同煤集团巷道支护理论计算设计方法(初稿)

汾西矿业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、锚杆长度式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；—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。式中—锚杆锚固力，KN；—安全系数，一般取2～3；、—锚杆间排距，m；—易冒落岩石平均重力密度，KN/m3；3、锚杆的直径式中—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、锚索的长度式中—锚索长度，m；—锚索外露顶板长度，m；—锚索的有效长度，不小于锚杆锚固岩层的厚度，m；—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：式中、—锚索间距、排距，m；—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；—安全系数，一般取2～5；—锚杆锚固岩层的厚度，，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：式中：—锚索锚固力，KN；—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—自然平衡拱高度，m；—巷道掘进宽度，m；—巷道掘进高度，m；—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、锚杆长度式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，不小于自然平衡拱的高度，m；—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。式中—锚杆锚固力，KN；—安全系数，一般取2～3；、—锚杆间排距，m；—冒落拱岩石平均重力密度，KN/m3；4、锚杆的直径式中—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。5、锚索的长度式中—锚索长度，m；—锚索外露顶板长度，m；—锚索的有效长度，不小于锚杆锚固岩层的厚度，m；—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：式中、—锚索间距、排距，m；—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；—安全系数，一般取2～5；—锚杆锚固岩层的厚度，，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：式中：—锚索锚固力，KN；—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、锚杆长度式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，m；—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；式中—安全系数，一般取3～5；—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；—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：式中、—锚杆的间距、排距；—锚杆杆体直径，选择直径的锚杆，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；—安全系数，一般取3～6，MPa；—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；—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。式中—锚杆锚固力，KN；—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、锚索的长度式中—锚索长度，m；—锚索外露顶板长度，m；—锚索的有效长度，组合梁的厚度，m；—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：式中、—锚索间距、排距，m；—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；—安全系数，一般取2～5；—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：式中：—锚索锚固力，KN；—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、锚杆长度及间排距式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，m；—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：式中—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°；—锚杆的间距，与排距近似相等，一般取0.7～1m；2、锚杆的直径选择直径的锚杆。3、锚杆的锚固力锚杆的锚固力应该不小于杆体屈服载荷。