煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)及其發(fā)展課件

錨桿支護(hù)理論與技術(shù)及安全問(wèn)題太原理工大學(xué)采礦工藝研究所康天合教授博士生導(dǎo)師2009-12錨桿支護(hù)理論與技術(shù)及安全問(wèn)題太原理工大學(xué)采礦工藝研究所1主要內(nèi)容錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展錨桿支護(hù)技術(shù)述評(píng)錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法錨桿與錨索施工工藝影響錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵因素分析錨桿支護(hù)巷道冒頂成因及其對(duì)策我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展（展望）一個(gè)礦井巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)實(shí)例介紹主要內(nèi)容錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展21錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.1巷道支護(hù)的重要性巷道支護(hù)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，我國(guó)煤礦以井工開(kāi)采為主，需要在井下開(kāi)掘大量巷道，而且80%以上是煤巷、半煤巖巷，或?yàn)樗绍浧扑閲鷰r巷，或?yàn)橛鏊浕蛎泧鷰r巷。確保巷道的安全、快速掘進(jìn)，確保巷道使用期間的暢通、與圍巖穩(wěn)定，確保巷道的支護(hù)與維護(hù)成本較低等，是建設(shè)安全高效礦井的一項(xiàng)重要工作，具有重要意義。1.2巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展煤礦巷道支護(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(guò)程。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)是巷道經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)形式。1.3錨桿支護(hù)的優(yōu)越性與棚式支架相比，錨桿支護(hù)具有顯著的優(yōu)越性。（1）可顯著提高巷道支護(hù)效果錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體性。對(duì)不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用。由于預(yù)緊力的作用，形成壓縮巖梁，阻止了層狀巖體的離層作用，增大了巖層間的摩擦力，與錨桿本身的抗剪作用一起，阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，提高了巖層的承載能力（納鞋底）。改變了巷道表面巖體的受力狀態(tài)，由二向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向受力狀態(tài)，提高了巖體的承載力。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.1巷道支護(hù)的重要性3

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1.3錨桿支護(hù)的優(yōu)越性（2）變“被動(dòng)支護(hù)”為“主動(dòng)支護(hù)”棚式支護(hù)等待圍巖變形、破碎后支撐，承載。錨桿支護(hù)利用錨固劑、桿體、托板及各種構(gòu)件或噴層，給圍巖一定的支護(hù)強(qiáng)度，與圍巖共同組成支護(hù)體系，并且隨圍巖變形，支護(hù)力不斷增加。（3）減少巷道維修量錨桿支護(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。（4）簡(jiǎn)化工作面端頭支護(hù)和超前支護(hù)。為采煤工作面的快速推進(jìn)、產(chǎn)量與效益的提高創(chuàng)造良好條件。（5）提高掘進(jìn)速度（6）消除安全隱患棚架與頂板煤層之間出現(xiàn)空隙，易造成煤自燃；大斷面開(kāi)切眼中安裝、回撤棚架和工作面上下順槽回撤支架時(shí)，易發(fā)生大面積冒落或傷亡事故。（7）降低支護(hù)成本采用錨桿支護(hù)，可以大量地節(jié)約鋼材、木材等材料，降低支護(hù)成本。（8）減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度（9）減少輔助運(yùn)輸量

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1.3錨桿支護(hù)的優(yōu)越性4

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1.4我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢(shì)——迫切要求發(fā)展錨桿支護(hù)

隨著開(kāi)采深度、強(qiáng)度與范圍的增加，巷道布置及圍巖出現(xiàn)了以下變化趨勢(shì)：（1）巖巷向煤巷發(fā)展傳統(tǒng)的巷道布置方式將開(kāi)拓巷道和準(zhǔn)備巷道布置在巖石中，雖然有利于巷道維護(hù)，但帶來(lái)一系列問(wèn)題：巷道掘進(jìn)成本高，施工速度慢，增加了許多聯(lián)絡(luò)巷；掘進(jìn)出現(xiàn)大量矸石，給礦井輔助運(yùn)輸造成極大壓力。隨著巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與支護(hù)水平的提高，巖巷布置已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槊合锊贾?。特別是現(xiàn)代化礦井，巖巷占的比例已經(jīng)很少。大量使用煤巷雖然增加了巷道支護(hù)難度，但帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)：顯著降低了巷道掘進(jìn)費(fèi)用，大大提高了施工速度，縮短了礦井建設(shè)周期，巷道掘進(jìn)出煤，增加了經(jīng)濟(jì)效益，減少了矸石排出量。錨桿支護(hù)利用錨固劑、桿體、托板及各種構(gòu)件或噴層，給圍巖一定的支護(hù)強(qiáng)度，與圍巖共同組成支護(hù)體系，并且隨圍巖變形，支護(hù)力不斷增加。（2）巖石頂板煤巷向煤層頂板巷道和全煤巷道發(fā)展綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板是煤。隨著綜放開(kāi)采技術(shù)的大面積推廣，煤頂巷道所占的比重逐年增加。一般情況下，煤相對(duì)于巖石比較松軟、破碎，顯著增加了巷道支護(hù)難度。此外對(duì)于特厚煤層開(kāi)采和急傾斜煤層水平分層開(kāi)采等條件，不僅巷道頂板與兩幫為煤層，有時(shí)底板也是煤層，屬全煤巷道，支護(hù)難度進(jìn)一步加大。（3）巷道從拱形斷面向矩形斷面發(fā)展拱形斷面雖然能夠改善巷道受力狀態(tài)，有利于巷道支護(hù)，但拱形巷道施工工藝比較復(fù)雜，成巷速度低，有時(shí)還需要破壞頂板，出現(xiàn)矸石。對(duì)于回采巷道，拱形斷面給回采工作面端頭支護(hù)造成很大困難，阻礙工作面的正常推進(jìn)。而矩形巷道，除巷道受力狀況比拱形巷道差外，拱形巷道的缺陷基本都被克服。另外，在層狀破碎頂板條件下，巷道兩拱部的巖石不僅不能起到承載作用，還會(huì)成為支護(hù)的載荷。

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1.4我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖5

