0-9.3锚杆支护设计全解优秀PPT.ppt

第九章第九章 巷道锚杆支护巷道锚杆支护o第一节 简介o其次节 锚杆支护原理o第三节 锚杆支护类型o第四节 锚杆支护设计第四节第四节 锚杆支护设计锚杆支护设计o一、工程类比法一、工程类比法o二、理论计算法二、理论计算法o三、数值模拟法三、数值模拟法o四、锚杆支护设计系统四、锚杆支护设计系统o五、锚杆支护设计实例五、锚杆支护设计实例一、工程类比法一、工程类比法o由于锚喷支护作用机理理探讨尚不完善，锚喷支护设计理论也不成熟。o因此，锚喷设计中通常接受工程类比法。o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。o工程类比法是建立在已有工程支护设计的成功阅历基础之上，在围岩条件、施工条件等各种影响因素基本一样的状况下，依据工程师的阅历和推断实力，选定待建工程锚杆支护类型及参数。锚杆支护参数锚杆支护参数o1）锚固力）锚固力o 锚杆安设在岩体内部，它的受力以及它作用于围岩锚杆安设在岩体内部，它的受力以及它作用于围岩的力同框式支架相比要困难很多。的力同框式支架相比要困难很多。o 锚固力：锚杆对于围岩的约束力。在实际应用中，锚固力：锚杆对于围岩的约束力。在实际应用中，大都以抗拔力为锚固力。大都以抗拔力为锚固力。o2）锚杆长度和直径）锚杆长度和直径o3）锚杆间距和排距）锚杆间距和排距图图9-3-1 锚杆约束围岩的力锚杆约束围岩的力项目参数金属锚杆直径（mm）1618202224金属锚杆长度（m）1.41.61.82.02.22.4表表9-3-1 顶板锚杆直径和长度参数顶板锚杆直径和长度参数3）锚杆的间排距）锚杆的间排距锚杆的间排距要依据顶板条件确定，一般间排距取锚杆的间排距要依据顶板条件确定，一般间排距取0.6m、0.7m、0.8m、1.0m。顶板条件良好，少数状况下可接受顶板条件良好，少数状况下可接受1.1m和和1.2m。依据选定的排距锚杆布置可接受正方形、长方形、依据选定的排距锚杆布置可接受正方形、长方形、五花形等型式，五花形等型式，巷帮锚杆可参照顶板锚杆，适当放宽间、排距。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岩类别围岩类别松动圈松动圈支护方法支护方法备注备注小小I稳定300二次支护无稳定期围岩松动圈分类表围岩松动圈分类表煤巷锚杆支护煤巷锚杆支护二、理论计算法二、理论计算法o（一）按悬吊作用计算（一）按悬吊作用计算o（二）按挤压加固拱理论计算（二）按挤压加固拱理论计算o（三）组合梁理论计算（三）组合梁理论计算o（四）高强预应力让压锚杆设计（四）高强预应力让压锚杆设计（一）（一）按悬吊理论确定支护参数按悬吊理论确定支护参数 1 1）锚杆长度）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，由拉拔试验确定；当围岩松软时还要加大。对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度有效长度则为L2+L3。当干脆顶须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裂开带时，L2应大于巷道松动裂开区高度hi，hi可按下式确定：有效长度有效长度L L2 2的确定方法：的确定方法：式中，RMR 为CSIR地质力学分级岩体总评分；B 为巷道跨度。一般还可按L2=H进行计算，H为懦弱岩层厚度（或冒落拱厚度），m；懦弱岩层H的确定是依据地质资料，实测或阅历估计，冒落拱高度是按下式估算，即B-巷道掘进宽度；H0-巷道掘进高度。2 2）锚杆杆体直径）锚杆杆体直径 式中，d为锚杆杆体直径，；Q为锚固力，由拉拔试验确定，KN；t为杆体材料抗拉强度，MPa。锚杆杆体直径依据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即3）锚杆间、排距）锚杆间、排距 锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为a，并依据锚杆的锚固力应等于或大于被悬吊岩石的重，并依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：量的原则确定，即：式中，岩石重度，KN/m3;K锚杆平安系数，1.524 4）适用）适用悬吊作用适用层状岩、平顶巷道的锚杆支护。