煤巷中的锚杆支护设计应用
煤巷中的锚杆支护设计应用
巷道支护的基本原理是巷道支护(支架或锚杆)与围岩共同承载，并尽量促使岩层形成承载结构
1 锚杆支护机理分析
巷道支护的基本原理是巷道支护(支架或锚杆)与围岩共同承载，并尽量促使岩层形成承载结构。在此基础上发展了许多锚杆支护理论，如悬吊理论、组合梁理论、组合拱（压缩拱）理论、围岩松动圈支护理论、水平应力理论、巷道锚杆支护围岩强度强化理论等等，无论在过去和现在，这些理论对锚杆支护机理的认识与指导岩体工程实践都起到了不可低估的作用。但由于地质条件的复杂性与研究手段的局限性，锚杆支护理论至今尚不成熟，还不能单独依靠某种理论为锚杆支护做出比较准确的设计。
从锚杆支护加固机理的讨论中，可以得到对锚杆支护实践有指导意义的几点结论：
1.1 为提高被加固岩层的强度，在可能条件下尽量提高对顶板的锚固强度。锚固强度越大，围岩形成的承载结构承载能力越大。
1.2 巷道掘进以后，应及时安设锚杆，防止顶板早期出现离层，这样极有利于顶板的稳定。应避免安设锚杆的时间与滞后掘进工作面的距离超过规定时间。
1.3 按规定拧紧锚杆的紧固螺母，以使锚杆具有较大的初锚力。
2 设计依据
根据现场地质资料，在现有锚杆支护理论和预应力锚杆（索）控制围岩思想的基础上，采用系统动态监测设计法对潘北矿1121(1)下顺槽进行锚杆支护初步设计，并辅以工程类比和理论计算，然后通过现场施工、监测，并经过综合观测结果的整理、分析，对初始设计进行修改、调整，完善锚杆支护参数设计。
2.1 预应力控制围岩的基本原理 众所周知，巷道开挖后在围岩很小变形时（约在破坏载荷的25%以下），脆性特征明显的岩体就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等现象，使围岩强度大大弱化。如果巷道开挖后立即安装锚杆，但未施加预拉力，由于锚杆极限变形量大于围岩极限变形量，又由于各类锚杆都有一定的初始滑移量，因而锚杆不能阻止围岩的开裂、滑动和弱化。只有当围岩的开裂位移达到相当的程度（在钢筋混凝土中达到极限载荷的60～75%）以后，锚杆才起到阻止裂纹扩展的作用，这时围岩已几乎丧失抗拉和抗剪的能力，加固体的抗拉和抗剪能力主要依赖于锚杆。
2.1.1 顶板预应力结构的形成需要以下条件：①安装支护构件时应能够提供一个明确的张拉力，其值应明显大于松动岩体的重量，这种主动施加的作用力应适度，过小或过大都不合适；②支护构件应能保证和加固区内围岩的相互作用稳定存在，并具有合适的强度；③支护结构刚度应和围岩匹配，同步承载，协调变形。
2.1.2 预应力支护理论主要内容：①预拉力(或称初撑力)的大小对顶板稳定性具有决定性的作用，当预拉力大到一定程度时，使顶板岩层处于横向压缩的状态，形成预应力承载结构，从而大大缓解或消除横向弯曲变形，只有纵向的微小膨胀和压缩变形，因而锚杆长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除；②水平应力的存在有利于巷道顶板的稳定；③锚杆参数和预拉力的合理配置可以使锚杆长度之内和锚杆长度之外的上覆顶板岩层都不存在离层破坏；④预应力顶板将使得垂直压力均化到巷道两侧纵深范围，巷道两侧的压力集中现象减小，片帮的现象缓和，两帮的维护将变得相对简单；⑤施工机具、施工工艺和锚杆结构及加工等方面的研究应以实现高预拉力为中心。
2.2 系统动态监测设计法 系统动态监测设计法是以对地应力场及其对巷道稳定性的影响方式、围岩变形失稳规律、锚杆支护机理与支护特性三个方面的正确认识为理论依据；以现场调查、工程实测和矿压观测为依托手段和表现形式；以解释实测与观测结果从而实施监控所应遵循的工程准则为核心内容的一种系统性的煤巷锚杆支护设计方法。
3 锚杆支护初步设计
3.1 锚杆支护形式和巷道断面 根据巷道顶板、底板及两帮岩石和煤体的单轴抗压强度、岩体完整性指数、巷道埋深、本区段采动影响及相邻区段的采动影响等7个指标，采用模糊聚类分析法，将煤巷围岩稳定性分为非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定和极不稳定五个类别。