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1.4我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢(shì)——迫切要求發(fā)展錨桿支護(hù)（4）巷道從小斷面向大斷面發(fā)展隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開(kāi)采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運(yùn)輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來(lái)越大。煤層大巷的跨度已經(jīng)超過(guò)6m，斷面超過(guò)25m2；回采巷道寬度也達(dá)5~6m，斷面達(dá)15~20m2；開(kāi)切眼跨度達(dá)到10m，斷面超過(guò)40m2；井底換裝硐室的寬與高均已達(dá)到10m，斷面積為100m2。巷道斷面積的增大，顯著增加了支護(hù)難度。（5）由單巷布置向多巷發(fā)展回采工作面開(kāi)采強(qiáng)度和產(chǎn)量越來(lái)越大，要求的運(yùn)輸、通風(fēng)斷面逐年增加。特別是高瓦斯礦井，往往單巷布置不能滿足生產(chǎn)要求，出現(xiàn)了一個(gè)工作面布置3~5條，甚至更多巷道的多巷布置方式。多巷布置帶來(lái)了煤柱留設(shè)、巷道受到二次甚至多次采動(dòng)影響，增加了巷道維護(hù)的難度。（6）巷道埋深從淺部向深部發(fā)展我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以8~12m/a的速度增加。新汶、淄博、開(kāi)灤、徐州等礦區(qū)的開(kāi)采深度已超過(guò)1000m，出現(xiàn)了一批千米深井。煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，進(jìn)一步加速了礦井深度的增加。預(yù)計(jì)在未來(lái)20年我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入1000m~1500m的開(kāi)采深度。深部開(kāi)采將帶來(lái)一系列高地應(yīng)力巷道支護(hù)難題，如沖擊礦壓、圍巖大變形、強(qiáng)烈底鼓等淺部巷道沒(méi)有的支護(hù)問(wèn)題。

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1.4我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢(shì)——迫切要求發(fā)展錨桿支護(hù)（7）簡(jiǎn)單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展我國(guó)煤礦煤系地層中具有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井分布十分廣泛。北起黑龍江、內(nèi)蒙古，南到廣東、廣西，東起山東、浙江，西到新疆、青海等廣大遼闊的幅員內(nèi)有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井遍布全國(guó)各主要產(chǎn)煤省區(qū)，近半數(shù)的礦區(qū)存在地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井。隨著我國(guó)新生代第三紀(jì)煤田的開(kāi)采及老礦井采深的增加，復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦的數(shù)量和分布范圍將會(huì)繼續(xù)增加和擴(kuò)大。復(fù)雜地質(zhì)條件巷道圍巖穩(wěn)定性差、圍巖變形和破壞嚴(yán)重，巷道維護(hù)十分困難。有的復(fù)雜地質(zhì)條件礦井，每米巷道的支護(hù)費(fèi)用已高達(dá)1~2萬(wàn)元，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展100多年前，國(guó)外一些礦山就開(kāi)始應(yīng)用錨桿支護(hù)。英國(guó)在1872年就采用過(guò)金屬錨桿，美國(guó)1900年使用過(guò)木錨桿。地下工程中大量采用錨桿支護(hù)是在20世紀(jì)40年代末期。此后，錨桿支護(hù)在煤礦、非煤礦山、隧道及其他巖土工程中得到迅速發(fā)展，成為一種極具發(fā)展前景的支護(hù)方式。從錨桿支護(hù)形式的發(fā)展過(guò)程分，可分為以下幾個(gè)階段：（1）1950年~1960年，錨桿型式主要是機(jī)械端部錨固錨桿，分楔縫式、倒楔式、漲殼式等。這類錨桿錨固力低，在不同巖層中的錨固力變化大，支護(hù)剛度小，可靠性差，不宜在松軟破碎的巖層中使用。由于這些弊端，導(dǎo)致了英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家在使用錨桿支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)反復(fù)。如英國(guó)煤礦在1957年使用了約50萬(wàn)根錨桿，法國(guó)煤礦用量也較大，但到20世紀(jì)60年代初，錨桿用量大幅度降低。

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展8

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展（2）1960年~1970年，樹(shù)脂錨桿研制成功，并得到推廣應(yīng)用。1958年德國(guó)開(kāi)始研制樹(shù)脂錨桿，經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，埃森采礦研究中心制作了第一批藥卷式樹(shù)脂錨固劑，于1959年在煤礦井下進(jìn)行試驗(yàn)，1961年取得成功。之后樹(shù)脂錨桿在世界主要采煤國(guó)家逐步得到應(yīng)用和發(fā)展。初期樹(shù)脂錨桿為端部樹(shù)脂錨固，錨桿孔徑較大（38~45mm），以后發(fā)展到小孔徑（22~30mm）全長(zhǎng)錨固樹(shù)脂錨桿。這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，極大地促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。（3）1970~1980年，管縫式錨桿、脹管式錨桿等全長(zhǎng)錨固錨桿研制成功，并在井下得到應(yīng)用。但是管縫式錨桿、脹管式錨桿在井下容易銹蝕，錨固力受鋼材質(zhì)量、圍巖性質(zhì)、鉆孔直徑等因素影響較大，施工工藝比較復(fù)雜，錨固質(zhì)量難以保證，只能在適宜的條件下使用。（4）1980~1990年，錨桿支護(hù)形式更加多樣化，出現(xiàn)了混合錨固錨桿、鋼帶式組合錨桿、桁架錨桿、可拉伸錨桿、錨注錨桿等特種錨桿，錨索加固技術(shù)也得到了應(yīng)用，樹(shù)脂錨桿材料得到了進(jìn)一步改進(jìn)與提高。

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展9

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展（5）20世紀(jì)90年代以來(lái)，高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固錨桿以其優(yōu)越的錨固效果和簡(jiǎn)便的施工工藝，逐步取代了其他類型的錨桿，成為錨桿支護(hù)的主導(dǎo)型式。錨索加固技術(shù)也得到了大面積的推廣應(yīng)用。1.6國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn)（1）十分重視巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試，對(duì)支護(hù)對(duì)象有比較清楚地了解。如美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)前，要進(jìn)行全面、詳細(xì)的地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征的測(cè)量，分析巷道應(yīng)力場(chǎng)分布特征，巷道圍巖變形破壞的主要影響因素。這是錨桿支護(hù)成功的必要前提。（2）根據(jù)煤礦巷道特點(diǎn)，采用比較合理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法。如澳大利亞、英國(guó)等采用“地質(zhì)力學(xué)評(píng)估—初始支護(hù)設(shè)計(jì)—井下施工與監(jiān)測(cè)—信息反饋與修改設(shè)計(jì)—日常監(jiān)測(cè)”的設(shè)計(jì)方法。這種方法符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性與多變性的特點(diǎn)，因此得到國(guó)際上的普遍認(rèn)可和采用。（3）根據(jù)本國(guó)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，采用適宜的錨桿形式。如澳大利亞、英國(guó)主要采用樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固螺紋鋼錨桿。美國(guó)使用的錨桿種類比較多，包括樹(shù)脂錨固錨桿、漲殼式錨桿及混合錨固錨桿。德國(guó)除使用樹(shù)脂錨固錨桿外，還研制了可拉伸錨桿，使錨桿既具有足夠的支護(hù)阻力，又有一定的延伸性，適應(yīng)圍巖變形強(qiáng)烈的條件。

