CN103195453A - 一种基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法，根据巷道围岩物理力学性质、赋存条件以及地应力状况，选择出适合现场施工条件的多组方案，确定选用锚杆的间排距、长度、直径，选择出多组方案中的最优的一组方案；根据地质条件和巷道断面形状及尺寸对锚杆的安装角、锚杆支护附件及锚索的参数进行设计；根据选择的最优方案对巷道进行支护，支护中对巷道围岩进行动态监测，反馈数据，分析并对最优方案进行修正、优化，指导调整后续巷道的支护，直至巷道支护完成。适用于巷道支护设计，本发明是从全新的角度出发，通过锚杆与围岩形成的承载结构，计算锚杆轴力，进行巷道锚杆支护设计，科学、可靠，实用、经济，适用范围广且可操作性强。

Description

一种基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法，尤其适用于地下工程中巷道锚杆的支护设计。

背景技术

工程中，为了提高锚杆对巷道支护的效果，降低巷道锚杆的支护成本，需要对锚杆支护的参数进行设计。目前，国内沿用的确定锚杆支护参数方法，主要应用悬吊、组合梁、加固拱、围岩松动圈、最大水平应力理论等理论，并辅以工程类比进行计算，这些均是针对一般巷道提出的，往往确定方法存在很大的模糊性和不确定性，设计周期长，可操作性不强；技术上的科学性、经济上的合理性缺乏相应的技术支持。为解决现有锚杆支护参数确定方法的依据及可靠性存在的模糊性和不确定性，并使之具有较强的可操作性、较广的适用性及经济合理性，是现场急需解决的一大问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种方法简单、可操作性强、锚杆支护参数准确的基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法。

技术方案：本发明的基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法，包括如下步骤：

（1）根据巷道围岩物理力学性质、赋存条件以及地应力状况，得到巷道围岩的围压P ₀；

（2）根据巷道所需断面形状及尺寸、围岩的应力状态及工程实际情况，建立承载结构力学模型；

（3）确定不同支护方案并计算对应的锚杆轴力：

a 根据巷道位置，取动压系数f取值范围在1~3，当巷道不受采动影响时，动压系数f=1，当巷道为回采巷道受采动影响时，动压系数f>1；

b 选择1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6 m、2.8 m、3.0 m不同尺寸的锚杆长度；选择间距与排距均为600mm、800mm、1000mm、1200mm，将所选的不同锚杆长度、锚杆间排距进行排列组合，建立28组方案；

c 按下式计算出每组方案中相应的锚杆最小轴力：

式中：F—锚杆轴力/kN,

      P ₀—围压/MPa,

      k—残余抗剪强度系数,

      σ _θ—锚杆承载结构径向应力/MPa,

      S ₁ —承载结构外圈6的长/短半轴长/m,

S ₂ —承载结构内圈7的长/短半轴长/m,

φ—锚杆承载结构的内摩擦角，

C _s—锚杆承载结构的内聚力/MPa,

n—锚杆数目,

F—锚杆轴力/kN,

r—锚杆排距/m,

h—巷道断面内锚杆支护范围/m；

（4）根据现场施工条件，选择出适合现场施工条件的多组方案，根据经济比较，确定选用锚杆的间排距、长度、直径，选择出多组方案中的最优的一组方案；

（5）按常规根据地质条件和巷道断面形状及尺寸对锚杆的安装角、锚杆支护附件及锚索的参数进行设计；

（6）根据选择的最优一组方案按常规技术对巷道进行支护，支护中对巷道围岩进行动态监测，反馈数据，分析并对最优方案进行修正、优化，指导调整后续巷道的支护，直至巷道支护完成。

有益效果：本发明基于锚杆与巷道围岩形成的承载结构，确定巷道锚杆支护参数。通过全新的巷道支护设计理念及方法，经选定方案的轴力确定基础参数中锚杆材料及直径大小。本发明突破了现有方法的局限性，具有科学性、合理性，可操作性强，可开发基于巷道承载结构的锚杆支护设计软件。结合锚杆支护的相关理论及锚杆与围岩的相互作用，基于巷道锚杆支护后巷道围岩内部形成的承载结构，确定科学、可靠、实用、经济、操作简单的锚杆支护参数确定方法。可解决现有锚杆支护方法的周期长、可操作性不强等问题。其方法简单，实用经济，可操作性强，大幅度缩短了巷道设计周期，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为 “锚杆—围岩”承载结构范围及位置示意图；

