煤矿巷道锚杆支护技术及其发展(编辑修改稿)

煤矿巷道锚杆支护技术及其发展(编辑修改稿)内容摘要：

的稳定。 2 锚杆支护的基本理论 围岩强度强化理论  为描述锚杆对岩体的强化作用，引入强化系数，即锚固体的强度与未锚固岩体强度的比值。  锚固体极限强度强化系数 KJ为  锚固体残余强度强化系数 KC为  试验结果表明，随着锚杆密度增加锚固体的强化系数增加。 在锚杆强度一定时，锚杆对残余强度的强化作用大于对极限强度的强化，这对控制破碎区围岩的变形，保持其稳定性具有重要作用。 3 锚杆支护构件的作用  锚杆支护由锚杆杆体、托板、螺母、锚固剂、钢带及金属网等构件组成，锚杆支护的作用是由这些构件共同完成的。 锚杆杆体的作用  对于锚杆杆体本身来说，由于杆体长度方向的尺寸远大于其他两个方向的尺寸，所以力学上属于 杆件。 这种构件主要可以提供 两方面的作用 (见图 )， 首先是抗拉，其次是抗剪。 至于杆体的抗弯能力和抗压能力是非常小的，可以忽略不计。 3 锚杆支护构件的作用 锚杆杆体的作用 （ 1）抗拉作用 锚杆杆体所能承受的拉断载荷为 bdP 423 锚杆支护构件的作用 锚杆杆体的作用 （ 2）抗剪作用 锚杆杆体所能承受的拉剪切载荷为 bdQ 423 锚杆支护构件的作用 托板的作用  托板是锚杆的重要构件，对锚杆支护作用的发挥影响很大。 托板的作用可分为两个方面：一是通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面，给锚杆提供预紧力， 并使预紧力扩散到锚杆周围的煤岩体中，从而改善围岩应力状态，抑制围岩离层、结构面滑动和节理裂隙的张开，实现锚杆的主动、及时支护作用； 其二是围岩变形使载荷作用于托板上，通过托板将载荷传递到锚杆杆体，增大锚杆的工作阻力，充分发挥锚杆控制围岩变形的作用。  托板力学性能应与锚杆杆体的性能相 匹配 ，才能充分发挥锚杆的支护作用。 托板强度不足、安装质量差、受较大偏载都会显著降低锚杆的作用。 对于端部锚固锚杆， 托板是锚杆尾部接触围岩的构件，通过托板给锚杆施加预紧力，传递围岩载荷至锚杆杆体 .如果托板本身失效，以及托板下方的围岩松散脱落，导致托板与表面不紧贴，都会使锚杆失去支护作用。 对于加长锚固锚杆 ，托板的作用同样重要，通过托板压紧巷道表面给锚杆施加预紧力，预紧力对锚杆工作阻力和受力分布又产生影响，提高支护效果。 3 锚杆支护构件的作用 托板的作用  托板对全长锚固锚杆的受力分布有明显的影响。 图示是有、无托板时锚杆轴力与剪力分布示意图。 无托板时锚杆轴力在巷道表面处为零， 在一定深度达到最大值，剪力在轴力最大处为零；有托板时，由于锚杆施加的预紧力和围岩通过托板作用在锚杆杆体上的力，使得锚杆轴力在巷道表面处达到一定值， 而且使锚杆轴力最大的位置向孔口移动，更接近巷道表面。 3 锚杆支护构件的作用 锚固剂的作用  锚固剂的主要作用是将钻孔孔壁岩石与杆体黏结在一起，使锚杆发挥支护作用。 同时锚固剂也具有一定的抗剪与抗拉能力，与锚杆共同加固围岩。 （ 1）锚固剂的黏结作用  在工程设计时，计算锚杆拉拔力的简化方法是假定锚固剂与杆体、锚固剂与钻孔孔壁之间的黏结应力沿锚固长度内均匀分布，则锚杆拉拔力可用下式计算：  这种简化的方法虽然计算简单，但不符合锚杆拉拔时黏结应力分布的实际情况。 国内外学者做了大量研究与试验，得出黏结应力分布的公式与曲线。 )(DP 21壁之间破坏发生在锚固剂与孔锚杆之间）（破坏发生在锚固剂与lldP3 锚杆支护构件的作用 锚固剂的作用 （ 1） 锚固剂的黏结作用 在拉拔状态下 ， 杆体锚固段剪应力分布为负指数曲线 ， 见图。 其计算式为 式中 τ(x)—距锚固起始端 x处锚固剂作用于杆体表面的黏结应力 ，MPa； d—杆体直径 ， mm； E—杆体弹性模量 ， MPa； c —积分常数； K—剪切刚度 ， MPa； K1—锚固剂的剪切刚度 ， MPa； K2—围岩的剪切刚度 ， MPa。 E/8Kdxce)x( 2121KKKKK3 锚杆支护构件的作用 锚固剂的作用 （ 1）锚固剂的黏结作用 由上式可知，锚固起始段处 x=0， τ(0)=c。 当 τ(0)[τ]（ [τ]为黏结强度），锚固剂不会发生破坏。 随着拉拔力增加， τ(0)也逐渐增加。 