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn)（4）錨桿向高強(qiáng)度、高可靠性方向發(fā)展。一方面，研制具有一定延伸率的高強(qiáng)度錨桿材料，如澳大利亞錨桿桿體材料的屈服強(qiáng)度在400~600MPa，有的甚至大于600MPa；英國(guó)錨桿材料的屈服強(qiáng)度為640~720MPa；美國(guó)錨桿材料的屈服強(qiáng)度為414~689MPa；另一方面加大錨桿直徑，國(guó)外多數(shù)使用φ20~22mm的錨桿，有的達(dá)到φ24mm。錨桿桿體的拉斷載荷一般在200kN以上，有的甚至超過(guò)300kN。英國(guó)還研制出拉斷載荷500kN的大錨桿。在提高錨桿強(qiáng)度的條件下，降低支護(hù)密度，有利于快速掘進(jìn)。（5）先進(jìn)的錨桿施工機(jī)具不僅保證了支護(hù)質(zhì)量，而且提高了成巷速度，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。澳大利亞、美國(guó)大量采用掘錨聯(lián)合機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)與錨桿支護(hù)一體化，大幅度提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。同時(shí)，單體錨桿鉆機(jī)、鉆頭鉆桿及快速安裝系統(tǒng)也有較快發(fā)展，基本滿足了錨桿支護(hù)施工的要求。

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的11

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1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn)（6）錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)儀器與技術(shù)保證了巷道安全。開(kāi)發(fā)出頂板離層指示儀、聲波多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)力錨桿等監(jiān)測(cè)錨桿支護(hù)巷道圍巖變形、離層、支護(hù)體受力的儀器，及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)狀況，確保巷道的安全。（7）采用科學(xué)、嚴(yán)格的管理，制訂了錨桿支護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)、錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展。

1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展

1.5國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的121.7我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展（1）1956年在煤礦巖巷中使用錨桿支護(hù)。（2）1960’S錨桿支護(hù)進(jìn)入采區(qū)，但由于煤層巷道圍巖松軟，受采動(dòng)影響后圍巖變形量大，對(duì)支護(hù)要求很高，加之錨桿支護(hù)理論、設(shè)計(jì)方法、錨桿材料、施工機(jī)具、監(jiān)測(cè)手段等還不夠完善，因而事故頻發(fā)，發(fā)展緩慢。（3）“八五”期間，原煤炭工業(yè)部把煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行攻關(guān)，取得了一大批水平較高的科研成果，并應(yīng)用于新汶、鐵法、兗州、峰峰、淮南等多個(gè)礦區(qū)?；旧辖鉀Q了一般條件下的巷道支護(hù)問(wèn)題。但對(duì)于困難條件，如復(fù)合頂板、破碎頂板、煤層頂板巷道，以及沿空掘巷、沿空留巷等，錨桿支護(hù)的可行性和適用性還沒(méi)有得到深入細(xì)致的研究。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.7我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展131.7我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展（4）“九五”期間，原煤炭工業(yè)部將“錨桿支護(hù)”列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的五個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目之一，展開(kāi)了更深入、細(xì)致的試驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)教學(xué)、科研和生產(chǎn)單位的聯(lián)合攻關(guān)，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)有了很大提高，取得了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)，主要有：?jiǎn)误w錨桿支護(hù)，錨梁網(wǎng)組合支護(hù)，桁架錨桿支護(hù)，軟巖巷道錨桿支護(hù)，深井巷道錨桿支護(hù)，沿空巷道錨桿支護(hù)，可伸長(zhǎng)錨桿，電動(dòng)、風(fēng)動(dòng)和液壓錨桿鉆機(jī)，錨桿支護(hù)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)儀器等。特別是1996~1997年，我國(guó)引進(jìn)了澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)，在邢臺(tái)礦務(wù)局進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示，并完成了與錨桿支護(hù)技術(shù)相關(guān)的15個(gè)項(xiàng)目，使我國(guó)的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)有了較大的提高。同時(shí)，困難條件下的錨桿-錨索支護(hù)技術(shù)得到了應(yīng)用，并取得了令人滿意的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.7我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展141.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了低強(qiáng)度錨桿—高強(qiáng)度錨桿—高預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)力錨桿支護(hù)的發(fā)展階段。錨桿支護(hù)應(yīng)用初期，由于支護(hù)強(qiáng)度與剛度低，缺乏科學(xué)的支護(hù)理論和設(shè)計(jì)方法，支護(hù)材料、施工機(jī)具技術(shù)性能和配套性差，監(jiān)測(cè)儀器不完善，因而支護(hù)質(zhì)量不能保證，出現(xiàn)了多起冒頂死亡事故。隨著綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)的廣泛應(yīng)用和礦井向深部延伸，出現(xiàn)了一系列復(fù)雜困難條件，包括全煤巷道、沿空掘巷、極破碎圍巖巷道等，而且隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增大，要求的巷道斷面越來(lái)越大。為了解決這些巷道支護(hù)難題，在引進(jìn)、消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)集中攻關(guān)，提出了針對(duì)我國(guó)煤礦條件的高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，開(kāi)發(fā)了強(qiáng)力錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)，提高了巷道支護(hù)效果與安全性，并有利于巷道快速掘進(jìn)，使煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。概括起來(lái)，有以下主要成果。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展151.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果（1）深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)測(cè)和計(jì)算，有了新的認(rèn)識(shí)：①錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂隙產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態(tài)，以致圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。②在錨固區(qū)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。③錨桿支護(hù)的剛度十分重要，其中錨桿預(yù)應(yīng)力起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)然，較高的預(yù)應(yīng)力要求錨桿具有較高的強(qiáng)度。④錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果同樣重要。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍很有限，必須通過(guò)托板、鋼帶（鋼筋梯子梁）和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展161.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果（1）深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)⑤在復(fù)雜困難巷道中，采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)要求支護(hù)系統(tǒng)有一定的延伸量。高預(yù)應(yīng)力要求錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%~50%；強(qiáng)力錨桿要求桿體有較大的破斷強(qiáng)度。⑥錨索的作用主要有兩個(gè)方面：一是將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是錨索施加較大預(yù)緊力，擠壓和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度。⑦錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展171.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果（2）動(dòng)態(tài)性、系統(tǒng)性、信息性的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法得到普遍認(rèn)可與應(yīng)用認(rèn)為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、系統(tǒng)的過(guò)程，設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用每個(gè)過(guò)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。有限差分（FLAC）、有限元（ANSYS、ADINA等）、離散元（UDEC）等數(shù)值計(jì)算軟件已廣泛應(yīng)用于錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性與可靠性。（3）開(kāi)發(fā)出了高強(qiáng)度、高剛度樹(shù)脂錨固錨桿支護(hù)材料，實(shí)現(xiàn)了煤礦巷道支護(hù)材料的跨越式發(fā)展。包括左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級(jí)別；樹(shù)脂錨固劑及生產(chǎn)設(shè)備；高強(qiáng)度W型、M型鋼帶；小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索系列等。（4）單體風(fēng)動(dòng)和液壓錨桿鉆機(jī)、手持式錨桿鉆機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平，并形成了系列產(chǎn)品，基本滿足了錨桿支護(hù)的要求，結(jié)束了錨桿鉆機(jī)主要靠進(jìn)口的歷史。（5）研制出了適合工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件如北京開(kāi)采所、太原理工大學(xué)、安徽理工大學(xué)等單位科研人員，均研制出了適合現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、咨詢系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)等，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性與速度，大大減輕了工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展181.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果（6）立足我國(guó)煤礦現(xiàn)有的掘進(jìn)裝備，形成了一套綜掘機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)的煤巷快速掘進(jìn)施工工藝，使煤巷錨桿支護(hù)單進(jìn)水平有了較大提高。（7）研制出了錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測(cè)與礦壓監(jiān)測(cè)成套儀器。頂板離層指示儀、測(cè)力錨桿、錨桿（索）測(cè)力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器得到推廣應(yīng)用，在判斷支護(hù)設(shè)計(jì)合理性、圍巖穩(wěn)定性與巷道安全性方面起到了重要作用。（8）將錨固與注漿加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，開(kāi)發(fā)出多種形式的注漿錨桿、注漿錨索及鉆錨注一體化錨桿，兼有錨固與注漿加固功能，為破碎煤巖體等復(fù)雜困難條件提供了有效的加固手段。（9）開(kāi)發(fā)出了巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速原位測(cè)試系統(tǒng)，包括地應(yīng)力（水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試）、圍巖強(qiáng)度（根據(jù)頂針壓破鉆孔孔壁的臨界壓力計(jì)算）及圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)定裝置（電子鉆孔窺視儀），實(shí)現(xiàn)了井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的快速、經(jīng)濟(jì)、大面積測(cè)量。（10）有些礦區(qū)針對(duì)具體條件，制定了本礦區(qū)的錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展。1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展1.8我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果1錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展192錨桿支護(hù)理論述評(píng)為了弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，人們一直把錨桿支護(hù)作用機(jī)理作為一個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行了廣泛、深入的研究。到目前為止，已提出了多達(dá)十幾種錨桿支護(hù)理論，如懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論等。這些支護(hù)理論在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極作用。但是，各種理論都有其適用條件，都不同程度地存在著局限性、片面性、不合理性和不可操作性。近年來(lái)，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)錨桿支護(hù)理論的研究也有了較大進(jìn)展。逐步認(rèn)識(shí)到預(yù)緊力在錨桿支護(hù)中的決定性作用，錨桿對(duì)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化作用，錨桿對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、節(jié)理裂隙張開(kāi)等擴(kuò)容變形的約束作用，以及保持圍巖完整性的重要作用。這些認(rèn)識(shí)對(duì)提高錨桿支護(hù)效果，特別是困難條件下巷道支護(hù)提供了有效的理論指導(dǎo)。

