巷道錨桿支護參數(shù)設計
巷道錨桿支護參數(shù)設計
一、錨桿支護理論研究
（一）錨桿支護綜述
1、錨桿支護技術的發(fā)展
錨桿支護作為一種有效的、技術經(jīng)濟優(yōu)越的采準巷道支護方式，自美國1912年在aberschlesin（阿伯施萊辛）的Friedens（弗里登斯）煤礦首次使用錨桿支護頂板至今已有90多年的歷史。
1945~1950年，機械式錨桿研究與應用；
1950~1960年，采礦業(yè)廣泛采用機械式錨桿，并開始對錨桿支護進行系統(tǒng)研究；
1960~1970年，樹脂錨桿推出并在礦山得到了應用；
1970~1980年，發(fā)明管縫式錨桿、脹管式錨桿并得到了應用，同時研究新的設計方法，長錨索產(chǎn)生；
1980~1990年，混合錨頭錨桿、組合錨桿、特種錨桿等得到了應用，樹脂錨固材料得到改進。
美國、澳大利亞、加拿大等國由于煤層埋藏條件好，加之錨桿支護技術不斷發(fā)展和日益成熟，因而錨桿支護使用很普遍，在煤礦巷道的支護中的比重幾乎達到了100%。
澳大利亞錨桿支護技術已經(jīng)形成比較完整的體系，處于國際領先水平。澳大利亞的煤礦巷道幾乎全部采用W型鋼帶樹脂全長錨固組合錨桿支護技術，盡管其巷道斷面比較大，但支護效果非常好。對于復合頂板、破碎頂板及其巷道交叉點、大跨度硐室等難維護的地方，采用錨索注漿進行補強加固，控制了圍巖的強烈變形。美國一直采用錨桿支護巷道，錨桿消耗量很大。錨桿種類也較多，有脹殼式、樹脂式、復合錨桿等。組合件有鋼帶。具體應用時，根據(jù)巖層條件選擇不同的支護方式和參數(shù)。
錨桿支護發(fā)展最快的是英國。在1987年以前，英國煤礦巷道支護90%以上采用金屬支架，而且主要是礦用工字鋼拱型剛性支架。由于回采工作面單產(chǎn)低、效率低、巷道支護成本高，因而虧損嚴重。為了擺脫煤炭行業(yè)的這種困境，在巷道支護方面積極發(fā)展錨桿支護，到1987年，英國從澳大利亞引進了成套的錨桿支護技術，從而扭轉了過去的被動局面，煤巷錨桿支護得到迅速發(fā)展，經(jīng)過近10年實驗的基礎上，又進行了改進和提高，到1994年在巷道支護中所占的比重己達到80%以上。錨桿支護技術的廣泛采用給英國煤礦帶來巨大的活力和經(jīng)濟效益。
德國是U型鋼支架使用最早、技術上最為成熟的國家，自1932年發(fā)明U型鋼支架以來，U型鋼支架發(fā)展迅速，支護比重很快達到了90%以上，從井底車場一直到采煤工作面兩巷均采用U型鋼可縮性支架。但是自20世紀80年代以來，隨著礦井開采深度日益增加，維護日益困難。面臨這種困境，德國采用不斷增加金屬支架的型鋼質量，逐步減小棚距的做法，這不僅使巷道支護費用增高，而且施工、運輸更加困難和復雜。即便如此，巷道維護困難的狀況仍然難以改觀，于是尋求成本低，運輸和施工簡單方便、控制圍巖變形效果好的錨桿支護變得尤為重要。到20世紀80年代初期，錨桿支護在魯爾礦區(qū)實驗成功后獲得推廣，現(xiàn)己應用到千米的深井巷道中，取得了許多成功的經(jīng)驗。
法國煤巷錨桿支護的發(fā)展也很迅速，到1986年其比重己達50%。在采區(qū)巷道支護中同時發(fā)展金屬支架、錨桿支護、混凝土支架。
俄羅斯錨桿支護的發(fā)展也引人矚目。他們研制了多種類型的錨桿，在俄羅斯第一大礦區(qū)——庫茲巴斯礦區(qū)錨桿支護巷道所占比重己達50%。
我國在煤礦巖巷中使用錨桿支護也已有近50余年的歷史。從1956年起在煤礦巖巷中使用錨桿支護，20世紀60年代錨桿支護開始進入采區(qū)，但由于煤層巷道圍巖松軟，受采動影響后圍巖變形量很大，對支護技術要求很高，加之錨桿支護理論、設計方法，錨桿材料、施工機具、檢測手段等還不夠完善，因而發(fā)展緩慢。“八五”期間，原煤炭工業(yè)部把煤巷錨桿支護技術作為重點項目進行攻關，在“九五”期間，原煤炭工業(yè)部將“錨桿支護”列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的五個項目之一，對錨桿支護的可行性和適用性進行了深入細致的研究，取得了一大批水平較高的科研成果。特別是1996~1997年我國引進了澳大利亞錨桿支護技術，在原邢臺礦務局進行了現(xiàn)場演示，并完成了與錨桿支護技術有關的15個項目，使我國的煤巷錨桿支護技術有較大提高。同時，困難條件下錨桿——錨索支護技術得到了應用，并取得令人滿意的支護效果和經(jīng)濟效益。2005年，我國國有重點煤礦的錨桿支護所占比重為60%，有些礦區(qū)超過了90%，甚至到達100%。