当 τ(0)= [τ]时，锚固剂发生破坏，黏结应力逐渐从图中曲线 1发展到曲线 2，锚固剂从锚固起始端逐渐向深部破坏，最大黏结应力点也逐渐向深部移动。 当曲线下方面积最大时，锚杆拉拔力达到最大。 （ 2）锚固剂的抗拉与抗剪作用  我国树脂锚固剂的抗拉强度一般为 MPa。 如果 υ28 mm的钻孔中不安装锚杆，只注树脂锚固剂，则锚固剂可提供 kN的抗拉力。 如果 υ20 mm的杆体安装在 υ28 mm的钻孔中，则锚固剂可提供 kN的抗拉力。 可见锚固剂提供的抗拉力远小于锚杆杆体。  树脂锚固剂的抗剪强度一般可取 35MPa。 如果 υ28mm的钻孔中不安装锚杆，只注树脂锚固剂，则锚固剂可提供。 如果 υ20mm的杆体，安装在 υ28mm的钻孔中，则锚固剂可提供 kN的抗剪力，分别是圆钢(Q235)、高强度螺纹钢 (BHRB400)、超高强度螺纹钢 BHRB600)的剪断载荷的 12． 4％、 8． 4％、 5． 9％。 可见锚固剂可提供一定的抗剪能力。 E/8Kdxce)x( 3 锚杆支护构件的作用 钢带（钢筋梯子梁）的作用  钢带是锚杆支护系统中的重要构件，对提高锚杆支护整体支护效果、保持围岩的完整性起着关键作用。 钢带的作用主要表现在以下 3方面： (1)锚杆预紧力和工作阻力扩散作用。 单根锚杆作用于巷道表面可近似看成点载荷， 钢带可扩大锚杆作用范围，实现锚杆预紧力和工作阻力扩散，使载荷趋于均匀。 (2)支护巷道表面和改善围岩应力状态作用。 钢带对巷道表面提供支护，抑制浅部岩层离层、裂隙张开，保持围岩的完整性，减少岩层弯曲引起的拉伸破坏，改善岩层应力状态，防止锚杆间松动岩块掉落。 (3)均衡锚杆受力和提高整体支护作用。 钢带将数根锚杆连接在一起，可均衡锚杆受力，共同形成组合支护系统，提高整体支护能力。 3 锚杆支护构件的作用 钢带（钢筋梯子梁）的作用  分析钢带受力的简化模型是将两根锚杆之间的钢带段作为一简支梁 (见图 )，采用材料力学的相关公式计算钢带受力与变形。 假设钢带受到均布载荷 q的作用，则 3 锚杆支护构件的作用 网的作用  一般认为，网可以用来维护锚杆间的围岩，防止松动小岩块掉落。 其实，网的作用远不止这一个，特别是在高地应力、破碎围岩条件下，网是锚杆支护系统中不可缺少的重要部件。  网的作用主要表现在以下 3方面： (1)维护锚杆之间的围岩，防止破碎岩块垮落。 (2)紧贴巷道表面，提供一定的支护力 (已有的研究成果表明，我国现用菱形金属网，在保证施工质量的条件下，可提供 0． 01 MPa的支护力 /1tm2)，一定程度上改善巷道表面岩层受力状况。 同时，将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆，形成整体支护系统。 3 锚杆支护构件的作用 网的作用 (3) 网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏，而且对深部围岩也有良好的支护作用。 如图所示，有网的情况下，虽然巷道表面围岩已破坏，但没有松散、垮落，网作为传力介质，使巷道深部围岩仍处于三向应力状态，提高岩体的残余强度，显著减小围岩松散、破碎区范围，同时也保证了锚杆的锚固效果。 如果没有金属网或金属网失效，围岩破坏会从表面发展到深部，逐渐破碎、松散，失去强度，导致围岩垮落，锚杆失效。 4 锚杆支护设计方法 锚杆支护设计的重要性  支护设计是巷道锚杆支护中的一项十分重要的工作，对充分发挥锚杆支护的优越性和保证巷道安全具有十分重要的意义。 如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度，增加支护成本；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。 支护设计方法分类  锚杆支护设计的主要方法可归纳为三大类：工程类比法、理论计算法和数值模拟法。 （ 1）工程类比法 包括：根据已有的巷道工程，通过类比直接提出新建工程的支护设计（直接类比法）；通过巷道围岩稳定性分类提出支护设计；采用简单的经验公式确定支护设计。 （ 2） 理论计算法 ：基于某种锚杆支护理论，如悬吊理论、组合梁理论及加固拱理论，计算得出锚杆支护参数。 