2 支护参数理论计算法
3.2.1 理论计算过程 针对上述维护特点，依据巷道围岩稳定性分类原则及工作面开采技术条件，巷道围岩属于Ⅳ～Ⅴ类围岩，按现代煤巷锚杆发展的技术水平和成果，应用层状顶板预应力支护理论和支架－巷道围岩共同支护原理，按照工程类比法，采用高强预应力锚网索支护，按煤层平均倾角为28°计算，巷道设计断面为梯形：巷道净宽×中高=5.0m×2.8m；顶板斜长5.4m左右；高帮高3.8m。
①锚杆长度 从计算可知，围岩的松动圈顶部为2.4m，因此两帮的松动圈也考虑为2.4m，根据锚杆的均匀压缩带原理，锚杆的锚固深度视松动圈的大小，可超出松动圈也可小于松动圈，但不易过浅，必须时锚固端位于有较高残余强度的塑性区内。则锚杆长度为：L顶＝1.1×2.25＝2.475m，取2.5m；L高帮＝1.1×2.25＝2.475m，取2.5m；L低帮＝1.1×2.25＝2.475m，取2.5m。
②锚杆间排距 锚杆支护，主要是通过锚杆群的锚固作用，把围岩周边附近一定厚度范围内的岩体，均匀压缩成能承受自身围岩压力的整体结构。因此锚固均匀压缩带厚度不小于锚杆长度的1/3，均匀压缩带的厚度和锚杆的锚固深度、间排距有关。为了安全起见，取压缩带厚度t＝L/2，即t＝1.2m，可确定出锚杆的间排距：
D≤2R0（L－t）/(2R0+L)=0.88m
根据计算结果，锚杆的间排距应小于0.88m，参照类似巷道支护参数并考虑到巷道倾斜角度和顶板岩层条件，锚杆间排距为0.8m×0.8m。
③锚杆直径计算 根据锚杆杆体承载能力和锚固力等强度原则确定锚杆直径。
考虑煤柱稳定性及工程类比，顶板和帮部锚杆直径一样，取22mm。
根据以上计算，锚杆选用高强度左旋螺纹钢锚杆，顶板锚杆选择φ22×2500；高帮锚杆选择φ22×2500；低帮锚杆选择φ22×2500。
④锚索及其参数选择
a锚索材料 锚索材料一般用高强度、低松弛(Ⅱ级)粘结式1×7钢绞线，其直径为15.24mm。考虑到该面上覆岩层块状和碎块状性较软的泥岩或砂质泥岩，对巷道的稳定性有一定的影响，因此锚索的选用φ17.8的钢绞线。
b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。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。在锚索支护设计中应保证钢绞线与胶结体有足够的粘结强度，才能保证锚索的支护效果。
c锚索长度和支护密度 锚索宜锚固在围岩内部较岩层中。
考虑直接顶厚度的不均匀性和施工影响因素，安全系数取1.1，则锚索的长度为：LS＝1.1×L=6.27～6.93m，取7m。
锚索的支护密度根据类似条件巷道的支护经验和实际情况，按照每排2根，锚索斜间距2.4m，每隔三排锚杆布置一排锚索，锚索用钢带沿走向压茬布置。
3.2.2 支护系统承载校核 ①锚索提供的支护抗力②锚杆提供的支护抗力。
以上锚杆、锚索的支护参数是根据理论来计算的，在实际施工过程中，还必须根据实际的地质情况和监测分析结果进行必要的调整，以完善支护设计。
3.3 支护方案确定 根据维护的常规条件，采用较大间排距高强预拉力锚带网支护方案：顶板及上帮采用新型左旋螺纹钢高强性能预拉力锚杆、M型钢带和钢筋网（上帮铺设塑料网）联合支护，下帮采用新型左旋螺纹钢高强性能预拉力锚杆、M型钢带和金属网联合支护。
4 结论
4.1 回采巷道的支护应充分遵循全支护原则、支护与围岩共同作用原则、控制原则和短期临时加强支护的原则。
4.2 锚杆及其组合支护(锚网、锚梁、桁架等)可以充分发挥围岩的自身承载能力，提高围岩的强度，适应动压作用，是回采巷道有前途的支护形式。
层状岩层中，不破顶的回采巷道锚杆作用机理主要是悬吊作用和组合梁作用。
4.3 提高锚杆的预紧力和及时支护，对于增加围岩强度、控制岩层早期变形和破坏、发挥围岩自承能力有重要意义。
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