巷道錨桿支護計算公式概要

1、根據1552工作面圍巖柱狀資料分析，15#煤層頂板直接頂為粘土巖，厚度 1.0-1.5m，施工時，極易垮落，掘進施工時以14#煤層做頂沿15#煤層底板掘進， 采取錨網支護。為了將錨桿加固的“組合梁”懸吊于老頂堅硬巖層中，需用高強 度錨索做輔助支護。根據鄰近1551運、回兩巷掘進巷道的支護經驗，確定 1552 回風巷、1552回風巷皮帶機頭硐室,采用錨桿一鋼筋網一鋼帶-錨索聯合支護。二、支護參數設計采用類比法合理選擇支護參數：根據 15#煤層鄰近巷道的支護經驗，1552 回風巷巷道頂錨桿選用 16mM 1800mn的圓鋼錨桿，間距1000mm排卡距900mm 選用1x7絲 15.24mm錨固力不

2、小于230kN冷拔鋼筋，長度4.2m的錨索加強支 護。采用計算法校核支護參數1、錨桿長度計算L = KH+L1+L2式中：L錨桿長度，m H 冒落拱高度，mK-安全系數，取2L1錨桿錨入穩(wěn)定巖層深度，取 0.5mL2錨桿在巷道中的外露長度，取 0.05m其中：H=B/2f=3.4/(2 X 4)=0.43m式中：B巷道寬度f巖石堅固性系數，取4L = 2H+L1+L2=2X 0.43+0.5+0.05=1.41m 施工時取 L=1.8m2、錨桿間距、排距a、b50式中：a、b錨桿間、排距mQ錨桿設計錨固力，50kN/根；H冒落拱高度，取0.58m ;K安全系數，取2;r 被懸吊粘土巖的重力密度

3、，26.44kN/m3a=b=20.4326 .44=1.48m施工中間距取1.0m,排距取0.9m。3、錨桿直徑的選擇：d =爲4 PK / : 72P=abhr=0.9X 1 X 1.8 X23=37.26kN/m式中：a-錨桿排距h-錨桿承載巖體高度，取錨桿長度1.8mb-錨桿間距r-承載巖體容重23kN/mK-安全系數取22-錨桿材料抗拉強度，取38kN/md= KX (d1fa/4fc)式中： K- 安全系數，取 2d1- 錨索鋼絞線直徑，取 15.24mmfa-鋼絞線抗拉強度，N/m卅(1920MPa,含1883.522口詢fc 錨索與錨固劑的粘合強度，取 10N/mm2貝U La

4、(2X 15.24 X 1883.52) /4 X 10=1435.2421.44mL=1.44+1.5+0.1+0.3=3.34m 施工取錨索長度為 4.2m。錨索的間、排距校核：L=NF2/BHr-(2F1sin 9 )/L1 式中 L 錨索間排距， mB 巷道最大冒落寬度，正巷 3.4mH 巷道冒落高度，按最嚴重冒落高度取 2.0mr- 巖體容重， 23kN/m3L1 錨桿的排距， 0.9mF1錨桿的錨固力，50kNF2 錨索極限承載力，17.8mm取 335kN, 21.6mm取 550kN。9角錨桿與巷道頂板的夾角， 75度n排錨索個數，取2通過上述計算，1552回風巷錨索間距小于2

5、.5m布置。根據巷道掘進支護情 況，1552回風巷巷道頂板施工一排錨索加強支護， 長度4.2m,間距為2.0m布置, 每根錨索使用不少于四節(jié)樹脂藥卷錨固，可滿足支護要求。直墻圓拱形巷道錨桿長度確定：(1)錨桿長度錨桿長度可按式 1 確定Lb = Lb1 . Lb2 . Lb3式中：Lb錨桿長度，mLbi 錨桿外露長度（一般取 0.1-0.15m ）Lb2錨桿有效長度，mLb3 錨桿錨固長度（一般取0.3-0.4m錨桿有效長度Lb2的確定方法為：直墻半圓拱巷道：頂:Lb2 = Lp(a/2)2 (cd)2c +d幫：“2 二 Lp _ 2式中：a巷道寬度，mc直墻圓形拱巷道墻高，md直墻圓形拱巷

6、道拱高，mLp 塑性軟化區(qū)的范圍，m 一般狀況下當采深200m,Lp=0-2m當采深在200-400m之間時，Lp=2-5m；當采深400m Lp=5-8mo（2）錨桿的間排距：假設錨桿的間排距相同，都為 Sb,則計算公式為：s廠山b . P式中：Sb等距排列時錨桿的間排距，m二b單根錨桿的極限破斷力，kN；P巷道的各部位支護載荷，kN/m2頂板：Fd 二兀a幫部：只十些ak安全系數，一般取1.05-2.0 ；矩形巷道：“I正方形巷道：W2(刃（圓形巷道：W = m2 tan“ +。叫，正方形巷道：Wam.y矩形巷道：州直墻圓拱巷道：Wj = a + （d + mt）-ady珂45坤a巷道寬度

