掘进巷道支护回采工作面支架选型理论计算方法.docx

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掘进巷道支护回采工作面支架选型理论计算方法

掘进巷道支护、回采工作面支架选型

理论计算方法

二O一三年十二月

目录

第一部分掘进巷道支护理论计算方法1

一、掘进巷道锚杆支护参数设计方法1

1、工程类比法1

2、理论计算法3

3、实测法3

二、巷道锚杆支护参数和设计方法4

1、悬吊作用理论设计锚杆支护参数4

2组合梁理论设计锚杆支护参数5

3、组合拱理论设计锚杆支护参数6

4、松动圈支护理论设计锚杆支护参数7

5、锚索支护参数的设计8

第二部分回采工作面支架选型理论计算依据、方法10

一、回采工作面液压支架选型准则10

二、液压支架架型选择11

1、支架选型要素11

2、液压支架选型建议12

三、回采工作面支架选型理论计算依据、方法12

1、支架高度12

2、支护强度和工作阻力13

3、中心距和宽度14

4、初撑力14

5、移架力和推溜力15

6、梁端距和顶梁长度15

7、移架速度与牵引速度配套15

第一部分掘进巷道支护理论计算方法

一、掘进巷道锚杆支护参数设计方法

巷道锚杆支护设计，首先要对巷道所经受采动影响过程及影响程度进行准确的评估，对巷道使用要求和设计目标要予以准确定位。

比如，是按采动影响时的支护难度设计支护，还是按照采动影响前的使用要求设计，不同的设计思想，结果大不相同。

煤巷的突出特点就是承受采动支承压力，围岩破碎，变形量大。

目前，我国煤巷支护设计方法大致分为三类，即工程类比法、理论计算法及实例法。

1、工程类比法

工程类比法是当前应用较广的方法。

它是根据已经支护的类似工程的经验，通过工程类比，直接提出支护参数。

它与设计者的实践经验有很大关系。

然而，要求每一个设计人员都具有丰富的实践经验是不切实际的。

为了将特定岩体条件下的设计与个别的工程相应条件下的实践经验联系起来进行工程类比，做出比较合理的设计方案，正确的围岩分类是非常必要的。

进行围岩分类后，就可根据不同类别的岩层，确定不同的支护形式和参数。

（1）巷道围岩分类方法

围岩分类方法的研究工作历史悠久，随着采矿和人们对岩石物理力学性质认识的不断深入，国内外围岩分类研究得到了迅速发展，据不完全统计，有影响的围岩分类有五六十种之多。

a.普氏岩石分级法

该法用岩石坚固性系数f（普氏系数）来对围岩分类，f值等于岩石的单向抗压强度除以10。

坚固性系数是岩石间相对的坚固性在数量上的表现，它最重要的性质在于不论是何种抗力，以及这种抗力是如何引起的，而给予岩石相互之间进行比较的可能性。

普氏岩石分级法来自实践，并且有抽象概括的程序可取，所提出的岩石坚固性系数值简单明确，到目前仍有一定的使用价值。

b.煤矿锚喷支护围岩分类

为了适应巷道锚杆支护的需要，原煤炭工业部颁布的《煤炭井巷工程锚喷支护设计试行规范》制定了煤矿锚杆支护围岩分类，见表1。

该分类综合考虑了岩石的单向抗压强度、岩体结构和结构面发育状况、岩体完整性系数、围岩稳定时间等多种因素，是一种典型的多指标分类方法。

c.围岩松动圈分类

围岩松动圈是一个定量的综合指标，它是建立在对巷道围岩实测的基础上，几乎不作任何假设，用现场实测和模拟试验，研究围岩状态，找出围岩松动圈这一综合指标，用来作为围岩分类的依据。

