJ為 ? 錨固體殘余強度強化系數(shù) KC為 ? 試驗結(jié)果表明，隨著錨桿密度增加錨固體的強化系數(shù)增加。在錨桿強度一定時，錨桿對殘余強度的強化作用大于對極限強度的強化，這對控制破碎區(qū)圍巖的變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。 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。 錨桿桿體的作用 ? 對于錨桿桿體本身來說，由于桿體長度方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，所以力學上屬于 桿件 。這種構(gòu)件主要可以提供 兩方面的作用 (見圖 )， 首先是抗拉，其次是抗剪。 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。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 錨桿桿體的作用 （ 1）抗拉作用 錨桿桿體所能承受的拉斷載荷為 bdP ??42?3 錨桿支護構(gòu)件的作用 錨桿桿體的作用 （ 2）抗剪作用 錨桿桿體所能承受的拉剪切載荷為 bdQ ??42?3 錨桿支護構(gòu)件的作用 托板的作用 ? 托板是錨桿的重要構(gòu)件，對錨桿支護作用的發(fā)揮影響很大 。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。 ? 托板力學性能應(yīng)與錨桿桿體的性能相 匹配 ，才能充分發(fā)揮錨桿的支護作用。托板強度不足、安裝質(zhì)量差、受較大偏載都會顯著降低錨桿的作用。 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。 對于加長錨固錨桿 ，托板的作用同樣重要，通過托板壓緊巷道表面給錨桿施加預(yù)緊力，預(yù)緊力對錨桿工作阻力和受力分布又產(chǎn)生影響，提高支護效果。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 托板的作用 ? 托板對全長錨固錨桿的受力分布有明顯的影響。圖示是有、無托板時錨桿軸力與剪力分布示意圖。 無托板時錨桿軸力在巷道表面處為零， 在一定深度達到最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時，由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過托板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道表面處達到一定值， 而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動，更接近巷道表面。 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。同時錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿共同加固圍巖。 （ 1）錨固劑的黏結(jié)作用 ? 在工程設(shè)計時，計算錨桿拉拔力的簡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)力沿錨固長度內(nèi)均勻分布，則錨桿拉拔力可用下式計算： ? 這種簡化的方法雖然計算簡單，但不符合錨桿拉拔時黏結(jié)應(yīng)力分布的實際情況。國內(nèi)外學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。 )(DP 21壁之間破壞發(fā)生在錨固劑與孔錨桿之間）（破壞發(fā)生在錨固劑與lldP??????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 在拉拔狀態(tài)下 ， 桿體錨固段剪應(yīng)力分布為負指數(shù)曲線 ， 見圖 。其計算式為 式中 τ(x)—距錨固起始端 x處錨固劑作用于桿體表面的黏結(jié)應(yīng)力 ，MPa； d—桿體直徑 ， mm； E—桿體彈性模量 ， MPa； c —積分常數(shù)； K—剪切剛度 ， MPa； K1—錨固劑的剪切剛度 ， MPa； K2—圍巖的剪切剛度 ， MPa。 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。當 τ(0)[τ]（ [τ]為黏結(jié)強度），錨固劑不會發(fā)生破壞。隨著拉拔力增加， τ(0)也逐漸增加。當 τ(0)= [τ]時，錨固劑發(fā)生破壞，黏結(jié)應(yīng)力逐漸從圖中曲線 1發(fā)展到曲線 2，錨固劑從錨固起始端逐漸向深部破壞，最大黏結(jié)應(yīng)力點也逐漸向深部移動。當曲線下方面積最大時，錨桿拉拔力達到最大。 （ 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。如果 υ28 mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，則錨固劑可提供 kN的抗拉力。如果 υ20 mm的桿體安裝在 υ28 mm的鉆孔中，則錨固劑可提供 kN的抗拉力?？梢婂^固劑提供的抗拉力遠小于錨桿桿體。 ? 樹脂錨固劑的抗剪強度一般可取 35MPa。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 。如果 υ20mm的桿體，安裝在 υ28mm的鉆孔中，則錨固劑可提供 kN的抗剪力，分別是圓鋼(Q235)、高強度螺紋鋼 (BHRB400)、超高強度螺紋鋼 BHRB600)的剪斷載荷的 12． 4％、 8． 4％、 5． 9％?？梢婂^固劑可提供一定的抗剪能力。 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。鋼帶的作用主要表現(xiàn)在以下 3方面： (1)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴散作用。 單根錨桿作用于巷道表面可近似看成點載荷， 鋼帶可擴大錨桿作用范圍，實現(xiàn)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴散，使載荷趨于均勻。 (2)支護巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。 鋼帶對巷道表面提供支護，抑制淺部巖層離層、裂隙張開，保持圍巖的完整性，減少巖層彎曲引起的拉伸破壞，改善巖層應(yīng)力狀態(tài)，防止錨桿間松動巖塊掉落。 (3)均衡錨桿受力和提高整體支護作用。 鋼帶將數(shù)根錨桿連接在一起，可均衡錨桿受力，共同形成組合支護系統(tǒng)，提高整體支護能力。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用 ? 分析鋼帶受力的簡化模型是將兩根錨桿之間的鋼帶段作為一簡支梁 (見圖 )，采用材料力學的相關(guān)公式計算鋼帶受力與變形。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 ? 一般認為，網(wǎng)可以用來維護錨桿間的圍巖，防止松動小巖塊掉落。