悬吊理论计算例子悬吊理论计算例子o某矿区段平巷沿顶板掘进，断面形态为矩形，宽3.6m，高2.4m。o干脆顶为砂质泥岩，容重为26kN/m3，抗压强度为20MPa，厚度为2.5m；老顶为致密细砂岩，厚度为6m，抗压强度为60MPa。o接受锚杆支护，锚杆为螺纹钢锚杆，抗拉强度为150MPa；接受端锚型式，锚固力为50kN。锚杆外露端为0.1m，锚固端长度为0.4m。o试依据悬吊理论计算锚杆长度、锚杆直径以及锚杆间距和排距（间排距相等）。o干脆顶粉砂岩单轴抗压强度为20MPa，所以普氏系数f=20/10=2。o冒落拱高度为H，o因此，所以锚杆的有效长度L2=H=1.6m。o锚杆的锚固端长度L3为0.4m；外露端长度L1为0.1m。o所以，锚杆总长度Lo锚杆直径为d，o锚杆间距和排距相等，平安系数取为1.8，则间距o所以，锚杆的设计参数为长度2.1m，直径19mm，间距和排距均为0.8m。煤巷锚杆支护设计（按悬吊作用）煤巷锚杆支护设计（按悬吊作用）o巷道开掘以后，两帮与顶底板都程度不同地出现确定范围的破坏区。o锚杆支护的作用就在于保持破坏区范围内岩层的稳定性。o锚杆支护设计的依据是悬吊原则，o第一，当顶板确定范围内有稳定岩层时，将破坏区载荷悬吊于稳定岩层上；o其次，当顶板确定范围内不存在稳定岩层时，将将破坏载荷悬吊于巷道两帮上部的岩层上；o第三，假如巷道两帮上部岩层中的锚固力3m的煤巷锚杆支护（悬吊作用）的煤巷锚杆支护（悬吊作用）锚杆支护设计主要是确定以下参数：（1）巷帮破坏深度C；（2）顶板破坏高度b；（3）顶板载荷集度Qr（4）两帮载荷集度Qs（5）锚杆参数o1巷道两帮破坏深度C的确定o2巷道顶板破坏高度b的确定o3.顶板载荷确定o4.巷帮载荷确定o5.顶板锚杆支护参数的设计o6.帮锚杆支护参数的设计oK应力集中系数，K=KsKaoKs与巷道断面形态有关的应力集中系数，按下页表选取。oKa受接近工作面采空区的影响系数，有下式确定。1.帮破坏深度帮破坏深度CoX煤柱实际宽度，对于两侧为实体煤的顺槽，取X为100m。orm老顶单向抗压强度，MPa；occ被巷道切割的煤层单向抗压强度，MPa；oh采高，m；oH巷道理深，m；ohi干脆顶厚度，m；ohc被巷道切割的煤层厚度，m；ol巷道切割煤层（岩层）的最大宽度(图2-3-13）hc的选取的选取o煤层倾角，；o巷道上覆岩层的平均容重，kNm3；o煤层波松比，用实测值，在无实测值状况下，按上页表确定；o煤层内摩擦角()，可由下式确定：=arctan(cc/10)2巷道顶板破坏高度巷道顶板破坏高度b的确定的确定o对于顶板为均质岩层对于顶板为均质岩层，b值由下式确定oa悬臂岩层的半跨距，其计算方法如图2-3-14所示，m；oC巷道两帮破坏深度，m；o侧压系数，=/(1-)；oKy顶板岩石完整性系数，可由下式确定。当D1D2 100，cr 100MPa时，Ky=1；D1节理间距，m；D2分层厚度，m；cr顶板岩石单轴抗压强度，MPa。o对于拱形巷道，对于拱形巷道，b值由下式确定o式中h0巷道高度，m。对于顶板岩层为非均质的状况，应分层计算顶板破坏深度。对于顶板岩层为非均质的状况，应分层计算顶板破坏深度。先按均质岩层计算顶板最下一层的先按均质岩层计算顶板最下一层的b值，得值，得b1。假如假如b1h1，说明破坏范围还要深化到上一岩层。这时，应把抛物，说明破坏范围还要深化到上一岩层。这时，应把抛物线拱在两岩层层面处的宽度作新的线拱在两岩层层面处的宽度作新的(a+C)值，再按均质岩层计值，再按均质岩层计算，计算其次个岩层的算，计算其次个岩层的b值，得值，得b2，然后再行推断。此过程反复进行，直到第然后再行推断。此过程反复进行，直到第n个岩层的个岩层的bn值小于该岩值小于该岩层厚度层厚度tn，则顶板岩层的破坏深度，则顶板岩层的破坏深度b为为ti岩层厚度，m3.顶板载荷集度顶板载荷集度Qr的确定的确定o顶板载荷集度，KN/mo用于倾斜锚杆设计的顶板载荷集度，KN/m4巷帮载荷巷帮载荷Qs的确定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oht巷道切割岩层的总厚度，m。5顶板锚杆支护参数的设计顶板锚杆支护参数的设计o当顶板破坏高度b0.2m时，顶板无须支护;o当顶板破坏高度，0.2mb1.6m时；o 当b1.6m时，应接受带倾斜锚杆的支护系统(图2-3-15)。当顶板破坏高度，当顶板破坏高度，0.2b 1.6m时时oa锚杆长度锚杆长度lbro 锚杆外露长度与锚固段长度之和，一般取锚杆外露长度与锚固段长度之和，一般取 0.40.5m。