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锚杆支护设计手册

锚杆支护设计手册

（讨论稿）

开滦技术中心

2008年9月

锚杆支护设计手册目录

第一章概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1—3

第二章锚杆支护设计方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3—17

第一节锚杆支护设计工程类比法┄┄┄┄┄┄┄3—11

第二节锚杆支护理论分析设计方法┄┄┄┄┄┄11—15

1、基于悬吊理论的锚杆参数及设计计算方法┄┄┄11—12

2、基于组合梁理论的锚杆参数计算方法┄┄┄┄┄12—14

3、基于加固拱理论锚杆参数计算方法┄┄┄┄┄┄14—15

第三节锚杆支护数值模拟计算方法┄┄┄┄┄┄15—17

第三章煤巷锚杆支护预紧力设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄17—21

第四章锚杆支护参数选择确定原那么┄┄┄┄┄┄┄┄21—30

1、锚杆几何参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄21—22

2、锚杆力学参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄22—23

3、锚固参数的选择确定┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄23—25

4、锚杆布置参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄25—27

5、锚杆组合构件与网的参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄27—28

6、锚索参数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄28—30

第五章锚杆支护形式及材料┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄30—39

1、锚杆支护形式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄30—32

2、锚杆支护材料┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄32—39

第六章工程质量检测与矿压监测┄┄┄┄┄┄┄┄┄39—49

1、锚杆支护工程质量检测┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄40—42

2、锚杆支护矿压监测┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄42—49

锚杆支护设计手册

第一章概述

开滦集团公司自20世纪70年代末80年代初开始推广煤巷锚杆支护技术至今，已有30年的历史。

现在，锚杆支护已成为采准巷道的主要支护形式之一，近几年，全公司每年的煤巷锚杆支护量都在8万米以上，占全部掘进巷道的半数以上。

煤巷锚杆支护的推广应用，明显地改善了采准巷道的维护状况，提高了围岩的稳定性。

锚杆支护对于提高巷道断面利用率，简化回采工作面端头支护工艺，降低支护成本，减轻工人劳动强度，特别是对于保证回采工作面快速推进，实现工作面高产高效，从而提高矿井经济效益都发挥了明显作用。

理论研究和实践经验均证明，锚杆支护作为巷道的先进支护方式，有着架棚不可比拟的诸多优越性，对于从根本上解决深井、大地压巷道的支护问题，锚杆支护更是代表了巷道支护技术的发展方向，世界各国和国内各大型煤矿都把锚杆支护作为巷道的主要支护形式，许多矿区的锚杆支护率都达到了100%，取得了巨大的技术、经济效益。

开滦集团公司在采准巷道锚杆支护工作推广过程中，在面临各种复杂、困难地质条件和井深、矿压显现大等不利情况下，勇于实践和创新，取得了大批科研成果，积累了丰富的经验。

使得这项技术的推广不断向深度和广度发展。

和任何新生事物的发展都要经过艰难、曲折一样，锚杆支护在其发展过程中也不是一帆风顺的。

特别是当锚杆支护巷道出现一些冒顶、垮落乃至伤人事故时，往往会出现一些对锚杆支护安全可靠性的怀疑情绪，使得锚杆支护的推广受到阻碍。

应当指出的是，锚杆支护作为煤矿所有新技术推广中“最具革命性”的技术进步，虽然已被无数的事实证明它是先进的，代表未来支护发展方向的，但直到现在，人们对锚杆支护的理论研究和各种实践活动仍未停止，其原因就在于煤矿各种条件的复杂性和人们对客观世界的认识还需要进一步深化，而只有当人们的主观认识和客观条件相统一时，我们才能从必然王国走向自由王国。

回顾和分析集团公司历次锚杆支护巷道事故发生的原因，按照今天我们所确立的锚杆支护技术的新理念，可以看出，绝大部分的锚杆事故都不是必然要发生的，而是带有相当偶然性。

这些偶然性的事故出现，证明了我们在锚杆支护推广工作中还需要重点解决以下问题：

第一：

锚杆支护理念需要更新。

特别是面对开滦大多属于深部开采的现状，必须用先进的支护理念来指导工程实践，才能取得预期效果。

第二：

要科学设计锚杆支护。

这是关系到锚杆支护工程的质量优劣、是否安全可靠及经济是否合理的重要问题。

第三：

要规范各类锚杆产品的加工，采用先进工艺，确保锚杆及配套产品的质量。

第四：

要严格培训各级技术人员，特别是现场主管技术人员和管理人员，确保按设计施工，确保施工质量。

第五：

要建立健全锚杆巷道的质量检验标准和锚杆巷道的矿压监测体系。

当前，集团公司的采准巷道锚杆支护的推广工作，已进入发展的关键阶段，虽然从总量上看，数量不小，但发展不平衡，有些矿基本上处于空白状态，有些矿由于各种原因，锚杆支护呈现萎缩停滞现象。

