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1、锚杆支护设计方法,马小钧 高级工程师,马小钧 简介,马小钧 男，1961年生于山东省安邱市。1986年毕业于山东矿业学院采矿系，采矿高级工程师。中国煤炭工业协会煤矿支护专业委员会特聘专家。劳动人口部煤炭系统高级职业考评员，际专利技术开发投资公司顾问。,目 录 1.锚杆支护技术现状 2.理论研究的必要性 3.研究目的 4.主要研究成果 5.煤巷围岩分类方法 6.参系数的选取 7.煤巷锚杆支护设计方法 8.监测与管理 9.后话,1.锚杆支护技术现状 1.1锚固技术的发展史 锚固技术的使用距今已有90年的历史。 1912年美国在煤矿使用锚杆支护顶板；阿伯施莱辛(Aberschlesin)的弗里登斯（
2、Friedens）煤矿 1915年至1920年在金属矿山也开始使用锚杆； 1934年阿尔及利亚在筑坝工程中使用预应力锚杆；(舍尔法坝加高),1957年德国在土层深基坑中使用锚杆；（Bauer公司） 60年代出现顶板桁架(桁架锚杆)和螺纹锚杆； 1987年意大利大坝加固使用全长锚固锚杆(瑞士P.埃格)； 80年代土尔其、苏联、德国开始使用注浆锚杆。(C.比隆，E.阿里欧格卢矿井支护技术),1.2理论研究 悬吊作用理论：1952年路易斯帕内科(Louis Panek)等提出； 组合梁作用理论：雅可比(Jacobio)等提出； 组合拱理论：1955年由奥地利学者L.拉布希维兹(Rabcewicz)提
3、出； “新奥法”：1963年首次由L.拉布希维兹提出，1978年由L.米勒在日本讲学时系统总结为新奥法,原理22条的隧道施工理念。1980年5月曾来我国讲学。 新奥法的核心是：变载荷体（围岩）为承载结构，使围岩与支护结构共同形成一个支承环，充分调动围岩的自承能力。它摒弃了隧道力学中传统的以普氏理论和太沙理论为代表的松动地压理论，将岩体视为承载体。,1.3应用现状 目前锚杆支护非常普遍（每年使用的锚杆数量多达3亿根左右）。锚杆的种类繁多（多达600余种）。常见的有：木锚杆、竹锚杆、倒楔式锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、管缝锚杆、塑料胀壳式锚杆、钢筋树脂锚杆、注浆锚杆，还有：水胀式、爆炸式、套管摩擦式、弹簧
4、式锚杆等等。 美国、澳大利亚：在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了100%；,英国：在煤矿巷道支护中的比例也达到了80%以上； 法国、德国，俄罗斯等国锚杆支护的使用比例也在逐年增加； 日本、印度、新西兰、挪威等国也有广泛应用； 世界各国在煤炭、冶金、水利、水电、铁路隧道、地铁、公路、军工等众多的岩土工程领域，均已成功地应用了锚固技术。,中国： 1956年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有46年历史。 20世纪60年代，普通砂浆锚杆和喷射混凝土支护开始大量应用于矿山巷道、铁路隧道和边坡加固工程中。 1964年梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索； 1995年国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护率为28
5、.19%，其中岩巷中占57.2%，半煤岩巷中占,30.07%，煤巷中占15.15%。 “九五”期间，原煤炭工业部将“锚杆支护”列为煤炭工业科技发展的五个重点项目之一， 计划到2000年，国有重点煤矿锚杆支护率达到50%，其中煤巷30%，半煤岩巷60%，岩巷80%。经过高校、科研和生产单位的联合攻关，煤巷锚杆支护技术有了较大提高，煤巷中锚杆支护的应用也有了迅速发展。 1998年全国煤巷锚杆支护率已提高到20.14%。,2. 研究的必要性 由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现已发展成为煤炭、冶金、水利、水电、地铁、隧道、公路、军工等地学领域的一种行之有效的支护手段。 2.1锚杆支护比框式支架支护具