ob锚杆杆体直径：依据设计锚固力选取锚杆杆体直径：依据设计锚固力选取oc锚杆排距锚杆排距od.每排锚杆个数每排锚杆个数o将每排锚杆个数将每排锚杆个数N取整数取整数N，然后再计算，然后再计算Dro假如假如Dr1.2，取，取Dr1.2；o假如假如Dr1.2，从排距系列中取与之最近的排距。，从排距系列中取与之最近的排距。e.锚杆支护形式的确定锚杆支护形式的确定o当Ky 0.751，单体锚杆支护；o当Ky 0.60.75)，n当b 0.8m，单体锚杆大托板；n当b 0.8m，锚杆钢筋梁或桁架。o当Ky 0.450.6)，n当b 0.8m，锚杆网；n当b 0.8m，锚杆钢筋梁网。o当Ky 0.45，n当b 0.8m，锚杆网；n当b 0.8m，锚杆W钢带网。o当Ky 0.45，必需缩小锚杆间距、排距。o锚杆个数oDr和N取相应系列的整数。o当Dr0.6m，取Dr0.6m。当当b b1.6m1.6m时，接受带倾斜锚杆的支护系统时，接受带倾斜锚杆的支护系统a倾斜锚杆长度倾斜锚杆长度lbibs倾斜锚杆在破坏范围的长度，倾斜锚杆在破坏范围的长度，m。当当lbi2m时，取时，取lbi 2m。b钢带排距：钢带排距：Dr钢带排距，钢带排距，m；K1平安系数，取平安系数，取1.21.5；Pri倾斜锚杆拉拔力，倾斜锚杆拉拔力，kN；倾斜锚杆安装角（与铅垂方向），一般取倾斜锚杆安装角（与铅垂方向），一般取3045。c.顶板锚杆顶板锚杆o锚杆长度锚杆长度 lbrh0巷道中高，m。o锚杆间距：锚杆间距：t岩层组合高度，t 0.35ab1/2r岩层内摩擦角，度。o每排锚杆个数每排锚杆个数d.锚杆支护形式的确定锚杆支护形式的确定o当Ky 0.61，锚杆+W钢带；o当Ky 0.450.6)，全长锚固锚杆W钢带网o当Ky 0.45，全长锚固锚杆W钢带网，并缩小间距、排距。o当Ky 0.45，必需缩小锚杆间距、排距。o锚杆个数oDr和N取相应系列的整数。o当Dr0.6m，取Dr0.6m。6巷帮锚杆支护参数的设计巷帮锚杆支护参数的设计o巷帮破坏宽度C 0.3m时，巷帮可不支护。o当巷帮破坏宽度，0.3C 1.5m时；o当巷帮破坏宽度，C 1.5m时。当巷帮破坏宽度，当巷帮破坏宽度，0.3C 1.5m时时oa锚杆长度 lbs=C+ob每排锚杆个数oPs帮锚杆拉拔力，kN。当巷帮破坏宽度，当巷帮破坏宽度，C 1.5m时时o接受带倾斜锚杆的支护系统（图接受带倾斜锚杆的支护系统（图2-3-15）。）。oa倾斜锚杆长度倾斜锚杆长度lbsio倾斜锚杆安装角（同水平方向夹角），度。倾斜锚杆安装角（同水平方向夹角），度。oDso倾斜锚杆孔口到顶板的距离，一般取倾斜锚杆孔口到顶板的距离，一般取Dso=0.3m，=30。b钢带排距：钢带排距：Dr钢带排距，钢带排距，m；K1平安系数，取平安系数，取1.21.5；Prs倾斜锚杆拉拔力，倾斜锚杆拉拔力，kN；c.巷帮中部锚杆：巷帮中部锚杆：长度：倾斜锚杆长度。长度：倾斜锚杆长度。每排锚杆个数每排锚杆个数式中，式中，hc被巷道切割的煤层厚度，被巷道切割的煤层厚度，m。d.当当C 1.3m时，巷帮支护应当加网。时，巷帮支护应当加网。不要求锚杆伸入坚实岩层中。这样锚杆长度和间距之间必需满足某种关系，才能形成确定厚度的挤压加固拱，以支承地压，依据挤压加固拱理论，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；锚杆在松散体中的限制角，度；a锚杆的间距。依据上式，假如按常用锚杆18002200和间、排距500800，则加固拱厚度将为12001400，相当于34层料石碹拱的厚度。（二）（二）按挤压加固拱理论计算锚杆参数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组合拱作用计算锚杆参数o由锚杆预应力形成的承压拱稳定性，可依据结构力学理论由拱座处岩石的最大抗压强度、岩拱的抗剪实力及岩拱保持其承载拱形态的变形等三个方面校核，并确定锚杆参数；o 也可依据固体力学理论由弹塑性解试算锚杆参数。o依据锚杆组合拱作用，巷道围岩内的锚杆将在裂开区内形成一个防止裂开区扩展到承压拱，可以承受裂开区上部岩石的径向荷载。组合拱作用计算锚杆参数组合拱作用计算锚杆参数o1.喷射混凝土的最大支护力o2.金属网的最大支护力o3.锚杆的最大支护力o4.岩石承压拱的最大支护力o5.锚喷总支护力o6.承压拱计算实例oRabcewicz,当原岩水平应力重量与垂直应力重量之比小于1时，巷道可能的破坏形式是在两帮形成楔体剪切滑移。