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1、煤矿巷道支护技 术及灾害防治文学宽 研究员煤炭科学研究总院 1.煤矿巷道顶板事故概况 19541985年期间，顶板事故死亡人数占总事故死亡人数的45%，采煤工作面顶板事故占75%，巷道顶板事故占25%。19861992年期间顶板事故占总事故死亡人数的40%，采煤工作面顶板事故占顶板事故的66%，巷道顶板事故上升到34%。1.1 巷道顶板事故比例上升原因巷道顶板事故比例上升原因 （1）为了满足大井型的生产系统需要，巷道断面大，服务年限长；（2）掘进和维护过程中，对关键部位、地点（交叉点等），措施不力，管理不严；（3）随着开采深度的增加，岩性发生变化和矿山压力产生影响。全国每年以8-12m的延伸开
2、采。1.2 煤矿巷道冒顶分类(1)无老顶时层状顶板采动时 围岩变形破坏 (2)有老顶时层状顶板采动时 围岩变形破坏 (3)无直接顶时层状顶板采动时 围岩变形破坏 2.煤巷支护理论与技术 2.1 概述 我国国有大中型煤矿每年新掘进的巷道总长度高达数千km(2005年度国有重点煤矿巷道掘进总进尺为7598.4km,其中开拓巷道1153.2km),80%以上是煤巷与半煤岩巷。因此,巷道支护成本、速度、可靠性直接影响煤炭企业的经济效益与安全生产。煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。木支架优点：重量轻、容易加工、架设方便、破坏时有信号发出。缺点：强度低、易破坏、不防火、易腐
3、蚀、风阻大。适用条件：巷道服务期较短、压力小、断面积不大。钢筋混凝土支护钢筋混凝土支护优点：支护强度高、效果好，较木支护不易破坏、防火效果好、服务年限长。缺点：地面加工重量大、笨重不好搬运、成本高、不易架设，也不能回收再利用。工字钢可缩性梯形支架 优缺点：较混凝土支架轻、架设方便、加工比较容易；但较木支护重。强度高、防火、不易腐蚀，可回收利用。工字钢可缩性梯形支架结构适用巷道：适用巷道：围岩比较稳定围岩比较稳定受动压影响受动压影响变形变形200500200500mmmm。U型钢可缩性拱形支架适用巷道：适用巷道：服务时间长，围岩不稳定，受动压影响大，变形大于400mm，无底臌。U型钢拱梯形可缩性
4、支架U型钢可缩性圆形支架适用巷道：适用巷道：服务时间长围岩不稳定受动压影响大变形大于800mm有底臌U型钢方环形可缩性环形支架适用巷道：适用巷道：服务时间长围岩不稳定受动压影响大变形大于1000mm有底臌 锚杆支护梯形巷道锚杆支护拱形巷道 2.2 锚杆支护的优越性及发展 国内外的实践经验表明,锚杆支护是巷道经济有效的支护技术.与棚式支护相比：锚杆支护显著改善了巷道支护效果,降低了巷道支护成本,减轻了工人的劳动强度；锚杆支护大大简化了采煤工作面两端头支护和超前支护工艺,改善了作业环境,保证了安全生产,为采煤工作面的快速推进创造了良好条件；目前,锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用,是煤矿实现安全,
5、高效生产必不可少的关键技术之一。我国锚杆支护发展概况 1995年我国国有重点煤矿煤巷锚杆技术支护所占比例仅15.15%，到2005年国有重点煤矿的煤巷锚杆支护率达到60%，有些矿区超过了90%，甚至达到了100%。锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的安全高效的主要支护方式。可以说煤巷锚杆支护技术是继我国煤矿成功应用综合机械化采煤技术以来，采掘技术的又一次革命。它深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式，对我国高产高效矿井建设，煤炭产量与效益的大幅度提高起了不可替代的作用。2.3 煤巷锚杆支护理论 锚杆支护理论研究的目的是弄清锚杆、锚索与围岩之间的相互作用关系，从而为锚杆支护设计提供理论基础。随着
6、我国煤巷锚杆支护技术的快速发展，锚杆支护理论的研究取得了较大进展。在大量理论分析、实验室试验、数值模拟及井下试验研究成果的基础上，进一步深化了对锚杆支护作用本质的认识，并应用于工程实践，指导和促进了煤巷锚杆支护技术的推广应用。2.3.1 锚杆支护构件的作用 (1)锚杆杆体的作用 如图2-1所示，锚杆可以起到抗拉和抗剪作用。常用锚杆钢材的力学强度见表2-1，锚杆钢筋的剪切极限强度见表2-2。（2）锚杆托板的作用 托板是锚杆尾部接触围岩的构件，通过托板给锚杆施加预紧力，传递围岩载荷至锚杆杆体。托板本身失效，以及托板下方的围岩松散脱落，导致托板与表面不紧贴，都会使锚杆失去支护作用。托板的作用可分为两