随着采深的不断加大，矿压显现更为强烈，已经推广使用10多年的锚杆支护系统表现出了种种不适应情况，比如巷道变形量大，需要套修，锚杆、锚索拉断现象时有发生，锚杆支护的巷道稳定性和安全性受到挑战，解决这些问题，需要我们更新观念，与时俱进，学习借鉴国内外先进支护理念和技术，结合开滦实际创造性地开展工作，扎扎实实地做好各方面的基础性工作，只有这样，才能使集团公司的锚杆支护健康快速地发展，促进企业的技术进步和矿井整体技术面貌和经济效益的提高。

本设计手册是在结合开滦实际，全面总结开滦在推广煤巷锚杆支护工作中正反两个方面的经验，广泛吸收和借鉴国内外先进支护理念和技术的基础上编制的。

编制该手册的目的是为从事锚杆支护的技术人员提供一个可供参考的、涉及锚杆支护设计、施工、监测以及锚杆产品标准等方面的文件，希望以此达到规范设计和施工，促进集团公司锚杆支护技术发展，确保安全生产的目的。

第二章锚杆支护设计方法

巷道支护的目的就在于使巷道在服务期间保持稳定。

而支护设计的目的就是在保持巷道稳定的前提下确定更经济合理的支护形式与参数。

因此，锚杆支护设计是关系到锚杆支护巷道工程质量优劣、是否安全可靠及经济是否合理的基础。

应当指出的是，寻求一种绝对合理能适应绝大多数巷道支护应用的锚杆支护设计方法，多年来一直是专家、学者追求的目标，但是，由于矿井条件复杂多变，不确定因素多，加之当前研究手段的制约，至今尚未有一种设计方法“放之四海而皆准”。

根据不同理论所建立的锚杆支护计算和设计方法，均存在一定的局限性，因此，设计者在进行特定条件下的锚杆支护设计时，首先需要对设计对象进行深入全面的了解，然后可根据相应的设计方法进行设计。

需要强调指出的是，锚杆支护设计应当是一个动态的设计过程，应遵循地质力学评估→初步设计→监测与信息反馈→修改完善设计的原那么。

通过这样一个过程，才能最终确定比较科学、合理的锚杆支护设计。

目前，国内外锚杆支护设计方法主要归纳为三大类：

（也有分为四大类）即：

工程类比法、理论计算法、数值模拟法、（监测法）。

第一节锚杆支护设计工程类比法

1、直接类比法

工程类比法在煤巷锚杆支护设计中应用比较广泛。

这种方法是根据已开掘的，成功应用锚杆支护巷道的地质与生产条件与待开掘的巷道条件进行对比，在各种条件基本相同的情况下，参照已掘巷道的支护形式与参数，来设计待掘巷道的各种支护参数。

采用工程类比法进行锚杆支护设计时，要求相比的两条巷道的条件要基本相似，不能有较大的差异。

比较的内容要全面、细致、可靠，不仅要抓住主要因素，而且不能忽略细节，工程类比的内容主要有以下几个方面：

（1）围岩物理力学性质。

围岩物理力学性质包括巷道顶底板、煤层赋存状态、物理力学参数。

巷道顶底板应取巷道宽度1~1.5倍范围岩层进行比较。

物理性质包括岩性、矿物成份、密度、孔隙率、水理性质等内容。

力学性质包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量等，其中，岩层的单轴抗压强度是最常用的力学指标。

