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1、汾西矿业集团巷道支护理论计算设计措施（草稿）生产技术部8月前 言煤矿巷道支护有架棚、料石砌碹、锚杆等一系列支护形式,架棚和料石砌碹等支护是被动支护，由于成本高、进度慢、消耗体力大、支护效果差等因素逐渐被裁减。而锚杆支护在煤矿巷道支护中占主导地位,是唯一能实现安全、迅速、经济的一种支护形式。目前无论在国内还是国外，煤矿巷道都优先采用锚杆支护，锚杆支护已成为巷道支护发展的方向。支护设计是巷道支护中的一项核心技术,对充足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,就会导致两个极端:其一是支护强度太高,不仅挥霍支护材料，并且影响掘进进度;其二是支护强度不够，不能
2、有效控制围岩变形,浮现冒顶事故。目前,国内外锚杆支护设计措施重要分为三大类：工程类比法、理论计算法和数值模拟法。工程类比法涉及：根据已有的巷道工程，通过类比提出新建工程的支护设计;通过巷道围岩稳定性分类提出支护设计;采用简朴的经验公式拟定支护设计。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。由于多种支护理论都存在着一定的局限性和使用条件,并且很难比较精确、可靠地拟定计算所需要的某些参数。因此，根据理论计算所做的设计成果诸多状况下只能作为参照。随着数值计算措施在采矿工程中的大量应用，采用数值模拟法进行锚杆支护设计也得到了较快发展。与其她设计措施相比，
3、数值模拟法具有多方面的长处,如可模拟复杂围岩条件、边界条件和多种断面形状巷道的应力场与位移场；可迅速进行多方案比较，分析各因素对巷道支护效果的影响;模拟成果直观、形象，便于解决与分析等。数值模拟法已经在美国、澳大利亚及英国等锚杆支护技术先进的国家得到广泛应用。如澳大利亚锚杆支护设计措施就是在巷道围岩地质力学测试与评估的基本上，采用数值模拟分析结合其她措施提出锚杆支护初始设计,然后进行井下监测,根据监测数据验证、修改和完善初始设计。尽管数值模拟法还存在诸多问题,如很难合理地拟定计算所需的某些参数，模型很难全面反映井下巷道状况，导致计算成果与巷道实际状况相差较大。但是，数值模拟法作为一种有前程的设
4、计措施，通过不断的改善和发展，会逐渐接近于实际。近来,国内在锚杆支护设计措施方面做了大量工作。在借鉴国外先进设计措施的基本上,结合国内煤矿巷道的特点,提出动态化、信息化的设计措施，符合煤矿巷道地质条件复杂性、多变性的特点。这种设计措施已经在多种矿区得到推广应用，锚杆支护设计的可靠性、合理性和科学性得到明显提高。同煤集团的巷道支护技术相对落后，工程技术人员的理论基本知识和实践经验存在一定差距，目前主线无法用数值模拟法进行巷道支护设计,只能采用理论计算法进行巷道支护设计,但是各矿选用的计算公式五花八门，不规范、不统一。为了规范巷道支护设计，生产技术部组织人员编写了“同煤集团巷道支护理论计算设计措施
5、”，仅供参照。 生产技术部 8月目 录第一部分 有伪顶巷道支护设计（5)第二部分自然平衡拱顶板支护设计（7）第三部分 复合层顶板支护设计(）第四部分 一般放顶煤巷道支护设计（1)第五部分特厚放顶煤巷道支护设计（14)第六部分 极近距离煤层巷道支护设计(17）第七部分 岩石拱形巷道支护设计措施（20)第八部分 计算参数的修正(21）第九部分 支护设计实例(2）参照文献 (29)第一部分 有伪顶巷道支护设计诸多煤巷顶板存在一层或几层极易冒顶的伪顶，此类顶板应采用锚杆、锚索联合支护方式，选用悬吊理论进行设计。锚杆的作用是将巷道顶板较弱易冒落的岩层悬吊在上面稳定岩层上,以增强软弱岩层的稳定性。锚索锚固
6、在深部围岩里，调动深部围岩的强度,对锚杆锚固的岩体起悬吊和保护作用。悬吊理论力学模型如图1。图悬吊理论力学模型、锚杆长度 式中锚杆长度，m； 锚杆外露顶板长度，m; 锚杆的有效长度,不不不小于不稳定岩层的厚度，m； 锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取0m，麻花头锚杆一般取.30m；2、锚固力的拟定锚杆的锚固力不应不不小于被悬吊不稳定岩层的重量，按下式计算。式中 锚杆锚固力，N; 安全系数，一般取23; 、锚杆间排距,m； 易冒落岩石平均重力密度，N/m3;3、锚杆的直径式中 锚杆直径,； 锚杆杆体的屈服强度,a。4、锚索的长度式中锚索长度，； 锚索外露顶板长度,m; 锚索的有效长度,不不不小于锚
