同煤集团巷道支护理论计算设计方法(初稿)

同煤集团巷道支护理论计算设计方法（初稿）生产技术部2009年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、支护效果差等原因逐渐被淘汰。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、快速、经济的一种支护形式。现在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关键技术，对充分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，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进进度；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。目前，国内外锚杆支护设计方法主要分为三大类：工程类比法、理论计算法和数值模拟法。工程类比法包括：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；采用简单的经验公式确定支护设计。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。由于各种支护理论都存在着一定的局限性和使用条件，而且很难比较准确、可靠地确定计算所需要的一些参数。因此，依据理论计算所做的设计结果很多情况下只能作为参考。随着数值计算方法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。与其他设计方法相比，数值模拟法具有多方面的优点，如可模拟复杂围岩条件、边界条件和各种断面形状巷道的应力场与位移场；可快速进行多方案比较，分析各因素对巷道支护效果的影响；模拟结果直观、形象，便于处理与分析等。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方法就是在巷道围岩地质力学测试与评估的基础上，采用数值模拟分析结合其他方法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很多问题，如很难合理地确定计算所需的一些参数，模型很难全面反映井下巷道状况，导致计算结果与巷道实际情况相差较大。但是，数值模拟法作为一种有前途的设计方法，经过不断的改进和发展，会逐步接近于实际。近10年来，我国在锚杆支护设计方法方面做了大量工作。在借鉴国外先进设计方法的基础上，结合我国煤矿巷道的特点，提出动态化、信息化的设计方法，符合煤矿巷道地质条件复杂性、多变性的特点。这种设计方法已经在多个矿区得到推广应用，锚杆支护设计的可靠性、合理性和科学性得到显著提高。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础知识和实践经验存在一定差距，现在根本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方法”，仅供参考。生产技术部2009年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………………………………（9）第四部分一般放顶煤巷道支护设计………………………（12）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方法……………………（20）第八部分计算参数的修正…………………………………（21）第九部分支护设计实例……………………………………（22）参考文献……………………………………………………（29）第一部分有伪顶巷道支护设计很多煤巷顶板存在一层或几层极易冒顶的伪顶，这类顶板应采用锚杆、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1悬吊理论力学模型1、锚杆长度321杆杆杆杆LLLL式中杆L—锚杆长度，m；1杆L—锚杆外露顶板长度，m；2杆L—锚杆的有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；3杆L—锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取0.6～1m，麻花头锚杆一般取0.3～0.4m；2、锚固力的确定锚杆的锚固力不应小于被悬吊不稳定岩层的重量，按下式计算。2121杆杆杆杆aaLKQ式中杆Q—锚杆锚固力，KN；1K—安全系数，一般取2～3；1杆a、2杆a—锚杆间排距，m；—易冒落岩石平均重力密度，KN/m3；3、锚杆的直径sQd杆杆4式中杆d—锚杆直径，m；s—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、锚索的长度321索索索索LLLL式中索L—锚索长度，m；1索L—锚索外露顶板长度，m；2索L—锚索的有效长度，不小于锚杆锚固岩层的厚度322杆杆索LLL，m；3索L—锚索的锚固长度，一般取1.5～2m；5、锚索间排距的确定锚索的间距1索a应根据锚杆的间距确定，每2～3根锚杆应布置1根锚索。锚索的排距按下式计算：haKNa122索索索式中1索a、2索a—锚索间距、排距，m；索N—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；2K—安全系数，一般取2～5；h—锚杆锚固岩层的厚度，32杆杆LLh，m；—锚杆锚固岩层平均重力密度，KN/m3；6、锚索的锚固力锚索的锚固力应不小于锚索的承载力，即：索索NQ式中：索Q—锚索锚固力，KN；索N—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，而在深部一定范围内形成自然平衡拱，自然平衡拱以上的岩体是稳定的。这类顶板应采用锚杆、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、冒落拱高顶帮fHBb245tan2b—自然平衡拱高度，m；B—巷道掘进宽度，m；H—巷道掘进高度，m；帮—两帮围岩的内摩擦角，查采矿工程设计手册表1—4—37和表1—4—40。