許廠煤礦3.0Mta新井設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,煤礦,mta,設(shè)計(jì),cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究 摘要 煤巷錨桿支護(hù)的技術(shù)已趨于成熟但是錨桿支護(hù)仍然存在較多問(wèn)題。第一，錨桿支護(hù)工程隱蔽性強(qiáng)，監(jiān)測(cè)技術(shù)不能完全滿足煤礦的需要，安全可靠根本沒(méi)有保證。第二，我國(guó)煤炭資源分布范圍廣，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，好多復(fù)雜地質(zhì)條件下錨桿支護(hù)并未達(dá)到理想的支護(hù)效果。該設(shè)計(jì)是從錨桿支護(hù)的隱蔽性和我國(guó)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件等特點(diǎn)出發(fā)。圍繞這些特點(diǎn)，從桿體材料，加工方法，支護(hù)設(shè)計(jì)理念、施工質(zhì)量，檢測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)手段等方面入手進(jìn)行試驗(yàn)研究，提高支護(hù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。 關(guān)鍵詞：煤巷；錨桿支護(hù)；高強(qiáng)度錨桿；監(jiān)測(cè) 1問(wèn)題的提出 由于錨桿支護(hù)能夠改變圍巖的力學(xué)特性，能獲得良好的支護(hù)效果，帶來(lái)傳統(tǒng)支護(hù)方式無(wú)法比擬的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)內(nèi)外已受到了普遍的重視并得到了快速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用。因此，探索正確的巷道支護(hù)理論、選擇安全可靠的支護(hù)方法、確定經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)參數(shù)以及實(shí)用高效的施工工藝成了長(zhǎng)期以來(lái)人們所致力解決的一個(gè)重大理論及技術(shù)課題，對(duì)于煤礦來(lái)說(shuō)具有重大意義。錨桿支護(hù)是巷道支護(hù)的一次重大革命，它可以起到加固、懸吊、合成梁和擠壓連接體等作用，在支護(hù)中使用錨桿可以改變巖體的受力狀態(tài)，不僅增加了巖石本身的穩(wěn)定程度，而且使被支護(hù)巖體由荷載變?yōu)槌休d體，提高了巖體承載能力。同時(shí)，大量工程實(shí)踐表明，錨桿支護(hù)具有用料節(jié)省、巷道斷面利用率高、支護(hù)及時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度小、經(jīng)濟(jì)效益高以及對(duì)巷道圍巖變形的適應(yīng)性好等諸多優(yōu)。因而，井下巷道采用錨桿支護(hù)是一種行之有效的支護(hù)手段，成為世界主要產(chǎn)煤國(guó)家煤礦支護(hù)的主要形式，美國(guó)、澳大利亞的煤礦巷道普遍采用錨桿支護(hù)，其支護(hù)比例己接近100%，英法兩國(guó)煤巷的錨桿支護(hù)比例也分別達(dá)到了50%和80%以上，而我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)在煤巷中僅占20%左右，和世界先進(jìn)水平相比存在較大差距。其主要原因是巷道事故率很高。巷道變形破壞、片幫冒頂?shù)仁鹿试诘叵鹿こ讨惺亲畛Ｒ?jiàn)的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，煤礦事故中59%以上是巷道事故。究其原因，還是對(duì)巷道變形破壞規(guī)律認(rèn)識(shí)不清、支護(hù)理論不完善，從而造成支護(hù)設(shè)計(jì)工程類比居多，缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，巷道支護(hù)方式選擇不合理，因而也就無(wú)法保證巷道在不同地質(zhì)條件下穩(wěn)定和安全使用。所以本文系統(tǒng)的介紹錨桿支護(hù)。 2 國(guó)內(nèi)外煤巷錨桿支護(hù)現(xiàn)狀 2.1國(guó)內(nèi)外煤巷錨桿應(yīng)用概況 由于各國(guó)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)狀況及煤層地質(zhì)條件的差異比較大，煤巷錨桿支護(hù)的發(fā)展歷程也表現(xiàn)出各自不同的特點(diǎn)。 2.1.1美國(guó) 美國(guó)是世界上最早使用錨桿作為煤礦頂板支護(hù)方式的國(guó)家(1912年)，依據(jù)其得天獨(dú)厚的地質(zhì)條件及先進(jìn)的科技、經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在錨桿支護(hù)技術(shù)方面一直處于世界領(lǐng)先水平，是目前世界上錨桿支護(hù)技術(shù)最先進(jìn)、最成熟、錨桿使用數(shù)量最多的國(guó)家，每年錨桿使用量在8000萬(wàn)根以上，約25000 km的煤巷使用錨桿支護(hù)。由于使用錨桿有效地控制圍巖的穩(wěn)定性，美國(guó)所有的井工巷道都布置在煤層中，并認(rèn)為不能采用錨桿支護(hù)的煤層，開采是不經(jīng)濟(jì)的。 60年代末由于樹脂錨固劑的發(fā)明，錨桿使用的相當(dāng)一部分比例都是以樹脂錨固劑全長(zhǎng)膠結(jié)的形式，并且錨桿的直徑和強(qiáng)度都有所提高(直徑大約為19 mm，強(qiáng)度大約為300 MPa)。隨著人們對(duì)全長(zhǎng)膠結(jié)錨桿的機(jī)理及應(yīng)用條件的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為高預(yù)拉力對(duì)于更大限度地提高頂板的穩(wěn)定性具有特別重要的意義。 在70年代末，美國(guó)首次將漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用，使得錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)很高的預(yù)拉力，同時(shí)錨桿的直徑和強(qiáng)度有了進(jìn)一步的提高(直徑達(dá)到22 mm和25 mm，強(qiáng)度達(dá)到517 MPa)，錨桿的高預(yù)拉力可以達(dá)到桿體本身強(qiáng)度的50%～75%。這種錨桿系統(tǒng)的安裝速度很快，安裝機(jī)具不需等到樹脂固結(jié)就可以移至安裝下一根錨桿的地方，因而可以采用中速或慢速樹脂錨固劑。 美國(guó)的主要經(jīng)驗(yàn)是：將錨桿加工產(chǎn)業(yè)化；錨桿支護(hù)作為一門技術(shù)，而非材料消耗、廢品利用，形成了錨桿產(chǎn)品的多樣化、多系列，以適應(yīng)各種不同的條件；錨桿設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)一體化；將高新技術(shù)用于錨桿設(shè)計(jì)；強(qiáng)調(diào)錨桿的高強(qiáng)度、高預(yù)拉力，并將錨桿的預(yù)拉力作為錨桿支護(hù)的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成了不同與其它國(guó)家的錨桿支護(hù)方法。 2.1.2澳大利亞 絕大多數(shù)煤巷采用錨桿支護(hù)，主要推廣全長(zhǎng)樹脂錨固錨桿，強(qiáng)調(diào)錨桿強(qiáng)度要高。其錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)方法有其獨(dú)到之處，將地質(zhì)調(diào)研、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、信息反饋等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各部分作為一個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行考察，使它們形成一個(gè)有機(jī)的整體，形成了錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)步驟主要包括以下幾個(gè)基本部分：地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，地應(yīng)力狀況和圍巖力學(xué)性質(zhì)是地質(zhì)力學(xué)評(píng)估的主要內(nèi)容；錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，在巷道圍巖力學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬分析輔以工程類比和理論計(jì)算進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)；對(duì)初始設(shè)計(jì)選定的方案進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析；現(xiàn)場(chǎng)施工；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、信息反饋和優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)。 