锚杆支护设计

第六章巷道锚杆支护•第一节简介•第二节锚杆支护原理•第三节锚杆支护类型•第四节锚杆支护设计第三节锚杆支护设计•一、工程类比法•二、理论计算法•三、数值模拟法•四、锚杆支护设计系统•五、锚杆支护设计实例一、工程类比法•由于锚喷支护作用机理理研究尚不完善，锚喷支护设计理论也不成熟。•因此，锚喷设计中通常采用用工程类比法。•我国多数锚杆支护设计规范都明确规定，锚杆支护设计算应以工程类比法为主，在必要时量测法及解析法为辅。•工程类比法是建立在已有工程支护设计的成功经验基础之上，在围岩条件、施工条件等各种影响因素基本一致的情况下，根据工程师的经验和判断能力，选定待建工程锚杆支护类型及参数。锚杆支护参数•1.锚固力•2.锚杆长度和直径•3.锚杆间距和排距•3.锚杆的间排距•锚杆的间排距要根据顶板条件决定。一般间排距取0.6m、0.7m、0.8m、1.0m。•顶板条件良好，少数情况下可采用1.1m和1.2m。按照选定的排距锚杆布置可采用正方形、长方形、五花形等型式，•巷帮锚杆可参照顶板锚杆，适当放宽间、排距。锚杆喷射混凝土支护技术规范围岩类别松动圈支护方法备注小I稳定40喷砼围岩整体性好中II较稳定~100锚，喷（悬吊）III一般~150锚，喷（悬吊）刚性支护局部破坏大IV一般不稳定~200锚，喷，网（组合拱）刚性支护大面积破坏V不稳定~300锚，喷，网（组合拱）围岩变形有稳定期VI极不稳定300二次支护无稳定期围岩松动圈分类表煤巷锚杆支护二、理论计算法•（一）按悬吊作用计算•（二）按挤压加固拱理论计算•（三）组合梁理论计算（一）按悬吊理论确定支护参数1）锚杆长度锚杆长度的计算公式321LLLLL1—锚杆外露长度，一般L1=0.1~0.15。端头锚固型锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.03-0.05）；全长锚固锚杆，还要加穹形球体厚度。L2—锚杆有效长度。L3—锚杆锚固段长度，一般端锚L3=0.3～0.4m，由拉拔实验确定；当围岩松软时还要加大。对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度则为L2+L3。①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L2应大于或等于它们的厚度。②当巷道围岩存在松动破碎带时，L2应大于巷道松动破碎区高度hi，hi可按下式确定：有效长度L2的确定方法：100)100(BRMRhi式中，RMR为CSIR地质力学分级岩体总评分；B为巷道跨度。有效长度L2的确定方法：时；，当32ffBH③一般还可按L2=KH进行计算，H为软弱岩层厚度（或冒落拱厚度），m；K为考虑软弱岩层变化的安全系数，一般取1.5～2。软弱岩层H的确定是根据地质资料，实测或经验估计，冒落拱高度是按下式估算，即时。，当2245ctan21fHBfH2）锚杆杆体直径tQd52.35式中，d为锚杆杆体直径，㎜；Q为锚固力，由拉拔实验确定，KN；σt为杆体材料抗拉强度，MPa。锚杆杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即3）锚杆间、排距锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为a，并根据锚杆的锚固力应等于或大于被悬吊岩石的重量的原则确定，即：2LKQa式中，γ—岩石重度，KN/m3;K—锚杆安全系数，1.5～24）适用悬吊作用使用层状岩、平顶巷道的锚杆支护。煤柱宽度3m的煤巷锚杆支护（悬吊作用）煤柱宽度3m的煤巷锚杆支护（悬吊作用）•1．巷道两帮破坏深度C的确定•2．巷道顶板破坏高度b的确定•3.顶板载荷确定•4.巷帮载荷确定•5.顶板锚杆支护参数的设计•6.帮锚杆支护参数的设计•Kσ，应力集中系数，Kσ=Ks·Ka•Ks，与巷道断面形状有关的应力集中系数，按下页表选取。