o假如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可以依据对称性在巷道边界的另一侧找到，下页图所示。o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o滑移迹线方程o 由图49-6的几何关系不难得到楔形滑体在巷道边界出露的宽度b：o为了阻挡楔形滑体的滑动，混凝土喷层应有足够抗剪强度Tc，假如假定它们在喷射混凝土喷层中是匀整分布的，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金属网的最大支护力o依据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.锚杆的最大支护力锚杆的最大支护力o对于全长锚固式锚杆，o假如考虑抗剪切状况，锚杆应当供应的最大支护力是：o0岩石滑移线的最大倾角，依据滑移线方程求，当=ri+t 时，ot-承压拱厚度，m。o 须要指出，对于端头锚固式描杆，Tbf应当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.岩石承压拱的最大支护力岩石承压拱的最大支护力o依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此时，岩石承载拱滑移迹线长度a近似表达式为近似表达式为5.锚喷总支护力锚喷总支护力o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实力，它们都分别用最大支护力表示，可以近似的得到6.承压拱计算实例承压拱计算实例o巷道半径5.33m，埋深122m。o原岩应力P0为3.13MPa，侧压系数为1。o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；o岩石抗压强度69MPa。o锚杆长度3m，直径0.025m，弹模207GPa，Q0.143m/MN，Tbf 0.285MN，Sc Sl1.52m，Uio0.025m。o1）锚杆与岩石的最大支护力）锚杆与岩石的最大支护力o（1）承压拱厚度 t2.49 m；o（2）滑移迹线最大倾角068.06o（3）锚杆最大支护力Psbmax 0.0701o（4）o2）支护系统供应的最大支护力3）锚杆刚度与变形o4）支护系统受到的围岩压力5）平安系数三、数值模拟分析法三、数值模拟分析法o1）应用广泛。o2）求解过程：o建模，求解大规模的方程。o影响因素：问题，介质，精度，边界条件和初始条件，参数选取，软件。o3）数值模拟软件：）数值模拟软件：o（1）有限元软件：ANSYS,MARCo（2）离散元软件：UDEC,3DECo（3）有限差分软件：FLAC 3D.o“大变形”问题四、系统设计法四、系统设计法o系统设计法的6步骤：（一）地质力学评估（围岩应力状态、岩体力学参数）；（二）初始设计（以数值模拟为主，辅以工程类比和理论计算）；（三）稳定性分析；（四）施工；（五）监测（锚杆受力、顶板位移）；（六）信息反馈与修改。（一）地质力学评估（一）地质力学评估o内容：地应力状态和围岩力学性质地应力状态和围岩力学性质o1）地应力状况：）地应力状况：大小，方向，梯度。o测量方法：测量方法：o测量结果：测量结果：大部分矿区以水平应力为主。o应力大小估算：应力大小估算：o（1）埋深小于）埋深小于500m时，最大及最小水平主应力时，最大及最小水平主应力o应力大小估算：应力大小估算：（2）埋深大于）埋深大于500m时，时，o原岩主应力的影响：原岩主应力的影响：巷道轴向与最大主应力的关系。巷道轴向与最大主应力的关系。2）巷道状况调查以及围岩力学参数确定）巷道状况调查以及围岩力学参数确定o顶底板岩层数目和厚度；o岩层节理、裂隙间距；o分层厚度；o岩层的弹模、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角o煤层厚度、倾角；o煤层单轴抗压强度；o巷道埋深；o地质构造；o水文地质；o煤柱宽度、几何形态及尺寸。o3）围岩类别的判定。（二）锚杆支护初始设计o在巷道围岩地质力学评估的基础上，以数值模拟为主，辅以工程类比和理论计算。o考虑到的因素：（1）巷道布置方向；（2）煤柱尺寸；（3）钻孔直径；（4）锚固形式；（5）锚杆直径；（6）锚杆强度；（7）锚杆长度；（8）锚固剂型号（树脂卷型号）；（9）锚杆间距0.61.4m；（10）锚杆排距0.61.2m；（11）托盘、钢梁、护网；（12）锚索。