由于各种支护理论都存在着一定的局限性和适用条件，而且很难比较准确、可靠地确定计算所需的一些参数。 因此，依据理论计算所作的设计结果很多情况下只能作为参考。 4 锚杆支护设计方法 支护设计方法分类 （ 3）数值计算法： 英国、澳大利亚等建立了以地质力学条件和以数值计算为基础的煤巷锚杆支护系统设计方法，其核心是首先根据地应力测试结果，以岩体力学评估为基础，结合 数值模拟分析进行锚杆支护初始设计，然后再根据现场监测结果对原设计进行修正和完善。 这种设计方法通过对多个方案的比较分析，可以选择得到更好方案。  10余年来，我国在锚杆支护设计方法方面做了大量工作。 在借鉴国外先进设计方法的基础上，结合我国煤矿巷道的特点，提出了 动态化、信息化的设计方法 ，符合煤矿巷道地质条件复杂性、多变性的特点。 这种设计方法已经在多个矿区得到推广应用，锚杆支护设计的可靠性、合理性和科学性得到显著提高。 4 锚杆支护设计方法 工程类比设计方法 1）根据已有工程直接提出支护设计 —直接类比法。 这种方法是将已开掘的、成功应用锚杆支护巷道的地质与生产条件与待开掘的巷道进行比较，在各种条件基本相同的情况下，参照已掘巷道的支护形式与参数，由设计人员根据自己的经验提出待掘巷道的支护设计。 因此，已掘巷道与待掘巷道条件的比较与设计人员的设计经验是直接工程类比法应用成败的关键。  直接类比的主要内容有： ①围岩物理力学性质： 包括巷道顶底板和两帮的物理力学参数、煤层赋存状态。 巷道顶底板应取一定范围的岩层 (如 2倍巷道宽度 )进行比较。 物理性质 包括岩性、矿物成分、密度、孔隙率、水理性质等内容。 对于煤矿巷道中常见的泥岩、粉砂岩及页岩等岩石，受风化影响程度，遇水软化与膨胀特性都应给予足够重视； 力学性质 包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角等诸多参数。 其中 ，煤岩体的单轴抗压强度是最常用的力学指标。 4 锚杆支护设计方法 工程类比设计方法 1）直接类比法 ②围岩结构特征： 指煤岩体内节理、层理、裂隙等不连续面的空间分布及力学性能。 结构面的几何特征参数包括：结构组数、密度；结构面走向、倾角、延展长度与张开度；结构面充填物、粗糙度及起伏度等。 结构面力学参数包括：法向刚度、切向刚度；黏聚力与内摩擦角等。 结构面对裂隙岩体的强度、变形和破坏特征的影响非常明显，甚至是最关键的因素。 因此，进行围岩结构特征比较时，应尽量全面、详细。 当然，完全了解结构面的各种参数是十分困难的，但不能忽略主要参数。 ③地质构造影响： 地质构造包括断层、褶曲、陷落柱等，大型地质构造对煤岩体的强度、结构、应力状态，对煤岩体的完整性和稳定性都有明显的影响，对巷道支护形式与参数的选取起关键性作用。 在进行工程类比时，必须弄清巷道附近有无较大的地质构造、地质构造的特点，以及构造对巷道的影响程度。 4 锚杆支护设计方法 工程类比设计方法 1）根据已有工程直接提出支护设计 —直接类比法 ④ 地应力。 地应力与围岩强度、围岩结构一样是影响巷道变形与破坏的关键因素。 地应力一般分为垂直应力与水平应力。 实测数据表明，垂直应力与巷道埋藏深度有较强的相关关系，而水平应力则影响因素复杂，可靠的方法是通过井下实测得到地应力的大小与方向。 地应力参数包括垂直主应力的大小与方向、最大水平主应力的大小与方向、最小水平主应力的大小与方向，以及最大水平主应力与巷道轴线的夹角。 ⑤巷道特征与使用条件。 巷道特征包括 巷道断面形状 (拱形、矩形、梯形、倒梯形等 )，巷道断面尺寸 (宽度、高度等 )，巷道轴线方向、倾角； 巷道使用条件包括 巷道类型 (大巷、采区集中巷、工作面回风和运输巷、开切眼等 )和巷道服务年限。 ⑥ 采动影响情况。 采动影响状况包括： 采动空间关系 ，与邻近巷道的位置关系，与采掘工作面、采空区的空间位置关系，层间距大小及煤柱尺寸；采动时间关系 ，巷道在采动影响前掘进、采动影响过程中掘进，还是采动影响稳定后掘进； 采动次数 ，一次采动影响、二次或多次采动影响。 采动对采准巷道围岩变形与破坏影响很大，类比时应作为一个重要因素考虑。 4 锚杆支护设计方法 工程类比设计方法 1）根据已有工程直接提出支护设计 —直接类比法 ⑦ 巷道施工技术。