关于M6、M16煤巷道支护锚杆(锚索)支护设计技术参数分析

关于苍海煤矿M6、M16煤巷道支护锚杆（锚索）支护
设计技术参数分析 一、锚索设计承载力
钢绞线直径为φ15.24mm时230kN ，钢绞线直径为φ17.8mm时320kN ，钢绞线直径为φ21.6mm 时454kN 。

二、锚索设计破断力
钢绞线直径为φ15.24mm时260kN ，钢绞线直径为φ17.8mm时355kN ，钢绞线直径为φ21.6mm 时504kN 。

三、锚杆（锚索）支护参数校核
已知：M6、M16煤顶板为粉砂岩：以深灰色，薄层状粉砂岩为主，粉砂状结构，夹粉砂质泥岩，菱铁质细砂岩，细砂岩等，沙纹层理发育，局部显水平层理及斜层理。

顺槽巷道毛宽4.7米，高帮3.3米，采用锚网+锚索支护。

1、顶锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮体作用，达到支护效果的条件，应满足：L ≥L 1+L 2+L 3
式中L ——锚杆总长度，m ；
L 1——锚杆外露长度（包括钢带、托板、螺母厚度），0.1m ； L 2——有效长度（顶锚杆取围岩松动圈冒落高度b ，帮锚杆取帮破碎深度c ），m;
L 3——锚入岩（煤）层内深度，按树脂锚固剂长度1.2m 计算。

其中围岩松动圈冒落高度
顶
f H B b ⎪⎭⎫ ⎝⎛
-+=︒245tan 2ω
式中B 、H ——巷道掘进荒宽、荒高；巷宽4.7米，巷高3.3米。

顶f ——顶板岩石普氏系数；粉砂岩取5
ω——两帮围岩的似内摩擦角，ω=()︒=3.57arctan 顶f 。

967.0)34.16tan(245tan =︒=⎪⎭⎫ ⎝⎛
-︒=H H c ω米
66.05
967.035.2245tan 2=+=⎪⎭⎫ ⎝⎛
-+=︒顶f H B b ω米
L ≥L1+L2+L3=0.1+0.66+1.2=1.96米，顶锚杆长度2.2米满足要求
2．锚杆的直径计算
锚杆的直径按杆体的承载力与锚固力等强度原则确定，即
d 14.35mm === 式中：d ——锚杆杆体直径，mm;
Q ——锚固力，按选取直径大于16mm 的树脂锚杆和施工初期职
工的锚固工艺掌握程度，按80kN 计算；
t σ——杆体抗拉强度，按选取锚杆的技术参数取为490MPa 。

故锚杆的计算直径：d=14.35mm ＜20mm 。

3．锚杆间距、排距计算
根据每根锚杆悬吊岩石载荷大小确定锚杆间排距a ，即锚杆悬吊岩石载荷（G=a2L2r ）等于锚杆的锚固力Q ，即：
37.126
7.0250
2=⨯⨯=<
γ
kL G a
式中：a ——锚杆间排距，m ；
Q ——锚杆设计锚固力，50-80KN/根；
L 2——锚杆的有效长度即冒落拱高度，取0.7m ；
γ——被悬吊岩层的重力密度，取26KN/m 3；
K ——安全系数，一般取K=2。

故锚杆的理论计算间排距：a = 1.37m ＞0.75m 。

经验算，选取顶上采用φ20×2200mm 的螺纹钢锚杆，间排距750mm ×750mm 能满足现场支护要求。

4. 加强锚索长度校核，应满足 d c b a L L L L L +++=
式中L ——锚索总长度，m ；
a
L ——锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，m ；
17.210
442605
.124.15441=⨯⨯⨯=⨯
≥c a a f f d K L 其中：
K ——安全系数取4；
1d ——锚索直径15.24或17.8.； a
f ——锚索抗拉强度，1426.05N/㎜2；
c f ——锚索与锚固剂的粘合强度，N/㎜2；（10）
b L ——需要悬吊的不稳定岩层厚度，2.2m,取锚杆长度；
c L ——托板及锚具的厚度，0.1m ； d
L ——外露张拉长度，0.3m ；
77.43.01.02.217.2=+++=+++=d c b a L L L L L
5. 悬吊理论校核锚索排距：
L ≤nF 2/[BH γ-（2F 1sin θ）/L 1] 式中 L---锚索排距，m ；
B---巷道最大冒落宽度，4.7m ；
H---巷道最大帽落高度，2.5m ；（最大取锚杆长度） γ---岩体容重，26kN/m 3（包括顶煤+直接顶）
L 1---锚杆排距,0.8m ；
F 1---锚杆锚固力,50kN ；
F 2---锚索极限承载力,φ15.24锚索230kN ，φ17.8锚索320KN ；
θ---角锚杆与巷道顶板的夹角,75°； n---锚索排数,取1。

φ15.24锚索：L ≤nF 2/[BH γ-（2F 1sin θ）/L 1]=230/[4.7×
2.5×26-（2×50sin75°）/0.8]=1.25
Φ17.8锚索：L ≤nF 2/[BH γ-（2F 1sin θ）/L 1]=320/[4.7×2.5
×26-（2×50sin75°）/0.8]=1.73
综上所述锚索参数需满足如下：锚索材质为1860钢绞线，型号：φ15.24×4800mm ，锚索间排距为1250mm ×1250mm ，φ17.8mm 锚索，锚索间排距不大于1730mm ×1730mm 。