式中—锚杆锚固力，KN；—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、锚索的长度式中—锚索长度，m；—锚索外露顶板长度，m；—锚索的有效长度，不小于顶板煤层的厚度，m；—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：式中、—锚索间距、排距，m；—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；—安全系数，一般取2～5；—顶板煤层厚度，，m；—顶板煤层的平均重力密度，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：式中：—锚索锚固力，KN；—锚索承载力，KN。第五部分特厚放顶煤巷道支护设计特厚放顶煤巷道（煤层厚度大于10米）沿煤层底板掘进，顶煤厚度一般大于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自然平衡拱理论进行设计。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。锚索对组合梁起减跨作用，对自然平衡拱下部的煤层起悬吊作用，把巷道顶板自然平衡拱下部易冒落的煤层悬吊在上部稳定的煤层中。加固拱理论、自然平衡拱理论力学模型如图5。图5加固拱理论、自然平衡拱理论力学模型。1、锚杆长度及间排距式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，m；—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：式中—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°；—锚杆的间距，与排距近似相等，一般取0.7～1m；2、锚杆的直径选择直径的锚杆。3、锚杆的锚固力锚杆的锚固力应该不小于杆体屈服载荷。式中—锚杆锚固力，KN；—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、冒落拱高式中：—自然平衡拱高度，m；—巷道掘进宽度，m；—巷道掘进高度，m；—两帮煤的内摩擦角，查采矿工程设计手册表1—4—37和表1—4—40。5、锚索长度式中—锚索长度，m；—锚索外露顶板长度，m；—锚索的有效长度，不小于自然平衡拱的高度，m；—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：式中—锚索的排距，m；—锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；—安全系数，一般取2～5；—自然平衡拱高度，m；—冒落拱煤层平均重力密度，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：式中：—锚索锚固力，KN；—锚索承载力，KN。第六部分极近距离煤层巷道支护设计层间距小于4米的巷道应采用锚杆、11#工字钢棚联合支护方式，应采用组合梁理论和简支梁理论进行支护设计。锚杆的作用是将层状岩层组合起来形成组合梁结构，11#工字钢梁起简支梁作用，对岩层起支撑作用。组合梁理论、简支梁理论力学模型如图6。图6组合梁理论、简支梁理论力学模型1、锚杆长度式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，m；—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；还必须满足小于岩层的厚度。式中—安全系数，一般取3～5；—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；—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：式中、—锚杆的间距、排距；—锚杆杆体直径，选择直径的锚杆，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；—安全系数，一般取3～6，MPa；—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；—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。式中—锚杆锚固力，KN；—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、11#工字钢的棚距工作钢梁最大弯矩按下式计算：式中：—工字钢梁上的最大弯矩，kN·m；—均布载荷,kN/m；—巷道上部尽宽，m。式中：—组合梁岩层平均重力密度，KN/m3；—11#工字钢棚距，m。所以有：工字钢弯矩如图7。图7工字钢弯矩工字钢的最大弯曲拉应力应按下式计算：式中：—最大拉应力，KN/m2；—工字钢的抗弯截面模量，cm2。钢梁稳定应满足条件：式中：—工字钢梁刚才的屈服强度，查强度检验报告可得，KN/m2；—安全系数，一般取3～5。所以有可求得11#工字钢的棚距为：第七部分岩石拱形巷道支护设计方法岩石拱形巷道应采用锚杆、喷浆联合支护方式，应采用加固拱理论。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的均匀连续压缩拱，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。喷浆的作用：一是防止围岩风化降低强度，二是能够防止小块岩石的脱落，三是能改变围岩的受力状况，使围岩的二向应力状态变为三向应力状态。岩石巷道加固拱理论力学模型如图8。