锚杆支护参数设计.docx

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1、煤巷锚杆支护参数设计方法煤巷的突出特点就是承受采动支承压力，围岩破碎，变形量大。巷道锚杆支护设计，首先要对巷道所经受 采动影响过程及影响程度进行准确的评估，对巷道使用要求和设计目标要予以准确定位。比如，是按采动 影响时的支护难度设计支护，还是按照采动影响前的使用要求设计，不同的设计思想，结果大不相同。 目前，我国煤巷支护设计方法大致分为三类，即工程类比法、理论计算法及实例法。1）工程类比法工程类比法是当前应用较广的方法。它是根据已经支护的类似工程的经验，通过工程类比，直接提出支护 参数。它与设计者的实践经验有很大关系。然而，要求每一个设计人员都具有丰富的实践经验是不切实际 的。为了将特定岩体条

2、件下的设计与个别的工程相应条件下的实践经验联系起来进行工程类比，做出比较 合理的设计方案，正确的围岩分类是非常必要的。进行围岩分类后，就可根据不同类别的岩层，确定不同 的支护形式和参数。（1）巷道围岩分类方法围岩分类方法的研究工作历史悠久，早在18世纪，在采矿及各地下工程已开始用分类的方法研究围岩的稳定性。随着采矿和人们对岩石物理力学性质认识的不断深入，国内外围岩分类研究得到了迅速发展，据不 完全统计，有影响的围岩分类有五六十种之多。a. 普氏岩石分级法该法用岩石坚固性系数f （普氏系数）来对围岩分类，f值等于岩石的单向抗压强度除以10。坚固性系数是岩石间相对的坚固性在数量上的表现，它最重要的

3、性质在于不论是何种抗力，以及这种抗力是如何引起 的，而给予岩石相互之间进行比较的可能性。普氏岩石分级法来自实践，并且有抽象概括的程序可取，所 提出的岩石坚固性系数值简单明确，到目前仍有一定的使用价值。b. 煤矿锚喷支护围岩分类为了适应巷道锚杆支护的需要，原煤炭工业部颁布的煤炭井巷工程锚喷支护设计试行规范制定了煤矿锚杆支护围岩分类，见表 1。该分类综合考虑了岩石的单向抗压强度、岩体结构和结构面发育状况、岩体 完整性系数、围岩稳定时间等多种因素，是一种典型的多指标分类方法。c. 围岩松动圈分类围岩松动圈是一个定量的综合指标，它是建立在对巷道围岩实测的基础上，几乎不作任何假设，用现场实 测和模拟试验

4、，研究围岩状态，找出围岩松动圈这一综合指标，用来作为围岩分类的依据。这一分类方法 简单、直观性强、易于掌握，受到众多煤矿巷道设计与施工人员的欢迎。经过大量的现场松动圈测试及其与巷道支护难易程度相关关系的调研之后，依据围岩松动圈的大小将围岩分成小松动圈，中松动圈、大松动圈三大类六小类，如表2所示。g表1煤矿锚杆支护围岩分类围岩分类岩层锚述巷道开挖后围岩 的稳定状态 （35m跨度）岩种举例类别名称I稳定围岩L完整坚硬岩层Rb>60MPa, 不易风化；2层状岩胶结好，无软弱夹层围岩基本稳 定，长期不支护 无碎块掉落现象完整的玄武 岩、石英底砂岩、 奥陶纪石灰岩、 茅口灰岩、大冶 厚层灰岩II稳

5、定性 较疔岩层1.完整比较坚硬岩层 次b=4060MPa?层状岩层.胶结较好3坚硬块状岩层，裂隙面闭合， 无泥质充填物，Rb>60MPa围岩基本稳 定，较长时间不 支护会出现小块 掉落胶结好的砂 岩、砾岩、大冶 厚层灰岩III中等 稳定岩层1. 完整的中硬岩层 Rb=2010MPa2. 层状岩层以坚硬层为主，夹 有少数软岩层3. 比较坚硬的块状岩层 治=40 60MPa能维持一个月 以上稳定，会产 生局部岩块掉落砂岩、砂质页 岩、粉砂岩、灰 岩、硬质凝灰岩IV稳定性 较至岩层1较软的完整岩层,RbV20MPa2. 中硬的层状岩层；3. 中硬的块状岩层， Rb=2040MPa围岩的稳定时