時至今日，人們不僅成功地在穩(wěn)定和中等穩(wěn)定以上的巖巷中使用錨桿，而且在軟巖巷道、以及受采動影響的煤巷中也成功地使用了錨桿支護技術。一批技術先進的國有重點礦區(qū)的煤巷錨桿支護率在逐年穩(wěn)步提高。由于對巷道圍巖強度的強化作用，可顯著提高圍巖的穩(wěn)定性，并且有支護成本較低、成巷速度快、勞動強度減輕、提高了巷道斷面的利用率、簡化回采面端頭維護工藝、明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件等優(yōu)點，可提高礦井的經(jīng)濟效益，因而成為礦井巷道的一種主要支護形式。也代表了煤礦巷道支護技術的主要發(fā)展方向。
錨桿支護可大幅度的降低巷道支護維修費用，提高巷道掘進速度和生產(chǎn)效率；在巷道跨度增大時，即在大跨度巷道的情況下，單純用錨桿對巷道進行支護可能會引起巷道頂板在一定高度范圍內整體垮落，在這種情況下可以進行“錨桿+錨索”聯(lián)合支護，可將整個潛在冒落范圍內的巖層懸吊在較穩(wěn)定的巖層中，從而使得該巷道頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。
煤巷與巖巷不同之處在于：煤巷圍巖比較松軟，在采動影響下巷道圍巖變形十分劇烈。在使用金屬支架時，頂?shù)装濉蓭拖鄬σ平恳话阍?00~500mm，少則100~200mm，嚴重時超過1000mm。煤巷使用錨桿支護時，必須要有較高的支護強度以控制圍巖變形。煤巷錨桿支護不同于一般巖巷的錨噴（網(wǎng)）支護。它的主要形式有單體錨桿、錨桿加W型鋼帶（或鋼筋梁）加網(wǎng)，或者加板式鋼帶及網(wǎng)，簡稱錨梁、錨網(wǎng)或錨梁網(wǎng)支護。
2、錨索支護技術發(fā)展
錨索支護基于錨桿支護原理中的懸吊理論，再增加適當大小的預應力，支護后圍巖不至形成離層脫落，確保圍巖穩(wěn)定，是一種傳遞主體結構的支護應力到深部穩(wěn)定巖層的主動支護方式。
預應力錨索支護是錨固技術發(fā)展中占有重要地位的一種支護形式，其與普通錨桿相比有突出的特點：一是長度大，能夠錨入到深部穩(wěn)定巖石中，并可以施加預應力；二是能限制巖體的有害變形發(fā)展，從而保持巖體的穩(wěn)定。錨索一般是錨桿長度的3~5倍，因此除了能夠起到普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用外，還能對巷道圍巖進行深部錨固，在實際應用中往往錨桿與錨索配合使用。
近年來，國內外錨索支護技術發(fā)展迅速，應用也越來越廣泛，在巖石邊坡、
交通隧道、礦山井巷、深基坑、壩基及結構加固等許多方面都有該項技術的用武之地。在英國、澳大利亞，錨索支護技術的應用十分普遍，尤其在煤巷的應用十分突出，利用輕型錨桿鉆機即可施工。在圍巖較差的大硐室、交叉點、斷層附近及受采動影響的巷道采用錨索支護的前景比較廣泛。
總的看來，錨桿、錨索己經(jīng)廣泛應用于大量的相關的工程中，而且已經(jīng)積累了大量的寶貴經(jīng)驗。但是，在一些復雜條件下的煤巷，如果方法運用不當，錨桿支護也往往失效，因此，支護設計及基礎參數(shù)測定的研究是解決回采巷道錨桿支護的關鍵，是成功推廣應用錨桿支護的途徑。
3、錨桿支護的優(yōu)點
實踐充分證明，在煤巷中應用錨桿支護，與傳統(tǒng)的棚式支護相比，具有顯著的優(yōu)越性。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）從根本上改善了支護狀況，保證了安全生產(chǎn)。
（2）減輕了工人的勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境。
（3）減少了支護物料的運輸，改善了生產(chǎn)礦井中輔助運輸?shù)木o張狀況。
（4）提高了掘進工效，有利于高速、高效掘進隊的建設。
（5）大幅度節(jié)約支護材料，降低支護成本。
（6）提高巷道斷面的利用率。
（7）簡化了綜采工作面超前支護，加快了回采速度。
（8）錨桿支護巷道維修量少，服務年限相對延長，為優(yōu)化礦井開拓布置、合理集中生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。
（9）能可靠的支護綜采大斷面的機、風巷和開切眼，為綜采工作面設備快速安裝創(chuàng)造了條件。
（10）有利于節(jié)約資源，改善生態(tài)環(huán)境。
煤巷錨桿支護技術的理論與實踐都已比較成熟，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖的煤巷可大面積的推廣。Ⅳ、Ⅴ類圍巖巷道的錨桿支護在許多礦都取得了成功，這一切都說明煤巷錨桿支護的可行性和安全可靠性。從而提高煤礦生產(chǎn)效率、降低成本、保證生產(chǎn)安全、獲得可觀的社會經(jīng)濟效益。因此，在煤巷中推廣錨桿支護是勢在必行的。積極組織推廣煤巷錨桿支護技術，是煤礦巷道支護技術發(fā)展的必然。
（二）錨桿的作用原理
