同煤集团巷道支护理论计算设计方法(初稿)

同煤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、料石砌雀、锚杆等一系列支护形式，架棚和料石砌雀等支护是被动支护，由于成本髙、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，国內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，釆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） t

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

¼l =L杆1 + “2 + 厶杆3

C

式中⅛—锚杆长度，m；

Ll Tl—锚杆外露顶板长度，m；

乙杆2—锚杆的有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；

厶杆3—锚杆的锚固长度，螺纹钢锚杆一般取〜5,麻花头锚杆一般

取〜O. 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。

Q杆=^I⅛2¾I¾2/

式中Q∣f —锚杆锚固力’KN；

心一安全系数，一般取2〜3；

"杆1、¾2—锚杆间排距，m；

了一易冒落岩石平均重力密度，KN/nf；

3、锚杆的直径

式中〃杆一锚杆直径，m；

σ1—锚杆杆体的屈服强度，MPa。

4、锚索的长度

⅛ = L细+ ¼2 + L敍3 式中L t—锚索长度，m；

厶當］—锚索外專顶板长度，m；

¼2-锚索的有效长度，不小于锚杆锚固岩层的厚度⅛≥⅛2+⅛,

厶知—锚索的锚固长度，一般取〜2m；

5、锚索间排距的确定

锚索的间距。卸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：

Gy = ----- -

式中"萄、"索2 —锚索间距、排距，m;

N當一锚索承载力，查材料强度检验报告可得，KN；

心一安全系数，一般取2〜5；

h—锚杆锚固岩层的厚度,Z I =L H,+L tf3, m；

y—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：- N魅

式中：Q$：—锚索锚固力，KN；

N卓一锚索承载力，KNO

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，而在深部一定范围內形成自然平衡拱，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