7、个方面：一是通过给螺母施加一定的扭矩使托板压紧巷道表面，给锚杆提供预紧力，并使预紧力扩散到锚杆周围的煤岩体中，从而改善围岩应力状态，抑制围岩离层，结构面滑动和节理裂隙的张开，实现锚杆的主动、及时支护作用；二是围岩变形使载荷作用于托板上，通过托板将载荷传递到锚杆杆体，增大锚杆的工作阻力，充分发挥锚杆控制围岩变形的作用。托板力学性能应与锚杆杆体的性能相匹配，才能充分发挥锚杆的支护作用。托板强度不足、安装质量差.、受较大偏载都会显著降低锚杆的作用。托板对全长锚固的受力分布有明显的影响。图22所示是有、无托板时锚杆轴力与剪力分布示意图。无托板时锚杆轴力在巷道表面处为零，在一定深处达到最大值，剪力在轴力
8、最大处为零；有托板时，由于锚杆施加的预紧力和围岩通过托板作用在锚杆杆体上的力，使得锚杆轴力在巷道表面处，达到一定值，而且使锚杆轴力最大的位置向孔口移动，更接近巷道表面。（3）锚固剂的作用 1)锚固剂的黏结作用 锚固剂的主要作用是将钻孔孔壁岩石与杆体黏结在一起，使锚杆发挥支护作用。同时锚固剂也具有一定的抗剪与抗拉能力，与锚杆共同加固围岩。2)锚固剂的抗拉与抗剪作用 我国树脂锚固剂的抗拉强度一般可取11.5MPa。如果28mm的钻孔中不安装锚杆，只注树脂锚固剂，则锚固剂可提供7.08kN的抗拉力。如20mm的杆体，安装在28mm的钻孔中，则锚固剂可提供3.47kN的抗拉力。可见锚固剂可提供一定的抗
9、拉能力。树脂锚固剂的抗剪强度一般可取35MPa。如果28mm的钻孔中不安装锚杆，只注树脂锚固剂，则锚固剂可提供21.54kN的抗剪力。如果20mm的杆体，安装在28mm的钻孔中，则锚固剂可提供10.55kN的抗剪力，分别是圆钢（Q235）、高强度螺纹钢（BHRB400）、超高强度螺纹（BHRB600的剪断载荷的12.4%、8.4%、5.9%。可见锚固剂可提供一定的抗剪能力。3）端部锚固与全长锚固的区别 对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供黏结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固外，沿长度方向是均匀的（图25）。由于锚杆与钻孔间有较大空隙、所以锚杆抗剪能力只有在岩层发生较大的错动后才能发
10、挥出来。对于全长锚固锚杆，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁黏结在一起，使锚杆随岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。对于端部锚固锚杆，支护刚度低；对于全长锚固锚杆，支护刚度高。如图25所示，这是全长锚固锚杆与端部锚固锚杆的根本区别。（4）钢带的作用 钢带是锚杆支护系统中的重要构件，对提高锚杆支护整体支护效果，保持围岩的完整性起着关键作用。钢带的作用主要表现在以下3方面:1)锚杆预紧力和工作阻力扩散作用。单根锚杆作用于巷道表面可近似看成点载荷，钢带可扩大锚杆作用范围，实现锚杆预紧力和工作阻力扩散，使载荷趋于均匀。2)支护巷道表面和改善围岩应力状态作用。钢带
11、对巷道表面提供支护，抑制浅部岩层离层，裂隙张开，保持围岩的完整性，减少岩层弯曲引起的拉伸破坏，改善岩层应力状态，防止锚杆间松动岩块掉落。3)均衡锚杆受力和提高整体支护作用。钢带将数根锚杆连接在一起，可均衡锚杆受力，共同形成组合支护系统，提高整体支护能力。如下图：(5)网的作用 一般认为，网可以维护锚杆间的围岩，防止松动小岩块掉落。其实，网的作用远不止这一个，特别是在高地应力、破碎围岩条件下，网是锚杆支护系统中不可或缺的重要部件。网的作用主要表现在以下3方面：1)维护锚杆之间的围岩，防止破碎岩块垮落。2)紧贴巷道表面，提供一定的支护力。已有的研究成果表明，我国现用菱形金属网，在保证施工质量的条件
12、下，可提供0.01MPa的支护力，一定程度上改善巷道表面岩层受力装况。同时，将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆，形成整体支护系统。3)对深部围岩也有良好的支护作用。网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏，而且对深部围岩也有良好的支护作用。如图27所示，有网的情况下，虽然巷道表面围岩已破坏，但没有松散、垮落。2.3.2 锚杆支护理论评述 （1）悬吊理论 锚杆支护的作用是将顶板下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中。悬吊理论是最早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件，这种支护理论应用比较广泛。在比较软弱的围岩中，巷道开掘后应力
