锚杆支护设计

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1、第六章第六章 巷道锚杆支护巷道锚杆支护 第一节 简介 第二节 锚杆支护原理 第三节 锚杆支护类型 第四节 锚杆支护设计第三节 锚杆支护设计 一、工程类比法 二、理论计算法 三、数值模拟法 四、锚杆支护设计系统 五、锚杆支护设计实例一、工程类比法 由于锚喷支护作用机理理研究尚不完善，锚喷支 护设计理论也不成熟。 因此，锚喷设计中通常采用用工程类比法。 我国多数锚杆支护设计规范都明确规定，锚杆支 护设计算应以工程类比法为主，在必要时量测法 及解析法为辅。 工程类比法是建立在已有工程支护设计的成功经 验基础之上，在围岩条件、施工条件等各种影响 因素基本一致的情况下，根据工程师的经验和判 断能力，选定

2、待建工程锚杆支护类型及参数。锚杆支护参数 1. 锚固力 2. 锚杆长度和直径 3. 锚杆间距和排距 3. 锚杆的间排距 锚杆的间排距要根据顶板条件决定。一般间排 距取0.6m、0.7m、0.8m、1.0m。 顶板条件良好，少数情况下可采用1.1m和 1.2m。按照选定的排距锚杆布置可采用正方 形、长方形、五花形等型式， 巷帮锚杆可参照顶板锚杆，适当放宽间、排距 。锚 杆 喷 射 混 凝 土 支 护 技 术 规 范围围岩类别类别松动动圈支护护方法备备注小I稳定300二次支护无稳定期围岩松动圈分类表煤巷锚杆支护二、理论计算法 （一）按悬吊作用计算 （二）按挤压加固拱理论计算 （三）组合梁理论计算（

3、一） 按悬吊理论确定支护参数 1）锚杆长度 锚杆长度的计算公式L1锚杆外露长度，一般L1=0.10.15 。 端头锚固型锚杆，L1=垫板厚度+螺母 厚度+（0.03-0.05）； 全长锚固锚杆，还要加穹形球体厚度 。 L2 锚杆有效长度。 L3 锚杆锚固段长度， 一般端锚L3=0.30.4m，由拉拔实验 确定；当围岩松软时还要加大。 对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度则为L2+L3。当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L2应大于或等于它们的厚度。当巷道围岩存在松动破碎带时，L2应大于巷道松动破碎区高度hi，hi可按下式确定：有效长度L2的确定方法：式中，RMR 为CSIR地质力学分级岩体总评

4、分；B 为巷道跨度。 有效长度L2的确定方法：一般还可按L2=KH进行计算，H为软弱岩层厚度（或冒落 拱厚度），m；K为考虑软弱岩层变化的安全系数，一般取1.52。软弱岩层H的确定是根据地质资料，实测或经验估计， 冒落拱高度是按下式估算，即2）锚杆杆体直径式中，d为锚杆杆体直径，；Q为锚固力，由拉拔实验确定，KN；t为杆体材料抗拉强度，MPa。 锚杆杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即3）锚杆间、排距锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为a，并根据锚杆的锚固力应等于或大于被悬吊岩石的重量的原则确 定，即： 式中，岩石重度，KN/m3;K锚杆安全系数，1.524）适用悬吊作用使

5、用层状岩、平顶巷道的锚杆支护。煤柱宽度3m的煤巷锚杆支护 （悬吊作用）煤柱宽度3m的煤巷锚杆支护 （悬吊作用） 1巷道两帮破坏深度C的确定 2巷道顶板破坏高度b的确定 3. 顶板载荷确定 4. 巷帮载荷确定 5. 顶板锚杆支护参数的设计 6. 帮锚杆支护参数的设计 K，应力集中系数， K= KsKa Ks，与巷道断面形状有关的应力集中系数， 按下页表选取。 Ka，受临近工作面采空区的影响系数，有下 式确定。 X煤柱实际宽度，对于两侧为实体煤的顺 槽，取X为100m。 rm老顶单向抗压强度，MPa； h采高，m； hi直接顶厚度，m； cc被巷道切割的煤层单向抗压强度， MPa； 巷道上覆岩层的