7、杆锚固岩层的厚度,m； 锚索的锚固长度,一般取152；5、锚索间排距的拟定锚索的间距应根据锚杆的间距拟定，每3根锚杆应布置1根锚索。锚索的排距按下式计算：式中 、锚索间距、排距,m; 锚索承载力,查材料强度检查报告可得，KN； 安全系数，一般取5;锚杆锚固岩层的厚度，,m；锚杆锚固岩层平均重力密度,KN/m3;、锚索的锚固力锚索的锚固力应不不不小于锚索的承载力，即：式中:锚索锚固力，KN;锚索承载力，KN。第二部分 自然平衡拱顶板支护设计巷道开掘后,如顶板裂隙发育、破碎，在地应力的作用下,浅部围岩发生破坏易冒落,而在深部一定范畴内形成自然平衡拱,自然平衡拱以上的岩体是稳定的。此类顶板应采用锚杆
8、、锚索联合支护方式，锚杆的作用是将巷道顶板自然平衡拱下部易冒落的岩石悬吊在上部稳定的岩石上,锚索锚固在深部围岩里，调动深部围岩的强度，对锚杆锚固的岩体起悬吊和和保护作用。可见，自然平衡拱理论对锚杆支护作用的分析实质上是悬吊作用。自然平衡拱理论力学模型如图2。图2 自然平衡拱理论力学模型1、冒落拱高自然平衡拱高度，m；巷道掘进宽度,m;巷道掘进高度,m；两帮围岩的内摩擦角,查采矿工程设计手册表1437和表140。 、锚杆长度式中 锚杆长度，； 锚杆外露顶板长度，； 锚杆的有效长度,不不不小于自然平衡拱的高度，m； 锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取06m，麻花头锚杆一般取30.4m； 3、锚杆的锚
9、固力锚杆的锚固力不应不不小于被悬吊不稳定岩层的重量，按下式计算。式中 锚杆锚固力，KN; 安全系数,一般取3; 、锚杆间排距,m; 冒落拱岩石平均重力密度,KN/m；4、锚杆的直径式中 锚杆直径，m； 锚杆杆体的屈服强度，MPa。5、锚索的长度式中 锚索长度,m； 锚索外露顶板长度，m; 锚索的有效长度，不不不小于锚杆锚固岩层的厚度，m； 锚索的锚固长度，一般取1.52;、锚索的间排距锚索的间距应根据锚杆的间距拟定，每23根锚杆应布置根锚索。锚索的排距按下式计算：式中 、锚索间距、排距,m; 锚索承载力，查材料强度检查报告可得,KN； 安全系数，一般取25;锚杆锚固岩层的厚度，m;锚杆锚固岩层
10、平均重力密度,KN/3；7、锚索的锚固力锚索的锚固力应不不不小于锚索的承载力，即:式中:锚索锚固力,K;锚索承载力，KN。第三部分 复合层顶板支护设计煤系地层是层状沉积岩，有一类顶板每一层持续完整,层间有节理，如复合层顶板，此类顶板应采用锚杆、锚索联合支护方式，选用组合梁理论进行设计。锚杆的作用是将层状岩层组合起来形成组合梁构造,锚索锚固在深部围岩里，调动深部围岩的强度,对组合梁起悬吊和减跨作用,以增强组合梁的强度。组合梁理论力学模型如图。图3 组合梁理论力学模型、锚杆长度式中 锚杆长度,m; 锚杆外露顶板长度,m； 锚杆的有效长度， m； 锚杆的锚固长度,螺纹钢锚杆一般取61，麻花头锚杆一般
11、取0.30.4m；式中 安全系数,一般取5;组合梁岩层平均重力密度,N/m3； 组合梁最下一层岩石的抗拉强度MPa;2、锚杆间排距及杆体直径假设锚杆的间距与排距相等，即：式中 、锚杆的间距、排距；锚杆杆体直径，选择直径的锚杆，mm； 锚杆杆体材料的抗剪强度，查材料的强度检查报告可得,MPa；安全系数，一般取3,MPa；组合梁岩层平均重力密度，N/m3;巷道宽度,m。、锚杆的锚固力锚杆的锚固力应当不不不小于杆体屈服载荷。式中 锚杆锚固力,KN；锚杆直径，； 锚杆杆体的屈服强度，M。4、锚索的长度式中 锚索长度,m； 锚索外露顶板长度，m； 锚索的有效长度，组合梁的厚度,m; 锚索的锚固长度，一般
12、取.5m;、锚索的间排距锚索的间距应根据锚杆的间距拟定,每23根锚杆应布置1根锚索。锚索的排距按下式计算：式中 、锚索间距、排距，; 锚索承载力，查材料强度检查报告可得,KN; 安全系数,一般取25；组合梁岩层厚度，m;组合梁岩层的平均重力密度,KNm3；6、锚索的锚固力锚索的锚固力应不不不小于锚索的承载力,即：式中：锚索锚固力,N;锚索承载力,N。第四部分 一般放顶煤巷道支护设计一般放顶煤巷道(煤层厚度不不小于10米)沿煤层底板掘进，顶煤厚度36米,此类巷道应采用锚杆、锚索联合支护方式，应采用加固拱理论和悬吊理论进行设计。加固拱理论强调锚杆的群体作用，该理论觉得：顶板安装锚杆后，在锚杆的有效长度范畴形成了锥形体压缩区,只要锚杆间距足够小,各个锚杆形成的锥形体压缩区彼此重叠联结,便在围岩中形成了一种厚度为m的均匀持续压缩带，它不仅能保持自身的稳定,并且能承受地压，制止上部围岩的松动和变形。锚索锚固在稳定的岩石顶板上，对压缩带起减跨作用，并对顶煤起悬吊作用。加固拱理论、悬吊理论力学模型如图图4 加固拱理论、悬吊理论力学模型1、锚杆长度及间排距 式中 锚杆长度,; 锚杆外露顶板长度,m； 锚杆的有效长度，m; 锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般