2錨桿支護(hù)理論述評(píng)為了弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，為202錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.1懸吊理論錨桿支護(hù)的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層上。是最早的錨桿支護(hù)理論，具有直觀、易懂及使用方便等特點(diǎn)。在頂板上部有穩(wěn)定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下(圖a)，這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。在比較軟弱的圍巖中，巷道開(kāi)掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動(dòng)破碎區(qū)，在其上部形成自然平衡拱，錨桿支護(hù)的作用是將下部松動(dòng)破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上(圖b)。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.1懸吊理論212錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.1懸吊理論懸吊理論存在的明顯缺陷(1)錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下才等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道中并不多見(jiàn)。(2)錨桿安設(shè)后，由于巖層變形和離層，會(huì)使錨桿受力很大，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量。(3)當(dāng)錨桿穿過(guò)破碎巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)不同程度地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定的承載能力。而懸吊理論沒(méi)有考慮圍巖的自承能力。(4)當(dāng)圍巖松軟，巷道寬度較大時(shí)，錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。懸吊理論無(wú)法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的原因。總之，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，沒(méi)有涉及對(duì)巖體抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。因此，理論計(jì)算的錨桿載荷與實(shí)際出入比較大。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.1懸吊理論222錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.2組合梁理論組合梁理論適用于層狀巖層。對(duì)于端部錨固錨桿，其提供的軸向力將對(duì)巖層離層產(chǎn)生約束，并且增大了各巖層間的摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，錨桿和錨固劑共同作用，明顯改善了錨桿受力狀況，增加了控制頂板離層和水平錯(cuò)動(dòng)的能力，支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。從巖層受力考慮，錨桿將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，如圖所示。組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為：組合梁的最大彎曲應(yīng)變?yōu)榻M合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。組合梁理論充分考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.2組合梁理論232錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.2組合梁理論組合梁理論存在的明顯缺陷：(1)組合梁有效組合厚度很難確定。它涉及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒(méi)有一種方法比較可靠地估計(jì)有效組合厚度。(2)沒(méi)有考慮水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實(shí)，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂?shù)装迤茐?、失穩(wěn)的主要原因。(3)只適用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用，沒(méi)有涉及錨桿對(duì)巖體強(qiáng)度、變形模量及應(yīng)力分布的影響。3加固拱（巖梁）理論試驗(yàn)表明，在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)。只要錨桿間距足夠小，各根錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互重疊，就能在巖體中產(chǎn)生一個(gè)均勻壓縮帶（巖梁），它可以承受破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。加固拱（巖梁）內(nèi)的巖體受徑向和切向約束，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，巖體承載能力得到提高。錨桿支護(hù)的作用是形成較大厚度和較大強(qiáng)度的加固拱（巖梁），拱（巖梁）的厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.2組合梁理論242錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.3加固拱（巖梁）理論加固拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在軟巖巷道中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷：(1)只是將各錨桿的支護(hù)作用簡(jiǎn)單相加，得出支護(hù)系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)錨固巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究。(2)加固拱厚度涉及很多因素，很難較準(zhǔn)確的估計(jì)。2.4最大水平應(yīng)力理論地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，在很多情況下巖層中的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性（構(gòu)造應(yīng)力）；最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力，這種趨勢(shì)在淺部礦井尤為明顯。水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性有較大的影響，因此，水平應(yīng)力的作用逐步得到人們的認(rèn)識(shí)和重視。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.3加固拱（巖梁）理論252錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.4最大水平應(yīng)力理論澳大利亞學(xué)者W．J．Gale通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬分析，得出水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與穩(wěn)定性的作用(見(jiàn)圖)。他認(rèn)為，巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：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；當(dāng)兩者呈一定夾角時(shí)，巷道一側(cè)會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會(huì)偏向巷道的一幫。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.4最大水平應(yīng)力理論262錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.4最大水平應(yīng)力理論在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形。錨桿的作用是抑制巖層沿錨桿軸向的膨脹和垂直于軸向的剪切錯(cuò)動(dòng)，因此，要求錨桿強(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)，才能起到上述兩方面的約束作用。這也正是澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、全長(zhǎng)錨固的原因。2.5圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論巷道開(kāi)挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類似圓形或橢圓形，稱之為圍巖松動(dòng)圈。圍巖一旦產(chǎn)生松動(dòng)圈，圍巖的最大變形載荷是松動(dòng)圈產(chǎn)生過(guò)程中的碎脹變形，圍巖破裂過(guò)程中的巖石碎脹變形是支護(hù)的對(duì)象?，F(xiàn)有支護(hù)無(wú)法有效阻止圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生與發(fā)展。圍巖松動(dòng)圈的厚度是圍巖強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的函數(shù)，它是一個(gè)綜合指標(biāo)。圍巖松動(dòng)圈越大，碎脹變形越大，圍巖變形量越大，巷道支護(hù)也越困難。根據(jù)松動(dòng)圈的大小，將圍巖分為3種類型，并給出了相應(yīng)的支護(hù)方式：①小松動(dòng)圈(厚度小于400mm)，錨桿支護(hù)作用不明顯，只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。②中松動(dòng)圈(厚度在400～1500mm之間)，支護(hù)比較容易，采用懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)，懸吊點(diǎn)在松動(dòng)圈之外。③大松動(dòng)圈(厚度大于1500mm)，錨桿的作用是給松動(dòng)圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力，使其恢復(fù)到接近原巖的強(qiáng)度并具有可縮性，采用加固拱理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)?？梢?jiàn)，松動(dòng)圈支護(hù)理論確定了使用各種經(jīng)典錨桿支護(hù)理論的適用條件和范圍。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.4最大水平應(yīng)力理論272錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.6圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論侯朝炯等在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。該理論的要點(diǎn)為：①錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；②錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)，包括錨固體破壞前與破壞后的力學(xué)參數(shù)(彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等)，改善被錨巖體的力學(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)域巖體的峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化；④錨桿支護(hù)可改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護(hù)狀況；⑤圍巖錨固體強(qiáng)度提高后，可減小巷道周圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.6圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論282錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.6圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論為描述錨桿對(duì)巖體的強(qiáng)化作用，引入強(qiáng)化系數(shù)，即錨固體的強(qiáng)度與未錨固巖體強(qiáng)度的比值。錨固體極限強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)KJ為錨固體殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)KC為