o（1）巷道布置方向：）巷道布置方向：范围0-90o夹角越小，受力越小，位移越小，巷道越稳定。o（2）煤柱尺寸；）煤柱尺寸；o无煤柱、小煤柱（35m）、中等煤柱、宽煤柱o最小，小，大，原岩应力。o（3 3）钻孔直径，）钻孔直径，o43、33、28mmo（4）锚固形式；）锚固形式；o全长锚固o端头锚固o（5）锚杆直径，）锚杆直径，o16、18、20、22、24mmo（6）锚杆强度；）锚杆强度；o圆钢，螺纹钢，高强锚杆，预应力圆钢，螺纹钢，高强锚杆，预应力o（7）锚杆长度；）锚杆长度；o1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6mo（8）锚固剂型号（树脂卷型号），）锚固剂型号（树脂卷型号），o直径：一般比钻孔直径小直径：一般比钻孔直径小2-3mm。o长度：按须要锚固的长度确定长度：按须要锚固的长度确定o（9）锚杆间距：）锚杆间距：0.61.4m：o0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.4o（10）锚杆排距：）锚杆排距：0.61.2m；nI：0.8-1.2；II：0.8-1.0；III-V：0.6-1o（11）托盘、钢梁、护网）托盘、钢梁、护网o（12）锚索，长度小于）锚索，长度小于12m。顶板破坏深度超过2.4m；顶板层理、节理发育，且高水平主应力时；巷道断面较大，巷道宽度大于4m，且高度大于3m。o方案优选原则：方案优选原则：o巷道围岩变形量小，塑性区小，方案经济便宜。（三）初始选定方案的巷道稳定性系统校核（三）初始选定方案的巷道稳定性系统校核o两帮稳定性o顶板稳定性o侯超炯，煤巷锚杆支护P3137（四）现场施工（四）现场施工o工序：工序：o主要工序：打锚杆眼、搅拌树脂药卷、上紧螺母；主要工序：打锚杆眼、搅拌树脂药卷、上紧螺母；o帮助工序：铺网帮助工序：铺网/喷射混凝土、安设钢带或钢梁等待药卷固喷射混凝土、安设钢带或钢梁等待药卷固化等。化等。o钻孔钻孔锚杆钻机。锚杆钻机。o快速安装快速安装钻机上紧螺母。钻机上紧螺母。（五）现场监测（五）现场监测o监测内容：o（1）巷道表面位移；o（2）巷道围岩深部位移；o（3）全长锚固锚杆的受力分布；o（4）端部锚杆的荷载大小；o（5）锚杆锚固区内、外离层值。（六）信息反馈与修改（六）信息反馈与修改o依据监测结果刚好对初始设计分析；o锚杆支护效果好，按初始方案施工；o效果不好，修改设计施工监测信息反馈锚杆支护效果好.第五节第五节 锚杆支护设计实例锚杆支护设计实例o一、小松动圈设计实例o二、按悬吊作用计算锚杆支护实例o三、大松动圈支护设计实例o四、锚杆桁架支护设计实例o五、锚索支护设计实例一、小松动圈设计实例一、小松动圈设计实例o 鸡西矿务局东海煤矿鸡西矿务局东海煤矿 o(一一)工程概况工程概况o东海矿二水平暗斜井，埋深埋深208m208m，巷道全长912m。该暗斜井断面为半圆拱型半圆拱型，巷道跨度为巷道跨度为3.4m3.4m，掘进断面掘进断面9.05m 9.05m 2 2。o巷道穿过岩石为砂岩、砂页岩和中砂岩砂岩、砂页岩和中砂岩，岩石的平均单轴抗压强度为42.41MPa42.41MPa。o原设计依据传统工程类比法确定锚喷支护，锚杆为1.6m1.6m长的管长的管缝式锚杆缝式锚杆，间排距为0.8m0.8m0.8m0.8m，喷厚为120mm120mm。(二二)支护参数设计支护参数设计在同类巷道在同类巷道(同水平、同岩性同水平、同岩性)中实测围岩松动圈厚中实测围岩松动圈厚度值度值LpLp363640cm40cm，为小松动圈围岩，依据围，为小松动圈围岩，依据围岩松动圈巷道支护理论接受单一喷射混凝土支岩松动圈巷道支护理论接受单一喷射混凝土支护。护。喷射混凝土支护厚度设计按上述两种可能破坏方式喷射混凝土支护厚度设计按上述两种可能破坏方式进行计算，按上述公式进行计算取其大者，其进行计算，按上述公式进行计算取其大者，其喷射混凝土支护厚度按防让围岩风化确定为喷射混凝土支护厚度按防让围岩风化确定为100mm100mm。喷射混凝土厚度计算喷射混凝土厚度计算o接受喷射混凝土支护危石时，喷层厚度太薄会产生图4-14(b)所示的“冲切型”破坏，喷层与岩面间的粘结力太小会出现图4-14(c)所示的“撕开型”破坏。