【正文】 ? 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。 ? 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)。考慮到從掘進(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。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。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)。 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。 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。 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。 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 。 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)。 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(lèi) (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(lèi)； ? 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。 ? 模擬結(jié)果分析。 根據(jù)模擬對(duì)象確定模擬方案。 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。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。 ? 確定巷道斷面形狀與尺寸。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。 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。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。 FLAC內(nèi)部還有一種編程語(yǔ)言 FISH。錨桿單元是一種一維軸向單元，在一定拉力下屈服。 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(kù)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。 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。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。 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。離散元法的這些特點(diǎn)非常適用于類(lèi)似煤巖體的非連續(xù)體。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(wèn)題。 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。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。 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 。測(cè)試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹(shù)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)。 采用錨桿拉拔計(jì)確定樹(shù)脂錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度。 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(guò)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。 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。 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。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。 ②地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)。包括以下幾方面： ①巷道圍巖巖性和強(qiáng)度。 ? 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)。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 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?chē)纬梢粋€(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 )。 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) 。 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。 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。 ? 圖示是頂板組合梁的力學(xué)模型。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。 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 —。m1為 式中 γy 、 γn煤和巖石的重力密度， kN ； Ky——待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；fn—錨固巖層的硬度系數(shù)。 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。m3； H——巷道距地表的深度， m； B——表征采動(dòng)影響程度的無(wú)因次參數(shù)； f ——煤層硬度系數(shù)； h——煤層厚度或巷道輪廓范圍內(nèi)煤夾層的厚度， m； υ——煤的內(nèi)摩擦角， 176。 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 ? 圍巖破壞范圍 圖示是根據(jù)自然平衡拱理論確定 巷道圍巖破壞范圍的計(jì)算圖。錨桿所需要的承載能力由破壞巖石的重量確定，而且與巷道斷面形狀、尺寸、埋藏深度、采動(dòng)影響程度、巖層傾角、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。在上覆巖層壓力作用下，淺部圍巖發(fā)生破壞，而在深部一定范圍內(nèi)形成自然平衡拱。 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。 ①錨桿長(zhǎng)度： 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算： L=L1+L2+L3 式中 L —錨桿長(zhǎng)度， m； L1—錨桿外露長(zhǎng)度，取決于錨桿類(lèi)型與錨固方式，一般取0． 15m； L2—錨桿有效長(zhǎng)度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度， m； L3—錨桿錨固長(zhǎng)度，端部錨固一般取 ～ 。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ③巷道圍巖松動(dòng)圈分類(lèi)及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 1）懸吊理論分析設(shè)計(jì)法 ? 懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中，阻止軟弱破碎巖層垮落。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)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(lèi)比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ③巷道圍巖松動(dòng)圈分類(lèi)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(lèi)，然后提出圍巖分類(lèi)及相應(yīng)的支護(hù)機(jī)理與方法，見(jiàn)表。 ⑥ 采動(dòng)影響系數(shù) N 指因工作面回采引起的超前支承壓力的影響， N值等于直接頂板厚度除以煤層采高。 ④ 巷道埋深 指巷道位置與地表的垂直距離，應(yīng)討論不同埋深時(shí)的圍巖類(lèi)別。 ② 底板巖石單軸抗壓強(qiáng)度 取巷道寬度 1倍范圍內(nèi)底板巖石單軸抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。在圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了巷道錨桿支護(hù)基本形式與主要參數(shù)選擇的建議。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)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(lèi)方案 》 后，經(jīng)過(guò)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(lèi)。如制訂了 《 工程 巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 》 ，根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)對(duì)巖體進(jìn)行基本質(zhì)量分級(jí)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)及地下水等修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；綜合考慮巖石強(qiáng)度、巖體完整性指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)和分布、地應(yīng)力及圍巖自穩(wěn)時(shí)間等，比較全面、合理地提出錨噴支護(hù)圍巖分類(lèi) (GBJ86—1985)； 將圍巖變形量這個(gè)眾多影響因素作用的綜合指標(biāo)作為分類(lèi)的基礎(chǔ)，提出以圍巖變形量大小為指標(biāo)的分類(lèi)方法；圍巖松動(dòng)圈是與圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及巷道斷面形狀和尺寸等多種因素有關(guān)的綜合指標(biāo)， 提出以圍巖松動(dòng)圈為指標(biāo)的分類(lèi)方法 ；采用模糊聚類(lèi)分析方法，用模糊綜合評(píng)判預(yù)測(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性類(lèi)別，預(yù)測(cè)巷道圍巖移近量，制訂了 《 我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)方案 》 。 ? 國(guó)外比較典型的巖石分類(lèi)法有 普氏堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)法、巖心質(zhì)量指標(biāo) RQD分級(jí)法 (Deere， 1967)、以巖體中彈性波傳播速度為指標(biāo)的分類(lèi)方法 (池田和彥， 1973)，以及巖體質(zhì)量 Q分級(jí)法(Barton， 1974)和 RMR巖體分級(jí)法 (Bieniawski， 1979)等，有些分類(lèi)方法提出了相應(yīng)的錨桿支護(hù)建議。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(lèi)比，作出比較合理的設(shè)計(jì)方案， 進(jìn)行圍巖分類(lèi)是非常必要的。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ①圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)方法 ? 直接工程類(lèi)比法與支護(hù)設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大，是決定支護(hù)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。 ? 經(jīng)驗(yàn)公式最大的特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、方便， 但存在兩方面的弊端：一是 經(jīng)驗(yàn)公式只能提供錨桿支護(hù)的主要參數(shù) (錨桿長(zhǎng)度、間排距等 )，而其他參數(shù)，如錨桿桿體結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力、錨固長(zhǎng)度、托板結(jié)構(gòu)與尺寸、組合構(gòu)件形式與尺寸等，很難在經(jīng)驗(yàn)公式中全面反映，這些參數(shù)卻在錨桿支護(hù)中同樣起著十分重要的作用； 二是 經(jīng)驗(yàn)公式中考慮影響錨桿支護(hù)效果的因素很少，如上述的經(jīng)驗(yàn)公式中，只考慮了巷道寬度、高度，巖石軟硬程度，結(jié)構(gòu)面分布，而影響巷道圍巖變形與破壞的因素還有很多。 ③ Schach等從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā)，認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度與錨桿間距的比值應(yīng)接近 2。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)方法 2）經(jīng)驗(yàn)公式法 ? 錨桿間排距選取 ① Hoek與 Brown等提出，最大錨桿間距 =min[錨桿長(zhǎng)度之半， 1． 5倍不連續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度 ]。 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。 ⑤新奧法 對(duì)錨桿長(zhǎng)度的選擇也提出一些準(zhǔn)則。 ③ Schach等人提出確定錨桿長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類(lèi)比設(shè)計(jì)方法 2）經(jīng)驗(yàn)公式法 —錨桿長(zhǎng)度的選取 ④日本的經(jīng)驗(yàn) 表明，錨桿長(zhǎng)度為巷道寬度或高度的 。 目前， 國(guó)內(nèi)外有多種錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，以下列舉幾個(gè)比