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著錨桿密度增加錨固體的強(qiáng)化系數(shù)增加。在錨桿強(qiáng)度一定時(shí)，錨桿對(duì)殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用大于對(duì)極限強(qiáng)度的強(qiáng)化，這對(duì)控制破碎區(qū)圍巖的變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。2錨桿支護(hù)理論述評(píng)2.6圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論293錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用錨桿支護(hù)由錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成，錨桿支護(hù)的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。3.1錨桿桿體的作用對(duì)于錨桿桿體本身來(lái)說(shuō)，由于桿體長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的尺寸，所以力學(xué)上屬于桿件。這種構(gòu)件主要可以提供兩方面的作用(見(jiàn)圖)，首先是抗拉，其次是抗剪。至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是非常小的，可以忽略不計(jì)。3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用錨桿支護(hù)由錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑303錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.1錨桿桿體的作用（1）抗拉作用錨桿桿體所能承受的拉斷載荷為3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.1錨桿桿體的作用313錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.1錨桿桿體的作用（2）抗剪作用錨桿桿體所能承受的拉剪切載荷為3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.1錨桿桿體的作用323錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.2托板的作用托板是錨桿的重要構(gòu)件，對(duì)錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮影響很大。托板的作用可分為兩個(gè)方面：一是通過(guò)給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預(yù)緊力，并使預(yù)緊力擴(kuò)散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和節(jié)理裂隙的張開(kāi)，實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)作用；其二是圍巖變形使載荷作用于托板上，通過(guò)托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。托板力學(xué)性能應(yīng)與錨桿桿體的性能相匹配，才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。托板強(qiáng)度不足、安裝質(zhì)量差、受較大偏載都會(huì)顯著降低錨桿的作用。對(duì)于端部錨固錨桿，托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件，通過(guò)托板給錨桿施加預(yù)緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體.如果托板本身失效，以及托板下方的圍巖松散脫落，導(dǎo)致托板與表面不緊貼，都會(huì)使錨桿失去支護(hù)作用。對(duì)于加長(zhǎng)錨固錨桿，托板的作用同樣重要，通過(guò)托板壓緊巷道表面給錨桿施加預(yù)緊力，預(yù)緊力對(duì)錨桿工作阻力和受力分布又產(chǎn)生影響，提高支護(hù)效果。

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.2托板的作用333錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.2托板的作用托板對(duì)全長(zhǎng)錨固錨桿的受力分布有明顯的影響。圖示是有、無(wú)托板時(shí)錨桿軸力與剪力分布示意圖。無(wú)托板時(shí)錨桿軸力在巷道表面處為零，在一定深度達(dá)到最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時(shí)，由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過(guò)托板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道表面處達(dá)到一定值，而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動(dòng)，更接近巷道表面。

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.2托板的作用343錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.3錨固劑的作用

錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護(hù)作用。同時(shí)錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿共同加固圍巖。（1）錨固劑的黏結(jié)作用在工程設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算錨桿拉拔力的簡(jiǎn)化方法是假定錨固劑與桿體、錨固劑與鉆孔孔壁之間的黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度內(nèi)均勻分布，則錨桿拉拔力可用下式計(jì)算：

這種簡(jiǎn)化的方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但不符合錨桿拉拔時(shí)黏結(jié)應(yīng)力分布的實(shí)際情況。國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究與試驗(yàn)，得出黏結(jié)應(yīng)力分布的公式與曲線。3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.3錨固劑的作用353錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.3錨固劑的作用（1）錨固劑的黏結(jié)作用