因此，喷层的厚度可按以下方法确定：o（一）按“冲切型”破坏验算喷层厚度o式中：b喷层厚度，m；G危石重量，一般由工程调查确定，N；S危石与喷射混凝土接触面的周长，m；Rg喷射混凝土的抗剪计算强度，由施工破坏验算喷层，一般可取Rs(4-6)105Pa。o（二）按（二）按“撕开型撕开型”破坏验算喷层厚度破坏验算喷层厚度o式中式中 b喷层厚度，喷层厚度，m；G危石重量，一般由工程调查确危石重量，一般由工程调查确定，定，N；K0岩体抗拉弹性抗力系数，岩体抗拉弹性抗力系数，Pa；E喷射混凝喷射混凝土的弹性模量，土的弹性模量，Pa；S危石与喷射混凝土接触面的周长，危石与喷射混凝土接触面的周长，m；Rn设计喷射混凝上的粘结强度、由试验确定，一般可取设计喷射混凝上的粘结强度、由试验确定，一般可取0.2MPa。o 当依据上述公式计算出喷射混凝土的厚度小于当依据上述公式计算出喷射混凝土的厚度小于50mm时，则时，则为满足防止围岩风化的要求，对于喷射混凝土一般喷厚应大于为满足防止围岩风化的要求，对于喷射混凝土一般喷厚应大于50mm，考虑到地下工程的特殊性一般接受喷层厚度为，考虑到地下工程的特殊性一般接受喷层厚度为80100mm。(三三)支护效果支护效果该暗斜井该暗斜井19861986年施工，运用期间完好，由于按小松年施工，运用期间完好，由于按小松动圈围岩支护，取消了原来的锚杆支护，同时动圈围岩支护，取消了原来的锚杆支护，同时降低了喷层厚度。降低了喷层厚度。据统计，仅节约锚杆支护一项，就使巷道成本降低据统计，仅节约锚杆支护一项，就使巷道成本降低了了1313，按当时价格计算每米节约，按当时价格计算每米节约191191元，支护元，支护工作量削减了工作量削减了5555，每百米巷道节约了，每百米巷道节约了1.9l1.9l万万元。元。二、综放顺槽锚杆支护设计实例二、综放顺槽锚杆支护设计实例o南屯煤矿南屯煤矿13104综放工作面位于一采区中上部。综放工作面位于一采区中上部。o煤层厚度煤层厚度46.7m，平均，平均5.46m，赋存稳定；，赋存稳定；o干脆顶为浅灰色粉砂岩，厚度干脆顶为浅灰色粉砂岩，厚度35m，泥质胶结；，泥质胶结；o老顶为灰色中砂岩，厚度老顶为灰色中砂岩，厚度68m；o干脆底为灰黑色粉砂岩，厚度干脆底为灰黑色粉砂岩，厚度2.97.6m；o顺槽走向长度顺槽走向长度1032m。o(一一)围岩松动圈测试围岩松动圈测试o实测实测3上煤层开采前静态松动圈上煤层开采前静态松动圈Lp01.01.1m，采动影响期间的最大松动圈，采动影响期间的最大松动圈Lpd1.81.9m。依据围岩松动圈分类。依据围岩松动圈分类表，采前的表，采前的3上号煤层松动圈上号煤层松动圈III类一般类一般围岩，采动影响期间为围岩，采动影响期间为IV类一般不稳定类一般不稳定围岩。围岩。o依据松动圈支护理论采动巷道支护设计依据松动圈支护理论采动巷道支护设计思想，该顺槽以采动影响之前的静态松思想，该顺槽以采动影响之前的静态松动圈动圈Lp1.01.1m为依据进行支护设为依据进行支护设计。计。(二二)锚杆支护参数设计锚杆支护参数设计1断面形态断面形态 依据南屯煤矿综放工作面回采工艺和设依据南屯煤矿综放工作面回采工艺和设备布置要求，宽度备布置要求，宽度4.2m、高、高3.6m，净断，净断面面11.6m2。2锚杆类型选择锚杆类型选择 南屯煤矿南屯煤矿13104综放顺槽锚杆支护实践综放顺槽锚杆支护实践表明，工作面一侧的金属锚杆在工作面表明，工作面一侧的金属锚杆在工作面回采时可便利地取出，对采煤机回采工回采时可便利地取出，对采煤机回采工艺几乎无影响。在顺槽中运用金属锚杆艺几乎无影响。在顺槽中运用金属锚杆与竹木锚杆相比，锚固力大，锚固牢靠。与竹木锚杆相比，锚固力大，锚固牢靠。因此，因此，13l 04下顺槽锚网支护运用快硬下顺槽锚网支护运用快硬水泥金属锚杆杆体直径水泥金属锚杆杆体直径16mm，为保，为保证煤层中锚固的牢靠性，锚杆锚固长度证煤层中锚固的牢靠性，锚杆锚固长度500mm。3锚杆长度、间排距锚杆长度、间排距 按新概念的悬吊理论确定锚杆长度：按新概念的悬吊理论确定锚杆长度：L=Lp0+0.5m(锚固长度锚固长度)+0.1m(外露长度外露长度)=1.1+0.5+0.1=1.7m 当顶板煤层厚度与按悬吊所能确定的锚杆长度相当当顶板煤层厚度与按悬吊所能确定的锚杆长度相当时，如巷道上方顶煤厚度时，如巷道上方顶煤厚度1.8-2.2m，此时应依据锚，此时应依据锚固层压力拱观点确定锚杆支护参数。固层压力拱观点确定锚杆支护参数。间排距：取顶板间距间排距：取顶板间距0.7m、两帮间距、两帮间距0.90m；排距；排距0.80m。