2、锚杆长度321杆杆杆杆LLLL式中杆L—锚杆长度，m；1杆L—锚杆外露顶板长度，m；2杆L—锚杆的有效长度，不小于自然平衡拱的高度，m；3杆L—锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取0.6～1m，麻花头锚杆一般取0.3～0.4m；3、锚杆的锚固力锚杆的锚固力不应小于被悬吊不稳定岩层的重量，按下式计算。2121杆杆杆杆aaLKQ式中杆Q—锚杆锚固力，KN；1K—安全系数，一般取2～3；1杆a、2杆a—锚杆间排距，m；—冒落拱岩石平均重力密度，KN/m3；4、锚杆的直径sQd杆杆4式中杆d—锚杆直径，m；s—锚杆杆体的屈服强度，MPa。5、锚索的长度321索索索索LLLL式中索L—锚索长度，m；1索L—锚索外露顶板长度，m；2索L—锚索的有效长度，不小于锚杆锚固岩层的厚度322杆杆索LLL，m；3索L—锚索的锚固长度，一般取1.5～2m；6、锚索的间排距锚索的间距1索a应根据锚杆的间距确定，每2～3根锚杆应布置1根锚索。锚索的排距按下式计算：haKNa122索索索式中1索a、2索a—锚索间距、排距，m；索N—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；2K—安全系数，一般取2～5；h—锚杆锚固岩层的厚度，32杆杆LLh，m；—锚杆锚固岩层平均重力密度，KN/m3；7、锚索的锚固力锚索的锚固力应不小于锚索的承载力，即：索索NQ式中：索Q—锚索锚固力，KN；索N—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，有一类顶板每一层连续完整，层间有节理，如复合层顶板，这类顶板应采用锚杆、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结构，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3。图3组合梁理论力学模型1、锚杆长度321杆杆杆杆LLLL式中杆L—锚杆长度，m；1杆L—锚杆外露顶板长度，m；2杆L—锚杆的有效长度，m；3杆L—锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取0.6～1m，麻花头锚杆一般取0.3～0.4m；tRKL412杆式中1K—安全系数，一般取3～5；—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；tR—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：21杆杆aaBKda214472.1杆杆式中1杆a、2杆a—锚杆的间距、排距；杆d—锚杆杆体直径，选择直径mmd18杆的锚杆，mm；—锚杆杆体材料的抗剪强度，查材料的强度检验报告可得，MPa；2K—安全系数，一般取3～6，MPa；—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；B—巷道宽度，m。3、锚杆的锚固力锚杆的锚固力应该不小于杆体屈服载荷。sdQ241杆杆式中杆Q—锚杆锚固力，KN；杆d—锚杆直径，m；s—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、锚索的长度321索索索索LLLL式中索L—锚索长度，m；1索L—锚索外露顶板长度，m；2索L—锚索的有效长度，组合梁的厚度，m；3索L—锚索的锚固长度，一般取1.5～2m；5、锚索的间排距锚索的间距1索a应根据锚杆的间距确定，每2～3根锚杆应布置1根锚索。锚索的排距按下式计算：haKNa112索索索式中1索a、2索a—锚索间距、排距，m；索N—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；1K—安全系数，一般取2～5；h—组合梁岩层厚度，m；—组合梁岩层的平均重力密度，KN/m3；6、锚索的锚固力锚索的锚固力应不小于锚索的承载力，即：索索NQ式中：索Q—锚索锚固力，KN；索N—锚索承载力，KN。第四部分一般放顶煤巷道支护设计一般放顶煤巷道（煤层厚度小于10米）沿煤层底板掘进，顶煤厚度3～6米，这类巷道应采用锚杆、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，该理论认为：顶板安装锚杆后，在锚杆的有效长度范围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个厚度为m的均匀连续压缩带，它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，阻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4.图4加固拱理论、悬吊理论力学模型1、锚杆长度及间排距321杆杆杆杆LLLL式中杆L—锚杆长度，m；1杆L—锚杆外露顶板长度，m；2杆L—锚杆的有效长度，m；3杆L—锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取0.6～1m，麻花头锚杆一般取0.3～0.4m；加固拱厚度、锚杆长度与锚杆间排距有以下近似关系：tantan12杆杆amL式中m—加固拱厚度，一般取0.8～1.2m；—锚杆的控制角，煤体的硬度越大，控制角也越大，一般取30～45°；1杆a—锚杆的间距，与排距2杆a近似相等，一般取0.7～1m；2、锚杆的直径选择直径mmd18杆的锚杆。3、锚杆的锚固力锚杆的锚固力应该不小于杆体屈服载荷。sdQ241杆杆式中杆Q—锚杆锚固力，KN；杆d—锚杆直径，m；s—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、锚索的长度321索索索索LLLL式中索L—锚索长度，m；1索L—锚索外露顶板长度，m；2索L—锚索的有效长度，不小于顶板煤层的厚度，m；3索L—锚索的锚固长度，一般取1.5～2m；5、锚索的间排距锚索的间距1索a应根据锚杆的间距确定，每2～3根锚杆应布置1根锚索。锚索的排距按下式计算：haKNa112索索索式中1索a、2索a—锚索间距、排距，m；索N—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；1K—安全系数，一般取2～5；h—顶