1、錨桿的作用
1）錨桿構件的作用
錨桿構件主要提供抗拉和抗剪作用，而抗彎和抗壓作用能力非常小，可以忽略不計。
2）錨固劑的作用
錨固劑的作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體粘接在一起。對于端部錨固錨桿，錨固劑的作用在于提供粘結力，使錨桿能承受一定的拉力。錨桿拉力除錨固端外，延長度方向是均勻分布的。由于錨桿與鉆孔間有較大空隙，所以錨桿的抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯動后才能發(fā)揮出來。對于全長錨固錨桿，錨固劑的作用比較復雜，主要有兩方面，一是將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結在一起，使錨桿隨著巖層移動承受拉力；二是當巖層發(fā)生錯動時，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層發(fā)生錯動。
3）金屬網(wǎng)的主要作用
金屬網(wǎng)可以用來維護錨桿間的圍巖，防止松動巖塊掉落。金屬網(wǎng)所能承受松散巖石的載荷與錨桿間距密切相關。
4）鋼帶的作用
鋼帶的作用除可以防止錨桿間的松動巖塊掉落外，還可均衡錨桿受力，改善頂板巖層應力狀態(tài)，與錨桿共同形成組合支護系統(tǒng)，增加圍巖的穩(wěn)定性。
2、錨桿支護作用機理
錨桿支護的作用機理有懸吊作用、組合梁作用、加固拱作用和楔固作用等。
1）懸吊作用
懸吊作用是指錨桿把將要冒落的松軟弱巖層或危巖懸吊于上部堅固穩(wěn)定的巖體上，由錨桿來承擔危巖或松軟弱巖層的重量，如圖1所示。
2）組合梁作用
在層狀巖層的巷道頂板中，通過錨入一系列的錨桿，將錨桿錨固長度以內的薄層巖石組成巖石組合梁，從而提高其承載能力?？梢园哑巾斚锏赖膶訝顜r石頂板看作是以巷道兩幫為支點的疊合梁。在載荷作用下，各層巖石（板）都有各自的單獨彎距，每層巖石（板）的上下緣分別處在受壓和受拉狀態(tài)。但用錨桿將各層巖石錨固在一起后，在載荷作用下，各層巖石之間基本上不會發(fā)生離層、錯動，就如同一塊板的彎曲一樣，大大提高了組合梁的抗彎強度和承載能力，如圖2所示。
（三）錨桿支護作用機理分析
1）頂板錨桿的作用
（1）錨桿的早期作用
巷道開掘階段頂板破壞范圍較小，此時錨桿的作用主要是控制頂板下部巖層的滑動、離層、失穩(wěn)。錨桿安裝越及時，預緊力越大，效果越好。
（2）錨桿的中期作用
掘進影響穩(wěn)定后受到采動影響前，稱之為中期階段。此階段主要是由于巖石的流變效應，致使隨著時間推移，巖層強度不斷降低，頂板下沉及錨桿受力逐漸加大，最后形成一定范圍的破壞區(qū)，當巷道有煤柱時，殘余支承壓力也影響巷道圍巖變形，巷道易破壞。
當錨桿能深入到上部穩(wěn)定巖層時，錨桿的作用主要表現(xiàn)為：一是將破壞區(qū)內的巖層與穩(wěn)定巖層相連，阻止破壞巖層垮落；二是錨桿提供徑向和切向約束，阻止破壞區(qū)巖層擴容、離層及滑動，提高巖層的水平承載能力，使穩(wěn)定巖層內的應力分布均勻。錨桿的工作阻力越大，效果越明顯。
當錨桿不能深入穩(wěn)定巖層時，錨桿的作用主要表現(xiàn)為：一是阻止錨固區(qū)內的巖層擴容、離層及滑動，從而提高巖層的水平承載能力，在破壞區(qū)范圍內形成次生承載層，它可以阻止上部巖層的進一步擴容和離層；二是次生承載層形成后，使上部巖層應力分布趨于均勻和下移，有利于巷道穩(wěn)定。
（3）錨桿的后期作用
當巷道支護時間很長或受到回采影響后，巷道圍巖破壞區(qū)會進一步擴大，圍巖變形急劇增加，錨桿受力增大。
此時有可能出現(xiàn)二種情況：其一是次生承載層雖然發(fā)生了進一步的擴容和離層，但仍具有較大的承載能力，巷道頂板仍能保持穩(wěn)定。其二是次生承載層的承載能力下降過大，造成失穩(wěn)、垮落。
2）鋼帶的作用
（1）鋼帶的早期作用
由于鋼帶沒有預緊力，所以當鋼帶剛安裝以后，其受力很小。只有當頂板產(chǎn)生一定變形之后，鋼帶承受的拉力才逐漸增大。即鋼帶的早期作用主要表現(xiàn)在防止頂板破碎的小巖塊掉落，與網(wǎng)的作用相差無幾。
（2）鋼帶的中期作用
一是阻止錨桿間的危巖垮落；二是阻止其產(chǎn)生較大的擴容和離層，提高巖層的承載能力，從而增加次生承載層厚度和承載能力，有利于巷道頂板的穩(wěn)定；三是使錨桿受力趨于均勻，有利于發(fā)揮錨桿支護的整體作用。
（3）鋼帶的后期作用
巷道變形增加后，錨桿間圍巖擴容和離層逐漸增大，鋼帶受力增加。
對于錨桿錨固端仍處于穩(wěn)定巖層范圍內時，只要鋼帶承受的拉力小于其破斷載荷，頂板仍能保持穩(wěn)定，下沉得到有效的控制。