13、重新分布，出现松动破碎区，在其上部形成自然平衡拱，锚杆支护的作用是将下部松动破碎的岩层悬吊在自然平衡拱上。悬吊理论存在以下明显缺陷：1)锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩层完全与稳定岩层脱离的情况下才等于破碎岩层的重量，而这种条件在井下巷道中并不多见。2)锚杆安设后，由于岩层变形和离层，会使锚杆受力很大，而远非破碎岩层重量。3)当锚杆穿过破碎岩层后，锚杆提供的径向和切向约束不同程度地改善破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力。而悬吊理论没有考虑围岩的自承能力。4)当围岩松软，巷道宽度较大时，锚杆很难锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上。悬吊理论无法解释在这种条件下锚杆支护仍然有效的原因。总之，
14、悬吊理论仅考虑了锚杆的被动抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的改变。因此，理论计算的锚杆载荷与实际出入比较大。(2)组合梁理论 从岩层受力角度考虑，锚杆将各个岩层夹紧形成组合梁。组合梁理论适用于层状岩层。对于端部锚固锚杆，其提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了个岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。对于全长锚固锚杆，锚杆和锚固剂共同作用，明显改善锚杆受力状况，增加了控制顶板离层和水平错动的能力，支护效果优于端部锚固锚杆。组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小。组合梁理论考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，但是它存在以下明显缺陷：1)组合梁有效组合很难
15、确定。它涉及影响锚杆支护的众多因素，目前还没有一种方法比较可靠的估计有效组合厚度。2)没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。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)只使用于层状顶板，而且仅考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，没有涉及锚杆对岩体强度、变形模量及应力分布的影响。(3)加固拱理论 大量的试验表明，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，各根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠，就能形成在岩体中产生一个均匀压缩带，如图2-13所示，它可以承受压力破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱内的岩石受径向和切向的约束
16、，处于三向应力状态，岩石承载能力得到提高。锚杆支护的作用是形成较大厚度和较大强度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于围岩的稳定。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。但是这种理论同样存在一些明显的缺陷：（1）只是将各锚杆的支护作用简单相加，得出支护系统的整体承载结构，缺乏对锚杆岩体力学特性及影响因素的深入研究。（2）加固拱厚度涉及的影响因素很多，很难较准确的估计。(4)最大水平应力理论 国内外井下地应力测量结果表明，岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性；最大水平主应力明显高于最小水平主应力，这种趋势在浅部矿井尤为明显。澳大利亚学者
17、通过现场观测与数值模拟分析，得出水平应力对巷道围岩变形与稳定性的作用（图2-14）。他认为，巷道顶底板变形与稳定性主要受水平应力的影响；当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差；当两者呈一定夹角时，巷道一侧会出现水平应力集中，顶底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮。在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形。锚杆的作用是抑制岩层沿锚杆轴向的膨胀和垂直于轴向的剪切错动。因此，要求锚杆强度大、刚度大、抗剪能力强，才能起到上述两方面的约束作用。这也是澳大