这一分类方法简单、直观性强、易于掌握，受到众多煤矿巷道设计与施工人员的欢迎。

经过大量的现场松动圈测试及其与巷道支护难易程度相关关系的调研之后，依据围岩松动圈的大小将围岩分成小松动圈，中松动圈、大松动圈三大类六小类，如表2所示。

表1煤矿锚杆支护围岩分类

围岩分类

岩层锚述

巷道开挖后围岩的稳定状态（3~5m跨度）

岩种举例

类别

名称

稳定围岩

1.完整坚硬岩层Rb＞60MPa，不易风化；

2.层状岩胶结好，无软弱夹层

围岩基本稳定，长期不支护无碎块掉落现象

完整的玄武岩、石英质砂岩、奥陶纪石灰岩、茅口灰岩、大冶厚层灰岩

Ⅱ

稳定性

较好岩层

1.完整比较坚硬岩层Rb=40~60MPa

2.层状岩层，胶结较好

3坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物，Rb＞60MPa

围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落

胶结好的砂岩、砾岩、大冶厚层灰岩

Ⅲ

中等

稳定岩层

1.完整的中硬岩层Rb=20~10MPa

2.层状岩层以坚硬层为主，有少数软岩夹层

3.比较坚硬的块状岩层Rb=40~60MPa

能维持一个月以上稳定，会产生局部岩块掉落

砂岩、砂质页岩、粉砂岩、灰岩、硬质凝灰岩

Ⅳ

稳定性

较差岩层

1.较软的完整岩层，Rb＜20MPa

2.中硬的层状岩层；

3.中硬的块状岩层，Rb=20~40MPa

围岩的稳定时间仅有几天

页岩、泥岩、胶结不好的砂岩、硬煤

Ⅴ

不稳定

岩层

1.易风化潮解剥落的松软岩层

2.各类破碎岩层

围岩很容易产生冒顶片帮

炭质页岩、花斑泥岩、软质凝灰岩、煤破碎的各种岩石

表2巷道支护围岩松动圈分类表

围岩类别

分类名称

围岩松动圈Lp/cm

支护机理及方式

备注

小松动圈

稳定围岩

0~40

喷混凝土支护

围岩整体性好，不易风化的可不支护。

中松动圈

较稳定围岩

40~100

锚杆悬吊理论

喷层局部支护

一般围岩

100~150

锚杆悬吊理论

喷层局部支护

刚性支护有局部破坏

大松动圈

一般稳定围岩（软岩）

150~200

锚杆组合拱理论

喷层金属网局部支护

刚性支护大面积破坏，采用可缩性支护。

不稳定围岩（较软围岩）

200~300

锚杆组合拱理论

喷层金属网局部支护

围岩变形有稳定期

极不稳定围岩（极软围岩）

>300

待定

围岩变形一般在支护下无稳定期。

总结我国近十年多煤巷锚杆支护的实践，并吸取国外先进经验基础上，以工程类比法为主要依据提出的煤巷锚杆支护形式及主要支护参数选择见表3。

表3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：

16~18mm

锚杆长度：

1.6~1.8m

排间距：

0.8~1.2m

设计锚固力：

64~80kN

Ⅱ

稳定

顶板较完整：

单体锚杆

顶板较破碎：

锚杆+网

端锚杆体直径：

16~18mm

锚杆长度：

1.6~2.0m

排间距：

0.8~1.0m

设计锚固力：

64~80kN

Ⅲ

中等稳定

顶板较完整：

锚杆+钢筋梁或桁架

顶板较破碎：

锚杆+钢带+网，或增加锚索

桁架+网，或增加锚索

端锚杆体直径：

16~18mm

锚杆长度：

1.8~2.2m

排间距：

0.6~1.0m

设计锚固力：

64~80kN

全长锚固杆体直径：

18~22mm

锚杆长度：

1.8~2.4m

排间距：

0.6~1.0m

Ⅳ

不稳定

锚杆+W钢带+网，或增加锚索

桁架+网，或增加锚索

全长锚固杆体直径：

18~22mm

锚杆长度：

1.8~2.4m

排间距：

0.6~1.0m

Ⅴ

极不稳定

1．顶板较完整：

锚杆+金属可缩支架，或增加锚索

2．顶板较破碎：

锚杆+网+金属可缩支架，或增加锚索，或加固围岩

3．底鼓严重：

锚杆+环形可缩支架

全长锚固杆体直径：

18~22mm

锚杆长度：

2.2~2.6m

排间距：

0.6~1.0m

2、理论计算法

在岩石力学支护理论的发展历程中，人们试图做像地面结构那样能够较为准确地确定支护荷载，用理论计算方法设计支护结构，这是岩石力学工作者长期追求和奋斗的目标。