對于錨桿全部處于破壞巖層范圍內時，可能出現(xiàn)兩種狀態(tài)，其一是次生承載層雖然產(chǎn)生較大的擴容和離層，但仍有足夠的承載能力，保持頂板穩(wěn)定，不至于失穩(wěn)垮落；其二是次生承載層承載能力喪失過大，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。如果僅采用錨桿群支護，則有可能頂板垮落。加鋼帶后，不僅增大了次生承載層的厚度，顯著增加了其承載能力，而且次生承載層的受力狀態(tài)也得到明顯改善。
3）幫錨桿的作用
巷道側幫變形與破壞規(guī)律很多方面同頂板類似。但是，對于煤巷，由于煤幫的強度比頂板強度小，而且頂板與煤層交界面的強度更小，因此，與巖石巷道相比，煤巷變形和破壞有其特點。
（1）幫錨桿的早期作用
巷道開掘初期，煤幫變形和破壞范圍都較小，錨桿的作用在于控制淺部煤層的擴容和松動。顯然，同頂板錨桿一樣，幫錨桿安裝越及時，預緊力越大，效果越好。
（2）幫錨桿的中期作用
在這個階段，由于煤層的流變效應，導致破壞范圍逐漸擴大，如果不采取支護，煤層導致片幫，巷道跨度增大。
采用錨桿支護后出現(xiàn)兩種情況。
當錨桿深入到煤層穩(wěn)定深度后，錨桿的作用是：將煤層破壞區(qū)域與穩(wěn)定煤層相連，阻止破壞區(qū)域向巷道移動；錨桿給破壞區(qū)煤層提高徑向和切向約束，從而減小煤層破壞區(qū)的擴容、松動和滑移，增大其承載能力；破壞區(qū)內煤層的切向承載能力增大后，會增加巖層與煤層交界面的摩擦力，有利于阻止煤幫的整體移動。
當錨桿處于煤層破壞區(qū)時，錨桿作用是：在煤層破壞區(qū)內形成次生承載層，它具有較大的垂直承載能力，并能阻止內部煤層的進一步擴容、松動；次生承載層形成后，會使煤層深部的應力分布趨于均勻，有利于煤幫穩(wěn)定；次生承載層的垂直承載能力大，從而作用在其上的垂直應力大，增大了巖層與煤層交界面上的摩擦力，有利于減小錨固區(qū)煤層的整體移動。
（3）幫錨桿的后期作用
巷道支護時間加長或受到采動影響，煤幫破壞范圍及移動量都會明顯增加。
當錨桿錨固端處于煤層穩(wěn)定范圍內，只是錨桿受力增大。若錨桿參數(shù)設計合理，能夠保證煤幫的穩(wěn)定性。
當錨桿已全部處于煤層破壞范圍中，若次生承載層具有較大的承載能力，仍可保持煤幫的穩(wěn)定性，阻止煤幫整體移動。
若次生承載層能力喪失過大，則煤幫將失穩(wěn)、片落，向巷道內移動。
3）頂板與兩幫支護的關系
以上分析了頂板及兩幫錨桿的受力特征。在實際巷道中，兩者相互影響，共同作為一個支護系統(tǒng)維護巷道。保持煤幫的穩(wěn)定性，給頂板支護系統(tǒng)提供了強有力的支點，不會出現(xiàn)煤層片幫而引起巷道跨度增大，導致頂板下沉劇烈、失穩(wěn)和垮落等現(xiàn)象。同樣，頂板保持穩(wěn)定、完整也有利于煤幫的穩(wěn)定性和減少變形，兩者是相輔相成的，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。在回采巷道中，由于煤層相對較軟，是易破壞的部位。因此，巷道的兩幫支護顯得尤為重要。
（四）錨索作用機理
錨索支護基于錨桿支護原理中的懸吊理論，再增加適當大小的預應力，支護后圍巖不至形成離層脫落，確保圍巖穩(wěn)定，是一種傳遞主體結構的支護應力到深部穩(wěn)定巖層的主動支護方式。
錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的關鍵承載層相連，提高次生承載層的穩(wěn)定性。即使次生承載層發(fā)生斷裂、轉動，也不致于失穩(wěn)而引起頂板垮落。同時，由于錨索可施加較大的預緊力，可擠緊巖層中的層理、節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。
預應力錨索支護是錨固技術發(fā)展中占有重要地位的一種支護形式，其與普通錨桿相比有突出的特點：一是長度大，能夠錨入到深部穩(wěn)定巖石中，并可以施加預應力；二是能限制巖體的有害變形發(fā)展，從而保持巖體的穩(wěn)定。錨索一般是錨桿長度的3~5倍，因此除了能夠起到普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用外，還能對巷道圍巖進行深部錨固，在實際應用中往往錨桿與錨索配合使用。
二、煤巷錨桿支護參數(shù)設計方法
煤巷的突出特點就是承受采動支承壓力，圍巖破碎，變形量大。巷道錨桿支護設計，首先要對巷道所經(jīng)受采動影響過程及影響程度進行準確的評估，對巷道使用要求和設計目標要予以準確定位。比如，是按采動影響時的支護難度設計支護，還是按照采動影響前的使用要求設計，不同的設計思想，結果大不相同。
目前，我國煤巷支護設計方法大致分為三類，即工程類比法、理論計算法及實例法。
1）工程類比法