6、平均容重，kNm3； H巷道理深，m； 煤层倾角，； hc，被巷道切割的煤层厚度，m； l巷道切割煤层（岩层）的最大宽度(图2-3-13 ） 煤层波松比，用实测值，在无实测值情况下， 按下页表确定； 煤层内摩擦角()，可由下式确定：2巷道顶板破坏高度b的确定 对于顶板为均质岩层，b值由下式确定 a悬臂岩层的半跨距，其计算方法如图2-3-14所 示，m； C巷道两帮破坏深度，m； 侧压系数， Ky顶板岩石完整性系数，可由下式确定。 对于拱形巷道，b值由下式确定 式中h0巷道高度，m。对于顶板岩层为非均质的情况，应分层计算顶板破坏 深度。 先用式(2-3-4)计算顶板最下一层的b值，得b1。 如果

7、b1小于该岩层的厚度，则破坏范围只出现在该层，即 bb1。 如果b1值大于该岩层的厚度，说明破坏范围还要深入到上 一岩层。这时，应把抛物线拱在两岩层层面处的宽度作新 的(a十C)值，井代入到式(2-3-4)，计算第二个岩层的b值 ，得b2， 然后再行判断。此过程反复进行，直到第n个岩层的bn值 小于该岩层厚度，则顶板岩层的破坏深度b为ti岩层厚度，m3. 顶板载荷集度Qr的确定 顶板载荷集度，KN/m 用于倾斜锚杆设计的顶板载荷集度，KN/m4巷帮载荷的确定巷道两帮均为煤层时巷帮载荷集度两帮既有煤层又有岩层时的巷帮载荷集度 ht巷道切割岩层的总厚度，m。5顶板锚杆支护参数的设计 当顶板破坏高度

8、b0.2m时，顶板无须支护 ; 当顶板破坏高度，0.2b1.6m时； 当b1.6m时，应采用带倾斜锚杆的支 护系统(图2-3-15) 。当顶板破坏高度，0.2b1.6m时 a锚杆长度lbr 锚杆外露长度与锚固段长度之和，一般取 0.40.5m。 b锚杆杆体直径：根据设计锚固力选取 c锚杆排距 d. 每排锚杆个数 将每排锚杆个数N取整数N，然后在计算Dr 如果Dr1.2，取Dr1.2； 如果Dr=0.8m，锚杆钢筋梁或桁架。 当Ky 0.450.6)， 当b =0.8m，锚杆钢筋梁网。 当Ky =0.8m，锚杆W钢带网。 当Ky 0.45，必须缩小锚杆间距、排距。 锚杆个数 Dr和N取相应系列的

9、整数。 当Dr0.6m，取Dr0.6m。当b1.6m时，采用带倾斜锚杆的支护系统a倾斜锚杆长度lbi bs倾斜锚杆在破坏范围的长度，m。 当lbi2m时，取lbi 2m。b钢带排距：Dr钢带排距，m；K1安全系数，取1.21.5；Pri倾斜锚杆拉拔力，kN；倾斜锚杆安装角（与铅垂方向），一般取3045度。c. 顶板锚杆 锚杆长度lbrh0巷道中高，m。 锚杆间距：t岩层组合高度，t 0.35ab1/2r岩层内摩擦角，度。 每排锚杆个数d. 锚杆支护形式的确定 当Ky 0.61，锚杆+W钢带； 当Ky 0.450.6)，全长锚固锚杆W钢带网 当Ky 0.45，全长锚固锚杆W钢带网，并缩小间距、排

10、距。 当Ky 0.45，必须缩小锚杆间距、排距。 锚杆个数 Dr和N取相应系列的整数。 当Dr0.6m，取Dr0.6m。6巷帮锚杆支护参数的设计 巷帮破坏宽度C0.3m时，巷帮可不支护。 当巷帮破坏宽度，0.3C1.5m时； 当巷帮破坏宽度，C 1.5m时。 当巷帮破坏宽度，0.3C1.5m时 a锚杆长度 lbs = C+ b每排锚杆个数 Ps帮锚杆拉拔力，kN。当巷帮破坏宽度，C 1.5m时 采用带倾斜锚杆的支护系统（图2-3-15）。a倾斜锚杆长度lbsi 倾斜锚杆安装角（同水平方向夹角），度。 Dso倾斜锚杆孔口到顶板的距离，一般取Dso=0.3m， =30。当巷帮破坏宽度，C 1.5m