图8岩石巷道加固拱理论力学模型1、锚杆长度及间排距式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，m；—锚杆的有效长度，m；—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：式中—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°；—锚杆的间距，与排距近似相等，一般取0.7～1m；2、锚杆的直径选择直径的锚杆。3、锚杆的锚固力锚杆的锚固力应该不小于杆体屈服载荷。式中—锚杆锚固力，KN；—锚杆直径，m；—锚杆杆体的屈服强度，MPa。4、喷浆的厚度及强度喷浆的厚度应在8～12cm，强度不小于C20。第八部分计算参数的修正用理论计算出的支护参数必须根据煤炭行业标准《煤巷锚杆支护技术规范》第4.2.9条锚杆支护基本参数（表1）和MT146.1—2002锚固力规定值（表2）进行修正。表1锚杆支护基本参数序号参数名称单位参数值1锚杆长度m1.6～3.02锚杆公称直径mm16.0～25.03锚杆排距m0.7～1.54锚杆间距m0.7～1.55锚索有效长度m4.0～10.06锚索公称直径mm15.2～22.0表2锚固力的规定值锚杆类型锚固力（kN）螺纹钢杆体σs≥335MPa22mm﹥12520mm﹥10518mm﹥8516mm﹥75圆钢杆体σs≥235MPa22mm﹥9520mm﹥7018mm﹥6016mm﹥50第九部分支护设计实例一、巷道概况某回风顺槽巷道设计长度1250m，巷道岩煤层顶板掘进，掘进宽度3.2m，掘进高度2.7m。煤层顶底板情况及煤层特征情况分别见表3、表4。表3煤层顶底板情况表名称岩石名称厚度(m)特征老顶细砂岩、粉砂岩7.17直接顶1.41层理较发育、性脆、破碎、易冒落直接底细纱岩1.25层理较发育、致密表4煤层特征情况表项目单位指标备注煤层平均厚度m3.24煤层倾角°0°52′～2°12′煤层硬度f2～3较稳定自燃发火期月6绝对瓦斯涌出量m3/min0.24煤尘爆炸指标%28.12二、巷道支护设计1、支护方式及支护理论的选择该巷道沿煤层顶板掘进，直接顶为炭页岩，易冒落，平均厚度1.41m，老顶为坚硬的细砂岩和粉砂岩，较稳定。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易冒落的炭页岩直接顶悬吊在上面稳定的老顶上，。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保护作用。另外，由于直接顶较破碎，采用钢带和金属网进行护表，为了防止片帮，采用麻花头锚杆和混凝土托板护帮。2、理论计算（1）锚杆长度式中—锚杆长度，m；—锚杆外露顶板长度，取0.1m；—锚杆的有效长度，不小于直接顶的厚度，取1.5m；—锚杆的锚固长度，取0.6m；把数据带入公司可求得：=2.2m。（2）锚杆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。式中—锚杆锚固力，KN；—安全系数，取2.5；、—锚杆间排距，取0.8m，取1m；—冒落炭页岩平均重力密度，查采矿工程设计手册表1-4-2，取25KN/m3。把数据带入公司可求得：=75KN。（3）锚杆的直径式中—锚杆直径，mm；—锚杆杆体的屈服强度，取335MPa。把数据带入公司可求得：=16.8mm。（4）锚索的长度式中—锚索长度，m；—锚索外露顶板长度，取0.3m；—锚索的有效长度，不小于锚杆锚固岩层的厚度，取2.2m；—锚索的锚固长度，取1.5m；把数据带入公司可求得：=4m。（5）锚索间排距的确定锚索的间距应根据锚杆的间距确定，该巷道每排布置4根锚杆，所以每排锚索应布置2根，间距=1.6m。锚索的排距按下式计算：式中、—锚索间距、排距，间距=1.6m；—锚索承载力，选用直径为17.8mm的钢绞线，查材料强度检验报，取360KN；—安全系数，取2；—锚杆锚固岩层的厚度，取2.1m；—锚杆锚固岩层平均重力密度，取25KN/m3。把数据带入公司可求得：=2.1m。（6）锚索的锚固力锚索的锚固力应不小于锚索的承载力，即：式中：—锚索锚固力，KN；—锚索承载力，取360KN。把数据带入公司可求得：≥360KN。3、参数的修正根据表1和表2，结合锚杆、锚索的对应布置关系，修正支护计算参数结果如表5。表5计算参数修正结果序号参数名称单位计算值修正结果说明1锚杆长度m2.22.22锚杆间距m0.80.83锚杆排距m114锚杆锚固力kN7585结合锚杆的直径，根据表2修正。5锚杆直径mm16.818根据表1修正。6锚索长度m46根据表1修正。7锚索间距m1.61.68锚索排距m2.12根据锚杆的排距修正。9锚索锚固力kN3603604、支护设计布置说明（1）顶板支护锚杆形式和规格：杆体采用18#左旋无纵筋螺纹钢，长度为2200mm，杆尾螺纹为M20mm。托板：采用拱型高强度托板，托板规格为100×100×10mm。W形钢带规格：厚度为3mm，宽度为150mm，长度为3000mm。金属网规格：采用金属网片护顶，网片规格为3000×2000mm，网格规格为100×100mm。网间搭接长度不小于200mm，用双股14#铅丝按不大于300mm的间隔连接牢固。锚固方式：树脂加长锚固，采用两支树脂药卷，一支规格为K2330，另一支规格为Z2330。锚杆布置：锚杆间距×排距=800×1000mm，每排4根锚杆。锚杆角度：顶板中部的两根锚杆与顶板成90布置，两边的锚杆向帮偏移20布置。锚索：单根钢绞线，直径为17.8mm，长度为6000mm，加长锚固，采用三支树脂药卷，一支规格为K2330，两支规格为Z2360。每2排锚杆布置2根锚索，间距×排距=1600×2000mm，尾部配有高强度锚具，配套金属托板规格为长×宽×厚=300×300×16mm。（2）巷帮支护锚杆形式和规格：采用18mm麻花头锚杆，长度为1700mm，每排布置2根，排距×间距=1000×1000mm，与