2.1.3英國(guó) 1946年首次試驗(yàn)機(jī)械漲殼式錨桿，1952年在NCB礦大規(guī)模使用機(jī)械式錨桿，但由于機(jī)械式錨桿不適宜英國(guó)較軟弱的煤系地層，到60年代中期，英國(guó)逐漸開始不使用錨桿支護(hù)技術(shù)；80年代中后期開始重新發(fā)展錨桿支護(hù)技術(shù)，使用比重達(dá)到80%，主要引進(jìn)澳大利亞錨桿技術(shù)，包括：(1)采用高強(qiáng)度的澳大利亞錨桿支護(hù)系統(tǒng)(AT錨桿)，包括高強(qiáng)度樹脂錨桿全長(zhǎng)錨固技術(shù)、清潔鉆孔的做法、錨桿與鉆孔需緊密配合等等，樹脂粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到5～10 MPa，錨桿錨固力達(dá)到250 kN以上；(2)根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)、開采條件，研究圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，掌握巖層移動(dòng)、錨桿載荷的分布和發(fā)展，合理設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)。 2.1.4其它國(guó)家 自1932年發(fā)明Ｕ型鋼支架以來(lái)，德國(guó)主要采用Ｕ型鋼支架支護(hù)巷道，支護(hù)比重達(dá)到90%以上；自80年代以來(lái)，由于采深加大，Ｕ型鋼支架支護(hù)費(fèi)用高，巷道維護(hù)日益困難，開始使用錨桿支護(hù)；80年代初期，錨桿支護(hù)在魯爾礦區(qū)試驗(yàn)成功。60年代中后期，法國(guó)引進(jìn)由德國(guó)發(fā)明、60年代進(jìn)入商品化的樹脂全長(zhǎng)錨固技術(shù)，幾起嚴(yán)重的圍巖坍塌促使法國(guó)煤科院在Lorraine煤田對(duì)樹脂錨桿進(jìn)行深入研究，80年代以后錨桿使用比重大大提高。 2.1.5國(guó)內(nèi)情況 自50年代以來(lái)，錨桿支護(hù)技術(shù)在我國(guó)也得到了逐步應(yīng)用，煤礦于1956年開始使用錨桿，主要是機(jī)械端錨和鋼絲繩砂漿無(wú)托盤錨桿，用在較穩(wěn)定的巖石巷道中，70～80年代，國(guó)家科技攻關(guān)中一直將軟巖錨桿支護(hù)列為主攻方向之一，80年代末期，開始引進(jìn)澳大利亞技術(shù)，樹脂錨桿研制成功并推廣應(yīng)用，煤巷錨桿進(jìn)入發(fā)展的快車道，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巷道錨桿支護(hù)很快取得成功，Ⅳ、Ⅴ類巷道也積累了很多經(jīng)驗(yàn)，煤巷錨桿的推廣應(yīng)用力度進(jìn)一步加強(qiáng)，但由于我國(guó)煤礦地質(zhì)條件相對(duì)于美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等更加復(fù)雜，我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)不僅要使用在煤質(zhì)中硬、圍巖穩(wěn)定程度較高的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類回采巷道，而且要使用在軟巖回采巷道、深井巷道、沿空掘巷等復(fù)雜困難條件下，所以總體使用比重較低，各地區(qū)發(fā)展很不平衡。 2.2錨桿支護(hù)型式演變概況 透過(guò)世界各國(guó)錨桿支護(hù)的應(yīng)用歷史，單從錨固技術(shù)和手段的演變看可將其歸結(jié)為3個(gè)階段： 2.2.1機(jī)械式端頭點(diǎn)錨固錨桿的應(yīng)用階段 40年代開始，在50～60年代廣為推廣的錨桿支護(hù)主要型式是機(jī)械端頭錨固，分為楔縫式、漲殼式、倒楔式等，其特點(diǎn)為錨固力低、系統(tǒng)剛度小、可靠性差，受巖性影響大，不易在軟巖中使用，英國(guó)煤礦采用該類錨桿支護(hù)的實(shí)踐表明它不適宜在軟弱煤層中應(yīng)用，一度停止在煤巷中使用錨桿支護(hù)。機(jī)械式端頭點(diǎn)錨固錨桿的技術(shù)特征客觀上導(dǎo)致了使用的局限性，并出現(xiàn)錨桿支護(hù)技術(shù)和使用的徘徊期。 2.2.2全錨錨桿的提出 70～80年代各種新型錨桿相繼問(wèn)世，如砂漿錨桿、樹脂錨桿、管縫式錨桿、水脹錨桿等，它們的特點(diǎn)為全長(zhǎng)錨固、錨固力大、可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)。B.Caverson在White Pine 礦研究聚脂樹脂錨桿和漲殼式錨桿的拉拔試驗(yàn)，得出粘結(jié)式錨桿比機(jī)械式錨桿的錨固力大1.7～3倍；E.W.Parsons和L.Osen的測(cè)試證實(shí)粘結(jié)式錨桿錨固力隨圍巖變形的增加而逐步增大，機(jī)械式點(diǎn)錨固錨桿的錨固力初期總有個(gè)急劇下降的過(guò)程，然后就維持在較低的水平。上述研究成果對(duì)機(jī)械式點(diǎn)錨固錨桿的淘汰和全錨錨桿尤其是樹脂錨桿的推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。 2.2.3樹脂錨桿占領(lǐng)市場(chǎng)階段 80年代以后，樹脂錨桿以其優(yōu)越的錨固性能和簡(jiǎn)易的操作工藝逐漸占領(lǐng)了錨桿市場(chǎng)。砂漿錨桿由于灌漿工藝復(fù)雜，凝固時(shí)間長(zhǎng)，膠結(jié)質(zhì)量難以保證，管縫式錨桿和水脹錨桿易銹蝕，錨固力受到鋼材和圍巖松弛的影響，只能在某些條件下發(fā)展應(yīng)用，此外各種適應(yīng)特殊要求的錨桿得到發(fā)展，如適應(yīng)可切割要求的玻璃纖維錨桿、塑料錨桿，適應(yīng)軟巖大變形要求的等塑性錨桿，適應(yīng)大跨度的桁架和錨索等。 2.3 發(fā)展趨勢(shì) 從世界各國(guó)的應(yīng)用情況看，高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿技術(shù)較好地解決了支護(hù)系統(tǒng)本身的強(qiáng)度和錨桿與圍巖的錨固技術(shù)問(wèn)題，并形成了一套相對(duì)成熟的體系。多種復(fù)雜困難條件下煤巷錨桿支護(hù)的成功應(yīng)用，加深了對(duì)高強(qiáng)樹脂錨桿控制受采動(dòng)影響巷道圍巖變形和穩(wěn)定性的機(jī)理及高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)和控制巷道圍巖大變形能力的認(rèn)識(shí)，因此復(fù)雜困難條件煤巷采用新型錨桿支護(hù)在理論和技術(shù)上都有一定的基礎(chǔ)。但在近10年的的開發(fā)研究和應(yīng)用中，我們對(duì)大量巷道冒頂事故及頂板嚴(yán)重離層變形的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致冒頂?shù)脑虿粌H僅是錨桿強(qiáng)度不夠造成的，也不能通過(guò)增加錨桿密度來(lái)解決，錨桿的預(yù)拉力(初錨力)起到了更為關(guān)鍵的作用。美國(guó)A.Wahab Khair(1992)觀測(cè)了高水平地應(yīng)力與巷道頂板產(chǎn)生的離層及剪切破壞程度的關(guān)系，并提出了采用錨桿桁架控制巷道頂板的措施。美國(guó)J. Stankus(1994、1997)和Song Guo(郭頌，1997、1998)系統(tǒng)地研究了水平地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為水平地應(yīng)力是造成巷道頂板離層垮冒、底板鼓起的主要原因，但可以通過(guò)提高巷道頂板錨桿預(yù)拉力，將水平地應(yīng)力的消極影響變?yōu)榉e極的作用，從而極大地提高巷道的穩(wěn)定性,并開始在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中考慮錨桿預(yù)拉力的影響。中國(guó)學(xué)者朱浮聲(1993)、鄭雨天(1995)的研究表明：當(dāng)錨桿預(yù)拉力達(dá)到60～70 kN時(shí)，就可以有效控制巷道頂板的下沉量，并通過(guò)加大錨桿的間排距，減少錨桿用量。 