18、利亚锚杆支护技术特别强调高强度、全长锚杆的原因。(5)围岩松动圈支护理论 董方庭等提出围岩松动圈支护理论。巷道开挖后，当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新的裂纹，其分布区域类似圆形或椭圆形，称之为围岩松动圈。围岩一旦产生松动，围岩的最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中的岩石碎裂变形是支护的对象。现有支护无法有效阻止围岩松动圈的产生与发展。根据围岩松动圈理论，将锚喷支护分为3种类型：小松动圈（厚度小于400mm），锚杆支护作用不明显，只需进行喷射混凝土支护。中松动圈（厚度在4001500mm之间），支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外。大松动圈（厚度
19、大于1500mm），锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢复到接近原岩的强度并具有可缩性，采用加固拱理论设计支护参数。可见，松动圈支护理论确定了使用各种经典锚杆支护理论的适用条件和范围。(6)围岩强度强化理论 侯朝炯等提出巷道锚杆支护围岩强度强化理论。（1）锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构；（2）锚杆支护可提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数（弹性模量、黏聚力、内摩擦角等），改善被锚岩体的力学性能；（3）巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化；（4）锚杆支护可改变围岩
20、的应力状态，增加围压，提高威严的承载能力，改善巷道支护状况；（5）围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于巷道围岩的稳定。为了解锚固前后力学参数的变化，进行了相似材料模拟实验。实验数据表明：锚固体的强度总比无锚杆时提高，而且随着锚杆密度增加锚固体的强化系数也不断增加。在锚杆强度一定时，锚杆对残余强度的强化作用大于对极限强度的强化，这对控制破碎区围岩的变形，保持其稳定性具有重要作用。3.煤巷锚杆支护设计方法 支护设计是巷道锚杆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
21、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，而且影响掘进速度；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。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。3.1 锚杆支护工程类比设计法 工程类比法是应用比较广泛的方法。它是根据已经支护的类似工程的经验，通过工程类
22、比，提出锚杆支护参数。根据已有工程直接提出支护设计 这种方法是将已开掘的、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进行比较，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，由设计人员根据自己的经验提出待掘进巷道的支护设计。因此，已掘巷道与待掘巷道条件的比较与设计人员的设计经验是直接工程类比应用成功的关键。没有两条巷道的地质与生产条件完全相同，甚至同一条巷道在不同地段的条件也存在着差异。而直接工程类比法使用的是基础是要求两条巷道的条件基本类似，不能有较大的差异。进行工程类比时，要求比较的内容全面、细致、可靠，不仅要抓住关键因素，而且不能忽略细节。在充分、详细比较的基础上，根据
23、已掘进巷道的支护设计，进行适当调整，确定待掘巷道的支护形式与参数。3.1.2 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的简单公式。目前，国内外有多种锚杆支护设计的经验公式，以下列举数例。（1）锚杆长度选取 1 某学者：锚杆长度与锚杆间排距之比应为1.21.5,锚杆长度可作为巷道宽度的函数确定，如 其中L为锚杆长度，B为巷道宽度。2）某学者：最小锚杆长度max锚杆间距的两倍，三倍不连续面平均间距确定的不稳定岩石宽度，巷道跨度之半。（2）锚杆间排距选取 1）某学者：最大锚杆间距min锚杆长度之半，1.5倍不连续间距确定的不稳定岩石宽度。2）某学者：锚杆间排距与锚杆长度之比
24、为2/35/6比较合理。3）某学者：从拱形巷道顶部能够形成有效的压力拱出发，锚杆长度与锚杆间距的比值应接近2。4）新奥法对锚杆间距的选择提出一些准则：硬岩，锚杆间距取1.52.0m；中硬岩石，锚杆间距取1.5m；松软破碎的岩体，锚杆间距取0.81.0m。经验公式最大的特点是使用简单、方便，但存在两方面的弊端：一是经验公式只能提供锚杆支护的主要参数（锚杆长度、间排距等），而其他参数，如锚杆杆体结构、预紧力、锚固长度、托板结构与尺寸、组合构件形式与尺寸等，很难在经验公式中全面反映，这些参数却在锚杆支护中同样起着十分重要的作用；二是经验公式中考虑影响锚杆支护效果的因素很少，如上述的经验公式中，只考虑