其實，網(wǎng)的作用遠不止這一個，特別是在高地應(yīng)力、破碎圍巖條件下，網(wǎng)是錨桿支護系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。 ? 網(wǎng)的作用主要表現(xiàn)在以下 3方面： (1)維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。 (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 /1tm2)，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。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 錨桿支護構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 (3) 網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對深部圍巖也有良好的支護作用。如圖所示，有網(wǎng)的情況下，雖然巷道表面圍巖已破壞，但沒有松散、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)，提高巖體的殘余強度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時也保證了錨桿的錨固效果。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 錨桿支護設(shè)計的重要性 ? 支護設(shè)計是巷道錨桿支護中的一項十分重要的工作，對充分發(fā)揮錨桿支護的優(yōu)越性和保證巷道安全具有十分重要的意義。如果支護形式和參數(shù)選擇不合理，就會造成兩個極端：其一是支護強度太高，不僅浪費支護材料，而且影響掘進速度，增加支護成本；其二是支護強度不夠，不能有效控制圍巖變形，出現(xiàn)冒頂事故。 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。 （ 1）工程類比法 包括：根據(jù)已有的巷道工程，通過類比直接提出新建工程的支護設(shè)計（直接類比法）；通過巷道圍巖穩(wěn)定性分類提出支護設(shè)計；采用簡單的經(jīng)驗公式確定支護設(shè)計。 （ 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)。由于各種支護理論都存在著一定的局限性和適用條件，而且很難比較準確、可靠地確定計算所需的一些參數(shù)。因此，依據(jù)理論計算所作的設(shè)計結(jié)果很多情況下只能作為參考。 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。這種設(shè)計方法通過對多個方案的比較分析，可以選擇得到更好方案。 ? 10余年來，我國在錨桿支護設(shè)計方法方面做了大量工作。在借鑒國外先進設(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。這種設(shè)計方法已經(jīng)在多個礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，錨桿支護設(shè)計的可靠性、合理性和科學性得到顯著提高。 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。 這種方法是將已開掘的、成功應(yīng)用錨桿支護巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開掘的巷道進行比較，在各種條件基本相同的情況下，參照已掘巷道的支護形式與參數(shù)，由設(shè)計人員根據(jù)自己的經(jīng)驗提出待掘巷道的支護設(shè)計。因此，已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗是直接工程類比法應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。 ? 直接類比的主要內(nèi)容有： ①圍巖物理力學性質(zhì)： 包括巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈锢砹W參數(shù)、煤層賦存狀態(tài)。巷道頂?shù)装鍛?yīng)取一定范圍的巖層 (如 2倍巷道寬度 )進行比較 。物理性質(zhì) 包括巖性、礦物成分、密度、孔隙率、水理性質(zhì)等內(nèi)容。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(yīng)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)。 其中 ，煤巖體的單軸抗壓強度是最常用的力學指標。 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性能。結(jié)構(gòu)面的幾何特征參數(shù)包括：結(jié)構(gòu)組數(shù)、密度；結(jié)構(gòu)面走向、傾角、延展長度與張開度；結(jié)構(gòu)面充填物、粗糙度及起伏度等。結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)包括：法向剛度、切向剛度；黏聚力與內(nèi)摩擦角等。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。因此，進行圍巖結(jié)構(gòu)特征比較時，應(yīng)盡量全面、詳細。當然，完全了解結(jié)構(gòu)面的各種參數(shù)是十分困難的，但不能忽略主要參數(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。在進行工程類比時，必須弄清巷道附近有無較大的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造的特點，以及構(gòu)造對巷道的影響程度。 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。 地應(yīng)力與圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)一樣是影響巷道變形與破壞的關(guān)鍵因素。地應(yīng)力一般分為垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力。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。地應(yīng)力參數(shù)包括垂直主應(yīng)力的大小與方向、最大水平主應(yīng)力的大小與方向、最小水平主應(yīng)力的大小與方向，以及最大水平主應(yīng)力與巷道軸線的夾角。 ⑤巷道特征與使用條件。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(wù)年限。 ⑥ 采動影響情況。 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。采動對采準巷道圍巖變形與破壞影響很大，類比時應(yīng)作為一個重要因素考慮。 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 ⑦ 巷道施工技術(shù)