工程類比法是當前應用較廣的方法。它是根據(jù)已經(jīng)支護的類似工程的經(jīng)驗，通過工程類比，直接提出支護參數(shù)。它與設計者的實踐經(jīng)驗有很大關系。然而，要求每一個設計人員都具有豐富的實踐經(jīng)驗是不切實際的。為了將特定巖體條件下的設計與個別的工程相應條件下的實踐經(jīng)驗聯(lián)系起來進行工程類比，做出比較合理的設計方案，正確的圍巖分類是非常必要的。進行圍巖分類后，就可根據(jù)不同類別的巖層，確定不同的支護形式和參數(shù)。
（1）巷道圍巖分類方法
圍巖分類方法的研究工作歷史悠久，早在18世紀，在采礦及各地下工程已開始用分類的方法研究圍巖的穩(wěn)定性。隨著采礦和人們對巖石物理力學性質認識的不斷深入，國內外圍巖分類研究得到了迅速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，有影響的圍巖分類有五六十種之多。
a. 普氏巖石分級法
該法用巖石堅固性系數(shù)f（普氏系數(shù)）來對圍巖分類，f值等于巖石的單向抗壓強度除以10。堅固性系數(shù)是巖石間相對的堅固性在數(shù)量上的表現(xiàn)，它最重要的性質在于不論是何種抗力，以及這種抗力是如何引起的，而給予巖石相互之間進行比較的可能性。普氏巖石分級法來自實踐，并且有抽象概括的程序可取，所提出的巖石堅固性系數(shù)值簡單明確，到目前仍有一定的使用價值。
b. 煤礦錨噴支護圍巖分類
為了適應巷道錨桿支護的需要，原煤炭工業(yè)部頒布的《煤炭井巷工程錨噴支護設計試行規(guī)范》制定了煤礦錨桿支護圍巖分類，見表1。該分類綜合考慮了巖石的單向抗壓強度、巖體結構和結構面發(fā)育狀況、巖體完整性系數(shù)、圍巖穩(wěn)定時間等多種因素，是一種典型的多指標分類方法。
c. 圍巖松動圈分類
圍巖松動圈是一個定量的綜合指標，它是建立在對巷道圍巖實測的基礎上，幾乎不作任何假設，用現(xiàn)場實測和模擬試驗，研究圍巖狀態(tài)，找出圍巖松動圈這一綜合指標，用來作為圍巖分類的依據(jù)。這一分類方法簡單、直觀性強、易于掌握，受到眾多煤礦巷道設計與施工人員的歡迎。
經(jīng)過大量的現(xiàn)場松動圈測試及其與巷道支護難易程度相關關系的調研之后，依據(jù)圍巖松動圈的大小將圍巖分成小松動圈，中松動圈、大松動圈三大類六小類，如表2所示。
2）理論計算法
在巖石力學支護理論的發(fā)展歷程中，人們試圖做像地面結構那樣能夠較為準確地確定支護荷載，用理論計算方法設計支護結構，這是巖石力學工作者長期追求和奮斗的目標。經(jīng)過眾多學者和科技工作者的長期研究和實踐，理論設計支護日漸完善，成為很多國內外專家巷道支護設計的主要手段。
目前，常用的錨桿支護參數(shù)設計方法有以下幾種：
（1）懸吊作用理論設計錨桿支護參數(shù)；
（2）承壓拱理論設計錨桿支護參數(shù)；
（3）松動圈支護理論設計錨桿支護參數(shù)；
（4）擴容理論設計錨桿支護參數(shù)。
3）實測法
根據(jù)現(xiàn)場實際觀測資料，利用巖石力學原理與數(shù)理統(tǒng)計方法進行巷道支護的設計方法已被許多國家采用。
我國一些礦區(qū)，利用超聲儀實測巷道圍巖松動圈的方法，進行軟巖錨噴網(wǎng)支護參數(shù)的設計，取得了較好效果。澳大利亞、英國利用對圍巖特性的綜合測量結果，進行支護系統(tǒng)的設計。觀察內容有地應力、頂板巖層位移及錨桿承載特性等參數(shù)，根據(jù)實測資料、巷道的地質環(huán)境及巖石力學原理，確定支護的參數(shù)。
三、煤巷錨桿支護參數(shù)和設計方法的確定
錨桿支護參數(shù)確定方法取決于錨桿支護理論，錨桿支護理論不同，錨桿支護參數(shù)的確定方法也不同。
1 懸吊作用理論設計錨桿支護參數(shù)
1）錨桿長度的確定
L=L1+L2+L3
式中 L——錨桿長度，m；
L1——錨桿外露長度，m；
L2——錨桿有效長度，m；
L3——錨桿錨固長度，m。
（1）錨桿外露長度L1的確定
L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m
一般L1=0.15m。
（2）錨桿有效長度L2的確定
錨桿有效長度L2的確定方法有三種，一是采用聲波法測出巷道圍巖松動圈范圍；二是采用巖層探測分析儀進行測量；三是采用解釋法中普式自然平衡拱理論確定L2。
a. 巖層探測分析儀確定L2
b. 普式自然平衡拱理論確定L2
巷道頂錨桿有效長度L2的確定：
式中 f——普氏系數(shù)；
B——巷道跨度，m；
H——巷道掘進高度，m；
——內摩擦角，（º）。
（3）錨桿錨固長度L3的確定
L3 = 0.3~0.4m
2）錨桿間排距的確定
對錨桿支護巷道，考慮施工工藝通常取間排距相等，錨桿間排距D按下式計算：