4金属网、钢带金属网、钢带 金属网选用金属网选用10号铁丝编织的经纬网，防止煤块掉落。号铁丝编织的经纬网，防止煤块掉落。钢带类型日前主要有两种类型：一是用钢板制成的板式，二是钢带类型日前主要有两种类型：一是用钢板制成的板式，二是用钢筋焊成的梯子式。前者强度大，承载实力强，后者重且轻，用钢筋焊成的梯子式。前者强度大，承载实力强，后者重且轻，加工安装较为便利，考虑该巷道围岩稳定性较好，选用钢筋梯加工安装较为便利，考虑该巷道围岩稳定性较好，选用钢筋梯子式钢带类型。子式钢带类型。锚杆布置如图锚杆布置如图7-10所示。顶板角部锚杆必需外斜至两帮上方，所示。顶板角部锚杆必需外斜至两帮上方，以防发生切顶破坏。以防发生切顶破坏。5.矿压观测矿压观测掘进期间，进行了锚杆锚固力、松动圈、围掘进期间，进行了锚杆锚固力、松动圈、围岩变形及托盘受力观测。观测表明，锚岩变形及托盘受力观测。观测表明，锚杆锚固牢靠，锚固力达到杆锚固牢靠，锚固力达到4t以上；实测以上；实测松动圈数值与预料值相同；掘进期间观松动圈数值与预料值相同；掘进期间观测两个月的围岩变形员仅测两个月的围岩变形员仅46mm(因因测点在掘进测点在掘进2d之后于掘进机后面安设，之后于掘进机后面安设，事实上变形量应较观测数值大事实上变形量应较观测数值大)，说明在，说明在该围岩条件下该围岩条件下“支护围岩支护围岩”处于稳定状处于稳定状态，满足顺槽在采动之前的运用要求，态，满足顺槽在采动之前的运用要求，达到了以达到了以Lp0为基准的设计目标。为基准的设计目标。o 采动影响期间，超前工作面2030m架设单体单体液压支柱液压支柱加强支护，观测到变形增加量20mm小于同等条件下矿用工字钢架棚支护的变形量4050mm。按悬吊作用时计算（不知松动圈深度时）按悬吊作用时计算（不知松动圈深度时）o干脆顶粉砂岩单轴抗压强度为30MPa。三、大松动圈巷道支护三、大松动圈巷道支护o淮南潘三煤矿大松动圈复合型软岩工程实例淮南潘三煤矿大松动圈复合型软岩工程实例o(一一)工程概况工程概况o西二采区运输石门，巷道埋深252m。o试验巷道岩性为粘土岩、砂质质粘土岩、细砂岩及煤线。其中粘土岩占50，砂质粘土岩占38，细砂岩及煤线占12。粘土岩单轴抗压强度15MPa，岩块浸水213h后用手指轻捏即成碎块；砂质粘土强度17.23MPa，岩块浸水27h用手轻碰崩解成碎块，碎块用手搓捻成泥，遇水膨胀性极明显。o试验段巷道长度为100m，巷道断面21.5m 2，三号交岔点断面为21.545.0m，最大跨度为9.54m。o该巷道原设计为一般锚喷支护与U型钢联合支护，锚杆支护参数：直径为16mm，长度为1.6m的快硬水泥锚杆，间排距为0.7m0.7m，喷射混凝土厚度为100mm；拱形25U型钢可缩金属支架设计为2架m，支护成本较高。（二）试验巷道支护参数设计（二）试验巷道支护参数设计o1.围岩松动圈的测定围岩松动圈的测定o 2.41-2.65m，V类围岩。类围岩。o2.支护参数的确定支护参数的确定o(1)支护形式与断面形态的选择：支护形式与断面形态的选择：o以锚杆为主体构件的锚喷网支护形成的组合拱，以锚杆为主体构件的锚喷网支护形成的组合拱，具方较高的承载实力和很好的可缩性，能刚好具方较高的承载实力和很好的可缩性，能刚好封闭同岩进行全方位支护，能够满足软岩支护封闭同岩进行全方位支护，能够满足软岩支护的要求。的要求。o因此试验巷道接受锚喷网支护方式，又由于软因此试验巷道接受锚喷网支护方式，又由于软岩松动圈厚度值较大，故确定接受缺圆拱形巷岩松动圈厚度值较大，故确定接受缺圆拱形巷道断面。道断面。o(2)支护参数的计算：o锚杆是支护的主要构件，依据巷道服务年限长，支护对象是V类较软围岩，选用该矿现用的管缝式锚杆。o锚秆布置用组合拱理论计算确定，选取间排距为0.5m，组合拱厚度为1.2m，则锚杆长度为1.8m。o锚杆沿巷道全断面封闭布置，以形成封闭组合拱，详见图6-5。o喷层与钢筋网只起局部支护作用。喷射混凝土主要用于封闭围岩表层，防止围岩风化与潮解；钢筋网可提高喷层抗弯和抗大变形的实力。o依据大松动圈较软围岩地压大、锚喷变形大、围岩应力调整期长的特点，锚喷网支护必需接受二次复喷支护的方法。o二次复喷支护二次复喷支护o喷层总厚为喷层总厚为120mm120mm，共分三次喷射。，共分三次喷射。