如何把握錨桿支護(hù)技術(shù)的演變趨勢(shì)，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)成果，從普通圓鋼錨桿、高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，進(jìn)一步發(fā)展到預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)，是非常值得研究的問(wèn)題。早在本世紀(jì)初，就有人提出無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)想，20年代德國(guó)人申請(qǐng)了專利，50年代在樓面建筑中應(yīng)用，近20年發(fā)展很快。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使得預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)代替了建筑結(jié)構(gòu)中過(guò)去大量采用的梁板結(jié)構(gòu)，從而大大提高了承載性能，減少了材料用量，減少了結(jié)構(gòu)厚度，增加了有效空間；混凝土建筑材料也經(jīng)由素混凝土、普通鋼筋混凝土發(fā)展到預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，承載性能明顯提升。 作為采礦技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，美國(guó)緊緊把握了這一發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)采礦界起到了帶頭作用：1)提高錨固強(qiáng)度，增大錨桿間排，以便和掘進(jìn)機(jī)的速度匹配；同時(shí)擴(kuò)大錨桿支護(hù)的應(yīng)用范圍，提高支護(hù)效率；2)采用性能優(yōu)越的施工安裝機(jī)具，在錨桿安裝時(shí)實(shí)現(xiàn)高預(yù)拉力。現(xiàn)在，美國(guó)礦山巷道錨桿的預(yù)拉力一般為100 kN左右，可以達(dá)到錨桿桿體本身屈服強(qiáng)度的50％～75％。 美國(guó)高預(yù)拉力錨桿支護(hù)技術(shù)已取得了顯著成效，并影響到很多國(guó)家,比如英國(guó)研制成錨固能力達(dá)500 kN的“大錨桿”，并在Asfordby礦試驗(yàn)成功用間距1.0 m的大錨桿代替間距0.6 m的“AT”錨桿。這些成功實(shí)踐表明：高預(yù)拉力錨桿能夠很有效地控制層狀頂板的離層，因而冒頂現(xiàn)象大大減少，安全狀況有根本性的轉(zhuǎn)變；同樣條件下錨桿的密度減小，間排距大大提高，同比錨桿用量減少20～30%；掘進(jìn)速度大大提高，支護(hù)效率明顯改善。 這一技術(shù)思想近年也影響到我國(guó)，在淮南新區(qū)錨桿支護(hù)技術(shù)攻關(guān)中，課題組充分強(qiáng)調(diào)和應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力支護(hù)思想，提出控制離層或從根本上消除離層的最直接最有效手段是利用高預(yù)拉力錨桿支護(hù)形成‘剛性化’預(yù)應(yīng)力頂板結(jié)構(gòu)，最大限度地控制頂板初期變形，消除或大大減緩頂板離層，并從根本上控制巷道圍巖的最終變形量，這一思路已得到大量實(shí)踐的證實(shí),在十分復(fù)雜的離層破碎型頂板下采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)取得成功。預(yù)應(yīng)力技術(shù)體系不僅能夠克服高強(qiáng)錨桿存在的主要技術(shù)問(wèn)題，有效控制頂板離層破壞，而且大大提高了支護(hù)圍巖系統(tǒng)的安全可靠性。 在傳統(tǒng)錨桿承載能力及預(yù)應(yīng)力普遍非常小的情況下，錨桿支護(hù)對(duì)于巷道周邊應(yīng)力場(chǎng)的影響很小，基本上可以忽略不計(jì)，所以很多支護(hù)理論方面強(qiáng)調(diào)巷道錨桿應(yīng)具有一定的讓壓性能，并由此發(fā)明了可拉伸錨桿。但隨著樹脂錨固劑、高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度錨桿、預(yù)拉力錨索等新材料、新技術(shù)在礦山巷道支護(hù)中的應(yīng)用，使大幅度提高頂板的預(yù)應(yīng)力成為可能，并可由此調(diào)整巷道周邊的應(yīng)力場(chǎng)，利用水平地應(yīng)力的積極作用，最大限度地提高巖體本身的承載能力，達(dá)到事半功倍的支護(hù)效果。但是,預(yù)拉力錨桿的受力特點(diǎn)、作用原理及其在巷道圍巖加固中的作用，人們還沒(méi)有完全弄清楚。所以，有必要通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析，對(duì)在水平地應(yīng)力作用下預(yù)拉力錨桿的作用機(jī)理進(jìn)行深入的研究，以期建立基于水平地應(yīng)力的預(yù)拉力錨桿支護(hù)理論。 3 錨桿支護(hù)理論 3.1懸吊理論 對(duì)于回采巷道經(jīng)常遇到的層狀巖體，當(dāng)巷道開挖后，直接頂因彎曲、變形與老頂分離，如果錨桿及時(shí)將直接頂擠壓并懸吊在老頂上，就能減少和限制直接頂?shù)南鲁梁碗x層，以達(dá)到支護(hù)的目的。如圖3-1所示。 巷道淺部圍巖松軟破碎，或者開挖巷道后應(yīng)力重新分布，頂板出現(xiàn)破裂區(qū)，這時(shí)錨桿的懸吊作用就將這部分易冒落巖體懸吊在深部未松動(dòng)巖層上。這是懸吊理論的進(jìn)一步發(fā)展，如圖3-2所示。 3.2組合梁理論 組合梁理論認(rèn)為：在層狀巖體中開挖巷道，當(dāng)頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層時(shí)，錨桿的懸吊作用居次要地位。 圖3-1錨桿的懸吊作用 圖3-2頂板錨桿懸吊松動(dòng)破裂巖層 圖3-3頂板錨桿組合梁作用 （a）未打錨桿 (b)布置頂板錨桿 如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用，一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）。這種組合厚巖層在上覆巖層載荷的作用下，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減少，組合梁的撓度亦減少，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的撓度也就減少。如圖3-3所示。 組合梁理論，是對(duì)錨桿將頂板巖層鎖緊成較厚巖層的解釋。在分析中，將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開，與實(shí)際圍巖的條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞，組合梁就不存在了。 組合梁理論只適合與層狀頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)于巷道的幫、底不適用。 3.3組合拱理論 組合拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間足夠小，各錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向載荷。在承壓內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度得到提高，支撐能力頁(yè)相應(yīng)加大，如圖3-4所示。因此，錨桿支護(hù)的關(guān)鍵在于獲取較達(dá)的承壓拱厚度和較高的強(qiáng)度。其厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定和支承能力的提高。 組合拱理論在一定程度上揭示了錨桿支護(hù)的作用原理，但在分析過(guò)程中沒(méi)有深入考慮圍巖—支護(hù)的相互作用，只是將各支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大支護(hù)力簡(jiǎn)單相加，從而得到復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)總的最大支護(hù)力，缺乏對(duì)被加固巖體本身力學(xué)行為的進(jìn)一步分析探討，計(jì)算也與實(shí)際情況存在一定差距，一般不能作為準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì)，但可作為錨桿加固設(shè)計(jì)和施工的重要參考。 