6、间仅有几天页岩、泥岩、 胶结不好的砂 岩、硬煤V不稳定UJ f=*1. 易风化潮解剥落的松软岩层2. 各类破碎岩层围岩很容易产炭质页岩、花 斑泥岩、软质凝生冒顶片帮（表2巷道支护围岩松动圈分类表围岩类别分类名称围岩松动 圈 Zp cm支护机理及方式各注小松动圈I稳定围岩OTO喷混凝土支护围岩整体性好， 不易风化的口J不 支护。中松动圈II较稳定围岩40-100锚杆悬吊理论 喷层局部支护III一般围岩100150锚杆悬吊理论 喷层局部支护刚性支护有局部 破坏大松动圈IV一般稳定围岩 （软岩）150-200锚杆组合拱理论 喷层金属网局部支护刚性支护大面积 破坏，采用可缩 性支护。V不稳定围岩（较

7、软围岩）200-300锚杆组合拱理论 喷层金属网局部支护围岩变形有稳定 期VI极不稳定围岩 （极软围岩）>300待定围岩变形一般在 支护下无稳定 期。总结我国近十年多煤巷锚杆支护的实践，并吸取国外先进经验基础上，以工程类比法为主要依据提出的煤巷锚杆支护形式及主要支护参?表3巷道顶板锚杆支护形式与主要支护参数选择1巷道 类别巷道围岩状况基本支护形式主要支护参数i非常稳定整体砂岩、石灰岩类岩层匕不 支护其他岩层：单体锚杆端锚 杆体直径：16' 1 Smm 锚杆长度：L6L8m 排间距：0.8-1 2m设计锚固力：(54-S0kNii稳定顶板较完整：单体锚杆 顶板较破碎：锚杆-网端锚杆

8、体直径：1618mm钿杆 R度：1.6-2rOm+排间距；0一8LOm设计锚固力：64-S0kNin中等稳定顶板较完整：锚杆-钢筋梁或桁 架顶板较破碎：锚杆-钢带-网， 或增加锚索桁架十网，或增加锚素端锚 杆体直径；1618mm锚柞长度：L82.2ni排间距】0.(5-L0m设计锚固力：6480LN 全长锚固杵怵直径：18-22mm 锚杆长度：187 4m排间距：0.6-1.OmIV不稳定锚杆钢带-网，或增加锚素 桁架+网，或增加锚索全长锚固杆体直径：lS-22nun 锚杆长度：l.S-2.4m 排间距：0.6-1.OmV极不麒1.顶板较完整：锚杆十金属可 缩支架，或增加锚索2顶板较破碎：锚杆

9、-网-金属 可缩支架.或增加锚索，或加固 围岩3.底鼓严重：锚杆-环形可缩 支架全长锚固杆体宜径：18-2 2mm 锚样长度：22-2.6m 排间距：0.6-1.Qm2)理论计算法在岩石力学支护理论的发展历程中，人们试图做像地面结构那样能够较为准确地确定支护荷载，用理论计 算方法设计支护结构，这是岩石力学工作者长期追求和奋斗的目标。经过众多学者和科技工作者的长期研 究和实践，理论设计支护日渐完善，成为很多国内外专家巷道支护设计的主要手段。目前，常用的锚杆支护参数设计方法有以下几种：(1) 悬吊作用理论设计锚杆支护参数；(2) 承压拱理论设计锚杆支护参数；(3) 松动圈支护理论设计锚杆支护参数；