•Ka，受临近工作面采空区的影响系数，有下式确定。•X—煤柱实际宽度，对于两侧为实体煤的顺槽，取X为100m。•σrm—老顶单向抗压强度，MPa；•h—采高，m；•hi—直接顶厚度，m；•σcc——被巷道切割的煤层单向抗压强度，MPa；•γ—巷道上覆岩层的平均容重，kN／m3；•H—巷道理深，m；•α——煤层倾角，°；•hc，——被巷道切割的煤层厚度，m；•l——巷道切割煤层（岩层）的最大宽度(图2-3-13）•μ—煤层波松比，用实测值，在无实测值情况下，按下页表确定；•φ—煤层内摩擦角(°)，可由下式确定：2．巷道顶板破坏高度b的确定•①对于顶板为均质岩层，b值由下式确定•a—悬臂岩层的半跨距，其计算方法如图2-3-14所示，m；•C—巷道两帮破坏深度，m；•侧压系数，•Ky—顶板岩石完整性系数，可由下式确定。•②对于拱形巷道，b值由下式确定•式中h0—巷道高度，m。③对于顶板岩层为非均质的情况，应分层计算顶板破坏深度。•先用式(2-3-4)计算顶板最下一层的b值，得b1。•如果b1小于该岩层的厚度，则破坏范围只出现在该层，即b＝b1。•如果b1值大于该岩层的厚度，说明破坏范围还要深入到上一岩层。这时，应把抛物线拱在两岩层层面处的宽度作新的(a十C)值，井代入到式(2-3-4)，计算第二个岩层的b值，得b2，•然后再行判断。此过程反复进行，直到第n个岩层的bn值小于该岩层厚度，则顶板岩层的破坏深度b为ti—岩层厚度，m3.顶板载荷集度Qr的确定•顶板载荷集度，KN/m•用于倾斜锚杆设计的顶板载荷集度，KN/m4．巷帮载荷的确定①巷道两帮均为煤层时巷帮载荷集度②两帮既有煤层又有岩层时的巷帮载荷集度•ht——巷道切割岩层的总厚度，m。5．顶板锚杆支护参数的设计•当顶板破坏高度b＜0.2m时，顶板无须支护;•①当顶板破坏高度，0.2＜b＜1.6m时；•②当b＞1.6m时，应采用带倾斜锚杆的支护系统(图2-3-15)。①当顶板破坏高度，0.2＜b＜1.6m时•a．锚杆长度lbr•Δ—锚杆外露长度与锚固段长度之和，一般取Δ＝0.4～0.5m。•b．锚杆杆体直径：根据设计锚固力选取•c．锚杆排距•d.每排锚杆个数•将每排锚杆个数N’取整数N，然后在计算Dr•如果Dr1.2，取Dr＝1.2；•如果Dr1.2，从排距系列重取与之最近的排距。rrrPDKQNrrrKQNPDe.锚杆支护形式的确定•当Ky＝[0.75～1]，单体锚杆支护；•当Ky＝[0.6～0.75)，–当b0.8m，单体锚杆＋大托板；–当b=0.8m，锚杆＋钢筋梁或桁架。•当Ky＝[0.45～0.6)，–当b0.8m，锚杆＋网；–当b=0.8m，锚杆＋钢筋梁＋网。•当Ky0.45，–当b0.8m，锚杆＋网；–当b=0.8m，锚杆＋W钢带＋网。•当Ky0.45，必须缩小锚杆间距、排距。•锚杆个数•Dr’和N’取相应系列的整数。•当Dr0.6m，取Dr＝0.6m。14.02rDaN22yrrKDD②当b＞1.6m时，采用带倾斜锚杆的支护系统a．倾斜锚杆长度lbi•bs—倾斜锚杆在破坏范围的长度，m。•当lbi2m时，取lbi＝2m。b．钢带排距：Dr—钢带排距，m；K1—安全系数，取1.2～1.5；Pri—倾斜锚杆拉拔力，kN；β—倾斜锚杆安装角（与铅垂方向），一般取30～45度。8.0sbiblcos21rirwrPQKDc.顶板锚杆•锚杆长度lbr–h0—巷道中高，m。•锚杆间距：–t—岩层组合高度，t＝0.35ab1/2–φr—岩层内摩擦角，度。•每排锚杆个数2.0,2.0min0hllbibr490tanrbrstlD14.02sDaNd.锚杆支护形式的确定•当Ky＝[0.6～1]，锚杆+W钢带；•当Ky＝[0.45～0.6)，全长锚固锚杆＋W钢带＋网•当Ky0.45，全长锚固锚杆＋W钢带＋网，并缩小间距、排距。22yrrKDD•当Ky0.45，必须缩小锚杆间距、排距。•锚杆个数•Dr’和N’取相应系列的整数。