经过众多学者和科技工作者的长期研究和实践，理论设计支护日渐完善，成为很多国内外专家巷道支护设计的主要手段。

目前，常用的锚杆支护参数设计方法有以下几种：

（1）悬吊作用理论设计锚杆支护参数；

（2）承压拱理论设计锚杆支护参数；（3）松动圈支护理论设计锚杆支护参数；（4）扩容理论设计锚杆支护参数。

3、实测法

根据现场实际观测资料，利用岩石力学原理与数理统计方法进行巷道支护的设计方法已被许多国家采用。

我国一些矿区，利用超声仪实测巷道围岩松动圈的方法，进行软岩锚喷网支护参数的设计，取得了较好效果。

澳大利亚、英国利用对围岩特性的综合测量结果，进行支护系统的设计。

观察内容有地应力、顶板岩层位移及锚杆承载特性等参数，根据实测资料、巷道的地质环境及岩石力学原理，确定支护的参数。

二、巷道锚杆支护参数和设计方法

锚杆支护参数确定方法取决于锚杆支护理论，锚杆支护理论不同，锚杆支护参数的确定方法也不同。

1、悬吊作用理论设计锚杆支护参数

1）锚杆长度的确定

L=L1+L2+L3

式中L—锚杆长度，m；L1—锚杆外露长度，m；L2—锚杆有效长度，m；L3—锚杆锚固长度，m。

（1）锚杆外露长度L1的确定

L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m，一般L1=0.15m。

（2）锚杆有效长度L2的确定

锚杆有效长度L2的确定方法有三种，一是采用声波法测出巷道围岩松动圈范围；二是采用岩层探测分析仪进行测量；三是采用解释法中普式自然平衡拱理论确定L2。

a.岩层探测分析仪确定L2

b.普式自然平衡拱理论确定L2

巷道顶锚杆有效长度L2的确定：

f≥3时，;f≤2时，

巷道帮锚杆有效长度L2的确定：

式中f—普氏系数；B—巷道跨度，m；H—巷道掘进高度，m；—内摩擦角，（º）。

（3）锚杆锚固长度L3的确定L3=0.3~0.4m

2）锚杆间排距的确定

对锚杆支护巷道，考虑施工工艺通常取间排距相等，锚杆间排距D。

按下式计算：

D≤0.5L

3）锚杆直径的确定

锚杆直径d可按下式计算：

4）锚杆锚固力计算

锚杆锚固力可按下式计算：

式中Q—锚杆锚固力，t；K—锚杆安全系数，取2~3；L2—锚杆有效长度，m；r—视密度，t/m3。

2组合梁理论设计锚杆支护参数

用组合梁理论设计锚杆的支护参数适用于层状岩体，裂隙发育的平顶巷道。

计算公式如下：

a.锚杆的长度

式中l—锚杆长度，m；l1—外露长度，一般取0.1m；l2—锚杆的有效长度，m；l3—锚杆的锚固长度，一般取0.2~0.3m；L—巷道净跨度，m；k1—安全系数；机掘取2~3，炮掘取3~5，巷道受采动影响取5~6；P—层状岩石上部的均匀载荷，MPa；—与组合层数有关的系数；当组合岩层数为1、2、3时，分别对应1、0.75、0.7，当组合层数≥4时，取0.65；—岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0.6~0.8倍，MPa；—原岩水平应力，MPa（==，为泊松比）。

b.锚杆间距

所选锚杆长度，须验算组合梁各岩层面间不发生相对滑动，并保证最下面一层岩层的稳定性，即锚杆间距满足下式要求：

式中—锚杆间排距，m；—最下层岩层厚度，m；—最下层岩层抗拉计算强度，可取试验强度的0.3～0.4倍，MPa；—最下层岩石自重均匀载荷，MPa。

组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。

组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小。

组合梁充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但是它存在以下明显缺点。

a.组合梁有效组合厚度很难确定。

它涉及到影响锚杆的众多因素，目前还没有一种方法可以比较可靠地估计有效组合厚度。

b.没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。

其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏、失稳的主要原因。

3、组合拱理论设计锚杆支护参数

组合拱理论设计锚杆支护参数，一般用于巷道围岩破碎，巷道断面为拱顶的巷道。

该理论认为：

在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预