10、(4) 扩容理论设计锚杆支护参数。3)实测法根据现场实际观测资料，利用岩石力学原理与数理统计方法进行巷道支护的设计方法已被许多国家采用。我国一些矿区，利用超声仪实测巷道围岩松动圈的方法，进行软岩锚喷网支护参数的设计，取得了较好效果。澳大利亚、英国利用对围岩特性的综合测量结果，进行支护系统的设计。观察内容有地应力、顶板岩层位移及锚杆承载特性等参数，根据实测资料、巷道的地质环境及岩石力学原理，确定支护的参数。煤巷锚杆支护参数和设计方法的确定锚杆支护参数确定方法取决于锚杆支护理论，锚杆支护理论不同，锚杆支护参数的确定方法也不同。1悬吊作用理论设计锚杆支护参数1) 锚杆长度的确定L=L1+L2+L3式

11、中L锚杆长度，m；L1锚杆外露长度，m；L2锚杆有效长度，m；L3锚杆锚固长度，作(1) 锚杆外露长度L1的确定L1=垫板厚度+螺母厚度+ (0.020.03 ) m一般 L1=0.15m。(2) 锚杆有效长度L2的确定锚杆有效长度L2的确定方法有三种，一是采用声波法测出巷道围岩松动圈范围；二是采用岩层探测 分析仪进行测量；三是采用解释法中普式自然平衡拱理论确定L2。a. 岩层探测分析仪确定L2b. 普式自然平衡拱理论确定 L2巷道顶锚杆有效长度L2的确定:贷3时，L= 2/0时，1=祟+打诚45。+9J i J巷道帮锚杆有效长度L的确定：=1+/ ”一 1£ _ 1+2/ B+1Q

12、场专 * m式中f普氏系数；b 巷道跨度,mh 巷道掘进高度，m内摩擦角，（o）。（3）锚杆锚固长度L3的确定L3 = 0.30.4m2）锚杆间排距的确定对锚杆支护巷道，考虑施工工艺通常取间排距相等，锚杆间排距D按下式计算:DK 0.5L3）锚杆直径的确定锚杆直径d可按下式计算：d Z1104）锚杆锚固力计算锚杆锚固力可按下式计算:Q=KLzD-r式中O一锚杆锚固力t；K一苗杆安全系数，取J3；Li苗杆有效长度，in;视密度，tin'2组合梁理论设计锚杆支护参数用组合梁理论设计锚杆的支护参数适用于层状岩体，裂隙发育的平顶巷道。计算公式如下: a.锚杆的长度L -1.9351 i式中I苗

13、杆长度，m:h夕卜露长度，一般取0. Im;h锚杆的有效长度，m；h锚杆的锚固长度，一般取0.2-0.3m；L巷道净跨度,m;知一全系数；机掘取23,炮掘取45巷道受采动影响取56；P一层状岩石上部的均匀载荷，MPa;<p一与组合层数有关的系数；当组合岩层数为1、2、3时，分别对应1、0,75.0.7,当组合层数14时，伊取0.65;巧岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0公0£倍，MPa;J原岩水平应力，MP如*H =野为泊晦3疗方妥令b,锚杆间距所选锚杆长度，须验算组合梁各岩层面间不发生相对滑动，并保证最下面一 层岩层的稳定性，即锚杆间距满足下式要求：式中a锚杆间排距，m；a

14、W51.55”?叫下层岩层厚度，H1;E下层岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0.30.4倍，MPa；P下层岩石自重均匀载荷，MPa。组合梁理论只话合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小C组合梁充分考虑了锚杆对离层及滑 动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但是它存在以下明显缺点。a.绢合梁有效蛆合厚度很难确宁。它涉及到影响锚杆的众多因素，目前还 没有一种方法可以比较可靠地估计有效组合厚度。b,没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏、失稳的主要原切3组合拱理论设计锚杆支护参数组