圖3-4 錨桿的組合拱原理 3.4最大水平應(yīng)力理論 自從八十年代以來(lái), 水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響已經(jīng)引起了人們的普遍關(guān)注。澳大利亞W.Gale[ 6 ]博士(1987)通過(guò)數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),得到了水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的最基本的認(rèn)識(shí): 礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5～2.5倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：巷道軸向與最大主應(yīng)力方向平行時(shí), 巷道受水平應(yīng)力的影響最小; 二者垂直時(shí), 巷道受水平應(yīng)力的影響最大; 二者呈一定夾角時(shí), 巷道其中一側(cè)會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力較低, 因而頂?shù)装宓淖冃螘?huì)偏向巷道的某一側(cè)。如圖3-5所示。并提出在最大水平地應(yīng)力的作用下, 頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞, 出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)與松動(dòng)而造成圍巖變形, 錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯(cuò)動(dòng), 因此要求錨桿必須具有強(qiáng)度大、剛度大、抗剪切阻力大的特點(diǎn)才能起到約束圍巖變形的作用。所以, 澳大利亞錨桿支護(hù)特別強(qiáng)調(diào)錨桿高強(qiáng)及全長(zhǎng)膠結(jié)。 圖3-5應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng) 3.5圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論 圍巖松動(dòng)圈理論認(rèn)為: (1)地應(yīng)力與圍巖相互作用會(huì)產(chǎn)生圍巖松動(dòng)圈; (2)松動(dòng)圈形成過(guò)程中產(chǎn)生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護(hù)的主要對(duì)象, 松動(dòng)圈尺寸越大, 巷道收斂變形也越大,支護(hù)越困難。(3)依據(jù)松動(dòng)圈的大小采用不同的原理設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)。小松動(dòng)圈(0～40 cm)采用噴射混凝土支護(hù)即可; 中松動(dòng)圈(40～150 cm)采用懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù); 大松動(dòng)圈(> 150 cm )采用組合拱原理設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)。 由于圍巖松動(dòng)圈是隨著時(shí)間、巷道支護(hù)形式及支護(hù)強(qiáng)度的變化而變化, 并且在同一斷面上由于巖性的差異, 圍巖松動(dòng)圈的大小也是不一樣的。所以, 在復(fù)雜條件下圍巖松動(dòng)圈理論(如煤巷、軟巖巷道)并沒(méi)有得到應(yīng)用。松動(dòng)圈支護(hù)理論對(duì)于錨桿支護(hù)的指導(dǎo)作用主要在于確定普通錨桿(如普通圓鋼錨桿、水泥藥卷錨桿等等)的適用條件和范圍。 3.6減跨理論 在懸吊理論和組合梁理論的基礎(chǔ)上，提出了減跨理論。該理論認(rèn)為：錨桿末端固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，穿過(guò)薄層狀頂板，每根錨桿相當(dāng)于一個(gè)鉸支點(diǎn)，將巷道頂板劃分成小跨，從而使頂板撓度降低。如圖3-6減跨作用原理。 在巷道頂板上安裝錨桿以后，將巷道頂板劃分成多個(gè)小跨，成為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其冒落拱高度及頂板下沉量均有大幅度的降低，從而使巷道圍巖更加穩(wěn)定。 圖3-6 減跨作用原理 3.7圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 巷道圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論揭示了錨桿的作用原理和加固巷道圍巖的實(shí)質(zhì)，并為合理確定錨桿支護(hù)參數(shù)提供了理論依據(jù)。該理論要點(diǎn)：(1)巷道錨桿支護(hù)實(shí)質(zhì)使錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用而組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；（2）巷道錨桿支護(hù)可以提高錨固提力學(xué)參數(shù)，包括錨固體破壞前和破壞后的力學(xué)參數(shù)（E、C、ф），改善被錨固巖體的力學(xué)性能；（3）巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)巖體的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化；（4）巷道錨桿支護(hù)可以改變威嚴(yán)的應(yīng)力狀態(tài)、增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力、改善巷道的支護(hù)狀態(tài)；（5）巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高后，可減少巷道周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。 4 錨桿分類及配套 4.1錨桿分類 目前，國(guó)內(nèi)外適用與不同條件，具有不同功能和用途的錨桿有數(shù)百種，按錨桿與被錨固體的錨固方式大體可分為粘結(jié)式，機(jī)械式、摩擦式三類；按錨固段的長(zhǎng)短可分為端頭錨固、全長(zhǎng)錨固、加長(zhǎng)錨固；如圖4-1所示。按錨桿桿體的工作特性可分為剛性錨桿和可延伸錨桿；根據(jù)錨桿強(qiáng)度的大小可分為普通錨桿和高強(qiáng)度錨桿。 單體錨桿主要由錨頭、桿體、錨尾（外露段）、托盤等部件組成。 4.2高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度錨桿 錨桿的強(qiáng)度直接影響錨固范圍內(nèi)圍巖的強(qiáng)度強(qiáng)化程度和錨桿對(duì)巷道圍巖的支護(hù)阻力，從而影響錨桿群作用范圍內(nèi)圍巖的承載能力和錨桿的支護(hù)效果。為了改變我國(guó)長(zhǎng)期使用低強(qiáng)度錨桿的狀況，最近幾年大力發(fā)展了給偶啊強(qiáng)度、超高強(qiáng)度錨桿。錨桿的強(qiáng)度取決于制造錨桿的材質(zhì)、直徑及有關(guān)附件。 按照鋼材屈服強(qiáng)度 可將錨桿分類為三類：σs＜30 MPa,為普通錨桿；340 MPa≤σs＜600 MPa,為高強(qiáng)度錨桿；σs≥600 Mpa，為超高強(qiáng)度錨桿。 錨桿的強(qiáng)度直接影響錨固范圍內(nèi)圍巖的強(qiáng)度強(qiáng)化程度和錨桿對(duì)巷道圍巖的支護(hù)阻力，從而影響錨桿群作用范圍內(nèi)圍巖的承載能力和錨桿的支護(hù)效果。為了改變我國(guó)長(zhǎng)期使用低強(qiáng)度錨桿的狀況，最近幾年大力發(fā)展了給偶啊強(qiáng)度、超高強(qiáng)度錨桿。錨桿的強(qiáng)度取決于制造錨桿的材質(zhì)、直徑及有關(guān)附件。 按照鋼材屈服強(qiáng)度 可將錨桿分類為三類：σs＜30 MPa,為普通錨桿；340 MPa≤σs＜600 MPa,為高強(qiáng)度錨桿；σs≥600 Mpa，為超高強(qiáng)度錨桿。 4.2.1高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿 螺紋鋼錨桿即可用于全長(zhǎng)錨固也可用于端頭錨。對(duì)于全長(zhǎng)樹脂錨固的螺紋鋼錨桿，其結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，主要由桿體、穹形球體、塑料增壓墊圈、驅(qū)動(dòng)螺母、托盤和樹脂藥卷等組成。 由于螺紋鋼錨桿錨尾加工的原因，錨尾螺紋部分的內(nèi)徑要比桿體名義直徑小13～23%。錨桿在井下受到拉力作用時(shí)，其首先斷裂的部位在錨尾，時(shí)錨桿的強(qiáng)度和延伸率得不到充分發(fā)揮。