25、了巷道宽度、高度，岩石软硬程度，结构面分布，而影响巷道围岩变形与破坏的因素还有很多。因此，经验公式提供的支护参数只能作为参考，不能不顾巷道的具体条件而照搬套用。3.1.3 以围岩为基础的支护设计 (1)围岩分类方法 直接工程类比法与支护设计者的实践经验关系很大，是决定支护设计成败的关键因素。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。为了将待定岩体条件下的设计与个别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，进行围岩分类是非常必要的。在围岩分类的基础上，根据不同类别的围岩提出支护形式和参数设计的建议这种方法在国内为得到广泛应用。我国学者在岩体分类方面做了
26、大量工作。如制定了工程岩体分级标准；根据岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数对岩体进行基本质量分级，然后根据结构面产状、应力状态及地下水等修正岩体基本质量指标；综合考虑岩石强度、岩体完整性指标、岩体结构和分布、地应力及围岩自稳时间等，比较全面、合理地提出锚喷支护围岩分类(GBJ86-1985)；将围岩变形量作为分类的基础，并提出分类方法。（2）回采巷道围岩稳定性分类及支护设计建议 煤炭系统1988年颁布试用我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案后，经过多年的应用和不断的完善，发展成为包括缓倾斜、倾斜、急倾斜煤层及不同煤层厚度的回采巷道，煤层上、下山及其他煤巷、岩石巷道在内的全部采准巷道围岩
27、稳定性分类。煤巷围岩的稳定性分为5个类别：一类非常稳定、二类稳定、三类中等稳定、四类不稳定、五类极不稳定。在围岩稳定性分类的基础上，结合已有的支护设计与实践经验，提出了巷道锚杆支护基本形式与主要参数选择的建议，见表41。(3)巷道围岩松动圈分类及支护设计建议 根据巷道围岩松动圈支护理论，现场围岩松动圈测试，松动圈大小与巷道支护难易程度的关系，结合锚喷支护机理，将围岩分为小松动圈稳定围岩（厚度小于400mm）、中松动圈一般稳定围岩（厚度在4001500mm之间）及大松动圈不稳定围岩（厚度大于1500mm）三大类，然后提出围岩分类及相应的支护机理与方法，见表43。3.2 锚杆支护悬吊理论分析设计法
28、 理论计算法是根据巷道围岩条件，选择某种锚杆支护理论，如悬吊理论、组合梁理论、加固拱理论及其他力学分析方法，在测得支护理论所需岩体物理学参数的前提下，建立力学模型，通过计算确定锚杆支护参数。悬吊理论认为锚杆的作用是将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，阻止软弱破碎岩层垮落。悬吊理论只考虑了锚杆的被动抗拉作用，根据不稳定岩层厚度计算锚杆长度，根据锚杆悬吊的不稳定岩层重量计算锚杆直径和间排距。(1)锚杆长度 如图41a所示，锚杆长度用下式计算：L-锚杆长度，m；L1-锚杆外漏长度，取决于锚杆类型与锚固方式，一般取0.15m L2-锚杆有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m;L3-锚杆锚固长度，端
29、部锚固一般取0.30.4m (2)锚杆锚固力与直径 锚杆锚固力应不小于被悬吊不稳定岩层的重量，用下式计算：式中 Q-锚杆锚固力，MN;K-安全系数，一般取1.52；a1、a2 -锚杆间排距，m；不稳定岩层平均重力密度，MN/m3 如果锚杆锚固力与杆体的破断力相等，则锚杆直径可由下式得出：式中：d锚杆直径，m；锚杆材料的抗拉强度，MPa。3）锚杆间距排 如图41b所示，当锚杆间排距相等时，即 ，则间排距为 3.3.锚杆支护预紧力设计 预紧力是锚杆支护中的关键参数，对支护效果起着决定性作用。但是，长期以来，没有认识到预紧力的重要性，而且锚杆施工机具不能提供较大的预紧力，导致我国煤矿锚杆预紧力普遍偏
30、低。一般预紧力矩为100-150N.m，预紧力为15-20kN，有的甚至为零，严重影响了锚杆支护作用的发挥。3.3.1 锚杆预紧力值的选择 实践证明，如果选择合理的预紧力值，能够实现对离层与滑动的有效控制。根据国外经验，以及国内部分矿区的试验数据，结合我国煤矿巷道条件与施工机具，一般可选择锚杆预紧力为杆体屈服载荷的30%-50%。表4-5列出了不同锚杆的预紧力值(杆体屈服载荷的50%)。可见，锚杆直径越大，杆体材质强度越高，要求的预紧力值越高。3.3.2 锚杆预紧力的影响因素 目前，我国煤矿锚杆预紧力主要是通过拧紧锚杆尾部螺母，压紧托板实现的。因此，提高锚杆预紧力的技术措施也是在以下两个方面。