15、合拱理论设计锚杆支护参数，一般用于巷道围岩破碎，巷道断面为拱顶的 巷道。该理论认为：在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预紧锚杆力的作用下，每 根锚杆都有一定的应力作用范围，只要取合理的锚杆间距，其应力作用范围会相 互重叠，从而形成一连续的挤压加固带一即厚度较大的组合拱，该加固带的厚度 是普通砌磴支护厚度的数倍。故能更为有效地抵抗围岩应力，减少围岩变形，其 支护效果将会好于普通的砌布支护。组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作 用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。按组合拱理论确定锚杆支护间排距，组合拱厚度：b = (lytga -a)/tga式中b0合拱厚度，m;ly锚杆的有效长度，m, 1y=/h；

16、a苗杆的间排距，m, a = (/v - b)tga ;a苗杆在松散体中的控制角，八45。®妹矿 妥令 网-为了在围岩中形成一定厚度的挤压加固拱，锚杆长度应大于锚杆间距的两 倍。锚杆参数取值时，可按以下经验公式计算。a.锚杆长度的确定十 bta + m 左g45 + tr .L. = =b + m-tga tg45式中L苗杆全长；Lx锚杆外露长度，一般取Li=0.15m,匕1 =垫板厚度+螺母厚度+(0.030.05) m；Li苗杆的有效长度，m；B组合拱厚度，由经验值：IV类围岩取0.9； V类围岩取1.1； VI类围岩 取1.4松动圈分类法)；d 苗杆在破裂岩体中的控制角实验得效

17、果最好为45° »度；M一锚杆间排距，m;妥们£3苗杆锚固段长度，一般X3=0.30.4m；b.锚杆间距D<Q,5Lc. 锚杆直径的确定d =-L110式中d苗杆直径，m;L锚杆长度,围岩稳定性影响系数规定表4所示,表4巷道稳定性影响因素系数围岩类别稳定性较好中等稳定稳定较差不稳定N|0.911.11.2若锚杆的控制角按45*计，贝b=L-a若锚杆的控制角按45°计，则b=L-a锚杆长度按L=1.61.8m，锚杆间排距按a=0.60.8。取值时，则挤压加固拱的厚度 b=0.91.2m ,且锚固体 具有较好的可缩性。存在缺陷：锚杆的锚固力是影响锚杆控

18、制角的关键因素，而在理论推导中并未涉及锚杆的锚固力。锚杆的 控制角度及加固体厚度的计算存在一些问题，因而其支护效果的可靠性受到质疑。此外当加固拱的厚度远 小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要取决于加固拱的稳定性，而在该理论中 没有考虑。4松动圈支护理论设计锚杆支护参数松动圈支护理论认为，松动圈的厚度包含了原岩应力的大小、岩体强度、节理性质及采动影响等影响围岩稳定性的重要因素，用松动圈厚度指标 LP综合评价围岩稳定性及支护难度，既包含了这些因素的影响， 又绕开了测试原岩应力、岩体强度的难题，把它作为确定锚杆支护参数的重要依据，是一种比较实用的方法。松动圈巷道支护理论，是根据

19、围岩松动圈状态分析阐述锚杆支护机理和设计锚杆支护参数，其设计程序和原则为：a. 测定或预测新开巷道将要穿过岩层的松动圈（在已揭露类似巷道中进行），包括静态松动圈、采动影响期间的最大松动圈，从而准确把握巷道的支护难度。b. 根据巷道用途和使用要求，决定是按静态松动圈还是按动压作用下的最大松动圈进行支护参数设计。根据静态松动圈设计，有利于提高掘进施工速度和降低巷道成本，回采期间须超前工作面 2050m增设加强支护；根据动压松动圈设计，能改善工作面端头支护状况和简化顺槽的超前支护，有利于回采工作的顺利进行。c. 当实测的围岩松动圈LPv 1.5m时，悬吊理论是确定支护参数较好的方法，锚杆的悬吊点是松