o为了钻凿顶部锚杆孔的施工平安，开巷后立刻喷为了钻凿顶部锚杆孔的施工平安，开巷后立刻喷30mm30mm混凝土，然后在初喷面上打锚杆孔、挂网，混凝土，然后在初喷面上打锚杆孔、挂网，网距初喷面不大于网距初喷面不大于30mm30mm，安设好锚杆后再喷，安设好锚杆后再喷50mm50mm混凝土完成第一次支护；混凝土完成第一次支护；o然后依据监测变形态况确定复喷时间后再复喷然后依据监测变形态况确定复喷时间后再复喷40mm40mm，达到设计的永久支护喷厚，达到设计的永久支护喷厚120mm120mm。o钢筋选用直径6.0mm圆钢，点焊成1625mm1125mm的网片，网格为125mm125mm。o(3)支护实力估算：o用拉麦公式计算组合拱的支护强度，与29U型钢可缩支护对比，相对平安系数为2.8。阅历算组合拱支护实力大大超过29U型钢支架的支护实力。o(4)试验巷道断面施工图如图6-5所示。o拉麦公式：拉麦公式：o式中，式中，Q2为锚固体强度，取为锚固体强度，取14 MPa;R为巷道净断面半径，为为巷道净断面半径，为2.9 m;b为组合拱厚度，为组合拱厚度，1.2 m。oP=3.50MPaot取取0.5 m的组合拱承载实力的组合拱承载实力P0.5用下式计算用下式计算oP0.5=2RPt=31.87 KNo与与U型钢支架对比的相对平安系数型钢支架对比的相对平安系数noP为为29U型钢全封闭可缩性支架在巷道轴向长度型钢全封闭可缩性支架在巷道轴向长度0.5 m的承受实力，为的承受实力，为11.26kN。o可知，接受锚网喷联合支护结构的承载实力是可知，接受锚网喷联合支护结构的承载实力是29U型钢支架承载实力型钢支架承载实力的的2.8倍，所以这种支护方式在技术上是可行的。倍，所以这种支护方式在技术上是可行的。o(5)(5)支护施工的工艺依次：支护施工的工艺依次：o光面爆破光面爆破 清除浮岩清除浮岩 冲洗岩面冲洗岩面 初喷初喷(20mm)(20mm)打锚杆打锚杆 铺钢筋网铺钢筋网 安锚杆、压网安锚杆、压网 复喷复喷(50mm)(50mm)完成第一次支护，完成第一次支护，o埋点进行巷道变形的观测。埋点进行巷道变形的观测。o通过收敛变形观测和松动圈的测试确定，巷通过收敛变形观测和松动圈的测试确定，巷道在道在3 3个月后变形基本趋于稳定，巷道只局部个月后变形基本趋于稳定，巷道只局部有喷层裂隙发生，符合预设支护的要求，放有喷层裂隙发生，符合预设支护的要求，放在在3 3个月后对局部损坏地点进行其次次复喷到个月后对局部损坏地点进行其次次复喷到设计厚度。设计厚度。o(三三)施工质量监测施工质量监测o施工中及施工后多次抽测锚杆的锚固力和喷层强施工中及施工后多次抽测锚杆的锚固力和喷层强度，接受锚杆拉力计抽测的结果表明锚杆的锚度，接受锚杆拉力计抽测的结果表明锚杆的锚固力均达固力均达40kN以上，符合质量要求。以上，符合质量要求。o接受接受PQT-1型喷混凝土强度检测仪检测喷混凝型喷混凝土强度检测仪检测喷混凝土的强度高于土的强度高于C15，施工质量达到设计要求。，施工质量达到设计要求。(四四)收敛变形观测及二次支护时间的确定收敛变形观测及二次支护时间的确定o收敛变形监测均在巷道掘出后两天内安装，并起先观测。变形的测试结果如图6-6。o由图6-6可以看出，试验巷逐步趋于稳定，巷道顶板围岩应力调整期约为90d，即二次支护应在90d后进行。o图6-6曲线表明底板围岩在180d左右才能稳定下来。o底板围岩应力调整期长的缘由：一是施工时有水长期浸泡，围岩强度降低，岩石遇水膨胀；二是底板为平底，受力条件较差，因而底鼓变形量较大，变形速度下降迟缓。o这说明软岩巷道施工应充分重视对巷道积水的处理，对底板接受管缝式锚杆、必需对锚杆中空实施灌注水泥砂浆。(五五)技术经济效益技术经济效益试验段巷道原设计接受锚喷加试验段巷道原设计接受锚喷加U型钢棚联合支扩，单位工型钢棚联合支扩，单位工程造价达程造价达11048元元m，工业件试验接受钳喷网支护，工业件试验接受钳喷网支护，单位工程造价单位工程造价7257元元m；降低工程成本；降低工程成本3791元元m，降低约降低约34.3，节约钢材，节约钢材1.4tm。不仅如此，原支护形式施工巷道平均速度为不仅如此，原支护形式施工巷道平均速度为5060m月，月，而锚喷网支护平均月成巷速度而锚喷网支护平均月成巷速度120m月，成巷速度提月，成巷速度提高高100以上，降低了工人的劳动强度，提高来平安性。以上，降低了工人的劳动强度，提高来平安性。四、锚杆桁架支护设计实例o（一）工程概况o（二）桁架支护设计o（三）支护效果（一）试验巷道（一）试验巷道22514运输顺槽地质条件运输顺槽地质条件o郭二庄煤矿二坑五采区皮带坡北翼22514高档普采工作面运输巷。工作面走向长550m，倾斜长107m，埋深320m。o该工作面