7、（圓形巷道K徑 m.b矩形巷道高度.m：c建墻圓拱形巷道墻周，md血墻関拱形巷道拱高，m.$一矍性區(qū)范圉，m.y計算范南內上復巖層平均體枳質量，kN/m3；.卷道圉巖內摩擦角（。）；九 壓軟巖巷道上區(qū)段采場直接頂厚度 m；一巷道幫部承找長度（山），巷道形狀不同，其取值不同，其中:岡形巷道：Lw=a正方形巷道：Q=a矩形巷道：g=bN墻半圓拱形巷道：Lw=c岡形巷道土 Wa -tL_4jrui2 y2 r-112 J C1 -+ J2c + d-42l直墻圓拱卷道工附u經驗公式是在大量支護設計經驗的基礎上，得出的指導支護設計的簡單公 式。目前，國內外有多種錨桿支護設計的經驗公式，以下列舉數例。(

8、1) 錨桿長度選取 Hoek與Brown等提出確定錨桿長度的一般經驗準則：最小錨桿長度=max錨桿間距的兩倍，三倍不連續(xù)面平均間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度，巷道跨度之半。 Lang與Bischoff認為，錨桿長度與錨桿間排距之比應為 1.21.5，錨桿 長度可作為巷道寬度的函數確定，如：L=B2/3，其中L為錨桿長度，B為巷道寬 度。 Schach等人提出確定錨桿長度的經驗公式為：L=1.4+0.184B(非預應力錨桿)L=1.6+(1+0.012B2)1/2(預應力錨桿) 日本的經驗表明，錨桿長度為巷道寬度或高度的0.6倍。如果再加長錨桿，支護效果將不會明顯變化。 新奧法對錨桿長度的選擇也提出一

9、些準則?；阱^桿支護的作用是在圍巖中形成自承拱的原理，錨桿長度主要與巷道圍巖條件及跨度有關：對于比較完整的硬巖，錨桿長度取1.01.2m;對于完整性較差的中硬巖石，錨桿長度取巷 道寬度的1/41/3, 般為23m；對于松軟破碎的巖體，錨桿長度取巷道寬度 的1/22/3, 一般為46m。 其它經驗公式，如：公式1：頂板錨桿長度L=2+0.15B/K幫錨桿長度 L=2+0.15H/K其中：B巷道寬度，m；H巷道高度，m；K與圍巖性質等有關的系數，一般取 35。公式2：錨桿長度L=k(1.5+B/10)其中：k圍巖影響系數，一般取0.9-1.2,圍巖穩(wěn)定性差時取大值。(2) 錨桿間排距選取 Hoek

10、與Brown等提出，最大錨桿間距=min 錨桿長度之半，1.5倍不連 續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度。 Lang與Bischoff認為，錨桿間排距與錨桿長度之比為 2/35/6比較合理。 Schach等從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā)，認為錨桿長度與錨桿間距的比值應接近2。 新奧法對錨桿間距的選擇提出一些準則：硬巖，錨桿間距取1.52.0m；中硬巖石，錨桿間距取1.5m；松軟破碎的巖體，錨桿間距取 0.81.0m。1懸吊理論懸吊理論認為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中， 阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據不穩(wěn)定巖 層厚度計算錨桿長度，根據錨桿懸

11、吊的不穩(wěn)定巖層重量計算錨桿直徑和間排距。(1)錨桿長度如圖4.1(a),錨桿長度用下式計算：(4-1)般取 0.15m；L=L 1+L2+L3式中：L-錨桿長度，m;L1-錨桿外露長度,L2-錨桿有效長度,L3-錨桿錨固長度,m，取決于錨桿類型與錨固方式,m，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度；m，端部錨固一般取0.3-0.4m。(2)錨桿錨固力與直徑錨桿錨固力應不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量，用下式計算:Q=KL 2a1a2 丫(4-2)式中：Q-錨桿錨固力，kN ；K-安全系數，一般取1.52；a1、a2-錨桿間排距，m；Y -不穩(wěn)定巖層平均容重，kN/m3。如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，貝U錨桿直

12、徑可由下式得出：(4-3)式中：d-錨桿直徑，m；(71-桿體材料的抗拉強度，MPa。 (3)錨桿間排距a=ai=a2，貝貝、可排距為：(4-4)如圖4.1(b),當錨桿間排距相等時，即(a)(b)圖4.1懸吊理論錨桿支護參數計算示意圖(a)-錨桿長度組成；(b)-支護參數計算圖2自然平衡拱理論該理論認為，巷道開掘后，圍巖失去了層間聯系。在上覆巖層壓力作用下， 淺部圍巖發(fā)生破壞，而在深部一定范圍內形成自然平衡拱。自然平衡拱以上的巖 體是穩(wěn)定的，錨桿的作用主要是防止破壞區(qū)圍巖垮落。 錨桿所需要的承載能力由 破壞巖石的重量確定，而且與巷道斷面形狀與尺寸、埋藏深度、采動影響程度、 巖層傾角、強度、結

