【導(dǎo)讀】巷道支護(hù)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。我國(guó)煤礦以井工開采為主，需要在井。為遇水軟化膨脹圍巖巷。確保巷道的安全、快速掘進(jìn)，確保巷道使用期間的。煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過程。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)是經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)形式。與棚式支架相比，錨桿支護(hù)具有顯著的優(yōu)越性。對(duì)不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用。錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體性。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。錨桿支護(hù)利用錨固劑、桿體、托板及各種構(gòu)件或噴層，通過預(yù)緊力和錨桿桿。錨桿支護(hù)能及時(shí)加固圍巖，減少圍巖變形，防止頂板早期離層和片幫。為采煤工作面的快速推進(jìn)、產(chǎn)量與。棚架與頂煤之間出現(xiàn)空隙，易造成煤自燃；采用錨桿支護(hù)，可以大量地節(jié)約鋼材、木材等材料，降低支護(hù)成本?；夭晒ぷ髅骈_采強(qiáng)度和產(chǎn)量越來越大，要求的運(yùn)輸、通風(fēng)斷面逐年增加。從錨桿支護(hù)形式的發(fā)展過程分，可分為以

　　

【正文】 拱理論分析設(shè)計(jì)方法 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 3）組合梁理論分析設(shè)計(jì)方法 ? 組合梁理論認(rèn)為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產(chǎn)生離層和相對(duì)滑動(dòng)，將若干薄巖層錨固成一個(gè)較厚的巖層，形成組合梁。與不錨固巖梁相比，組合梁的最大彎曲應(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。通過計(jì)算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護(hù)參數(shù)。 ? 圖示是頂板組合梁的力學(xué)模型。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。 ①錨桿長(zhǎng)度： L=L1+L2+L3 式中 L L2分別為錨桿外露長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度。 L2為錨桿有效長(zhǎng)度， 即組合巖梁厚度，根據(jù)滿足頂板最下一層巖石外表面抗拉強(qiáng)度條件確定。 固支梁中點(diǎn)下表面上最大拉應(yīng)力值為 式中 B——巷道跨度， m。 設(shè)巖石抗拉強(qiáng)度為 σt，則頂板穩(wěn)定時(shí)應(yīng)滿足 即 式中 K1——安全系數(shù)，一般取 3~5。 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) 。考慮頂板各巖層 間摩擦作用對(duì)梁應(yīng)力和彎曲的影響， 引入隨巖層數(shù)目變化的慣性矩折減系 數(shù) η，則錨桿有效長(zhǎng)度的表達(dá)式為 式中 σh——原巖水平應(yīng)力分量， MPa； η——巖層數(shù)為 3時(shí)， η分別為 ，巖層數(shù)大于 3時(shí)， η=。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 3）組合梁理論分析設(shè)計(jì)方法 ②錨桿間排距 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 4）加固拱理論分析設(shè)計(jì)方法 ? 加固拱理論認(rèn)為，在錨桿錨固力作用下， 每根錨桿周圍形成一個(gè)兩頭帶圓錐的筒狀壓縮區(qū)，各錨桿所形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)成一個(gè)一定厚度的加固拱(或均勻壓縮帶 )。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(hù)巷道的作用。根據(jù)所需加固拱的厚度計(jì)算錨桿參數(shù)。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4）加固拱理論分析設(shè)計(jì)方法 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 ? 動(dòng)態(tài)信息法具有兩大特點(diǎn)：其一， 設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程； 其二， 設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過程中提供的信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息收集、信息分析與信息反饋。 ? 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)。 1） 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估 ? 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估是在地質(zhì)力學(xué)測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行的。包括以下幾方面： ①巷道圍巖巖性和強(qiáng)度。 包括煤層厚度、傾角、抗壓強(qiáng)度；頂?shù)装鍘r層分布，強(qiáng)度。 ②地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)。 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。巷道圍巖中不連續(xù)面的分布狀況，如分層厚度和節(jié)理裂隙間距的大小，不連續(xù)面的力學(xué)特性等。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 1） 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估 ③地應(yīng)力。 包括垂直主應(yīng)力和兩個(gè)水平主應(yīng)力，其中最大水平主應(yīng)力的方向和大小對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。 ④環(huán)境影響。 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。 ⑤采動(dòng)影響。 