巷道锚杆支护参数设计
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作者: 许海亮
【摘 要】随着煤矿开采深度的加深和巷道断面的增大，矿压显现程度也在不断加剧，这对巷道支护提出了更高的要求，而支护参数设计是巷道支护设计实现定量决策的关键所在。主要通过分析几种常见的锚杆支护理论的原理并总结相应的计算方法，结合建新煤矿现在的地质环境，设计出不同的锚杆支护参数，根据该矿的地质环境和现在使用的锚杆支护参数，利用数值模拟的方法优化选择出合适的锚杆支护参数。为该矿在设计锚杆支护参数时提供理论基础。
【关键词】锚杆支护理论；设计方法；支护参数
1.锚杆支护参数设计要点
1.1锚杆（索）支护作用与目的
锚杆支护对控制巷道变形的作用比较有限，而确能够很好的起到防止巷道冒顶的作用，所以使用锚杆支护的目的主要应该是防止巷道冒顶。
试图应用高强锚杆（索）支护减小巷道变形成本的做法需要付出较高的代价。
1.2锚杆支护参数设计的理论基础
悬吊理论同时考虑了层状顶板断裂破坏和拱式破坏的冒顶机理，应用该理论进行锚杆支护参数设计实用、可靠。
1.3锚杆支护设计主要参数
设计参数主要包括锚杆（索）长度、间距和排距，其余参数主要通过技术经济对比分析获得。
1.4锚杆支护巷道应实行初次支护和二次支护
巷道初次锚杆支护的目的是防止掘进工作面附近冒顶，二次支护的目的是防止采煤。
2.顶板试验接长锚杆防治巷道冒顶
（1）由于超锚杆延伸率大大高于锚索，允许顶板离层量高达300-600mm，可以与顶板围岩协调变形，避免了因锚索（允许顶板离层量小于150mm）被各各击破引起的冒顶。
（2）超长锚杆直接锚固在顶板易垮漏体之外的稳定岩层上，避免锚杆因长度过短锚固失效。
（3）超长锚杆可在顶板类散体形成倒梯形锚固体，其楔形挤紧作用可以有效防止巷道顶板松散跨漏体的冒落。
煤巷锚杆支护设计理论基础：
煤巷常用支架（护）的选择：埋深小于400m
下沉量小于100mm ，支护目的是防止冒顶，控制顶板变形没必要；可用锚杆、工字钢支架和U型钢可缩性支架；埋深超过600m；下沉量100mm-300mm时，支护目的是防止冒顶、并控制部分顶板下沉；木支架和金属刚性支架彻底毁坏；可用锚杆（索）、U型钢可缩性支架；顶板下沉量大于300mm后，下沉已经无法控制在200mm以下，强力支护可减少的下沉量有限，支护最主要目的就是防止冒顶；U型钢可缩性支架严重变形；锚索几乎全部失效；可用接长锚杆或锚杆—支架联合支护。
3.我国煤巷锚杆支护参数应用现状
大部巷道锚杆、锚索密度过大；大多数区域（60%以上）锚杆参数过于保守，锚杆和锚索支护密度过大，支护材料浪费、掘进速度慢。局部区域支护不合理，出现局部冒顶；由于顶板结构的变化，局部区域（ 大约0.05%）锚杆支护强度不足，现场经常出现局部冒顶事故。
3.1锚杆支护作用机理-悬吊理论
机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，或是将下部松动破碎的岩层悬吊在自然平衡拱上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。
适用条件。
（1）锚杆受力需要大于松散岩层与稳定岩层完全脱离时破碎岩层的重量。
（2）由于岩层变形和离层，会使锚杆受力很大，锚杆必须具有较大的变形能力避免锚杆遭受破坏。
（3）悬吊理论不考虑锚杆对围岩的加固作用，所以当锚杆锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上时，使用该理论设计锚杆参数时更安全。
3.2组合拱（压缩拱）理论
机理：在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个错杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。
适用条件：软岩、拱形巷道中得到较为广泛的应用。
3.3巷道围岩松动圈支护理论
支护设计。
（1）小松动圈（厚度小于400mm），锚杆支护作用不明显，只需进行喷射混凝土支护。
（2）中松动圈（厚度在400-1500mm之间），支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外。
（3）大松动圈（厚度大于1500mm），锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢复到接近原岩的强度并具有可缩性，采用加固拱理论设计锚杆支护参数。
评价：适用于岩石巷道和拱形巷道。
3.4最大水平应力理论
机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。
适用条件：巷道布置方向的选择。
4.煤巷锚杆支护主要参数设计
悬吊理论概述。
悬吊理论认为，锚杆支护的作用在于将破坏区范围内岩层悬吊于稳定岩层（体）上，有三种情况：
（1）顶板一定范围内有稳定岩层时，将破坏区载荷悬吊于稳定岩层。
（2）角锚杆将破坏区载荷悬吊于巷道两帮上部岩体，锚杆发挥兜吊作用。
（3）锚杆将破坏区载荷悬吊于巷道冒落拱上。
4.1平顶巷道有层状稳定岩层情况锚杆参数计算
层状稳定岩层稳定性可参照《 3锚杆支护煤巷顶板稳定性分类》①锚杆长度：L=l1+l2=l3式中：l2—锚杆有效长度； l1—锚杆锚杆外露长度，取决于锚杆托盘厚度、螺母厚度；l3—锚杆锚固长度，一般取0.5～1.0m，应由拉拔试验确定。
锚杆有效长度l2的确定方法：锚杆的有效长度应该大于等于被悬吊岩层的厚度。
4.2冒落拱悬吊情况锚杆参数计算
冒落拱的高度计算过程。
巷道开挖后，会沿巷道周边形成一封闭的冒落拱，在压力作用下破碎塌落，冒落拱向外扩大；根据极限平衡原理，当巷道两帮塌落到与巷道两帮成时，形成修正普氏拱。
②锚杆间排距。
根据每根锚杆悬吊载荷大小确定锚杆间排距，即锚杆的承载力要大于等于锚杆悬吊岩石的载荷。
4.3接长锚杆巷道支护设计实例
顶板使用接长锚杆防止巷道冒顶。
（1）由于超锚杆延伸率大大高于锚索，允许顶板离层量高达300-600mm，可以与顶板围岩协调变形，避免了因锚索（允许顶板离层量小于150mm）被各各击破引起的冒顶。
（2）超长锚杆直接锚固在顶板易垮漏体之外的稳定岩层上，避免锚杆因长度过短锚固失效。
（3）超长锚杆可在顶板类散体形成倒梯形锚固体，其楔形挤紧作用可以有效防止巷道顶板松散跨漏体的冒落。 [科]
【参考文献】
[1]程伟，和德江，张晋京.高瓦斯压力煤层中相邻巷道支护研究[J].煤炭科学技术，2005（07）.
[2]李垚.高应力软岩巷道支护技术研究[J].山西煤炭，2011（05）.
[3]郑钢镖，康天合，白士邦，邢国富，蒋新维，郗宏.大断面煤巷锚杆支护设计及应用[J].煤炭科技，2009（04）.
[4]孟庆彬，孔令辉，门燕青，王岩岩.“三锚”联合支护在软岩巷道的应用及数值模拟研究[J].煤，2009（09）.
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