13、構等有關?？梢?，自然平衡拱理論對錨桿支護作用的分析實 質上是懸吊作用，并提供了計算圍巖破壞范圍的一種方法。(1)圍巖破壞范圍如圖4.2是自然平衡拱理論確定巷道圍巖破壞范圍的計算圖。煤層巷道煤幫破壞深度C(m)由下式確定：(4-5)式中：Kcx巷道周邊擠壓應力集中系數，按巷道斷面形狀與寬高比確定; 巷道上方至地表間地層的平均容重，kN/m3;H巷道距地表的深度，m；B表征采動影響程度的無因次參數；fy煤層硬度系數；h煤層厚度或巷道輪廓范圍內煤夾層的厚度， m； 煤的內摩擦角。QhI vi j11 川 M 丿 I Q圖4.2巷道圍巖破壞范圍計算圖Q按式(4-5)求出的C為負值時表明煤體穩(wěn)定，正值表

14、明煤體發(fā)生破壞。 頂板巖層的破壞深度b(m)，按相對于層理的法線計，可根據下式求出:(4-6)(a +C) cosotb =ky fn式中：a巷道的半跨距，m ；煤層傾角，;ky 待錨巖層的穩(wěn)定性系數；fn錨固巖層的硬度系數。(2)圍巖壓力當C為正值時，作用在地壓破煤一側支架上的壓力Q(kN/m)為:Q =C( Yhsina nbtg90 -2(4-7)式中：y、 n 煤和巖石的容重，kN/m3。頂板支架壓力QH(kN/m)，按相對于巖層層理的法線確定為:(4-8)Qh =2 nabB(3) 錨桿長度 錨桿長度為：0.5頂板錨桿長度：Lr=b+ 煤幫錨桿長度：Ls=C+ 式中：錨桿錨入圍巖破壞

15、范圍之外的深度與錨桿外露長度之和，一般取0.7m。(4) 錨桿間排距錨桿排距ar(m)按下式求出：ar(a b)Zab(4-9)式中：Z錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額定深度，m, Z=0.35m。錨桿的錨固強度P(kN)取決于巖石硬度，按下式計算：2(4-10)p 1000二d f；t=4f 8式中：d錨桿桿體直徑，m；f錨固段巖層的硬度系數； 匚t錨桿桿體的極限抗拉強度，MPa。頂板每排錨桿數Nk根據作用力的平衡條件按下式求出：Nk(4-11)式中：K3安全系數，取2。所求得的Nk值根據實際情況取整數，并按式(4-11)復核錨桿排距。當C為正值時，煤幫錨桿排距按下式求出：(4-12)NyP二

16、KQ式中：Ny煤幫每排錨桿數。3組合梁理論組合梁理論認為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止 巖層產生離層和相對滑動，將若干薄巖層錨固成一個較厚的巖層，形成組合梁。 與不錨固巖梁相比，組合梁的最大彎曲應變和應力都將大大減少， 從而提高巷道 頂板的穩(wěn)定性。通過計算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護參數。如圖4.3是頂板組合梁的力學模型。設組合梁上部受均布載荷 q作用，在平 面應變狀態(tài)下，計算錨桿長度與錨桿間排距。13i W.7, .7. .VnV.V. Jij. 二(U : ：S ：i 粽稔:;:溢:;:濫:“/ T-n Ut 1f iTi iVij j Vy a jX-XC,L

17、iia,ii,X CX XjZXC.2辿 二,:：,：,：*或ZXZ A-A ALA二；船世忖*忖:核昭:出打M JU7.WLUJ. Va.*UUMJUMVJW JUfflWULF iij m tm mun bauii j海逅瀚或:;了in m iai 證蘭M.V.-.業(yè)理出底!世.匚 7 :ijj：麴麟翩疋謚題藝藝IXgr-1iA1Ea-JLz圖4-3頂板錨桿支護組合梁力學模型(1)錨桿長度錨桿長度L仍由(4.1)式確定，Li、L3分別為錨桿外露長度和錨固長度。錨桿有效長度L2,即組合梁厚度，根據滿足頂板最下一層巖石外表面抗拉強度條件 確定。固支梁中點下表面上拉應力最大，其值為：廠-0.25

18、qB2l2(4-13)K聲-；tKiqL2 _0.5BKiqL2 -0.602b：(. 6 )(4-16)式中：B巷道跨度，m。設巖石抗拉強度為G，則頂板穩(wěn)定時應滿足:(4-14)即:(4-15)式中：K1 安全系數，一般取K1 =35?？紤]巖層蠕變的影響，在(4-15)式右端引入蠕變安全系數Z ( Z =1.204)。考慮 頂板各巖層間摩擦作用對梁應力和彎曲的影響，引入隨巖層數目變化的慣性矩折減系數n，則錨桿有效長度的表達式為：式中：二h 原巖水平應力分量，MPa；巖層數為1、2、3時， 分別為1、0.75、0.7;巖層數4時，=0.65。 (2)錨桿間排距錨桿間距由組合梁的抗剪強度確定。設錨桿間距 )與排距