图2为本发明承载结构力学模型简化示意图；

图3为本发明基于巷道承载结构的锚杆支护的设计流程图。

图中：1.巷道，2.锚杆，3“锚杆—围岩”承载结构，4.松动破碎区，5.承载结构简化模型，6.承载结构外圈，7.承载结构内圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法，包括以下步骤：

（1）根据巷道围岩物理力学性质、赋存条件以及地应力状况，得到巷道围岩的围压P ₀；

（2）根据巷道所需断面形状及尺寸、围岩的应力状态及工程实际情况，建立承载结构力学模型；

（3）确定不同支护方案并计算对应的锚杆轴力：

a 根据巷道位置，取动压系数f取值范围在1~3，当巷道不受采动影响时，动压系数f=1，当巷道为回采巷道受采动影响时，动压系数f>1；

b 选择1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6 m、2.8 m、3.0 m不同尺寸的锚杆长度；选择间距与排距均为600mm、800mm、1000mm、1200mm，将所选的不同锚杆长度、锚杆间排距进行排列组合，建立28组方案；

c 按下式计算出每组方案中相应的锚杆最小轴力：

式中：F—锚杆轴力/kN,

      P ₀—围压/MPa,

      k—残余抗剪强度系数,

      σ _θ—锚杆承载结构径向应力/MPa,

      S ₁ —承载结构外圈6的长/短半轴长/m,

S ₂ —承载结构内圈7的长/短半轴长/m,

φ—锚杆承载结构的内摩擦角，

C _s—锚杆承载结构的内聚力/MPa,

n—锚杆数目,

F—锚杆轴力/kN,

r—锚杆排距/m,

h—巷道断面内锚杆支护范围/m；

（4）根据现场施工条件，选择出适合现场施工条件的多组方案，根据经济比较，确定选用锚杆的间排距、长度、直径，选择出多组方案中的最优的一组方案；

（5）按常规根据地质条件和巷道断面形状及尺寸对锚杆的安装角、锚杆支护附件及锚索的参数进行设计；

（6）根据选择的最优一组方案按常规技术对巷道进行支护，支护中对巷道围岩进行动态监测，反馈数据，分析并对最优方案进行修正、优化，指导调整后续巷道的支护，直至巷道支护完成。

图1所示为“锚杆—围岩”承载结构范围及位置布置图，在巷道1开掘和锚杆2支护后，锚杆2与围岩共同作用形成“锚杆—围岩”承载结构3，其与巷道1自由面之间的区域为松动破碎区4。其中，在锚杆2在锚固力作用下，每根锚杆2周围形成一个两头带圆锥的压缩区，“锚杆—围岩”承载结构3是在各锚杆2所形成的压缩区域彼此连接形成的。

图2所示为本发明的承载结构力学模型简化示意图，承载结构简化模型5是从最不利角度出发简化图1中“锚杆—围岩”承载结构3所得；承载结构外圈6的椭圆长/短半轴是巷道半跨度/半高度与锚杆自由段长度之和，承载结构内圈7的椭圆长/短半轴是巷道半跨度/半高度与巷道断面轴向破碎厚度之和，破碎区厚度根据挤压加固拱理论的压缩角及间排距确定。

根据该模型，求解锚杆支护强度P _i。推到如下：

由本构关系

                               （1）

式中：τ _s —锚杆承载结构的最大抗剪强度，MPa；

σ _θ —锚杆承载结构径向应力，MPa；

σ _ρ —锚杆承载结构切向应力，MPa。

平衡微分方程

                             （2）

考虑边界条件，当锚杆承载结构厚度为0时

式中：P _i —锚杆的支护强度，MPa。

通过以上计算得到圆形锚杆承载结构的应力分布情况，由于实际中的巷道并非圆形，其锚杆承载结构呈椭圆圈状向外扩展，当椭圆巷道长短轴长度相差不大时，仍按圆形锚杆承载结构圈计算，其切向和径向应力分别为

                      （3）

式中：S ₁ —承载结构外圈6的长/短半轴长，m；

S ₂ —承载结构内圈7的长/短半轴长，m。

在巷道表面，锚杆承载结构的最大抗剪强度由以下公式计算

                            （4）

式中：σ _s —锚杆承载结构的强度，MPa。

假设岩石在峰后应变软化阶段任意一点的应力状态均处于强度破坏的临界状态，并满足莫尔-库伦强度准则，则锚杆承载结构在巷道表面的强度为

                         （5）

式中：φ—锚杆承载结构的内摩擦角，（^o）；

C _s —锚杆承载结构的内聚力，MPa。

通过式（4）、式（5）可以求出锚杆承载结构在巷道表面的强度，但是锚杆承载结构内各点所受围压不同，从巷道表面向围岩深部逐渐增大，所以必须对锚杆承载结构的最大抗剪强度进行修正