31、（1）提高螺母预紧力矩M 螺母预紧力矩M是由锚杆安装机具的输出扭矩决定的，是影响锚杆预紧力的关键因素。锚杆预紧力p与螺母预紧力矩M成正比，同时取决于系数k。关系式为：P=K M 影响K值大小的关键因素为:1)螺母与锚杆螺纹段间的摩擦系数；2）螺母、垫圈端面间的摩擦系数；3)锚杆直径。美国、澳大利亚等采煤技术先进的国家，普遍采用锚杆台车、掘锚联合机组施工锚杆。一方面，锚杆钻机的输出扭矩很大，有的超过500 N.m，能够保证锚杆的高预紧力；另一方面，锚杆台车对顶板的顶推力很大，能够达到400 kN以上。顶推力对巷道顶板提供一个很高的压紧力，在锚杆安装以后，该力通过托板传给锚杆，增加预紧力。国内普遍
32、采用单体锚杆钻机钻装锚杆，这种锚杆钻机输出扭矩一般为100150 N.m，顶推力在10 kN左右，无法实现锚杆的高预力。为了大幅度提高锚杆的预紧力矩，措施之一是采用专门的高扭矩螺母拧紧设备(如气动扳机)，但是给锚杆安装增加了一道工序；其二是在适宜的条件下，引进、开发锚杆台车和掘锚联合机组，保证锚杆快速、高质量安装。(2)提高锚杆预紧力与螺母预紧力矩的转换系数k 提高锚杆预紧力与螺母预紧力矩转换系数k值的主要措施是：降低螺母与锚杆螺纹段间的摩擦系数f1；减小螺母、垫圈端面问的摩擦系数f。降低f1的措施包括：提高螺纹加工精度等级，减少摩擦阻力和摩擦扭矩；采用油脂对螺纹部进行润滑，减少摩擦阻力。因此
33、，改善锚杆螺纹加工工艺与设备，提高锚杆螺纹加工精度，对提高锚杆预紧力和支护效果具有重要意义。减小f。的措施是采用高效减摩副，减少螺母、垫圈和托盘之间的摩擦阻力和摩擦扭矩。上述试验表明，在螺母与托板之问加减摩垫片，可减少摩擦阻力，而且减摩垫片的材质起关键作用。井下使用时应选择合适的减摩垫片，实现高效减摩，显著提高锚杆预紧力。3.3.3 锚索预紧力 锚索与锚杆相比，具有长度大、拉断载荷高等特点，因此锚索的预紧力应更大。锚索预紧力设计的原则为：锚索与锚杆预紧力形成的有效压应力区相互连接、重叠，形成以锚索为骨架、锚杆为连续带的骨架网状结构，对锚杆、锚索之间围岩的起到有效的主动支护作用。锚索越长、直径越
34、大、强度越高，施加的预紧力应越大。根据我国煤矿巷道条件、现有锚索规格及张拉设备，锚索预紧力一般应为其拉断载荷的4070。3.4 锚杆支护参数设计 除锚杆预紧力参数外，锚杆支护参数还包括锚杆几何参数(直径、长度等)、锚杆力学参数(屈服强度、抗拉强度、抗剪强度及延伸率等)、钻孔与锚固参数、锚杆布置参数(锚杆间距、排距、安装角度等)、组合构件与网的参数、锚索参数等。3.4.1 锚杆几何参数 (1)锚杆直径 我国煤巷支护已经大面积推应用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，部分地质条件简单的矿区仍使用圆钢锚杆。锚杆杆体直径基本形成系列，包括16 mm、18mm、20mm、22 mm、25mm。锚杆直径的选取从技术上主
35、要考虑三方面的因素：锚杆直径的选取从技术上主要考虑三方面因素：1)锚固效果 研究成果表明，对于螺纹钢锚杆，钻孔直径和杆体直径之差应控制在410 mm之间才能保证锚固效果，尤以68mm为最佳(同时考虑锚固效果与施工难易程度)。对于直径28 mm的钻孔，最小的锚杆直径不能低于18 mm，比较合理的直径是20 mm、22 mm。对于圆钢锚杆，尾部应拧成麻花状，以便搅拌锚固剂，麻花部分宽度与钻孔直径差应控制在410 mm内，5mm更好。2)锚杆预紧力 选择锚杆直径时，应结合巷道围岩具体条件，支护要求的预紧力大小确定。预紧力越大，在相同材质的条件下，锚杆直径应越大。3)锚杆强度 在杆体材质相同的情况下，
36、锚杆直径越大，强度越高。数值计算和井下监测数据表明，锚杆直径对巷道围岩变形有明显影响。随着锚杆直径增大，围岩变形量逐渐减小，对变形量较大的巷道这种影响更为明显。因此，一般对于围岩破碎、应力大的巷道，应选用直径大的锚杆；相反，对于顶板比较完整、变形量较小的巷道宜选用直径较小的锚杆。(2)锚杆长度 根据我国煤矿巷道地质与生产条件，煤巷支护的需要，并考虑加工与施工等因素，锚杆长度基本形成系列，包括16 m、18 m、20 m、22 m-,24 In-,26 m、28 m。锚杆长度的选取从技术上应考虑以下因素：1)保证锚固区内形成稳定的承载结构 锚杆长度应保证锚固区内形成一个稳定的承载结构，具有足够的