D≤0.5L
3）錨桿直徑的確定
錨桿直徑d可按下式計算：
2 組合梁理論設計錨桿支護參數(shù)
用組合梁理論設計錨桿的支護參數(shù)適用于層狀巖體，裂隙發(fā)育的平頂巷道。計算公式如下：
a. 錨桿的長度
若錨桿的控制角按45°計，則b=L-a
錨桿長度按L=1.6~1.8m，錨桿間排距按a=0.6~0.8。取值時，則擠壓加固拱的厚度b=0.9~1.2m，且錨固體具有較好的可縮性。
存在缺陷：錨桿的錨固力是影響錨桿控制角的關鍵因素，而在理論推導中并未涉及錨桿的錨固力。錨桿的控制角度及加固體厚度的計算存在一些問題，因而其支護效果的可靠性受到質疑。此外當加固拱的厚度遠小于巷道跨度時，加固拱是否發(fā)生破壞不僅與其強度有關，更主要取決于加固拱的穩(wěn)定性，而在該理論中沒有考慮。
4 松動圈支護理論設計錨桿支護參數(shù)
松動圈支護理論認為，松動圈的厚度包含了原巖應力的大小、巖體強度、節(jié)理性質及采動影響等影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素，用松動圈厚度指標LP綜合評價圍巖穩(wěn)定性及支護難度，既包含了這些因素的影響，又繞開了測試原巖應力、巖體強度的難題，把它作為確定錨桿支護參數(shù)的重要依據(jù)，是一種比較實用的方法。
松動圈巷道支護理論，是根據(jù)圍巖松動圈狀態(tài)分析闡述錨桿支護機理和設計錨桿支護參數(shù)，其設計程序和原則為：
a. 測定或預測新開巷道將要穿過巖層的松動圈（在已揭露類似巷道中進行），包括靜態(tài)松動圈、采動影響期間的最大松動圈，從而準確把握巷道的支護難度。
b. 根據(jù)巷道用途和使用要求，決定是按靜態(tài)松動圈還是按動壓作用下的最大松動圈進行支護參數(shù)設計。根據(jù)靜態(tài)松動圈設計，有利于提高掘進施工速度和降低巷道成本，回采期間須超前工作面20~50m增設加強支護；根據(jù)動壓松動圈設計，能改善工作面端頭支護狀況和簡化順槽的超前支護，有利于回采工作的順利進行。
c. 當實測的圍巖松動圈LP＜1.5m時，懸吊理論是確定支護參數(shù)較好的方法，錨桿的懸吊點是松動圈外的未松動巖層或煤層。
d. 當圍巖裂隙發(fā)育或者實測的圍巖松動圈LP＞1.5m時，按組合拱理論設計錨桿支護參數(shù)。
e. 頂板“斜錨桿”非常重要，其錨固要可靠，長度要伸入到兩幫上方一定深度。
f. 一般條件下，金屬網(wǎng)或塑料網(wǎng)是必須的，當圍巖破碎或者松動圈大于1.5m，要敷設鋼帶，以提高錨桿的整體性和支護能力，兩幫壓力大時也需敷設鋼帶或鋼筋梯。
g. 圍巖破碎或變形壓力大的條件下，宜選用錨固可靠、承載能力較大（錨固力大于6t）的錨桿，沿空掘巷的沿空側，須采用全長錨固式錨桿。
綜上所述，松動圈理論確定錨桿支護參數(shù)如下：
a. 錨桿長度確定
當松動圈厚度L=0.4~1.5m時，稱為中松動圈，此時，圍巖的碎脹力比較明顯，L值一般小于常用錨桿長度，因此在設計上可采用懸吊理論。錨桿長度計算公式為：
L=kh+L1+L2
式中 L——錨桿長度，m；
H——不穩(wěn)定地層厚度，m；
K——安全系數(shù)，一般根據(jù)巷道的重要程度及服務年限，取k=1~2.5；
h——不穩(wěn)定地層厚度，m；
L1——錨桿外露長度，m，一般取值0.1m；
L2——錨桿錨入穩(wěn)定地層的深度，m，一般取值0.3~0.4m。
傳統(tǒng)懸吊理論的最大困難在于如何準確判定不穩(wěn)定地層的厚度h。松動圈的厚度系實測數(shù)值，準確性較高。因此，在確定錨桿長度時直接取松動圈值代表不穩(wěn)定地層厚度h，取安全系數(shù)k=1~1.5。當圍巖裂隙發(fā)育或者圍巖松動圈靜態(tài)值Lp0、動態(tài)值Lpd均大于1.5m時，形成的“錨固層組合拱”是錨桿支護的主要作用機理。錨桿在錨固力的作用下，將破裂了的巖石組織起來，提高其殘余強度，形成一定厚度的錨固層。隨著圍巖的變形，錨固層中將進一步形成次生的“壓力拱”承受地壓。在跨度和巷道高度一定的條件下，錨桿越長，“壓力拱”的厚度越大，承載力越高。理論和實踐證明，動態(tài)松動圈大于靜態(tài)松動圈。因此，在選擇松動圈值時要視巷道是否受動壓影響來確定，一般受動壓影響的巷道選用動態(tài)值Lpd否則選擇靜態(tài)值Lp0，兩者的成本是不一樣的。
b. 錨桿間排距的確定
按組合拱理論確定錨桿支護間排距，組合拱厚度：
X3——錨索錨固長度，取1.7m；
X2——潛在不穩(wěn)定巖層高度，m；
X2 =B
B為巷道跨度，m。
（2）錨索排距
s=3σ/4B2γk。
式中 σ——每根錨索最低破斷載荷，260 kN；
γ——煤巖體積力，kN/m3；
B——巷道寬度m；
k——安全系數(shù)，取0.5；