              （6）

式中：k—残余抗剪强度系数，锚杆支护强度越大，k值越大。

支护强度计算公式为：

                                （7）

式中：n—锚杆数目；

F—锚杆轴力，kN；

r—锚杆排距，m；

h—巷道断面内，锚杆的支护范围，m。

联立（3）、（6）、（7），得锚杆轴力F：

        （8）

计算中，只需计算椭圆轴线方向的锚杆轴力F即可，并取锚杆轴力较大的值。

图3所示为本发明基于巷道承载结构的锚杆支护的设计流程图，设计模型初始时需要知道该区域巷道围岩的物理力学性质、围岩赋存条件以及本区域的地应力状况，结合所需巷道断面形状及尺寸，得出巷道围压P ₀，建立如图2所示的巷道承载结构力学模型，根据巷道位置，当巷道不受采动影响时，动压系数f=1，当巷道为回采巷道受采动影响时，动压系数1<f<3；选择锚杆长度为1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m、3.0 m；选择间距与排距均为600mm、800mm、1000mm、1200mm，将以上的锚杆长度与锚杆间排距进行排列组合，确定出28个方案；按照公式（8）计算出各组锚杆的最小轴力F，再根据现场施工条件，选择出适合现场施工条件的多组方案，根据经济比较，确定选用锚杆的间排距、长度、直径，选择出多组方案中的最优方案，其中最优方案中锚杆的材料及锚杆的直径是根据方案中锚杆的轴力确定的；根据地质条件和巷道断面形状及尺寸按常规技术对锚杆的安装角、锚杆支护附件（包括钢带、钢筋梁、注/喷浆、托盘等）及锚索的参数进行设计；根据选择的最优方案按常规技术对巷道进行支护，支护中对巷道围岩进行动态监测，反馈数据，分析并对最优方案进行修正、优化，指导调整后续巷道的支护，直至巷道支护完成。积累不同条件下基于本发明确定的锚杆支护参数，建立巷道承载结构支护设计动态数据库，开发基于巷道承载结构的锚杆支护设计软件。

本发明基于巷道“锚杆—围岩”承载结构角度的巷道参数确定方法，通过建立巷道承载结构力学模型，计算锚杆轴力，确定巷道锚杆支护的基础参数、相应的附件参数及锚索参数；同时经编程软件处理，通过简单的输入动压系数，围岩物理力学参数、地应力及巷道尺寸设计出符合巷道支护要求的支护方案，科学可靠、适用性及可操作性强。

Claims (1)

1.一种基于巷道承载结构的锚杆支护参数确定方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）根据巷道围岩物理力学性质、赋存条件以及地应力状况，得到巷道围岩的围压P ₀；

（2）根据巷道所需断面形状及尺寸、围岩的应力状态及工程实际情况，建立承载结构力学模型；

（3）确定不同支护方案并计算对应的锚杆轴力：

a 根据巷道位置，取动压系数f取值范围在1~3，当巷道不受采动影响时，动压系数f=1，当巷道为回采巷道受采动影响时，动压系数f>1；

b 选择1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6 m、2.8 m、3.0 m不同尺寸的锚杆长度；选择间距与排距均为600mm、800mm、1000mm、1200mm，将所选的不同锚杆长度、锚杆间排距进行排列组合，建立28组方案；

c 按下式计算出每组方案中相应的锚杆最小轴力：

式中：F—锚杆轴力/kN,

      P ₀—围压/MPa,

      k—残余抗剪强度系数,

      σ _θ—锚杆承载结构径向应力/MPa,

      S ₁ —承载结构外圈6的长/短半轴长/m,

S ₂ —承载结构内圈7的长/短半轴长/m,

φ—锚杆承载结构的内摩擦角，

C _s—锚杆承载结构的内聚力/MPa,

n—锚杆数目,

F—锚杆轴力/kN,

r—锚杆排距/m,

h—巷道断面内锚杆支护范围/m；

（4）根据现场施工条件，选择出适合现场施工条件的多组方案，根据经济比较，确定选用锚杆的间排距、长度、直径，选择出多组方案中的最优的一组方案；

（5）按常规根据地质条件和巷道断面形状及尺寸对锚杆的安装角、锚杆支护附件及锚索的参数进行设计；

（6）根据选择的最优一组方案按常规技术对巷道进行支护，支护中对巷道围岩进行动态监测，反馈数据，分析并对最优方案进行修正、优化，指导调整后续巷道的支护，直至巷道支护完成。

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