37、承载能力。锚杆长度太短，锚固区厚度过小，不能保证顶板稳定；相反，如果锚杆长度增加到一定值后，再加长锚杆对锚固体承载能力已无明显影响。因此，锚杆长度有一个合理的取值范围。2)与锚杆预紧力、直径、强度相匹配 锚杆长度的选择应与锚杆预紧力、直径、强度相匹配。显然，直径小、强度低、预紧力低的锚杆，选择过大的长度是不合理的。锚杆长，预紧力低，在顶板不能形成有效的预应力结构，不能充分发挥锚杆的支护作用。如图：随着锚杆长度增加，压应力区范围与厚度增加，锚杆作用范围扩大。但锚杆长度中上部分的压应力减小；两锚杆之问中部围岩的压应力减小。在预紧力一定的条件下，锚杆越长，预紧力的作用越不明显，主动支护性越差。锚杆越
38、长，施加的预紧力应越大。反过来，通过提高预紧力，可适当减小锚杆长度。因此，合理的锚杆长度应与锚杆预紧力、强度相匹配，形成有效的支护系统，实现良好的支护效果。3)满足井下施工要求 锚杆长度的选择应满足井下施工的要求。过长的锚杆不宜度，甚至无法施工。(3)锚杆表面粗糙度 锚杆表面粗糙度对杆体与锚固剂之间的黏结力与作用力的传递有显著影响。杆体与锚固剂之问的黏结力由两部分组成：锚固剂对杆体的吸附力与机械作用力。同光圆杆体相比，杆体表面粗糙具有更大的表面积，吸附力更大；锚固剂嵌入杆体表面凹进去的部分，具有更大的机械作用力。因此，粗糙杆体与锚固剂的黏结力明显大于光圆杆体，而且杆体表面越粗糙，黏结力越大。3
39、.4.2 锚杆力学参数 (1)优先选择高强度锚杆 选择高强度铺杆，以提高支护效果，保证巷道安全。数值模拟与井下应用表明，提高锚杆强度可有效减小巷道围岩变形，控制围岩破坏范围。(2)与锚杆预紧力相匹配 一味地提高锚杆强度，而忽视预紧力的作用，只能导致锚杆的作用不能充分发挥，达不到应有的支护效果。结合控制围岩离层、滑动等所需要的预紧力，确定合理的锚杆强度，不仅能显著提高支护效果，而且能降低锚仟支护密度，有利于提高掘进速度，(3)因地制宜 对于围岩稳定、地质构造简单、地应力小的巷道条件 如神东矿区)，应因地制宜，可以选用圆钢等低强度锚杆，在满思支护要求的前提下，降低支护成本。3.4.3 钻孔与锚固参
40、数 (1)钻孔参数 钻孔参数包括钻孔直径、深度与表面粗糙度。我国煤巷锚杆钻孔直径有28mm、33mm，43mm等几种，尤以28mm最为普遍。不同钻孔直径与锚杆直径的锚固参数见表4-7。可见，孔径差越大，锚固剂环形厚度越大，锚固长度越小。孔径差过大的会引起以下问题:1)锚杆不能有效搅拌锚固剂，导致锚固剂搅拌不均匀，反应不充分，甚至出现锚固剂包装薄膜没有搅破，出现所渭的“手套效应”，严重影响锚固力。2)锚固剂环形厚度过大，不利于锚固力的提高。试验表明，锚杆锚固力与锚固剂环形厚度有很大关系，当铺固剂环形厚废在3-4mm时，黏结力最强，锚杆锚固力最大。随着环形厚度增大，锚杆锚固力反而显著降低。3)在锚
41、固剂长度相同的条件下，孔径差越大，锚固长度越小。为了达到同样的锚固长度，需用更多的锚固剂，浪费材料。4)钻孔百径过大，会导致钻孔钻迸速度低，时间长，影响支护速度。此外，钻孔直径大，需要的锚固剂直径也大，材料成本增加。孔径差过小，锚固剂环形圈太薄，同样影响锚杆锚固力。而且，引起锚杆插入钻孔比较困难，影响施工速度，甚至导致锚杆安装失败。钻孔深度应与锚杆长度匹配 合理的钻孔深度应保证锚杆端头至孔底，尾部能顺利安装组合构件、托板、垫片与螺母，并使外露长度保持在合埋的范围。钻孔深度过大，会导致锚杆端头不能到达孔底，无法搅拌孔底的锚固剂，使有效锚固长度减小；相反，钻孔深度过小，会使锚杆外露太长。由于锚杆尾
42、部螺纹长度是有限的，过大的外露长度有可能导致螺母已经拧到螺纹底部，但托板和组合构件还没有贴紧顶板，无法施加预紧力，严重削弱了锚仟的作用。钻孔表面粗糙度明显影响围岩与锚固剂之间的黏结力 与锚杆表面粗糙度类似，围岩条件相同的情况下，表面粗糙的钻孔与铺固剂的黏结力明显大于光滑钻孔，而且钻孔表面越粗糙，黏结力越大。钻孔表面粗糙度与围岩性质、钻孔设备、钻头钻杆、推进速度等多种因素有关。(2)锚固参数 锚固参数包括锚固剂的型号、规格、尺寸，锚固长度等。锚固剂直径应与钻孔直径和锚杆直径相匹配。为了使锚固剂能够顺利安装到钻孔中，同时锚杆杆体又能充分搅拌锚固剂，比较合理的锚固剂直径是比钻孔百径小3-5mm。如2
43、8mm直径的钻孔，采用23mm直径的锚固剂；33mm直径的钻孔，采用28mm直径的锚固剂。锚杆锚固长度主要分为端部锚固、加长锚固和全长锚固。端部锚固：锚杆锚固长度不大于500mm或不大于钻孔长度的1/3；全长锚固：锚杆锚固长度不小于钻孔长度的90%加长锚固：锚杆锚固长度介于端部锚固和全长锚固之间。3.4.4 锚杆布置参数 (1)锚杆密度 锚杆支护密度应遵循以下原则:1)低支护密度原则 应尽量提高单根锚杆的预紧力、强度与刚度，在保证支护效果与安全条件下，降低支护密度。我国煤巷锚杆间排距一般为，间排距偏小，支护密度偏大，而且将缩小锚杆间排距作为增加支护强度的一种主要手段。相反，美国、澳大利亚等国家