目前使用φ17.8mm ×6000mm 锚索，锚索间排距1200mm ×1500mm ，满足设计要求。

托盘采用20×200×200mm 的钢板托盘;锚固剂型号：MCK2335,每根锚索采用树脂锚固剂端头锚固且锚固剂数量不得少于4节。

6. 加强锚索数目的校核，应满足
断
P W
K N ⨯
≥
式中N ——锚索数目；
K ——安全系数2；
断
P ——锚索最低破断力，355kN ；
W ——被悬吊岩石的自重，kN ； ∑∑⨯⨯⨯=D h B W γ
其中：B ——巷道掘进荒宽，4.7m ；
D ——锚索间排距，1.5m ；
∑h ——悬吊岩石厚度，2.5m ；
∑γ——悬吊岩石平均容重，26kN/m 3。

6.2355
265.25.17.42=⨯⨯⨯⨯=⨯
≥断P W K N 间距1200mm ，每排3根锚索，满足要求。

四、结论
1、根据苍海煤矿顶板岩性为粉砂岩局部泥质页岩，硬度f取4-6，计算得到松动圈高度约为0.7米，锚杆锚固长度选1.2米，外露长度0.1米，因此锚杆最小长度为2米，现场实际锚杆长度2.2米满足要求。

2、锚杆支护做为浅部围岩保护，避免浅部围岩离层或脱落，锚杆间排距根据锚杆悬吊理论，按锚固力最低50KN、松动圈0.7米，既冒落高度0.7米（悬吊岩石厚度），安全系数取2，计算间排距为1.37米，现场实际锚固力（抗拔力）增加，则锚杆间排距增大。

目前苍海煤矿顺槽锚杆支护设计间排距为750mm×750mm，满足要求。

3、锚索做为加强支护，在锚杆浅部支护的前提下防止深部围岩离层，则不稳定岩层厚度选2.2米（锚杆长度），计算锚索长度最小4.8米，其中φ15.24mm锚索锚固长度最少为2.17米，要求锚固剂和锚索粘合长度不小于2.17米。

现场锚索长度6000米满足要求，锚固剂不得小于4节。

4、在锚索锚固力满足要求的前提下，根据锚索悬吊理论，最大冒落高度取2.5米（根据现场），锚索极限承载力：φ15.24锚索230kN，φ17.8锚索320KN，φ15.24锚索排距要求小于1.25米,φ17.8锚索排距要求小于1.73米；现场使用φ17.8锚索，排距1.5米满足要求。

5、根据悬吊岩石重量和锚索最低破断力计算每排锚索个数不小于2.6，排距取1200mm，每排3根满足要求。

6、以上仅为理论计算，在顶板情况完好的情况下，围岩硬度4-6，巷道毛宽度取4.7米，高度3.3米，如果帮部偏帮或其他因素导致巷道宽度和巷高增加，则巷道松动圈b值会增大，所需锚杆锚索长度理论之也会增大，锚索锚杆悬吊重量会增大，从而间排距理论值要求减小。

7、如果巷道遇构造，则围岩整体硬度降低，f值降低（2-4），则松动圈b值会增大1-2倍，要求锚杆、锚索理论长度增加，浅部围岩基本松散，造成锚杆支护完全失效，需采取被动架棚支护，防止浅部围岩完全掉落，增强浅部围岩的整体性，提高其抗压强度，但是被动支护承受能力一般不会超过3米围岩，因此同时需施工锚索，防止深部岩石继续离层，才能控制顶板下沉。

8、锚杆锚索设计参数都能满足要求，根据情况可以减小间排距和长度来增加支护强度，锚杆锚索施工质量是支护的重点，一个是预紧力，要求
锚盘贴近岩面，受力充分才能起到压力拱作用。

二是抗拔力，也是锚固力，涉及锚固长度以及和锚固剂粘合质量，上面验证时锚杆取的是最小50KN,顶锚杆一般不小于80KN（24.3Mpa）,帮锚杆不小于60KN；排距1.5米锚索，根据悬吊岩石重约458.25KN计算，每排3根，当锚杆失效时，每根锚索悬吊重量为152.75kN，因此锚固力不得小于153KN，张拉机压力为46.4Mpa（张拉机为MS-18/180，最大工作压力55MPa,额定张拉力180KN）,当锚杆支护有效，锚杆抗拔力达到50KN时，锚索锚固力不得小于103KN（153KN-50KN），张拉机压力为31.2MPa。

相关参数：
五、螺纹钢对树脂药卷粘结强度（设计手册）
六、锚索抗拉强度（1MPa=1 N/mm2）
七、煤、岩容重
八、预应力钢绞线技术指标（检测报告）
九、Ⅰ锚杆技术指标（检测报告）
Ⅱ锚杆承载力（学习的时总结）
十、锚索测力计技术指标
十、锚具技术指标
十一、顶板离层测距仪（普通）技术指标
十二、钢筋混凝土（水泥托板）技术指标（检测报告）
十三、槽钢技术指标（检测报告）
十四、锚固剂主要参数
十五、锚固剂主要参数（固化与搅拌时间）
十六、波纹钢托板（检测报告）
十七、钢带（检测报告）
十八、玻璃钢锚杆（检测报告）。