巷道與采掘工作面、采空區(qū)的空間位置關(guān)系，層間距大小及煤柱尺寸；巷道掘進(jìn)與采動(dòng)影響的時(shí)間關(guān)系 (采前掘進(jìn)、采動(dòng)過程中掘進(jìn)、采動(dòng)穩(wěn)定后掘進(jìn) )；采動(dòng)次數(shù)，一次采動(dòng)影響、二次或多次采動(dòng)影響等。 ⑥ 黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。 采用錨桿拉拔計(jì)確定樹脂錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度。該測(cè)試工作必須在井下施工之前進(jìn)行完畢。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)。黏結(jié)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后方可在井下施工中采用。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 2） 初始設(shè)計(jì)方法 ? 錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合其他方法確定 。通過數(shù)值模擬計(jì)算，可分析巷道圍巖位移、應(yīng)力及破壞范圍分布，支護(hù)體受力狀況；不同因素對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響，不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響；通過方案比較，確定比較合理的支護(hù)參數(shù) (如錨桿長(zhǎng)度、直徑、間排距等 )。對(duì)于數(shù)值模擬不太好反映的參數(shù)，如鉆孔直徑、組合構(gòu)件參數(shù)等采用其他方法確定。 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。 有限元法、有限差分法、邊界元法等數(shù)值方法是建立在連續(xù)性假設(shè)基礎(chǔ)上的。 而煤巖體形態(tài)和結(jié)構(gòu)呈強(qiáng)烈的非連續(xù)性，煤巖塊體的運(yùn)動(dòng)和受力為幾何或材料非線性，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行求解是不適合的。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。 ? 離散元法 能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個(gè)物體相互作用問題、物體斷裂問題以及大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)問題，能夠處理范圍廣泛的材料本構(gòu)關(guān)系、相互作用準(zhǔn)則和任意幾何形狀。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。 ? UDEC、 3— DEC等二維、三維離散元軟件已經(jīng)在我國(guó)得到應(yīng)用，在分析頂板垮落、頂煤冒落、節(jié)理化巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)設(shè)計(jì)等方面取得良好效果。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 2） 初始設(shè)計(jì)方法 ①數(shù)值模擬計(jì)算方法： ? 有限差分法 是一種最古老的數(shù)值計(jì)算方法，但是隨著現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算手段的飛速發(fā)展，賦予差分法更多的功能和更廣的應(yīng)用范圍。 ? 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。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù)，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞。FLAC采用顯式解法，可模擬任意非線性力學(xué)問題，而所用機(jī)時(shí)與解線性問題相差無幾。 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。因?yàn)闆]有剛度矩陣不斷更新，所以大變形與小變形計(jì)算的機(jī)時(shí)消耗無明顯區(qū)別。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 2） 初始設(shè)計(jì)方法 ①數(shù)值模擬計(jì)算方法： ? FLAC軟件內(nèi)部含有多個(gè)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。除此之外， FLAC還有多種特殊功能： FLAC中含有界面單元，可以模擬巖層中不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理及層理等滑動(dòng)和離層； FLAC中含有 4種結(jié)構(gòu)單元，分別為梁、錨桿、樁及支柱單元，可以模擬各種支護(hù)構(gòu)件。錨桿單元是一種一維軸向單元，在一定拉力下屈服。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。 FLAC內(nèi)部還有一種編程語言 FISH。運(yùn)用 FISH語言，用戶可編制自己的函數(shù)、變量，甚至引人自定義力學(xué)模型，顯著擴(kuò)大了 FLAC的應(yīng)用范圍和靈活性。所以在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和巷道圍巖穩(wěn)定性研究所廣泛采用有限差分法。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 2） 初始設(shè)計(jì)方法 ②數(shù)值模擬步逐 ? 確定巷道的位置與布置方向。 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。在近水平煤層條件下，如果能考慮地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護(hù)。一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的煤巖體中和應(yīng)力降低區(qū)；另一方面，應(yīng)將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。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。 ? 確定巷道斷面形狀與尺寸。 根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備、通風(fēng)、行人要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)合理的巷道斷面形狀與尺寸。