（3）錨索間距
m=0.85B/n
式中 n——排數(shù)；
B——巷道寬度，m。
錨固長度根據(jù)拉拔試驗數(shù)據(jù)，考慮到巖性和施工等影響因素及安全系數(shù)確定錨固長度。實踐表明：
水泥砂漿錨索錨固長度＞2.5m
樹脂藥包錨索錨固長度＞1.0m。
錨索的破壞形式一般是膠結體與鋼絞線的粘結被破壞，錨索從膠結體中被拔出。錨索支護設計中應保證鋼鉸線與膠結體有足夠的粘結強度，才能保證錨索的支護效果。
按GBJ86-85要求：錨索錨固長度La應符合下式：
四、巷道錨桿支護參數(shù)設計
蒙西煤礦目前開采煤層為12煤層和21+2煤層，采煤工作面兩巷為矩形。
1 21+2煤層回風順槽錨桿支護參數(shù)設計
21+2煤層基本全區(qū)發(fā)育，煤層由南向北變薄，最大厚度14.24m，最小厚度4.54m，平均厚度10.80m，煤層結構簡單，夾石層數(shù)1~2層，夾石巖性為炭質泥巖、泥巖、粉砂巖，厚度一般為0.20~0.40m，煤層頂板巖性為砂礫巖、粉砂巖、細砂巖及泥巖；煤層底板巖性有炭質泥巖、粉砂巖、砂礫巖。埋深在53.40~106.25m，平均90.86m，與12煤層間距平均為29.61m。
回風順槽設計巷道斷面為矩形，巷道寬度為3.6m，高度3m。
1）支護方式選擇
錨桿支護的作用主要有懸吊作用、組合梁作用、加固拱作用和楔固作用等。
錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的關鍵承載層相連，提高次生承載層的穩(wěn)定性。即使次生承載層發(fā)生斷裂、轉動，也不致于失穩(wěn)而引起頂板垮落。同時，由于錨索可施加較大的預緊力，可擠緊巖層中的層理、節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。
由地質資料分析可知，煤層平均厚度為10.80m，煤層的直接頂板為松散的砂礫巖，膠結性非常差。采用綜采放頂煤開采，巷道基本沿煤層底板布置，由于煤層底板為炭質泥巖，遇水底鼓，因此，留0.5m厚的底煤。
如果只采用錨桿支護，由于巷道的跨度較大，在采動影響下，勢必會發(fā)生錨桿錨固范圍內的煤體離層、甚至塌落，導致冒頂事故的發(fā)生。因此，為保證生產(chǎn)安全，應使錨桿錨固范圍內的煤層不塌落，保持巷道的相對完整，就必須打錨索才能達到目的。
雖然錨索打在煤層中，但煤層較松散的砂礫巖頂板要好得多，能起到錨索應起的作用。
由于綜放巷道沿煤層底板布置，巷道上方有7m左右的煤層，因此，巷道支護應采用錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+鋼帶的支護方式。
2）錨桿支護參數(shù)確定
錨桿支護參數(shù)確定采用懸吊作用理論進行。
（1）錨桿長度的確定
L=L1+L2+L3
式中 L——錨桿長度，m；
L1——錨桿外露長度，m；
L2——錨桿有效長度，m；
L3——錨桿錨固長度，m。
① 錨桿外露長度L1的確定
L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02~0.03）m
一般L1=0.15m。
② 錨桿有效長度L2的確定
錨桿有效長度L2的確定方法有三種，一是采用聲波法測出巷道圍巖松動圈范圍；二是采用巖層探測分析儀進行測量；三是采用解釋法中普式自然平衡拱理論確定L2。
由于沒有測定巷道圍巖松動圈，也沒有采用巖層探測儀進行測量，因此，本項目采用解釋法中普式自然平衡拱理論確定L2。
巷道頂錨桿有效長度L2的確定：
由于實測煤的堅固性系數(shù)為1.9，小于2，因此，采用下式確定L2：
（2）錨桿間排距的確定
對錨桿支護巷道，考慮施工工藝通常取間排距相等，錨桿間排距D按下式計算：
D≤0.5L=0.5×2.5=1.25m
考慮巷道在煤層中布置，為安全起見，錨桿間排距確定為0.8m。
（3）錨桿直徑的確定
頂錨桿：d=L/110=2/110=19mm
取20mm。
幫錨桿：d=L/110=18/110=16mm
取20mm。
④ 錨桿錨固力計算
錨桿錨固力可按下式計算：
t
式中 Q——錨桿錨固力，t；
K——錨桿安全系數(shù)，取2~3；
L2——錨桿有效長度，m；
r——視密度，t/m3。
⑤ 錨桿角度
靠近巷幫的頂板錨桿安設角度與垂線成15°。
2）錨桿的選擇
（1）常用錨桿桿體的材料性能
常用鋼材及其性能見表5；錨桿適宜選用45Mn羅紋鋼，其承載能力見表6。
（2）錨桿的選擇
巷道錨桿選擇φ=20mm、45Mn螺紋鋼錨桿。
Q=10.7 t＜12.4 t
3）錨固劑的確定
錨桿支護巷道采用樹脂錨固劑。樹脂錨固劑應具備的主要特性見表7，樹脂錨固劑產(chǎn)品型號見表8，樹脂錨固劑的規(guī)格見表9，樹脂錨固劑的主要技術指標見表10。