為了保證錨桿的高強(qiáng)度和足夠的延伸量，對(duì)錨尾螺紋部分進(jìn)行熱處理，即可制成高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿。錨尾螺紋鋼部分經(jīng)強(qiáng)化熱處理，其強(qiáng)度高于桿體強(qiáng)度，并能保證必要的延伸率。這樣就可克服上述缺點(diǎn)，保證可靠、有效的支護(hù)效果。表4-1為20MnSiⅡ級(jí)螺紋鋼錨桿錨尾強(qiáng)化熱處理后的力學(xué)性能。力學(xué)性能的測(cè)定如下：每組螺紋鋼3根，每根長(zhǎng)300 mm，其一端加工成長(zhǎng)100mm螺紋，兩端夾持長(zhǎng)度不大于60mm，保證自由段長(zhǎng)度108 mm的螺紋。表中數(shù)據(jù)為每組3根的平均值。 由表可知，螺紋鋼錨桿錨尾強(qiáng)化熱處理后，錨桿整體承載能力可提高50%以上，延伸率提高30-45%，錨桿破斷時(shí)的斷裂部位在錨桿桿體。 鋼絲繩錨桿 被動(dòng)錨固式 鋼管錨固 玻璃纖維錨桿 全長(zhǎng)錨固式 軸向式：預(yù)應(yīng)力鋼筋錨桿 主動(dòng)錨固式 軸徑向式：縫管式錨桿 徑向式：膨脹管錨桿 鋼絲繩錨桿 被動(dòng)錨固式 竹、木錨桿 錨桿 機(jī)械式錨桿 斷頭錨固式 鋼筋錨桿（錨固長(zhǎng)度為0.3-0.6 m） 主動(dòng)錨固式 玻璃鋼錨桿 高阻力竹錨桿 混合或加長(zhǎng)錨固式 鋼筋錨桿（錨固長(zhǎng)度等于桿體長(zhǎng)度一半） （主動(dòng)錨固） 鋼絲繩錨桿（錨固長(zhǎng)度等于桿體長(zhǎng)度一半） 圖4-1 錨桿按錨固段分類 4.2.2超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿 超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿是將整根普通螺紋鋼錨桿通過(guò)合理的工藝方式和工藝參數(shù)進(jìn)行整體強(qiáng)化熱處理而成的。實(shí)驗(yàn)室反復(fù)證明，超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿的屈服強(qiáng)度可達(dá)703 Mpa，極限強(qiáng)度可達(dá)811 Mpa，延伸率可達(dá)21%。強(qiáng)化熱處理的方式有兩種：常規(guī)加熱和感應(yīng)加熱。前者效率低，電耗高、成本高，而采用后者感應(yīng)加熱可以大幅度降低能耗、提高生產(chǎn)率，而且可改善超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿的主要力學(xué)性能。兩種熱處理方式制造的超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿的力學(xué)性能見(jiàn)表4-2。 表4-2 兩種熱處理方式制造的超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿的力學(xué)性能 加熱方式 錨桿直徑/mm 極限載荷/kN 延伸率/% 常規(guī)加熱 22 214 17.7 感應(yīng)加熱 22 340 20 表4-1 20MnSiⅡ級(jí)螺紋鋼錨桿錨尾強(qiáng)化熱處理后的力學(xué)性能 螺紋鋼名義直徑 錨尾強(qiáng)化熱處理后 螺紋直徑 屈服載荷/kN 極限載荷/kN 延伸率/% 斷裂位置 ф18mm 否 是 M16 53.7 92 87 137 13.8 20 錨尾 桿體 ф20mm 否 是 M18 65.9 114.0 102 171 16.4 21.3 錨尾 桿體 ф22mm 否 是 M20 83.0 141.5 136 216 16.6 23.3 錨尾 桿體 5 巷道圍巖穩(wěn)定性分類 5.1按圍巖松動(dòng)圈的分類方法 圍巖松動(dòng)圈是指巷道掘進(jìn)后，用國(guó)產(chǎn)聲波儀測(cè)定圍巖聲波降低范圍的平均值。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建工學(xué)院測(cè)定的圍巖松動(dòng)圈的范圍，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分類，見(jiàn)表5-1. 表5-1 巷道圍巖穩(wěn)定性（松動(dòng)圈）分類 圍巖類別 分類名稱 圍巖松動(dòng)圈/mm 小松動(dòng)圈 Ⅰ 穩(wěn)定圍巖 0~40 中松動(dòng)圈 Ⅱ 較穩(wěn)定圍巖 40~100 Ⅲ 一般圍巖 100~150 大松動(dòng)圈 Ⅳ 一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖） 150~200 Ⅴ 不穩(wěn)定圍巖（較軟圍巖） 200~300 Ⅵ 極不穩(wěn)定圍巖（極軟圍巖） >300 5.2按圍巖變形量的分類方法 圍巖表形量是巷道開挖后受多種因素影響的綜合結(jié)果，是圍巖穩(wěn)定性分類的多因素單一定量指標(biāo)，煤炭科學(xué)研究總院北京建井所據(jù)此指定的巷道圍巖分類見(jiàn)表5-2。 表5-2 按圍巖變形量制定的圍巖分類 圍巖類別 開挖后圍巖變形量/mm Ⅰ <5 Ⅱ 6~10 Ⅲ 11~50 Ⅳ 50~200 Ⅴ >200 6 巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 6.1工程類比法 工程類比法是建立在已有工程設(shè)計(jì)和大量工程實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在圍巖條件、施工條件及各種影響因素基本一致的情況下，根據(jù)類似條件的已有經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行待建巷道地質(zhì)條件與圍巖物理力學(xué)參數(shù)，科學(xué)地進(jìn)行圍巖分類的情況下，然后再針對(duì)不同條件的圍巖類別，根據(jù)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件確定錨桿支護(hù)參數(shù)。工程類比法是一種實(shí)用方法，在我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中占有主導(dǎo)地位。 6.1.1以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 1988年，原煤炭工業(yè)部頒布試用《我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》。經(jīng)過(guò)十年試用，此分類方案已進(jìn)一步完善，發(fā)展成為包括緩傾斜、傾斜、極傾斜各種煤層厚度的回采巷道，煤層上下山，其他煤巷以及巖石巷道的全部的采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。根據(jù)這個(gè)方案，煤巷圍巖的穩(wěn)定性可分為非常穩(wěn)定（類），穩(wěn)定（類）、中等穩(wěn)定（類）、不穩(wěn)定（類）、極不穩(wěn)定（類）5個(gè)類別。 我國(guó)煤炭系統(tǒng)的許多專家、學(xué)者、工程技術(shù)人員在煤巷錨桿支護(hù)研究、設(shè)計(jì)與施工中做了大量工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院北京開采所專家組成煤炭工業(yè)部錨桿支護(hù)專家組將他們豐富的經(jīng)驗(yàn)積累起來(lái)，在采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上，制定了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范。該規(guī)范的要點(diǎn)如下： （1）頂板必須使用金屬桿體。全長(zhǎng)錨固或加長(zhǎng)錨固錨桿應(yīng)采用螺紋鋼桿體。采用端頭錨固時(shí)，設(shè)計(jì)錨固力不應(yīng)低于64 kN；采用全長(zhǎng)錨固錨桿時(shí)，桿體破斷力不應(yīng)低于130 kN. （2）一般情況，巷幫應(yīng)支護(hù)。巷幫錨桿設(shè)計(jì)錨固力以不低于40 kN為宜。根據(jù)巷道斷面、煤層厚度與強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、埋藏深度、護(hù)巷煤柱尺寸、錨桿是否經(jīng)受切割等因素確定錨桿的形式與參數(shù)。 （3）錨桿孔徑與錨桿桿體錨固段直徑之差，宜保持在6~10 mm范圍之內(nèi)。 （4）頂板靠近巷道兩幫的錨桿，一般應(yīng)向巷幫傾斜15-30°。（與鉛垂線夾角） （5）金屬桿體錨桿支護(hù)參數(shù)系列見(jiàn)表6-1。 （6）推薦桿體錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)見(jiàn)表6-2. 