20、动圈外的 未松动岩层或煤层。d. 当围岩裂隙发育或者实测的围岩松动圈LP>1.5m时，按组合拱理论设计锚杆支护参数。e. 顶板“斜锚杆”非常重要，其锚固要可靠，长度要伸入到两帮上方一定深度。f. 一般条件下，金属网或塑料网是必须的，当围岩破碎或者松动圈大于1.5m,要敷设钢带，以提高锚杆的整体性和支护能力，两帮压力大时也需敷设钢带或钢筋梯。g. 围岩破碎或变形压力大的条件下，宜选用锚固可靠、承载能力较大（锚固力大于6t）的锚杆，沿空掘巷的沿空侧，须采用全长锚固式锚杆。综上所述，松动圈理论确定锚杆支护参数如下：a.锚杆长度确定当松动圈厚度L=0.41.5m时，称为中松动圈，此时，围岩的碎胀

21、力比较明显，L值一般小于常用锚杆长度，因此在设计上可采用悬吊理论。锚杆长度计算公式为：L=kh+L1+L2式中L锚杆长度，m；h不稳定地层厚度,mK安全系数，一般根据巷道的重要程度及服务年限，取k=12.5 ;h不稳定地层厚度，mL1锚杆外露长度，m, 一般取值0.1m；L2锚杆锚入稳定地层的深度，m, 一般取值0.30.4m。传统悬吊理论的最大困难在于如何准确判定不稳定地层的厚度ho松动圈的厚度系实测数值，准确性较高。因此，在确定锚杆长度时直接取松动圈值代表不稳定地层厚度h,取安全系数k=11.5 o当围岩裂隙发育或者围岩松动圈静态值Lp0、动态值Lpd均大于1.5m时，形成的“锚固层组合拱

22、”是锚杆支护的主要作用机理。锚杆在锚固力的作用下，将破裂了的岩石组织起来，提高其残余强度，形成一定厚度的锚固层。随着 围岩的变形，锚固层中将进一步形成次生的“压力拱”承受地压。在跨度和巷道高度一定的条件下，锚杆 越长，“压力拱”的厚度越大，承载力越高。理论和实践证明，动态松动圈大于静态松动圈。因此，在选Lpd否则选择静态值择松动圈值时要视巷道是否受动压影响来确定，一般受动压影响的巷道选用动态值Lp0,两者的成本是不一样的 b.锚杆间排距的确定按组合拱理论确定锚杆支护间排距，组合拱厚度:式中b一合拱厚度，m；ly锚杆的有效长度，a杆的间排距* m, a = (ly - b)tga ；。苗杆在松散

23、体中的控制角，a、45七C.锚杆直径的确定rf=L/110式中 d锚杆直径，nim;5锚索支护参数的设计(1)锚索长度的确定=0.3+3.分 L7=5.6m式中Xi苗索外露长度，取0.3m；X3锚索锚固长度，取 1.7m；X2潜在不稳定岩层高度，m；X2 =BB为巷道跨度，m(2)锚索排距s=3 o- /4B2 丫 k。式中b每根锚索最低破断载荷，260 kN;T煤岩体积力，kN/m3;B巷道宽度 mk安全系数，取 0.5;(3)锚索间距m=0.85B/n式中n排数；B巷道宽度,m锚固长度根据拉拔试验数据，考虑到岩性和施工等影响因素及安全系数确定锚固长度。实践表明：水泥砂浆锚索锚固长度2.5m树脂药包锚索锚固长度1.0m。锚索的破坏形式一般是胶结体与钢绞线的粘结被破坏，锚索从胶结体中被拔出。锚索支护设计中应保证钢饺线与胶结体有足够的粘结强度，才能保证锚索的支护效果。按GBJ86-85要求：锚索锚固长度 La应符合下式：Q10N其粘结强度， = 10N mnro式中k 全系数，一般取2:d苗索钢较线直径，mm；Z一绞线抗拉强度， N/tnnr;f. 苗索与锚固剂的设计粘结强度，一般煤巷锚索多用树脂作锚固剂,