6、有显著优越性 A.主动支护,变载荷体为承载体，充分利用围岩的自承能力。 B.改善围岩应力状态，提高围岩的自承能力。,及时补充第三向应力，有效避免围岩强度的过度衰减； C.锚杆与围岩同步变形，可实现有约束让压,从而保持巷道围岩长期稳定； D.简化了回采工艺，提高了回采工作面的推进速度； E.节省支护钢材，降低支护成本； F.减少支护材料的运输工作量， G.减轻了工人的劳动强度； H.利于机械化作业和提高掘进速度。,2.2锚杆支护理论研究相对落后 正是基于上述优越性，大屯矿区的煤巷锚杆支护在矿区空前发展。自99年已来，矿区煤巷锚杆支护率均在50已上，使用范围不断扩大：综采、综放、轻放、高档、高放、
7、水采等几乎所有的采煤工艺的回采巷道，条件适宜的均使用了锚网支护。然而，由于锚杆支护的对象巷道围岩本身所固有的非均质性、非连续性、各向异性以及,采掘过程的复杂性等，理论上不完善、机理的认识上不统一，锚杆支护设计上很难做到科学化、系统化、规范化。致使许多锚杆支护设计大都是按经验或工程类比法来完成的。参数设计不尽合理。锚杆支护的实践（设计、施工）带有一定的盲目性。 2.2.1 现行锚杆支护设计方法的弊端 由于理论上的相对滞后，现行设计基本上是参照前苏联的设计方法，或工程类比法。其缺点：,a.先设计从锚索，再设计锚杆，违反客观规律； b. 许多计算是依照不同国度的某些统计经验来完成的，缺乏针对性； c
8、. 设计缺乏系统性； d. 未考虑采动影响； e. 未考虑煤岩体与煤岩试块间力学参数的差异(煤岩体的节理裂隙)； f. 系数多、取值难。,2.2.2安全上可靠性没保障 由于对锚杆支护机理上不清、理解不深，造成设计上不规范、不合理、施工上不能保证工程质量这正是近年来在煤巷锚杆支护过程中事故频出的主要原因。大屯同许多局矿一样（如姚桥7359切眼）都相继出现大面积冒顶，更多的是一些未遂事故。安全问题已成为煤巷锚杆支护健康发展的一大障碍。,2.2.3经济上造成浪费 由于没有系统的理论指导，设计上都无法实现技术经济效益最大化，锚杆支护本身所具有的巨大技术经济潜力得不到充分发挥。 2.3生产实践的需要 支
9、护技术发展到今天，锚杆支护显著的优越性已成共识，锚杆支护技术在生产实践中高速发展和支护理论相对滞后的矛盾日益突出。迄今为止，锚杆支护的理论学说诸子百家，但真正能够方便用于现场设计指导生产的并不多。没有可靠的理论指导，就没有系统、,科学、规范的设计，也就丧失了安全的保障。其结果往往要么造成支护失败、甚至酿成事故，要么过于保守、造成经济上的巨大浪费。锚杆支护技术在工程实践中的广泛应用，迫使我们不得不面对这样一个课题：如何使设计做到技术上更可行、安全上更可靠、经济上更合理这实质上正是评价一个支护设计优劣的唯一标准。 2.3.1技术可行性准则:技术可行性是技术本身在实施过程中的难易程度和可操作性。技术
10、可行性是支护设计的前提，是实现安全可靠性和经济效益最大化准则的基础。,2.3.2安全可靠性准则:控制巷道围岩在生产过程中的相对稳定性，实现安全生产，是支护的根本目的。因此，安全可靠性是支护设计的先决条件。 2.3.3经济效益最大化准则:在技术上可行、安全上可靠的前提下，追求经济效益的最大化是支护设计的最终目的，也是设计工作者所应追求的最高境界。 上述设计准则实质上是设计的最终目标。支护设计只有做到科学化、规范化，才是实现安全技术经济效益最大化设计目标的唯一途径。 因此，支护设计必须有与设计对象客观条件相适应的、明确的理论依据，尽可能详实的地质力学基础,资料，严瑾的系统化设计理念，明确的优化指标
11、，及相应的信息反馈和处理系统。为促进锚杆支护技术的健康发展，提高锚杆支护系统的可靠性、实现锚杆支护的效益最大化，研究切合本矿区特点的煤巷锚杆支护理论迫在眉睫，支护设计的规范化、科学化势在必行。 鉴于此，针对本矿区的煤层赋存条件和开采技术特点，研究适合本矿区煤层条件和围岩特征的锚杆支护理论体系和设计方法，是进一步推动矿区锚杆支护技术健康发展、充分发挥锚杆支护潜在的巨大优越性的必由之路。也是挖潜降耗、建设高产高效矿井的需要。,3研究目标 立足本矿区特点，确定适合本矿区特点的煤巷锚杆支护理论依据，提出更具针对性的围岩分类方法，有意义明确的围岩分类指标，围岩分类与支护参数设计紧密联系起来，系数易于选取