6.1.2巷道松動(dòng)圈支護(hù)設(shè)計(jì) 地下巷道開挖以后，圍巖中將產(chǎn)生應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于彈塑性狀態(tài)；當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)，圍巖中將產(chǎn)生變形松動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)果在巷道周圍形成松動(dòng)破碎區(qū)，亦稱為圍巖松動(dòng)圈。圍巖松動(dòng)圈的大小與工程因素有關(guān)，同時(shí)也與地質(zhì)因素有關(guān)，是圍巖應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度的綜合反映。 研究表明，圍巖松動(dòng)圈有如下特性： 由于圍巖性質(zhì)不同，松動(dòng)圈可能有圓形、橢圓形和異形等形狀。 （1） 在有控制條件下，松動(dòng)圈穩(wěn)定時(shí)間當(dāng)lp<100 cm,10~20 d;lp=100~150 cm時(shí)，20~30 d; lp>150 cm時(shí)，1-3各月。 （2） 一般的支護(hù)不能有效地阻止松動(dòng)圈的產(chǎn)生和發(fā)展。 （3） 地質(zhì)條件一定時(shí)，巷道寬度在3~7 m范圍內(nèi)，松動(dòng)圈的大小變化不明顯。 表6-1 金屬桿體錨桿支護(hù)參數(shù)系列 項(xiàng)目 系列 錨桿長(zhǎng)度/m 錨桿桿體直徑/mm 錨桿孔徑/mm 錨桿排距/m 錨桿間距/m 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 16 18 20 22 24 26 28 31 33 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4 表6-2 道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)選擇 巷道 類別 巷道圍巖 穩(wěn)定狀況 基本支護(hù) 形式 主要支護(hù)參數(shù) Ⅰ 非常穩(wěn)定 整體砂巖，石灰?guī)r類巖層：不支護(hù) 其他巖層，單體錨桿 端錨：桿體直徑:>16mm 錨桿長(zhǎng)度：1.4-1.8m Ⅱ 穩(wěn)定 頂板較完整，單體錨桿 排間距：0.8-1.2m 設(shè)計(jì)錨固力：>64KN 頂板較破碎，錨桿+網(wǎng) 端錨：桿體直徑：16-18mm 錨桿長(zhǎng)度：1.6-1.8m Ⅲ 中等穩(wěn)定 頂板較完整： 排間距：0.8-1.0KN 錨桿+鋼筋梁，或行架 設(shè)計(jì)錨固力：64-80kN 　 端錨：桿體直徑：16-18mm 　 錨桿長(zhǎng)度：1.8-2.2 頂板較破碎： 排間距：0.6-1.0m 錨桿+w剛帶+網(wǎng)，或增加錨索+行架+網(wǎng) 設(shè)計(jì)錨固力：0.8-1.0KN 或增加錨索 端錨或全長(zhǎng)錨固： 　 桿體直徑:18-22mm 　 錨桿長(zhǎng)度：1.8-2.4m 　 排間距：0.6-1.0m Ⅳ 不穩(wěn)定 　 全長(zhǎng)錨固桿體直徑18-22mm 錨桿+w剛帶+網(wǎng)，或增加錨索 錨桿長(zhǎng)度：1.8-2.4m 行架+網(wǎng)，或增加錨索 排間距：0.6-1.0 Ⅴ 極不穩(wěn)定 1、頂板較完整 全長(zhǎng)錨固桿體直徑：18-24mm 錨桿+金屬可縮支架，或增加錨索 錨桿長(zhǎng)度：2.0-2.6m 2、頂板較破碎 排間距：0.6-1.0 錨桿+網(wǎng)+金屬可縮支架，或增加錨索 　 3、底鼓嚴(yán)重 　 錨桿+環(huán)形可縮支架 　 表6-3 巷道圍巖松動(dòng)圈分類及錨噴支護(hù)建議 圍巖類別 分類名稱 圍巖松動(dòng)圈/mm 錨噴支護(hù)類型 錨噴參數(shù)計(jì)算法 備注 小松動(dòng)圈 Ⅰ 穩(wěn)定圍巖 0-40 噴混凝土 　 圍巖整體性好， 不易風(fēng)化可不支護(hù) 中松動(dòng)圈 Ⅱ 較穩(wěn)定圍巖 40-100 錨桿及局部噴 射混凝土 錨桿懸吊理論 必要時(shí)可用剛性支架 Ⅲ 一般圍巖 100-150 錨桿及局部噴 射混凝土 錨桿懸吊理論 剛性支架 大松動(dòng)圈 Ⅳ 一般不穩(wěn)定圍巖（軟巖） 150-200 錨桿、噴層及局部掛金屬網(wǎng) 錨桿組合拱理論 可縮性支架 Ⅴ 不穩(wěn)定圍巖（較軟圍巖） 200-300 錨桿、噴層及局部掛金屬網(wǎng) 錨桿組合拱理論 可縮性支架 Ⅵ 極不穩(wěn)定圍巖（極軟圍巖） >300 　 　 實(shí)踐證明，在工程條件相似時(shí)，采用工程類比法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)可能十分成功。然而，我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)水平較低，商處于發(fā)展階段，其圍巖應(yīng)力分布、圍巖運(yùn)動(dòng)有其自身特點(diǎn)，某一類尚存在各種不同情況，使用時(shí)必須參照多方面的經(jīng)驗(yàn)加以應(yīng)用。 6.2理論計(jì)算法 錨桿支護(hù)理論計(jì)算法主要是利用懸吊理論、組合梁理論、壓縮拱等以及各種力學(xué)方法，分析巷道圍巖的應(yīng)力與變形，進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，給出錨桿支護(hù)的解析解。這種方法的重要性不僅與工程類比法相輔相成，而且為研究錨桿支護(hù)提供了理論工具。隨著巖石力學(xué)發(fā)展水平的提高，終將使錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)達(dá)到科學(xué)、定量。 6.2.1按懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù) 在層狀巖層中開挖的巷道，頂板巖層的滑移與分離導(dǎo)致頂板的破碎直至冒落；在節(jié)理裂隙發(fā)育的巷道中，松脫巖塊的冒落可能造成對(duì)生產(chǎn)的威脅；在軟弱巖層中開挖的巷道圍巖破碎帶內(nèi)不穩(wěn)定巖塊在自重作用下也可能發(fā)生冒落。如果錨桿加固系統(tǒng)能夠提供足夠的支護(hù)阻力將松脫頂板或危巖懸吊在穩(wěn)定巖層中，就能保證啊哈咕噥道圍巖的穩(wěn)定、 a.錨桿長(zhǎng)度 錨桿長(zhǎng)度通常按下式計(jì)算： L=L1+L2+L3 （6-1） 式中：L1---錨桿外露長(zhǎng)度，其值主要取決于錨桿類型及錨固方式，一般L1=0.15 m，對(duì)于端錨錨桿，L1=墊板厚度+螺母+（0.03~0.05），對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，還要加上穹形球體的厚度。 L2----錨桿有效長(zhǎng)度； L3----錨桿錨固段長(zhǎng)度，一般端錨時(shí)L3=0.3~0.4 m，由 拉拔試驗(yàn)確定，當(dāng)圍巖松軟時(shí)，L3還應(yīng)加大。 對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，錨桿的有效長(zhǎng)度則為L(zhǎng)2+ L3。 顯然，錨桿外露長(zhǎng)度（L1）與錨桿錨固段長(zhǎng)度（L3）易于確定，關(guān)鍵是如何確定錨桿有效長(zhǎng)度（L2）。通常暗下述方法確定L2。 （1）當(dāng)直接頂需要懸吊而它們的范圍易于劃定時(shí)，L2應(yīng)大于或等于它們的厚度。 （2）當(dāng)巷道圍巖存在松動(dòng)破碎帶時(shí)，L2應(yīng)大于巷道圍巖松動(dòng)破碎區(qū)高度Li，Li可由下面幾種方法確定。 1）經(jīng)驗(yàn)確定 2）聲測(cè)法確定 3) 解析法估計(jì) （6-2） 式中 RMR---CSIR地質(zhì)力學(xué)分級(jí)巖體總評(píng)分； L----巷道跨度 4）在松散介質(zhì)及中硬以下跨度地下空間（跨度一般小于6 m），可以利用M.M.普羅托奇雅可諾夫的拋物形壓力拱理論估計(jì)冒落帶高度： 當(dāng)f≥3時(shí)， hi=L/2f （6-3） 當(dāng)f≤2時(shí) hi=[L/2+Hcot(45°+ф/2)]/f （6-4） 式中： f----巖石普氏堅(jiān)固性系數(shù)； L----巷道跨度； H----巷道掘進(jìn)高度； ф----巖石內(nèi)摩擦角。 b.錨桿桿體直徑 根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定，則 （6-5） 式中 d----錨桿桿體直徑，mm； Q----錨固力，由拉拔試驗(yàn)確定，Kn; σt------桿體材料抗拉強(qiáng)度，MPa. c.錨桿間、排距 根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石重量確定，即錨桿懸吊的巖石重量等于錨桿的錨固力。通常錨桿按等距排列，即a=sc=s1。