44、，锚杆间排距比较大。如美国锚杆间排距一般选择为1.2m，澳大利亚锚杆间排距一般在1.0m左右。降低支护密度，可降低巷道支护综合成本，明显提高成巷速度。2)支护密度与锚杆预紧力、强度、长度相匹配原则 实践表明，通过提高锚杆预紧力、直径、强度，可以增大锚杆间排距。特别是我国锚杆预紧力普遍很低，即使支护密度大，支护效果也不理想“通过大幅度提高锚杆预紧力，不仅能够显著减小围岩变形，保持围岩的完整性与稳定性，而且可显著降低支护密度。3)支护密度与组合构件相匹配原则 组合构件(钢带、金属网)在预应力支护系统中起着关键作用。通过选择护表面积大、强度和刚度高的组合构件，呵扩大锚杆作用范围，适当减小锚杆支护密度
45、。(2)锚杆角度 锚杆角度主要指顶板靠近两帮倾斜锚杆的角度。传统的锚杆布置方式是将倾斜锚杆布置成与垂线呈20-30度角，使倾斜锚杆能够深人到巷帮上方的顶板中。一般认为，这样布置一方面倾斜锚杆可以阻止顶板整体切落；另一方面，倾斜锚杆与钢带组成一个兜状结构，防止顶板冒落。对已发生的冒顶事故分析表明，倾斜锚杆的上述两种作用郡比较小，不能阻止顶板垮落，相反，过大的角度削弱了锚杆对顶板的支护作用。顶板角锚杆不同角度时的锚杆预应力场分布如图4-10所示。从图上可看出以下儿点：1)当顶板角锚杆垂直布置时，角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加，在顶板形成厚度较大、分布比较均匀的压应力区，覆盖了锚固
46、区的大多数面积，锚杆预紧力扩散与叠加效果最好。(2)随着顶板角锚杆角度增加，角锚杆形成的有效压应力区与申部铺杆形成约有效压应力区逐步分离，叠加区域越来越小。当顶板角锚杆角度达到屿。，两个压应力区明显分离。继续加大角锚仟角度，角锚杆与中部锚杆的压应力区分开的更远，成为彼此独立的支护单元，锚杆支护的整体作用受到严重影响。(3)顶板角锚杆角度越大，锚杆预紧力形成的有效压应力区越小。而且，较高的压应力主要集申在锚杆尾部附近，在锚杆中部与端部压应力则较小，这不利于锚杆支护作用的充分发挥。由此可见，在近水平煤层巷道申，顶板角锚杆最好垂直布置。如考虑施工需要一定的角度，最大角度不应超过10。、组合构件与网的
47、参数 (l)组合构件参数 组合构件有钢带、钢筋托梁、钢梁等形式。钢带又分平钢带、W形钢带、M形钢带等形式。组合构件在锚杆支护系统中起着关键作用，对其有以下要求:1)有一定的护表面积、强度和刚度，起到扩散锚杆预紧力、扩大锚杆作用范围，以及均衡锚杆受力，提高整体支护能力的作用。2)几何参数、力学参数应与锚杆参数相匹配。组合构件形式与参数选择不合理，会导致组合构件发生破坏，显著降低支护系统的艾护能力。3)经济合理，便于施工。应对组合构件的断面形状、儿何参数、材质进行优化，在获得比较优越的力学性能的条件下，节约材料，有利于井下施工。钢筋托梁：由钢筋焊接而成。钢筋直径一般为10-16mm，托梁宽度为60
48、-100mm，长度根据需要确定。钢筋托梁最大的优点是加工方便、重量小、成本低，然而力学性能比较差，表现在:护表面积小、强度与刚度低;托梁钢筋与巷道表面为线接触，不利于锚杆预紧力扩散和作用范围的扩大;组合作用和均衡锚杆受力的能力差，易出现钢筋或焊接部位破断的现象。钢筋托梁适合用于地质条件比较简单的巷道，在复杂困难条件下，不建议采用这种组合构件。W形钢带：由钢板滚压成形的组合构件。钢板厚度为3-5mm，钢带宽度一般为180-280mm。W形钢带有以下优点：护表面积大、强度与刚度高；与巷道表面为面接触，有利于锚杆预紧力扩散和扩大锚仟作用范围；组合作用和均衡锚杆受力的能力强。W形钢带是适合复杂困难条件
49、巷道的有效组合构件。实际应用时，可根据锚杆预紧力、直径和强度等参数选择相适应的钢带参数。M形钢带 也是一种性能比较优越的组合构件。这种钢带钢材利用率高，抗弯截面利用率高；向上的截面模量明显小于向下的截面模量，安装钢带时易于紧贴顶板，而顶板下沉时，钢带向下的抗弯截面模量大，有利于阻止锚杆间的围岩变形、松动和破坏。（2）网的参数 网有多种形式，按材料可分金属网和非金属网。金属网又分为铁丝网和钢筋网:铁丝网又分为经纬网和菱形网，其中菱形网柔性好、强度大、孔形不易变形、连接方便，逐步取代经纬网;钢筋网强度与刚度大，护表能力强，可有效扩大锚杆作用范围，提高支护系统的整体效果。非金属网有塑料网相聚酷网等。
50、塑料网轻便、抗腐蚀、成本低，但强度与刚度低，护表能力差;聚酷网重量小，但强度与刚度比塑料网显著增加，正逐步推广应用。网的参数包括铁丝(钢筋)直径、强度、网孔大小、网片的长度与宽度等。根据网的作用，对其有以下要求:：1)有一定的强度和刚度，不仅能阻止锚杆间的小煤岩块掉落，而且能起到一定的抑制围岩松动和变形的作用。2）当巷道需要喷浆时，网的参数应满足喷浆的需要。3)井下施工时，网应尽量紧贴巷道表面。网的形式与参数应有利于施工。3.4.6 锚索参数 小孔径树脂锚固预应力锚索参数主要包括锚索长度、直径，锚固长度、外露长度，锚索间、排距，锚索安装角度，预紧力与拉断力，锚索组合构件形式、规格和强度等。（1