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.3錨固劑的作用363錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.3錨固劑的作用（1）錨固劑的黏結(jié)作用（2）錨固劑的抗拉與抗剪作用我國(guó)樹(shù)脂錨固劑的抗拉強(qiáng)度一般為11.5MPa。如果φ28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹(shù)脂錨固劑，則錨固劑可提供7.08kN的抗拉力。如果φ20mm的桿體安裝在φ28mm的鉆孔中，則錨固劑可提供3.47kN的抗拉力?？梢?jiàn)錨固劑提供的抗拉力遠(yuǎn)小于錨桿桿體。樹(shù)脂錨固劑的抗剪強(qiáng)度一般可取35MPa。如果φ28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹(shù)脂錨固劑，則錨固劑可提供21.54kN的抗剪力。如果φ20mm的桿體，安裝在φ28mm的鉆孔中，則錨固劑可提供10.55kN的抗剪力，分別是圓鋼(Q235)、高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB400)、超高強(qiáng)度螺紋鋼BHRB600)的剪斷載荷的12．4％、8．4％、5．9％?？梢?jiàn)錨固劑可提供一定的抗剪能力。

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.3錨固劑的作用373錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.4鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對(duì)提高錨桿支護(hù)整體支護(hù)效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。鋼帶的作用主要表現(xiàn)在以下3方面：(1)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散作用。單根錨桿作用于巷道表面可近似看成點(diǎn)載荷，鋼帶可擴(kuò)大錨桿作用范圍，實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散，使載荷趨于均勻。(2)支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。鋼帶對(duì)巷道表面提供支護(hù)，抑制淺部巖層離層、裂隙張開(kāi)，保持圍巖的完整性，減少巖層彎曲引起的拉伸破壞，改善巖層應(yīng)力狀態(tài)，防止錨桿間松動(dòng)巖塊掉落。(3)均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用。鋼帶將數(shù)根錨桿連接在一起，可均衡錨桿受力，共同形成組合支護(hù)系統(tǒng)，提高整體支護(hù)能力。

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.4鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用383錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.4鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用分析鋼帶受力的簡(jiǎn)化模型是將兩根錨桿之間的鋼帶段作為一簡(jiǎn)支梁(見(jiàn)圖)，采用材料力學(xué)的相關(guān)公式計(jì)算鋼帶受力與變形。假設(shè)鋼帶受到均布載荷q的作用，則

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.4鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用393錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.5網(wǎng)的作用

一般認(rèn)為，網(wǎng)可以用來(lái)維護(hù)錨桿間的圍巖，防止松動(dòng)小巖塊掉落。其實(shí)，網(wǎng)的作用遠(yuǎn)不止這一個(gè)，特別是在高地應(yīng)力、破碎圍巖條件下，網(wǎng)是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。網(wǎng)的作用主要表現(xiàn)在以下3方面：(1)維護(hù)錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。(2)緊貼巷道表面，提供一定的支護(hù)力(已有的研究成果表明，我國(guó)現(xiàn)用菱形金屬網(wǎng)，在保證施工質(zhì)量的條件下，可提供0．01MPa的支護(hù)力)，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。同時(shí)，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護(hù)系統(tǒng)。

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.5網(wǎng)的作用403錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.5網(wǎng)的作用(3)網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。如圖所示，有網(wǎng)的情況下，雖然巷道表面圍巖已破壞，但沒(méi)有松散、垮落，網(wǎng)作為傳力介質(zhì)，使巷道深部圍巖仍處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高巖體的殘余強(qiáng)度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時(shí)也保證了錨桿的錨固效果。如果沒(méi)有金屬網(wǎng)或金屬網(wǎng)失效，圍巖破壞會(huì)從表面發(fā)展到深部，逐漸破碎、松散，失去強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖垮落，錨桿失效。

3錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用3.5網(wǎng)的作用414錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.1錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的重要性支護(hù)設(shè)計(jì)是巷道錨桿支護(hù)中的一項(xiàng)重要工作，對(duì)充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)越性和保證巷道安全具有十分重要的意義。如果支護(hù)形式和參數(shù)選擇不合理，就會(huì)造成兩個(gè)極端：其一是支護(hù)強(qiáng)度太高，不僅浪費(fèi)支護(hù)材料，而且影響掘進(jìn)速度，增加支護(hù)成本；其二是支護(hù)強(qiáng)度不夠，不能有效控制圍巖變形，出現(xiàn)冒頂事故。4.2支護(hù)設(shè)計(jì)方法分類錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的主要方法可歸納為三大類：工程類比法、理論計(jì)算法和數(shù)值模擬法。（1）工程類比法包括：根據(jù)已有的巷道工程，通過(guò)類比直接提出新建工程的支護(hù)設(shè)計(jì)（直接類比法）；通過(guò)巷道圍巖穩(wěn)定性分類提出支護(hù)設(shè)計(jì)；采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式確定支護(hù)設(shè)計(jì)。（2）

理論計(jì)算法：基于某種錨桿支護(hù)理論，如懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論，計(jì)算得出錨桿支護(hù)參數(shù)。由于各種支護(hù)理論都存在著一定的局限性和適用條件，而且很難比較準(zhǔn)確、可靠地確定計(jì)算所需的一些參數(shù)。因此，依據(jù)理論計(jì)算所作的設(shè)計(jì)結(jié)果很多情況下只能作為參考。

4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.1錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的重要性424錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.2支護(hù)設(shè)計(jì)方法分類（3）數(shù)值計(jì)算法：英國(guó)、澳大利亞等建立了以地質(zhì)力學(xué)條件和以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的煤巷錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其核心是首先根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，以巖體力學(xué)評(píng)估為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬分析進(jìn)行錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和完善。這種設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)多個(gè)方案的比較分析，可以選擇得到更好方案。10余年來(lái)，我國(guó)在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法方面做了大量工作。在借鑒國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)煤礦巷道的特點(diǎn)，提出了動(dòng)態(tài)化、信息化的設(shè)計(jì)方法，符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性、多變性的特點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在多個(gè)礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性、合理性和科學(xué)性得到顯著提高。

4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.2支護(hù)設(shè)計(jì)方法分類434錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法1）根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì)—直接類比法。這種方法是將已開(kāi)掘的、成功應(yīng)用錨桿支護(hù)巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開(kāi)掘的巷道進(jìn)行比較，在各種條件基本相同的情況下，參照已掘巷道的支護(hù)形式與參數(shù)，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)提出待掘巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)。因此，已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是直接工程類比法應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。直接類比的主要內(nèi)容有：①圍巖物理力學(xué)性質(zhì)：包括巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈锢砹W(xué)參數(shù)、煤層賦存狀態(tài)。巷道頂?shù)装鍛?yīng)取一定范圍的巖層(如2倍巷道寬度)進(jìn)行比較。物理性質(zhì)包括巖性、礦物成分、密度、孔隙率、水理性質(zhì)等內(nèi)容。對(duì)于煤礦巷道中常見(jiàn)的泥巖、粉砂巖及頁(yè)巖等巖石，受風(fēng)化影響程度，遇水軟化與膨脹特性都應(yīng)給予足夠重視；力學(xué)性質(zhì)包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等諸多參數(shù)。其中，煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度是最常用的力學(xué)指標(biāo)。