11、时b钢带排距：Dr钢带排距，m；K1安全系数，取1.21.5；Prs倾斜锚杆拉拔力，kN；当巷帮破坏宽度，C 1.5m时c. 巷帮中部锚杆：长度：倾斜锚杆长度。每排锚杆个数式中，hc被巷道切割的煤层厚度，m。当巷帮破坏宽度，C 1.5m时d. 当C 1.3m时，巷帮支护应该加网。不要求锚杆伸入坚固岩层中。这样锚杆长度和间距之间 必须满足某种关系，才能形成一定厚度的挤压加固拱，以支 承地压，按照挤压加固拱理论，加固拱厚础与锚杆长度和间 距之间的关系可按下式b加固拱厚度，m；L锚杆的有效长度，m；锚杆在松散体中的控制角，度；a锚杆的间距。根据上式，如果按常用锚杆18002200和间、排距 5008

12、00，则加固拱厚度将为12001400，相当于34 层料石碹拱的厚度。（二） 按挤压加固拱理论计算锚杆参数组合拱作用计算锚杆参数 由锚杆预应力形成的承压拱稳定性，可按 照结构力学理论由拱座处岩石的最大抗压 强度、岩拱的抗剪能力及岩拱保持其承载 拱形状的变形等三个方面校核，并确定锚 杆参数；也可按照固体力学理论由弹塑性解试算锚 杆参数。 根据锚杆组合拱作用，巷道围岩内的锚杆 将在破裂区内形成一个防止破裂区扩展到 承压拱，可以承受破裂区上部岩石的径向 荷载。组合拱作用计算锚杆参数 1. 喷射混凝土的最大支护力 2. 金属网的最大支护力 3. 锚杆的最大支护力 4. 岩石承压拱的最大支护力 5. 锚

13、喷总支护力 6. 承压拱计算实例 Rabcewicz, 当原岩水平应力分量与垂直应力分量之比 小于1时，巷道可能的破坏形式是在两帮形成楔体剪 切滑移。 如果以圆形断面巷道中心为原点作极坐标系，坐标系 的垂直轴为极轴，并将楔形滑体的滑动迹面线用极径 的矢端轨迹)K表示，则当极角沿反时针旋转到剪切破 坏角时，极径矢端与巷道边界的交点A就是滑动迹线 的一个起点，它的另一个起点A可以按照对称性在巷 道边界的另一侧找到，图49-6所示。 对于半径ri的圆形巷道，两帮楔形滑体的滑移迹线方 程式为；喷 层 与 围 岩 剪 切 破 坏 原 理1. 喷射混凝土的最大支护力 滑移迹线方程 由图49-6的几何关系不

14、难得到楔形滑体在巷道边 界出露的宽度b： 为了阻止楔形滑体的滑动，混凝土喷层应有足够 抗剪强度Tc，如果假定它们在喷射混凝土喷层中 是均匀分布的，考虑到滑体平衡条件，可以得到 喷射混凝土最大支护力(承载力)：2. 金属网的最大支护力 按照混凝土喷层抗剪作用分析的同样步骤 ，以得到金属网的最大支护力3. 锚杆的最大支护力 对于全长锚固式锚杆， 如果考虑抗剪切情况，锚杆应该体供的最 大支护力是： 0岩石滑移线的最大倾角，根据滑移线方 程求，当= ri + t 时， t-承压拱厚度，m。 需要指出，对于端头锚固式描杆，Tbf应该 取拉拔试验得到的锚固力与锚杆杆体抗拉 断力中数值较小者。4. 岩石承压

15、拱的最大支护力 根据对楔形滑体的平衡分析，得到在锚喷加固条件下岩石头承压拱的最大支护力此时，岩石承载拱滑移迹线长度a近似表达式为5. 锚喷总支护力 锚喷支护的最大总支外力就是支护系统对巷道围岩施加的径向约束力和支护系统包括围岩承压拱的承载能力，它们都分别用最大支护力表示，可以近似的得到6. 承压拱计算实例 巷道半径5.33m，埋深122m。 原岩应力P0为3.13MPa，侧压系数为1。 岩体弹性模量为1.38GPa，泊松比0.2，容重 0.02MN/m3, S=0，内摩擦角30度； 岩石抗压强度69MPa。 锚杆长度3m，直径0.025m，弹模207GPa，Q 0.143m/MN，Tbf 0.285MN，Sc Sl1.52m， Uio0.025m。 1）锚杆与岩石的最大支护力 （1）承压拱厚度 t2.49 m； （2）滑移迹线最大倾角068.06度 （3）锚杆最大支护力Psbmax 0.07011）锚杆与岩石的最大