錨桿錨固采用樹脂藥卷。當頂部煤體較好時，錨桿錨固方式可端部錨固；當頂板煤體松軟破碎時，采用全長錨固。
回風順槽錨桿支護布置見圖1所示。
4）錨索支護參數(shù)的確定
錨索由索體、錨具和托板等組成，索體一般用具有可彎曲、柔性的鋼絞線制成。錨索的特點是錨固深度大、承載能力高、可施加較大的預緊力，因而可獲得比較理想的支護效果。其加固范圍、支護強度、可靠性是普通錨桿支護所無法比擬的。
煤礦應用錨索技術，特別是在應用小孔徑樹脂錨固預應力錨索后，錨索在煤巷中得到大面積推廣應用，顯著擴大了錨桿的應用范圍，提高了巷道的安全可靠性，成為支護困難巷道補強加固的主要手段。
按錨索材料分，有精軋螺紋鋼筋、高強度鋼絲和鋼絞線錨索；按錨固材料分，有水泥漿錨固、樹脂錨固及水泥漿樹脂聯(lián)合錨固；按錨固長度分，有端錨和全長錨固；按錨索索體的數(shù)量分，有單體錨索和錨索束；按預緊力分，有預應力錨索和非預應力錨索。
根據(jù)蒙西煤礦的特點，本項目采用7股5mm的鋼絞線錨索，其力學性能見表11所示。
（1）錨索長度的確定
X= X1 + X 2 + X 3
=0.3+3.6+1.7=5.6m
取6m。
式中 X 1——錨索外露長度，取0.3m；
X3——錨索錨固長度，取1.7m；
X2——潛在不穩(wěn)定巖層高度,取3.6m。
X2 =B=3.6m。B為巷道跨度，m。
（2）錨索排距
s=3σ/4B2γk
=3×260/（4×3.6²×12.0×0.5）=2.5m
式中 σ——每根錨索最低破斷載荷，260 kN；
γ——煤巖體積力，12.0kN/m3；
B——巷道寬度，3.6m；
k——安全系數(shù)，取0.5；
由于巷道寬度為3.6m，因此，布置2排錨索，即錨索排數(shù)為2排，排距2m，布置在靠巷道中間位置，如圖5所示。
（3）錨索間距
m=0.85B/n=（0.85×3.6）/2=1.53m
取1.5m。
式中 n——排數(shù)；
B——巷道寬度，3.6m 。
錨索支護參數(shù)見圖5所示。
2 21+2煤層運輸順槽錨桿支護參數(shù)設計
運輸順槽設計巷道斷面為矩形，巷道寬度為4.5m，高度3m。
支護方式選擇：采用錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+鋼帶的支護方式。
1）錨桿支護參數(shù)確定
錨桿支護參數(shù)確定采用懸吊作用理論進行。
（1）錨桿長度的確定
L=L1+L2+L3
式中 L——錨桿長度，m；
L1——錨桿外露長度，m；
L2——錨桿有效長度，m；
L3——錨桿錨固長度，m。
① 錨桿外露長度L1的確定
L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）
一般L1=0.15m。
② 錨桿有效長度L2的確定
巷道頂錨桿有效長度L2的確定：
由于實測煤的堅固性系數(shù)為1.9，小于2，因此，采用下式確定L2： 
幫錨桿長度：L=L1+L2+L3=0.15+1.2+0.3=1.65m
取1.8m。
（2）錨桿間排距的確定
對錨桿支護巷道，考慮施工工藝通常取間排距相等，錨桿間排距D按下式計算：
D≤0.5L=0.5×2.4=1.2m
考慮巷道在煤層中布置，為安全起見，錨桿間排距確定為0.8m。
（3）錨桿直徑的確定
頂錨桿：d=L/110=2.4/110=21mm
取22mm。
幫錨桿：d=L/110=1.8/110=16mm
取18mm。
④ 錨桿錨固力計算
錨桿錨固力可按下式計算：
t
式中 Q——錨桿錨固力，t；
K——錨桿安全系數(shù)，取2~3；
L2——錨桿有效長度，m；
r——視密度，t/m3。
⑤ 錨桿角度
靠近巷幫的頂板錨桿安設角度與垂線成15°，其它錨桿垂直于巷道頂部安設。
2）錨桿的選擇
同回風順槽。
3）錨固劑的確定
同回風順槽。
運輸順槽錨桿支護布置見圖6所示。
4）錨索支護參數(shù)的確定
（1）錨索長度的確定
X= X1 + X 2 + X 3
=0.3+3.6+1.7=5.6m
式中 X 1——錨索外露長度，取0.3m；
X3——錨索錨固長度，取1.7m；
X2——潛在不穩(wěn)定巖層高度，取4.5m。
X2 =B=4.5m
式中B為巷道跨度，m。
錨索長度取6m。
（2）錨索排距
s=3σ/4B2γk。
=3×260/(4×4.5²×12.0×0.5)=1.6m
由于巷道寬度為4.5m，因此，布置3排錨索，即錨索排數(shù)為3排，排距1.5m。
式中 σ——每根錨索最低破斷載荷，260 kN；
γ——煤巖體積力，12.0kN/m3；
B——巷道寬度，3.6m；
k——安全系數(shù)，取0.5；
（3）錨索間距
m=0.85B/n=（0.85×4.5）/3=1.28m
取1.2m。
式中 n——排數(shù)；
B——巷道寬度，4.5m 。
錨索支護參數(shù)見圖6所示。