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。 ? 建立數(shù)值模型。 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(hù)體的力學(xué)模型。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 2） 初始設(shè)計(jì)方法 ②數(shù)值模擬步逐： ? 確定模擬方案。 根據(jù)模擬對(duì)象確定模擬方案。一般包括無支護(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，以及有無錨索，錨索密度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度等支護(hù)方案。 ? 模擬結(jié)果分析。 分析巷道圍巖變形與破壞的特征，地應(yīng)力大小與方向、煤柱尺寸對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，錨桿、錨索支護(hù)密度、直徑、長(zhǎng)度和強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，通過多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟(jì)、便于施工的支護(hù)方案。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 3） 錨桿支護(hù)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(zhǎng)度 )； ? 錨桿力學(xué)參數(shù) (屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(zhǎng)錨固，全長(zhǎng)錨固 )和錨固長(zhǎng)度； ? 錨桿預(yù)緊力矩或預(yù)緊力； ? 鋼帶形式、規(guī)格和強(qiáng)度； ? 金屬網(wǎng)形式、規(guī)格和強(qiáng)度； ? 錨索種類； ? 錨索幾何參數(shù) (直徑、長(zhǎng)度 )； ? 錨索力學(xué)參數(shù) (抗拉強(qiáng)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(zhǎng)度； ? 錨索預(yù)緊力； ? 錨索組合構(gòu)件形式、規(guī)格和強(qiáng)度。 4）錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法 （ 4）錨桿支護(hù)形式和參數(shù)選擇應(yīng)考慮的主要原則 ①一次支護(hù)原則 錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。 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)。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，提高錨固體的整體剛度與完整性。 ③ “ 三高一低 ” 原則 即 高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則 。在提高錨桿強(qiáng)度與支護(hù)整體剛度，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上的錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。 ④臨界支護(hù)剛度與強(qiáng)度原則 錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度與強(qiáng)度，如果支護(hù)剛度與強(qiáng)度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4）錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法 （ 4）錨桿支護(hù)形式和參數(shù)選擇應(yīng)考慮的主要原則 ⑤相互匹配原則 錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用。 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。 ⑦可操作性原則 提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。 ⑧降低巷道支護(hù)綜合成本原則 在保證巷道支護(hù)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(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 5） 井下監(jiān)測(cè)與信息反饋及修正設(shè)計(jì) ? 初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下后，必須進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，這也是動(dòng)態(tài)信息法中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。監(jiān)測(cè)的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始設(shè)計(jì)。 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)。反 饋指標(biāo)選擇的原則為： ? 能夠比較全面反映巷道圍巖變形狀況； ? 能夠比較全面反映錨桿與錨索的受力與分布情況； ? 反饋指標(biāo)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、易于測(cè)取。 ? 對(duì)于回采巷道，圍巖變形一般可分為 3個(gè)階段：掘進(jìn)影響期、掘后穩(wěn)定期和采動(dòng)影響期?？紤]到從掘進(jìn)到回采影響的時(shí)間比較長(zhǎng)，不利于及時(shí)進(jìn)行信息反饋和修改設(shè)計(jì)，而且在采煤工作面前方一般要進(jìn)行超前支護(hù)，故選擇掘進(jìn)影響期的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息反饋。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 5） 井下監(jiān)測(cè)與信息反饋及修正設(shè)計(jì) ? 根據(jù)上述反饋指標(biāo)選擇的原則，選用頂板離層值、兩幫相對(duì)移近量、錨桿與錨索受力 3個(gè)方面的 6個(gè)指標(biāo)。 ? 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)。 ? 兩幫 的穩(wěn)定狀況用兩幫相對(duì)移近量作為反饋指標(biāo)。 ? 巷道圍巖的穩(wěn)定狀況與錨桿受力大小和是否受到損壞關(guān)系很大