12、、并可通过不断监测反馈实现优化。从而实现煤巷锚杆支护的安全可靠性和技术经济效益最大化目标。,4. 主要研究成果 4.1提高了认识、积累了经验 在10多年锚杆支护实践的同时，开展了大量基础研究工作：广泛开展了煤岩物理力学参数的测量分析，原岩地应力测量工作也已初步展开，为巷道围岩分类提供了可靠的依据；围岩分类又使人们对整个矿区的围岩特征有了比较清楚的认识；巷道围岩松动圈的实地测量，加深了人们对巷道开掘引起的应力重新分布和应力集中，以及由于应力集中引起的围岩的破坏形态等问题的认识，在一定程度上推动了矿区锚杆支护的发展。,4.2建立适合的煤巷围岩分类标准 针对具体的煤层赋存条件和开采技术条件，从围岩分
13、类的原则分类指标的选取影响分类指标的主要因素及取值直至围岩分类，系统全面地研究了适合大屯矿区的煤巷围岩分类方法。实现了用意义明确的量化指标，来定量地确定围岩的类别问题。,4.3提出了煤岩体物理力学参数修正系数 K2 以及通过实验室测试所获得的煤岩块物理力学参数和通过反分析方法确定的K2，来确定煤岩体物理力学参数的问题。解决了煤巷围岩分类及锚杆支护参数设计过程中所涉及到的煤岩体物理力学参数的取值难题。,4.4提出采动影响系数 K1，解决取值问题 采动影响是决定受采动影响巷道围岩类别和锚杆支护参数的最主要因素之一。根据现场受采动影响巷道围岩变形的变化规律和实验室物理模拟的试验结果，创造性地提出并解
14、决了采动影响系数K1的取值问题，从而不仅在理论上探讨了采动影响系数K1对围岩类别等的影响。而且在实际应用上，也使采动影响系数K1能真正参予到围岩分类指标及锚杆支护参数的计算里去。,4.5 较好地解决围岩分类结果同支护参数设计的脱节问题 把用于围岩分类的主要指标同支护参数设计紧密联系在一起，明确了何种情况必须采取锚索加固等问题。从而使锚杆索）支护参数设计步骤清晰、参与计算的因素意义明确、设计结果更趋合理。,5.围岩分类 5.1 围岩分类与支护设计的关系 围岩分类是一个宏观的概念，旨在给人以粗线条的认识，在没有支护理论或支护理论发展的初期，它曾一度是我们进行支护设计的方法，其实质是经验类比型设计方
15、法。围岩分类结果只能用来宏观确定支护形式，而无法直接进行支护参数的设计与优化。因此，那种企图以分类代替设计的观点是幼稚的。围岩分类工作和支护参数设计工作是整个支护设计过程的两个阶段。两者既有密切联系又相对独立，不能互为代替。围岩分类结果用来进行支护方案的选择，参数设计则是支护方案的具体量化体现。,5.2围岩分类方法的确定与分类指标计算 5.2.1分类方法的确定 原则：针对本矿区巷道的围岩特点，确立有意义明确的综合分类指标，参数容易获取，方法易于掌握，并与支护设计联系在一起。 围岩的分类方法很多，自罗曼首次提出围岩分类概念以来，从早期的普氏围岩硬度分类法、到董氏围岩松动圈分类法、煤岩截割阻抗分类
16、法、蒋氏,亚分类法、极限平衡区分类法，还有专门的软岩分类法等，均代表着人们在不同发展时期各自对支护对象的认知程度，各自从不同的角度去尽可能准确地描述支护对象、从而提出相应的支护形式。从这个意义上说，无论何种分类方法，只要能够更准确地描述和反应支护对象、并与支护设计有机地联系起来，就是好方法。,基于上述基本指导思想，决定以极限平衡区深入巷道围岩的深度为主要指标，以巷道周边位移u为辅助指标，进行巷道围岩分类。二者都是影响巷道围岩稳定性各种因素的综合反映，用主要指标划分围岩类别，以及进行锚杆支护设计，用辅助指标和实测结果的差异反馈初始设计中可能存在的问题，并以此为依据，修改初始设计。,5.2.2分类指标的计算 从某种意义上讲，极限平衡区深入巷道围岩的深度和巷道周边位移综合地反映了巷道围岩的稳定状况和矿压显现的显现形式。根据弹塑性理论，双向等压情况下，受采动影响圆形巷道的极限平衡区半径及周边位移可表示为：,Ra,式中：极限平衡区深入围岩的深度； Pi支护阻力； H原岩应力； a巷道当量半径；R