（2）围岩结构特征。

指煤岩体内节理、层理、裂隙等不连续面的空间结构特征。

（3）地质构造。

地质构造对煤岩体的完整性和稳定性有明显的影响，对巷道支护形式与参数的选取起关键性作用。

因此，必须搞清。

（4）地应力。

地应力大小与方向是影响巷道变形与破坏的重要因素之一，地应力一般分为垂直应力和水平应力。

地应力对比参数一般应包括垂直主应力的大小方向，最大水平主应力的大小方向，最小水平主应力的大小方向，以及最大水平主应力与巷道轴线的夹角。

（5）巷道特征与使用条件。

包括巷道断面形状、尺寸等。

（6）开采深度。

随着开采深度的增加，地应力在增加。

采深是巷道支护必须考虑的重要因素。

（7）煤柱尺寸。

煤柱尺寸的大小对矿压显现的大小及巷道维护的难易有着重要影响。

（8）采动影响特征。

采动影响状况包括：

采动空间关系、采动时间关系、采动次数等。

采动对采准巷道围岩变形与破坏影响很大，类比时应作为一个重要考虑因素。

2、经验公式

经验公式是在大量支护设计经验的基础上，得出的指导支护设计，计算锚杆相关参数的简单公式。

采用经验公式来选择和确定锚杆相关参数，在目前的锚杆支护设计中应用相当普遍，它简便易行，但也存在着明显的缺陷和弊端：

一是经验公式只能提供锚杆支护的主要参数（锚杆长度、直径、间排距等），而其他重要参数，如锚杆杆体结构、预紧力、锚固长度、托板结构与尺寸等，很难在经验公式中全面反映。

二是经验公式一般只考虑巷道宽度、高度、岩石软硬程度、结构面分布，而影响巷道变形和破坏的因素还有很多，经验公式都不能全面、客观地反映。

因此，经验公式提供的支护参数一般只能作为参考，不能不顾巷道的具体条件生搬硬套。

在此介绍一些应用较多、效果较好的经验公式，供设计者参考：

（1）锚杆长度的选取与计算

①Hoek与Brown等提出确定锚杆长度的一般经验准那么：

最小锚杆长度=[锚杆间距的两倍、三倍不连续面平均间距所确定的不稳定岩块宽度，巷道跨度之半]。

②Lang与Bischoog认为：

~1.5，锚杆长度L与巷道宽度的函数关系为：

L=B2/3

③Schach等人提出确定锚杆长度的经验公式为：

L=1.4+0.184B（非预应力锚杆）

2）1/2（预应力锚杆）

④日本的经验认为：

锚杆长度与巷道宽度或高度的0.6倍，如果再加长锚杆，支护效果将不会明显变化。

⑤我国学者提出锚杆长度的经验公式

对于岩巷锚喷支护巷道：

L=N（1.3+W/10）

对于煤巷：

L=N（1.5+W/10）

式中：

W—巷道或峒室跨度m

L—锚杆总长度m

N—围岩影响系数（按表1选取）

表1围岩类别影响系数取值

围岩类别

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

围岩影响系数N

⑥其他经验公式

式中：

B—巷道宽度m；

H—巷道高度m；

K—由围岩性质等有关的系数，一般取3~5。

（2）锚杆间排距选取与计算

①Hoek与Brown等人提出：

最大锚杆间距=[锚杆长度之半、1.5倍不连续间距确定的不稳定岩块宽度]。

②Lang与Bischoog认为：

锚杆间排距与锚杆长度之比为2/3~5/6比较合理。

③Schach等从拱形巷道顶部能够形成有效的压力拱出发认为：

锚杆长度与锚杆间距的比值应接近2。

④新奥法对锚杆间距提出的准那么:

~

中硬岩石，锚杆间距取

~

⑤我国学者提出锚杆间距经验公式为：

对于岩巷锚喷支护：

锚杆间距M≤

对于煤巷锚杆支护：

锚杆间距M≤

3、以围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计建议

（1）我国《缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》。

经过多年的应用和不断完善，已经发展成为包括缓倾斜、倾斜、急倾斜煤层及不同煤层厚度的所有回采巷道的分类。

煤巷围岩稳定性分为五个类别：

Ⅰ类非常稳定，Ⅱ类稳定，Ⅲ类中等稳定，Ⅳ类不稳定，Ⅴ类及极不稳定。

在围岩稳定性分类的基础上，结合已有的支护设计和实践经验，提出了巷道锚杆支护基本形式和主要参数选择的建议，见表2。

表2巷道顶板锚杆支护形式与主要支护参数选择

巷道类别

巷道围岩稳定状况

基本支护形式

主要支护参数

Ⅰ

非常稳定

整体砂岩、石灰岩类岩层：

不支护

其他岩层：

单体锚杆

端锚：

杆体直径：

≥16mm

~

~

设计锚固力：

≥64K