4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法444錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法1）直接類比法②圍巖結(jié)構(gòu)特征：指煤巖體內(nèi)節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的空間分布及力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)面的幾何特征參數(shù)包括：結(jié)構(gòu)組數(shù)、密度；結(jié)構(gòu)面走向、傾角、延展長(zhǎng)度與張開(kāi)度；結(jié)構(gòu)面充填物、粗糙度及起伏度等。結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)包括：法向剛度、切向剛度；黏聚力與內(nèi)摩擦角等。結(jié)構(gòu)面對(duì)裂隙巖體的強(qiáng)度、變形和破壞特征的影響非常明顯，甚至是最關(guān)鍵的因素。因此，進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)特征比較時(shí)，應(yīng)盡量全面、詳細(xì)。當(dāng)然，完全了解結(jié)構(gòu)面的各種參數(shù)是十分困難的，但不能忽略主要參數(shù)。③地質(zhì)構(gòu)造影響：地質(zhì)構(gòu)造包括斷層、褶曲、陷落柱等，大型地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤巖體的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)煤巖體的完整性和穩(wěn)定性都有明顯的影響，對(duì)巷道支護(hù)形式與參數(shù)的選取起關(guān)鍵性作用。在進(jìn)行工程類比時(shí)，必須弄清巷道附近有無(wú)較大的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)，以及構(gòu)造對(duì)巷道的影響程度。

4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法454錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法1）根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì)—直接類比法④地應(yīng)力。地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)一樣是影響巷道變形與破壞的關(guān)鍵因素。地應(yīng)力一般分為垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，垂直應(yīng)力與巷道埋藏深度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，而水平應(yīng)力則影響因素復(fù)雜，可靠的方法是通過(guò)井下實(shí)測(cè)得到地應(yīng)力的大小與方向。地應(yīng)力參數(shù)包括垂直主應(yīng)力的大小與方向、最大水平主應(yīng)力的大小與方向、最小水平主應(yīng)力的大小與方向，以及最大水平主應(yīng)力與巷道軸線的夾角。⑤巷道特征與使用條件。巷道特征包括巷道斷面形狀(拱形、矩形、梯形、倒梯形等)，巷道斷面尺寸(寬度、高度等)，巷道軸線方向、傾角；巷道使用條件包括巷道類型(大巷、采區(qū)集中巷、工作面回風(fēng)和運(yùn)輸巷、開(kāi)切眼等)和巷道服務(wù)年限。⑥采動(dòng)影響情況。采動(dòng)影響狀況包括：采動(dòng)空間關(guān)系，與鄰近巷道的位置關(guān)系，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；采動(dòng)時(shí)間關(guān)系，巷道在采動(dòng)影響前掘進(jìn)、采動(dòng)影響過(guò)程中掘進(jìn)，還是采動(dòng)影響穩(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。采動(dòng)對(duì)采準(zhǔn)巷道圍巖變形與破壞影響很大，類比時(shí)應(yīng)作為一個(gè)重要因素考慮。

4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法464錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法1）根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì)—直接類比法⑦巷道施工技術(shù)。對(duì)于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設(shè)備等對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有明顯影響，例如掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)優(yōu)于爆破掘進(jìn)，光面爆破優(yōu)于普通爆破。此外，不同的開(kāi)挖順序也可能影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。2）經(jīng)驗(yàn)公式法經(jīng)驗(yàn)公式是在大量支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單公式。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)比較經(jīng)典的公式。錨桿長(zhǎng)度選取

①Hoek與Brown等提出確定錨桿長(zhǎng)度的一般經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則：最小錨桿長(zhǎng)度=max[錨桿間距的兩倍，三倍不連續(xù)面平均間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度，巷道跨度之半]?！あ贚ang與Bischoff認(rèn)為，錨桿長(zhǎng)度與錨桿間排距之比應(yīng)為1.2—1.5，錨桿長(zhǎng)度可作為巷道寬度的函數(shù)確定，如：L=B213，其中L為錨桿長(zhǎng)度，B為巷道寬度。③Schach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4.3工程類比設(shè)計(jì)方法474錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(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0.6倍。如果再加長(zhǎng)錨桿，支護(hù)效果將不會(huì)明顯變化。⑤新奧法對(duì)錨桿長(zhǎng)度的選擇也提出一些準(zhǔn)則?；阱^桿支護(hù)的作用是在圍巖中形成自承拱的原理，錨桿長(zhǎng)度主要與巷道圍巖條件及跨度有關(guān)：對(duì)于比較完整的硬巖，錨桿長(zhǎng)度取1．0~1．2m；對(duì)于完整性較差的中硬巖石，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1／4~1／3，一般為2~3m；對(duì)于松軟破碎的巖體，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1／2~2／3，一般為4~6m。⑥其他經(jīng)驗(yàn)公式

