【導讀】巷道支護是煤礦安全生產的重要保證。我國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，確保巷道使用期間的。煤礦巷道支護經歷了木支護、砌碹支護、型鋼支護到錨桿支護的漫長過程。國內外的實踐證明，錨桿支護是經濟、有效的支護形式。與棚式支架相比，錨桿支護具有顯著的優(yōu)越性。對不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用。錨桿與巖體粘結在一起，提高了巖體的整體性。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。錨桿支護利用錨固劑、桿體、托板及各種構件或噴層，通過預緊力和錨桿桿。錨桿支護能及時加固圍巖，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、產量與。棚架與頂煤之間出現空隙，易造成煤自燃；采用錨桿支護，可以大量地節(jié)約鋼材、木材等材料，降低支護成本?；夭晒ぷ髅骈_采強度和產量越來越大，要求的運輸、通風斷面逐年增加。從錨桿支護形式的發(fā)展過程分，可分為以

　　

【正文】 拱理論分析設計方法 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護理論分析設計法 3）組合梁理論分析設計方法 ? 組合梁理論認為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產生離層和相對滑動，將若干薄巖層錨固成一個較厚的巖層，形成組合梁。與不錨固巖梁相比，組合梁的最大彎曲應變和應力都將大大減少，從而提高巷道頂板的穩(wěn)定性。通過計算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護參數。 ? 圖示是頂板組合梁的力學模型。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。 ①錨桿長度： L=L1+L2+L3 式中 L L2分別為錨桿外露長度和錨固長度。 L2為錨桿有效長度， 即組合巖梁厚度，根據滿足頂板最下一層巖石外表面抗拉強度條件確定。 固支梁中點下表面上最大拉應力值為 式中 B——巷道跨度， m。 設巖石抗拉強度為 σt，則頂板穩(wěn)定時應滿足 即 式中 K1——安全系數，一般取 3~5。 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 ?？紤]頂板各巖層 間摩擦作用對梁應力和彎曲的影響， 引入隨巖層數目變化的慣性矩折減系 數 η，則錨桿有效長度的表達式為 式中 σh——原巖水平應力分量， MPa； η——巖層數為 3時， η分別為 ，巖層數大于 3時， η=。 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護理論分析設計法 3）組合梁理論分析設計方法 ②錨桿間排距 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護理論分析設計法 4）加固拱理論分析設計方法 ? 加固拱理論認為，在錨桿錨固力作用下， 每根錨桿周圍形成一個兩頭帶圓錐的筒狀壓縮區(qū)，各錨桿所形成的壓縮區(qū)彼此聯成一個一定厚度的加固拱(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，能夠起到有效支護巷道的作用。根據所需加固拱的厚度計算錨桿參數。 4 錨桿支護設計方法 4）加固拱理論分析設計方法 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護動態(tài)信息設計法 ? 動態(tài)信息法具有兩大特點：其一， 設計不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程； 其二， 設計充分利用每個過程中提供的信息，實時進行信息收集、信息分析與信息反饋。 ? 動態(tài)信息 設計方法包括 5部分：巷道圍巖地質力學評估、初始設計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設計。 1） 巷道圍巖地質力學評估 ? 巷道圍巖地質力學評估是在地質力學測試基礎上進行的。包括以下幾方面： ①巷道圍巖巖性和強度。 包括煤層厚度、傾角、抗壓強度；頂底板巖層分布，強度。 ②地質構造和圍巖結構。 巷道周圍比較大的地質構造，如斷層、褶曲等的分布，對巷道的影響程度。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)面的力學特性等。 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護動態(tài)信息設計法 1） 巷道圍巖地質力學評估 ③地應力。 包括垂直主應力和兩個水平主應力，其中最大水平主應力的方向和大小對錨桿支護設計尤為重要。 ④環(huán)境影響。 水文地質條件，涌水量，水對圍巖強度的影響，瓦斯涌出量，巖石風化性質等。 ⑤采動影響。 巷道與采掘工作面、采空區(qū)的空間位置關系，層間距大小及煤柱尺寸；巷道掘進與采動影響的時間關系 (采前掘進、采動過程中掘進、采動穩(wěn)定后掘進 )；采動次數，一次采動影響、二次或多次采動影響等。 ⑥ 黏結強度測試。 采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的黏結強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。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。黏結強度滿足設計要求后方可在井下施工中采用。 4 錨桿支護設計方法 錨桿支護動態(tài)信息設計法 2） 初始設計方法 ? 錨桿支護初始設計采用數值模擬計算結合其他方法確定 。通過數值模擬計算，可分析巷道圍巖位移、應力及破壞范圍分布，支護體受力狀況；不同因素對巷道圍巖變形與破壞的影響，不同支護參數對支護效果的影響；通過方案比較，確定比較合理的支護參數 (如錨桿長度、直徑、間排距等 )。對于數值模擬不太好反映的參數，如鉆孔直徑、組合構件參數等采用其他方法確定。 ①數值模擬計算方法： 數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。 有限元法、有限差分法、邊界元法等數值方法是建立在連續(xù)性假設基礎上的。 而煤巖體形態(tài)和結構呈強烈的非連續(xù)性，煤巖塊體的運動和受力為幾何或材料非線性，用連續(xù)介質力學進行求解是不適合的。離散元法充分考慮結構的不連續(xù)性，適用于解決節(jié)理化巖石力學問題。 ? 離散元法 能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個物體相互作用問題、物體斷裂問題以及大位移和大轉動問題，能夠處理范圍廣泛的材料本構關系、相互作用準則和任意幾何形狀。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。 ? UDEC、 3— DEC等二維、三維離散元軟件已經在我國得到應用，在分析頂板垮落、頂煤冒落、節(jié)理化巷道圍巖穩(wěn)定性與支護設計等方面取得良好效果。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 2） 初始設計方法 ①數值模擬計算方法： ? 有限差分法 是一種最古老的數值計算方法，但是隨著現代數值計算手段的飛速發(fā)展，賦予差分法更多的功能和更廣的應用范圍。 ? 目前應用比較廣泛的 FLAC軟件 (二維、三維 )，可模擬土、巖石等材料的力學行為。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞。FLAC采用顯式解法，可模擬任意非線性力學問題，而所用機時與解線性問題相差無幾。 FLAC不需要存貯矩陣，在不增加很大內存要求的情況下可計算含大量單元的模型。因為沒有剛度矩陣不斷更新，所以大變形與小變形計算的機時消耗無明顯區(qū)別。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 2） 初始設計方法 ①數值模擬計算方法： ? FLAC軟件內部含有多個力學模型，如摩爾 —庫侖模型、應變硬化／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)理及層理等滑動和離層； FLAC中含有 4種結構單元，分別為梁、錨桿、樁及支柱單元，可以模擬各種支護構件。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、全長錨固或任意長度錨固，這種單元還可以施加預緊力。 FLAC內部還有一種編程語言 FISH。運用 FISH語言，用戶可編制自己的函數、變量，甚至引人自定義力學模型，顯著擴大了 FLAC的應用范圍和靈活性。所以在錨桿支護設計和巷道圍巖穩(wěn)定性研究所廣泛采用有限差分法。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 2） 初始設計方法 ②數值模擬步逐 ? 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，如果能考慮地應力對巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護。一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的煤巖體中和應力降低區(qū)；另一方面，應將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。如當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于頂底板穩(wěn)定；當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，頂底板穩(wěn)定性最差。 ? 確定巷道斷面形狀與尺寸。 根據運輸設備、通風、行人要求和巷道圍巖變形預留量，設計合理的巷道斷面形狀與尺寸。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。 ? 建立數值模型。 根據巷道地質與生產條件，確定模型模擬范圍、模型網格及邊界條件，選擇合理的模擬圍巖和支護體的力學模型。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 2） 初始設計方法 ②數值模擬步逐： ? 確定模擬方案。 根據模擬對象確定模擬方案。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。 ? 模擬結果分析。 分析巷道圍巖變形與破壞的特征，地應力大小與方向、煤柱尺寸對圍巖穩(wěn)定性的影響，錨桿、錨索支護密度、直徑、長度和強度等參數對支護效果的影響，通過多方案比較，最后選擇有效、經濟、便于施工的支護方案。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 3） 錨桿支護需要確定的主要參數 ? 錨桿種類 (螺紋鋼錨桿，圓鋼錨桿，其他錨桿 )； ? 錨桿幾何參數 (直徑、長度 )； ? 錨桿力學參數 (屈服強度、抗拉強度、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，加長錨固，全長錨固 )和錨固長度； ? 錨桿預緊力矩或預緊力； ? 鋼帶形式、規(guī)格和強度； ? 金屬網形式、規(guī)格和強度； ? 錨索種類； ? 錨索幾何參數 (直徑、長度 )； ? 錨索力學參數 (抗拉強度、延伸率 )； ? 錨索密度，即錨索間、排距； ? 錨索安裝角度； ? 錨索孔直徑，錨固方式和錨固長度； ? 錨索預緊力； ? 錨索組合構件形式、規(guī)格和強度。 4）錨桿支護動態(tài)信息設計方法 （ 4）錨桿支護形式和參數選擇應考慮的主要原則 ①一次支護原則 錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。 ②高預應力和預應力擴散原則 預應力是錨桿支護的關鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的重要參數，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力；另一方面，通過托板、鋼帶、金屬網等構件實現錨桿預應力的擴散，提高錨固體的整體剛度與完整性。 ③ “ 三高一低 ” 原則 即 高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則 。在提高錨桿強度與支護整體剛度，保證支護系統可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上的錨桿數量，提高掘進速度。 ④臨界支護剛度與強度原則 錨桿支護系統存在臨界支護剛度與強度，如果支護剛度與強度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。 4 錨桿支護設計方法 4）錨桿支護動態(tài)信息設計方法 （ 4）錨桿支護形式和參數選擇應考慮的主要原則 ⑤相互匹配原則 錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。 ⑥均衡支護原則 根據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。 ⑦可操作性原則 提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。 ⑧降低巷道支護綜合成本原則 在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行，施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。 4 錨桿支護設計方法 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 5） 井下監(jiān)測與信息反饋及修正設計 ? 初始設計實施于井下后，必須進行全面、系統的監(jiān)測，這也是動態(tài)信息法中的一項主要內容。監(jiān)測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計。 ①監(jiān)測數據反饋指標選擇 ? 井下監(jiān)測數據很多，必須從眾多數據中選取修改、調整初始設計的反饋信息指標。反 饋指標選擇的原則為： ? 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； ? 反饋指標應盡量簡單、易于測取。 ? 對于回采巷道，圍巖變形一般可分為 3個階段：掘進影響期、掘后穩(wěn)定期和采動影響期。考慮到從掘進到回采影響的時間比較長，不利于及時進行信息反饋和修改設計，而且在采煤工作面前方一般要進行超前支護，故選擇掘進影響期的數據進行信息反饋。 4 錨桿支護設計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設計法 （ 5） 井下監(jiān)測與信息反饋及修正設計 ? 根據上述反饋指標選擇的原則，選用頂板離層值、兩幫相對移近量、錨桿與錨索受力 3個方面的 6個指標。 ? 頂板 離層值包括頂板錨固區(qū)內離層值和錨固區(qū)外離層值兩個指標。 ? 兩幫 的穩(wěn)定狀況用兩幫相對移近量作為反饋指標。 ? 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系很大