則有： （6-6） 式中： sc、s1-----錨桿間、排距； K-----錨桿安全系數(shù)，一般取K=1.5~2； γ-----巖石體積力。 6.2.2按組合梁理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù) 在巷道頂板一定距離內(nèi)不存在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層時(shí)，頂板錨桿的作用機(jī)理就是將幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層，這種厚巖層內(nèi)最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力與無(wú)錨桿支護(hù)時(shí)相比都將大大減小，從而避免了頂板巖層的滑動(dòng)、離層、或冒落。保證了巷道頂板穩(wěn)定。 按照組合梁理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)主要確定錨桿的長(zhǎng)度及錨桿的間排距。 1)錨桿長(zhǎng)度 錨桿長(zhǎng)度L由（式）確定，由于錨桿外露長(zhǎng)度L1和錨固段長(zhǎng)度L3易于確定關(guān)鍵時(shí)如何確定有效長(zhǎng)度L2。 根據(jù)滿足頂板最下一層巖石外表面抗拉強(qiáng)度條件組合梁厚度，即錨桿有效長(zhǎng)度L2。 固定梁跨中點(diǎn)下表面上抗應(yīng)力最大，其值為 （6-7） 設(shè)頂板巖石抗拉強(qiáng)度為，則頂板穩(wěn)定時(shí)應(yīng)滿足 K1σ≤σt （6-8） 即 L2≥0.5B 式中 k1----安全系數(shù)，一般取k1=3~5; B---巷道跨度，m。 考慮巖層蠕變的影響，引入蠕變安全系數(shù)k2?？紤]頂板各巖層間摩擦作用對(duì)梁應(yīng)力和彎曲的影響，引入慣性矩折減系數(shù)k3，則錨桿有效長(zhǎng)度的表達(dá)式為： （6-9） 式中 p0----原巖水平應(yīng)力分量； K2=1.204； K3由表6-4確定。 表6-4 由組合梁層數(shù)數(shù)目決定的系數(shù)K3 組合巖層數(shù)目 1 2 3 ≥4 K3 1 0.75 0.7 0.65 2)錨桿間、排距 錨桿的間距由組合梁的抗剪確定，在此，沒(méi)有考慮組合梁層間的摩擦作用。設(shè)錨桿的間距（sc）與排距（sl）相等，梁半跨內(nèi)由均布載荷的總剪應(yīng)力近似地表示為： （6-10） 而在此范圍內(nèi)，間距為（m）的錨桿具有的抗剪能力為 （6-11） 考慮到頂板抗剪安全條件 （6-12） 所以 （6-13） 式中： d----錨桿桿體直徑，mm； τ----桿體材料抗剪強(qiáng)度，Mpa； K4---頂板抗剪安全系數(shù)，一般取3~6. 可以看出，上述分析中做了許多假設(shè)，計(jì)算結(jié)果僅能供錨桿設(shè)計(jì)時(shí)校核參考。 6.3數(shù)值模擬分析法 6.3.1有限元法 有限元法也叫有限單元法（finite element method, FEM），是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種彈性力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值求解方法。五十年代初，它首先應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域—飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中，用以求得結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、固有頻率以及振型。由于這種方法的有效性，有限單元法的應(yīng)用已從線性問(wèn)題擴(kuò)展到非線性問(wèn)題，分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料，從連續(xù)體擴(kuò)展到非連續(xù)體。 有限元法的思想是把一個(gè)大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)稱為單元的小區(qū)域，在每一個(gè)小區(qū)域里，假定結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力都是簡(jiǎn)單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力都容易通過(guò)計(jì)算機(jī)求解出來(lái)，進(jìn)而可以獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。 6.3.2離散元法 離散元主要是為含有地質(zhì)不連續(xù)面的巖土工程的數(shù)值分析而發(fā)展的。它頁(yè)像有限元那樣，將區(qū)域劃分成單元，段元因受節(jié)理等不連續(xù)面的控制，在以后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，單元節(jié)理可以分離，即一個(gè)單元與其相鄰單元可以接觸，也可以分開。單元之間相互做用的力可以根據(jù)應(yīng)力和位移的關(guān)系求出，而個(gè)別單元的運(yùn)動(dòng)則完全根據(jù)該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定。 6.3.3有限差分法 微分方程和積分微分方程數(shù)值解的方法?；舅枷胧前堰B續(xù)的定解區(qū)域用有限個(gè)離散點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格來(lái)代替， 這些離散點(diǎn)稱作網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)；把連續(xù)定解區(qū)域上的連續(xù)變量的函數(shù)用在網(wǎng)格上定義的離散變量函數(shù)來(lái)近似；把原方程和定解條件中的微商用差商來(lái)近似， 積分用積分和來(lái)近似，于是原微分方程和定解條件就近似地代之以代數(shù)方程組，即有限差分方程組??， 解此方程組就可以得到原問(wèn)題在離散點(diǎn)上的近似解。然后再利用插值方法便可以從離散解得到定解問(wèn)題在整個(gè)區(qū)域上的近似解。 7 錨桿施工工藝 采用錨桿支護(hù)技術(shù)不僅能夠顯著提高巷道支護(hù)效果、提高安全系數(shù)，而且可以節(jié)約大量的支護(hù)和維修費(fèi)用，在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，能夠改善井下作業(yè)環(huán)境，為礦井的高產(chǎn)高效創(chuàng)造了條件。它與傳統(tǒng)的棚式支護(hù)相比具有十分明顯的技術(shù)優(yōu)越性，因此而被廣大的煤礦所接受，近幾年發(fā)展尤為迅速。但同時(shí)應(yīng)該看到，錨桿支護(hù)是一個(gè)隱蔽工程 ，一旦施工質(zhì)量有問(wèn)題， 極易造成冒頂事故的發(fā)生，為此，現(xiàn)場(chǎng)施工就成為錨桿支護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這就要求從事錨桿支護(hù)的技術(shù)人員和操作人員對(duì)錨桿支護(hù)的施工工藝必須了解、 熟悉和掌握。 7. 1頂錨桿施工工藝 7. 1.1頂錨桿施工工藝流程 頂錨桿施工工藝流程為：掘進(jìn)→鑿掉危巖后出煤→鋪金屬網(wǎng)→托上鋼筋托梁→臨時(shí)支護(hù)→鉆頂板中部錨桿孔→清孔→錨桿帶上托盤和螺母→安裝樹脂藥卷和錨桿→用錨桿機(jī)攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時(shí)間→停止攪拌等待l min左右→擰緊螺母→安裝其它頂錨桿。 7. 1.2頂錨桿的安裝要點(diǎn) 以頂錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，桿體公稱直徑18 mm， 長(zhǎng)度2000 mm為例。介紹一下頂錨桿的安裝要點(diǎn)。 (1) 錨桿應(yīng)緊跟掘進(jìn)頭及時(shí)支護(hù)。 (2) 鉆孔深度,據(jù)頂錨桿的長(zhǎng)度確定鉆孔的深度2000±3 0 mm。 (3) 錨固劑的安裝順序。一定要先放一卷高速藥卷并將超快速端(紅色)朝向孔底,再放一卷中速藥卷。 (4) 錨桿鉆機(jī)配專用攪拌器攪拌樹脂藥卷，錨桿鉆機(jī)先慢速旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁鉆機(jī)不旋轉(zhuǎn)直接就把錨桿直接頂入( 鉆機(jī)不旋轉(zhuǎn)就把錨桿直接頂入不能攪拌好錨固劑)， 待錨桿全部進(jìn)入錨桿孔后全速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時(shí)間控制在15～30 s之間，且中途不得停機(jī)。