許廠煤礦3.0Mta新井設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】

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)仍然存在較多問題。第一，錨桿支護(hù)工程隱蔽性強(qiáng)，監(jiān)測技術(shù)不能完全滿足煤礦的需要，安全可靠根本沒有保證。第二，我國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，檢測設(shè)備，監(jiān)測手段等方面入手進(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 1問題的提出 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，帶來傳統(tǒng)支護(hù)方式無法比擬的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，在國內(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期以來人們所致力解決的一個(gè)重大理論及技術(shù)課題，對(duì)于煤礦來說具有重大意義。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)煤國家煤礦支護(hù)的主要形式，美國、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姷?。?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 國內(nèi)外煤巷錨桿支護(hù)現(xiàn)狀 2.1國內(nèi)外煤巷錨桿應(yīng)用概況 由于各國的技術(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 美國是世界上最早使用錨桿作為煤礦頂板支護(hù)方式的國家(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)量最多的國家，每年錨桿使用量在8000萬根以上，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、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)場施工；現(xiàn)場監(jiān)測、信息反饋和優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)。 2.1.3英國 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較軟弱的煤系地層，到60年代中期，英國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其它國家 自1932年發(fā)明Ｕ型鋼支架以來，德國主要采用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，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，法國引進(jìn)由德國發(fā)明、60年代進(jìn)入商品化的樹脂全長錨固技術(shù)，幾起嚴(yán)重的圍巖坍塌促使法國煤科院在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國內(nèi)情況 自50年代以來，錨桿支護(hù)技術(shù)在我國也得到了逐步應(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托盤錨桿，用在較穩(wěn)定的巖石巷道中，70～80年代，國家科技攻關(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)，但由于我國煤礦地質(zhì)條件相對(duì)于美國、澳大利亞、英國等更加復(fù)雜，我國煤巷錨桿支護(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 透過世界各國錨桿支護(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)市場階段 80年代以后，樹脂錨桿以其優(yōu)越的錨固性能和簡易的操作工藝逐漸占領(lǐng)了錨桿市場。砂漿錨桿由于灌漿工藝復(fù)雜，凝固時(shí)間長，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 從世界各國的應(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，也不能通過增加錨桿密度來解決，錨桿的預(yù)拉力(初錨力)起到了更為關(guān)鍵的作用。美國A.Wahab Khair(1992)觀測了高水平地應(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，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題。早在本世紀(jì)初，就有人提出無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)想，20年代德國人申請(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)先的國家，美國緊緊把握了這一發(fā)展趨勢，美國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?，F(xiàn)在，美國礦山巷道錨桿的預(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，并影響到很多國家,比如英國研制成錨固能力達(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，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，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，人們還沒有完全弄清楚。所以，有必要通過大量的現(xiàn)場實(shí)測、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，但在分析過程中沒有深入考慮圍巖—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, 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)通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場觀測,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)及全長膠結(jié)。 圖3-5應(yīng)力場效應(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；按錨固段的長短可分為端頭錨固、全長錨固、加長錨固；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。為了改變我國長期使用低強(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。為了改變我國長期使用低強(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錨固也可用于端頭錨。對(duì)于全長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)性能的測定如下：每組螺紋鋼3根，每根長300 mm，其一端加工成長100mm螺紋，兩端夾持長度不大于60mm，保證自由段長度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 混合或加長錨固式 鋼筋錨桿（錨固長度等于桿體長度一半） （主動(dòng)錨固） 鋼絲繩錨桿（錨固長度等于桿體長度一半） 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，用國產(chǎn)聲波儀測定圍巖聲波降低范圍的平均值。中國礦業(yè)大學(xué)建工學(xué)院測定的圍巖松動(dòng)圈的范圍，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分類，見表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《我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》。經(jīng)過十年試用，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，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。全長錨固或加長錨固錨桿應(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)系列見表6-1。 （6）推薦桿體錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)見表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 端錨或全長錨固： 　 桿體直徑:18-22mm 　 錨桿長度：1.8-2.4m 　 排間距：0.6-1.0m Ⅳ 不穩(wěn)定 　 全長錨固桿體直徑18-22mm 錨桿+w剛帶+網(wǎng)，或增加錨索 錨桿長度：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 全長錨固桿體直徑：18-24mm 錨桿+金屬可縮支架，或增加錨索 錨桿長度：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.錨桿長度 錨桿長度通常按下式計(jì)算： L=L1+L2+L3 （6-1） 式中：L1---錨桿外露長度，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)于全長錨固錨桿，還要加上穹形球體的厚度。 L2----錨桿有效長度； L3----錨桿錨固段長度，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)于全長錨固錨桿，錨桿的有效長度則為L2+ L3。 顯然，錨桿外露長度（L1）與錨桿錨固段長度（L3）易于確定，關(guān)鍵是如何確定錨桿有效長度（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)主要確定錨桿的長度及錨桿的間排距。 1)錨桿長度 錨桿長度L由（式）確定，由于錨桿外露長度L1和錨固段長度L3易于確定關(guān)鍵時(shí)如何確定有效長度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)展起來的一種彈性力學(xué)問題的數(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)用已從線性問題擴(kuò)展到非線性問題，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)力都是簡單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力都容易通過計(jì)算機(jī)求解出來，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)來近似；把原方程和定解條件中的微商用差商來近似， 積分用積分和來近似，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)量有問題， 極易造成冒頂事故的發(fā)生，為此，現(xiàn)場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縱筋螺紋鋼錨桿，桿體公稱直徑18 mm， 長度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?？咨钜鬄?000±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) 錨桿問排距不得超過設(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 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。 井下監(jiān)測是煤巷錨桿支護(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，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)測方法 根據(jù)礦區(qū)巷道實(shí)際條件，確定井下監(jiān)測采用綜合監(jiān)測和日常監(jiān)測相結(jié)合的方法進(jìn)行。綜合監(jiān)測的內(nèi)容多，相對(duì)比較復(fù)雜，監(jiān)測工作量大，主要用于 驗(yàn)證和修改初始設(shè)計(jì)；日常監(jiān)測的內(nèi)容少，監(jiān)測工作量相對(duì)較小，主要用于保證巷道的安全狀況。 8.1.1 綜合監(jiān)測 錨桿支護(hù)實(shí)施于井下后，要進(jìn)行綜合監(jiān)測，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)測內(nèi)容 ( 見表8-1) 。 (1)采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測斷面，在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@孔，打木樁和測釘。一般每個(gè)測站布置2個(gè)監(jiān)測斷面，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