•当Dr0.6m，取Dr＝0.6m。14.02rDaN22yrrKDD6．巷帮锚杆支护参数的设计•巷帮破坏宽度C＜0.3m时，巷帮可不支护。•①当巷帮破坏宽度，0.3＜C＜1.5m时；•②当巷帮破坏宽度，C≥1.5m时。①当巷帮破坏宽度，0.3＜C＜1.5m时•a．锚杆长度lbs=C+Δ•b．每排锚杆个数•Ps—帮锚杆拉拔力，kN。srssPDKQN②当巷帮破坏宽度，C≥1.5m时•采用带倾斜锚杆的支护系统（图2-3-15）。a．倾斜锚杆长度lbsi•β—倾斜锚杆安装角（同水平方向夹角），度。•Dso—倾斜锚杆孔口到顶板的距离，一般取Dso=0.3m，β=30。6.0)sin(cossobsiDl②当巷帮破坏宽度，C≥1.5m时b．钢带排距：Dr’—钢带排距，m；K1—安全系数，取1.2～1.5；Prs—倾斜锚杆拉拔力，kN；cos21sisrPQKD②当巷帮破坏宽度，C≥1.5m时c.巷帮中部锚杆：长度：倾斜锚杆长度。每排锚杆个数式中，hc—被巷道切割的煤层厚度，m。490tan)(tlDbss16.0sccDhN5.024.0Chtc②当巷帮破坏宽度，C≥1.5m时d.当C≥1.3m时，巷帮支护应该加网。不要求锚杆伸入坚固岩层中。这样锚杆长度和间距之间必须满足某种关系，才能形成一定厚度的挤压加固拱，以支承地压，按照挤压加固拱理论，加固拱厚础与锚杆长度和间距之间的关系可按下式tgaLtgbb—加固拱厚度，m；L—锚杆的有效长度，m；α—锚杆在松散体中的控制角，度；a—锚杆的间距。根据上式，如果按常用锚杆1800～2200㎜和间、排距500～800㎜，则加固拱厚度将为1200～1400㎜，相当于3～4层料石碹拱的厚度。（二）按挤压加固拱理论计算锚杆参数组合拱作用计算锚杆参数•由锚杆预应力形成的承压拱稳定性，可按照结构力学理论由拱座处岩石的最大抗压强度、岩拱的抗剪能力及岩拱保持其承载拱形状的变形等三个方面校核，并确定锚杆参数；也可按照固体力学理论由弹塑性解试算锚杆参数。•根据锚杆组合拱作用，巷道围岩内的锚杆将在破裂区内形成一个防止破裂区扩展到承压拱，可以承受破裂区上部岩石的径向荷载。组合拱作用计算锚杆参数•1.喷射混凝土的最大支护力•2.金属网的最大支护力•3.锚杆的最大支护力•4.岩石承压拱的最大支护力•5.锚喷总支护力•6.承压拱计算实例•Rabcewicz,当原岩水平应力分量与垂直应力分量之比小于1时，巷道可能的破坏形式是在两帮形成楔体剪切滑移。•如果以圆形断面巷道中心为原点作极坐标系，坐标系的垂直轴为极轴，并将楔形滑体的滑动迹面线用极径的矢端轨迹)K表示，则当极角沿反时针旋转到剪切破坏角α时，极径矢端与巷道边界的交点A就是滑动迹线的一个起点，它的另一个起点A’可以按照对称性在巷道边界的另一侧找到，图49-6所示。•对于半径ri的圆形巷道，两帮楔形滑体的滑移迹线方程式为；喷层与围岩剪切破坏原理1.喷射混凝土的最大支护力•滑移迹线方程•由图49-6的几何关系不难得到楔形滑体在巷道边界出露的宽度b：•为了阻止楔形滑体的滑动，混凝土喷层应有足够抗剪强度Tc，如果假定它们在喷射混凝土喷层中是均匀分布的，考虑到滑体平衡条件，可以得到喷射混凝土最大支护力(承载力)：2.金属网的最大支护力•按照混凝土喷层抗剪作用分析的同样步骤，以得到金属网的最大支护力3.锚杆的最大支护力•对于全长锚固式锚杆，•如果考虑抗剪切情况，锚杆应该体供的最大支护力是：•θ0—岩石滑移线的最大倾角，根据滑移线方程求，当ρ=ri+t时，)cos(coscos0maxlcbfsbSSTPtan/ln0ritri•t-承压拱厚度，m。•需要指出，对于端头锚固式描杆，Tbf应该取拉拔试验得到的锚固力与锚杆杆体抗拉断力中数值较小者。4.岩石承压拱的最大支护力•根据对楔形滑体的平衡分析，得到在锚喷加固条件下岩石头承压拱的最大支护力)sincos(2maxrrsrbaP此时，岩石承载拱滑移迹线长度a近似表达式为5.锚喷总支护力•锚喷支护的最大总支外力就是支