停止旋轉(zhuǎn)后等待1 min 左右(等待l min是為了錨固劑能夠初凝)，換上安裝器擰緊螺母。 (5) 利用錨桿鉆機(jī)配安裝器擰緊螺母，擰緊力矩達(dá)到100 N·m，要點(diǎn)動(dòng)錨桿鉆機(jī)擰緊螺母，以防止操作手柄傷人。 (6) 錨桿間排距誤差不得超過(guò)設(shè)計(jì)值 ±50 mm。 (7) 螺母距錨桿桿體尾端不大于50 mm。 (8) 由于頂部角錨桿的主要作用是防止頂板沿幫部切落，角錨桿合理的安裝角度，可以使角錨桿在水平方向上有合理的投影長(zhǎng)度，從而有效的防止頂板沿幫部切，因此角錨桿的安裝角度必須符合設(shè)計(jì)要求，與垂直方向成20°的角。 7. 1.3頂錨桿的安裝步驟 以頂錨桿的安裝為例來(lái)介紹頂錨桿的安裝步驟。 (1) 頂錨桿安裝所用的設(shè)備和材料安裝頂錨桿所需的設(shè)備和材料見(jiàn)表 7-1。 表7-1 安裝頂錨桿所需設(shè)備和材料 序號(hào) 設(shè)備或材料 序號(hào) 設(shè)備或材料 1 液壓錨桿鉆機(jī) 5 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿 2 B19 6 樹脂錨固劑 3 φ雙翼鉆頭 7 托盤和螺母 4 專業(yè)攪拌器 8 專業(yè)安裝器 (2) 頂錨桿的安裝步驟 ①用液壓錨桿鉆機(jī)鉆孔，先用1.2 m短釬桿鉆孔，后換2.5 m長(zhǎng)釬桿，采用鉆頭，鉆孔時(shí)鉆機(jī)升起，開動(dòng)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。孔深要求為2000±30 mm，并保證鉆孔角度。鉆頭鉆到預(yù)定深度后下縮錨桿鉆機(jī)同時(shí)清孔，用高壓水清除鉆孔內(nèi)的煤粉和泥漿。 ②先放入一卷高速樹脂錨固劑，并將超快速端( 紅色)朝向孔底，再放人一卷中速樹脂錨固劑。錨桿體套上托盤，帶上螺母，桿尾通過(guò)攪拌器與錨桿鉆機(jī)聯(lián)接，桿端插入已裝好樹脂藥卷的鉆孔中，升起錨桿鉆機(jī)，將孔口處的藥卷送人孔底。 ③利用錨桿鉆機(jī)攪拌樹脂藥卷。攪拌樹脂藥卷是安裝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，攪拌時(shí)間15～30 s,攪拌過(guò)程必須連續(xù)進(jìn)行，中途不得間斷。停止攪拌后要等待1 min左右。 ④桿尾通過(guò)安裝器與錨桿鉆機(jī)聯(lián)接，點(diǎn)動(dòng)錨桿鉆機(jī)為錨桿施加一定的預(yù)緊力，保證達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力l00 N.m。 7.2幫錨桿施工工藝 7.2.1幫錨桿施工工藝流程 幫錨桿施工工藝流程為：鉆孔→清孔→安裝樹脂藥卷和錨桿→等待 1 min左右→( 鋪網(wǎng)) 擰緊螺母→安裝其它幫錨桿。 7.2.2 幫錨桿的安裝要點(diǎn) 以幫錨桿采用Q235圓鋼錨桿，桿體公稱直徑16 mm ，長(zhǎng)度l800 mm為例.下面以該例介紹幫錨桿的安裝要點(diǎn): (1) 鉆孔深度，根據(jù)幫錨桿的長(zhǎng)度確定鉆孔的深度1800±30 mm。 (2) 用煤電鉆配專用攪拌器攪拌樹脂藥卷，要先慢后快旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)間控制在15～30 s之間，且中途不得停機(jī)。停止旋轉(zhuǎn)后等待1min左右，再掛網(wǎng)上鋼筋梯。 (3) 錨固劑的安裝順序，一定要先放一卷雙速藥卷，必須將超快速端( 紅色) 朝向孔底再放一卷中速藥卷。 (4) 用力矩扳手給錨桿施加60 N·m的預(yù)緊力。 (5) 錨桿問(wèn)排距不得超過(guò)設(shè)計(jì)值+50 mm。 (6) 螺母距錨桿桿體尾端不大50 mm。 (7) 最上部與底部幫錨桿的安裝角度必須符合設(shè)計(jì)要求(分別朝上、朝下與水平成20夾角) 。 7. 2.3安裝步驟 以幫錨桿的安裝為例來(lái)介紹幫錨桿的安裝步驟。 (1) 幫錨桿安裝所用的材料和設(shè)備幫錨桿安裝所用的材料和設(shè)備見(jiàn)表7-2 表7-2 安裝幫錨桿所需的設(shè)備和材料 序號(hào) 設(shè)備或材料 序號(hào) 設(shè)備或材料 1 煤電鉆 5 力矩扳手 2 麻花鉆桿 6 樹脂錨固劑 3 雙翼鉆頭 7 托盤和螺母 4 專業(yè)攪拌 8 Q235圓鋼錨桿 (2) 幫錨桿的安裝步驟 ①用煤電鉆，配麻花鉆桿和φ27雙翼煤鉆頭，打鉆孔，孔深控制在1800±30 mm。 ②先放入一卷高速樹脂錨固劑，在放入一卷中速樹脂錨固劑，插入幫錨桿,樹脂藥卷推至孔底。 ③用專用攪拌器與煤電鉆相連，開機(jī)攪拌，先慢后快，將幫錨桿全部插入鉆孔后，全速旋轉(zhuǎn)攪拌15～30 s，攪拌過(guò)程必須連續(xù)進(jìn)行，中途不得間斷。停止攪拌后要等待1 min左右。 ④卸下攪拌器，用力矩扳手安裝螺母，使幫錨桿預(yù)緊力達(dá)到60 N.m。 8 錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè) 巷道圍巖活動(dòng)的主要表現(xiàn)是頂板離層、下沉、冒落、兩幫片幫、滑移、底板鼓起等.采用錨桿支護(hù)技術(shù)不僅能夠顯著提高巷道支護(hù)效果、提高安全系數(shù)，而且可以節(jié)約大量的支護(hù)和維修費(fèi)用，在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，能夠改善井下作業(yè)環(huán)境，為礦井的高產(chǎn)高效創(chuàng)造了條件。它與傳統(tǒng)的棚式支護(hù)相比具有十分明顯的技術(shù)優(yōu)越性，因此而被廣大的煤礦所接受，近幾年發(fā)展尤為迅速，但同時(shí)應(yīng)該看到，錨桿支護(hù)是一個(gè)隱蔽工程，一旦施工質(zhì)量有問(wèn)題，極易造成冒頂事故的發(fā)生。一旦發(fā)生冒頂，并且多數(shù)情況下規(guī)模較大，其危害性較為嚴(yán)重，巷道兩幫的失穩(wěn)造成煤幫大面積滑落，也易于誘使頂板冒落。因此，所有采用錨桿支護(hù)的煤巷都應(yīng)該進(jìn)行巷道礦壓與支護(hù)監(jiān)測(cè)。 井下監(jiān)測(cè)是煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的重要組成部分。錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下后，對(duì)圍巖變形狀況，錨桿(索)受力分布和大小進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，以獲得支護(hù)體和圍巖的位移和應(yīng)力信息，從而判斷錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，巷道圍巖的穩(wěn)定程度和安全性。進(jìn)而根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，修改初始設(shè)計(jì)，使其逐步趨于合理。 8.1錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)方法 根據(jù)礦區(qū)巷道實(shí)際條件，確定井下監(jiān)測(cè)采用綜合監(jiān)測(cè)和日常監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行。綜合監(jiān)測(cè)的內(nèi)容多，相對(duì)比較復(fù)雜，監(jiān)測(cè)工作量大，主要用于 驗(yàn)證和修改初始設(shè)計(jì)；日常監(jiān)測(cè)的內(nèi)容少，監(jiān)測(cè)工作量相對(duì)較小，主要用于保證巷道的安全狀況。 8.1.1 綜合監(jiān)測(cè) 錨桿支護(hù)實(shí)施于井下后，要進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，并為修正初始設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)礦區(qū)煤巷的具體條件，確定錨桿支護(hù)的綜合監(jiān)測(cè)內(nèi)容 ( 見(jiàn)表8-1) 。 (1)采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面，在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@孔，打木樁和測(cè)釘。一般每個(gè)測(cè)站布置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，沿巷道軸向間隔0.6～1.0 m。 (2)采用頂板離層指示儀測(cè)試頂板巖層錨固范圍內(nèi)外位移值。離層指示儀深基點(diǎn)錨頭應(yīng)固定在穩(wěn)定巖層內(nèi)，淺基點(diǎn)固定在錨桿端部位置。離層指示儀應(yīng)盡量靠近