公式1：頂板錨桿長(zhǎng)度L=2+0.15B/K兩幫錨桿長(zhǎng)度L=2+0.15H/K式中K—與圍巖有關(guān)的系數(shù)，取3~5。公式2：錨桿長(zhǎng)度L=k(1.5+B/10)式中k—與圍巖有關(guān)的系數(shù)，取k=0.9~1.2，圍巖穩(wěn)定性差時(shí)取大值。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法484錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法2）經(jīng)驗(yàn)公式法錨桿間排距選?、貶oek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]。②Lang與Bischoff認(rèn)為，錨桿間排距與錨桿長(zhǎng)度之比為2／3—5／6比較合理。③Schach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新奧法對(duì)錨桿間距的選擇提出一些準(zhǔn)則：硬巖，錨桿間距取1．5~2.0m；中硬巖石，錨桿間距取1．5m；松軟破碎的巖體，錨桿間距取0.8~1.0m。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。因此，經(jīng)驗(yàn)公式提供的支護(hù)參數(shù)只能作為參考，不能不顧巷道的具體條件而照搬套用。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法494錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)①圍巖穩(wěn)定性分類方法直接工程類比法與支護(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。然而，要求每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是不切實(shí)際的。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)行工程類比，作出比較合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行圍巖分類是非常必要的。在圍巖分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類別的圍巖提出支護(hù)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)的建議，這種方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。國(guó)外比較典型的巖石分類法有普氏堅(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，有些分類方法提出了相應(yīng)的錨桿支護(hù)建議。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法504錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)①圍巖分類方法我國(guó)學(xué)者在巖體分類方面也做了大量工作。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(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)作為分類的基礎(chǔ)，提出以圍巖變形量大小為指標(biāo)的分類方法；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)的分類方法；采用模糊聚類分析方法，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)定性分類方案》。其中以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類和圍巖松動(dòng)圈分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)建議在煤礦廣泛應(yīng)用。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法514錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(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。煤巷圍巖的穩(wěn)定性分為5個(gè)類別：I類非常穩(wěn)定、Ⅱ類穩(wěn)定、Ⅲ類中等穩(wěn)定、Ⅳ類不穩(wěn)定、V類極不穩(wěn)定。在圍巖穩(wěn)定性分類的基礎(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4.3工程類比設(shè)計(jì)方法524錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法巷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)不支護(hù)其它巖層：?jiǎn)误w錨桿端錨:桿體直徑：>16mm桿體長(zhǎng)度：1.6~1.8m間排距：0.8~1.2m設(shè)計(jì)錨固力：>64~80kNⅡ穩(wěn)定頂板較完整：?jiǎn)误w錨桿頂板較破碎：錨桿+網(wǎng)端錨:桿體直徑：16~18mm桿體長(zhǎng)度：1.6~2.0m間排距：0.8~1.0m設(shè)計(jì)錨固力：64~80kNⅢ中等穩(wěn)定頂板較完整：錨桿+鋼筋梁，或桁架頂板較破碎：錨桿+W鋼帶（或鋼筋梁）+網(wǎng)，或增加錨索桁架+網(wǎng)，或增加錨索端錨:桿體直徑：16~18mm桿體長(zhǎng)度：1.6~2.2m間排距：0.6~1.0m設(shè)計(jì)錨固力：64~80kN全長(zhǎng)錨固:桿體直徑：18~22mm桿體長(zhǎng)度：1.8~2.4m間排距：0.6~1.0m4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法巷道頂板錨桿基534錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)選擇Ⅳ不穩(wěn)定錨桿+W鋼帶+網(wǎng)，或增加錨索桁架+網(wǎng)，或增加錨索全長(zhǎng)錨固:桿體直徑：18~22mm桿體長(zhǎng)度：1.8~2.4m間排距：0.6~1.0mⅤ極不穩(wěn)定頂板較完整：錨桿+金屬可縮支架，或增加錨索頂板較破碎：錨桿+網(wǎng)+金屬可縮支架，或增錨索底鼓嚴(yán)重：錨桿+環(huán)形可縮支架全長(zhǎng)錨固:桿體直徑：18~24mm桿體長(zhǎng)度：2.0~2.6m間排距：0.6~1.0m4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法巷道頂板錨桿基544錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議巷道圍巖穩(wěn)定性分類的7個(gè)指標(biāo)①頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度取巷道寬度2倍范圍內(nèi)頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。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。③巷幫煤層單軸抗壓強(qiáng)度為巷道高度煤和夾矸的加權(quán)平均值。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)的圍巖類別。⑤護(hù)巷煤柱的寬度指一側(cè)煤柱的實(shí)際寬度，應(yīng)討論不同煤柱尺寸時(shí)的圍巖類別。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。⑦圍巖完整性指數(shù)指圍巖節(jié)理、裂隙、層理的影響程度，一般可利用直接頂初步垮落步距代替。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法554錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法564錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)③巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(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400～1500mm之間)及大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖(厚度大于1500mm)三大類，然后提出圍巖分類及相應(yīng)的支護(hù)機(jī)理與方法，見(jiàn)表。測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的方法有超聲波測(cè)井探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、滲流法、地震聲學(xué)法等，其中超聲波測(cè)井探測(cè)法比較常用。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法574錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)③巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.3工程類比設(shè)計(jì)方法584錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)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。懸吊理論只考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，根據(jù)錨桿懸吊的不穩(wěn)定巖層重量計(jì)算錨桿直徑和間排距。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0.3～0.4m。②錨桿錨固力與直徑：錨桿錨固力應(yīng)不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量：Q=KL2a1a2γ式中Q—錨桿錨固力，MN；K—安全系數(shù)，一般取1.5—2；a1，a2—錨桿間排距，m；γ—巖層平均重力密度，MN／m3。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法594錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)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；σ1—桿體材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。③錨桿間排距：當(dāng)錨桿間排距相等時(shí)，即a1=a2，間排距為4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法604錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法2）自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)法自然平衡拱理論認(rèn)為，巷道開(kāi)掘后，圍巖失去了層間聯(lián)系。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。自然平衡拱以上的巖體是穩(wěn)定的，錨桿的作用主要是防止破壞區(qū)圍巖垮落。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)。可見(jiàn)，自然平衡拱理論對(duì)錨桿支護(hù)作用的分析實(shí)質(zhì)上是懸吊作用，并提供了計(jì)算圍巖破壞范圍的方法。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法614錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)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。巷幫破壞深度C(m)由下式確定：式中Kcx——巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)，按巷道斷面形狀與寬高比確定；γ——巷道上方至地表間地層的平均重力密度，kN·m-3；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；φ——煤的內(nèi)摩擦角，°。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法624錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)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。頂板巖層的破壞深度b，按相對(duì)于巖層層理的法線計(jì)：式中a—巷道的半跨距，m；α—煤層傾角，°；Ky——待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；fn—錨固巖層的硬度系數(shù)。煤幫擠壓力：

當(dāng)C為正值時(shí)，作用在破壞煤幫上的水平擠壓力Q/kN·m-1為式中γy、γn煤和巖石的重力密度，kN·m-3。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0.5—0.7m。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法634錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法2）自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)方法4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法644錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4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(guò)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L1、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。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法654錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4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)方法考慮巖層蠕變的影響，在上式右端引入蠕變安全系數(shù)1.204?？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1、2、3時(shí)，η分別為1、0.75、0.7，巖層數(shù)大于3時(shí)，η=0.65。4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法664錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4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674錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4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684錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.4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4錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法694錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.5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(guò)程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過(guò)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4.5錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法704錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.5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(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。⑥黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。采用錨桿拉拔計(jì)確定樹(shù)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(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)。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714錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法4.5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(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)題、物體斷裂問(wèn)題以及大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)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4.5錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法724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(wèn)題，而所用機(jī)時(shí)與解線性問(wèn)題相差無(wú)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](méi)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(wú)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734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。除此之外，F(xiàn)LAC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(yǔ)言FISH。運(yùn)用FISH語(yǔ)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744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754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(wú)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(wú)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(guò)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764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)設(shè)計(jì)方法4）錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法774）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(guò)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)