CN103742177B - 一种强矿压巷道支护设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强矿压巷道支护设计方法，该设计方法适当增加锚杆长度以使其深入围岩塑性区范围内，取得更好的支护效果；适当减小锚索长度，可以有效提高支护效果，有利于减弱锚索所承受的应变能和系统动能，进而和锚杆形成较好匹配，减少断裂的趋势。长短结合，能有效地提高围岩的稳定程度，同时，锚索支护作为一种高承载力的支护手段，也能减轻巷旁压力。

Description

一种强矿压巷道支护设计方法

技术领域

本发明涉及技术领域为煤矿安全领域包括其他地下深部作业安全领域，具体涉及一种存在冲击地压危险巷道的支护设计方法。

背景技术

煤矿及其他金属矿巷道支护一般分为组合梁理论、冒落拱理论、组合拱理论和松动圈理论等。

一般来说在矿区实践当中，都分别采用一种或几种理论结合矿区实际来做支护设计，上述理论都在一定情况下才适用，却很少考虑到强矿压存在的状况。因而需要对强矿压巷道的支护设计做一定的改进。而如“煤矿深部全煤巷道冲击地压解危方法”（申请号/专利号：200910242246）等方法，涉及到了金属网及W型钢带等支护件，但对锚杆、索联合支护涉及较少。

通过存在强矿压危险的某煤矿实践表明，传统的巷道支护设计存在一定的问题，在掘进巷道采用锚杆-锚索联合支护，但在使用过程中锚索断裂和锚杆退锚的现象十分明显，因而我们提出了针对冲击危险性巷道的改进的支护设计方法。

发明内容

针对强矿压巷道锚杆退锚、锚索断裂的情况，提出了减小锚索长度增加锚杆长度的调整策略。

适当加大锚杆长度以取得更好的支护效果。建议锚杆长度从2.4m增加到2.8m，以深入围岩塑性区范围内。

把锚索长度从7.3m减小到6.5m，可以有效提高支护效果。一方面锚索6.5m，已经布置在巷道顶板的塑性区范围内，另外一方面，适当减小锚索长度，有利于减弱锚索所承受的应变能和系统动能，进而和锚杆形成较好匹配，减少断裂的趋势。长短结合，能有效地提高围岩的稳定程度。同时，锚索支护作为一种高承载力的支护手段，也能减轻巷旁压力。具体参数如下：

锚杆杆体为直径22＃螺纹钢，杆尾为螺纹M24的高强高预应力让均压锚杆，杆体材料为Q500矿用高强螺纹钢，屈服强度19吨，最大抗拉强度26吨。锚杆间距为700mm，排距800mm，运输顺槽每排8根锚杆，材料顺槽每排6根，靠近两帮的两根锚杆与铅垂线呈60°角，其它锚杆与巷顶轮廓线垂直。每根锚杆使用一支K2335和四支Z2360树脂药卷，全长锚固。

锚索采用1×19股22高强度低松弛鸟窝让压锚索。锚索间排距为1000×800mm，采用一支K2335和两支Z2360树脂药卷锚固，锚索三花型布置（即：每两排2根1根交错布置）。

同时需要增加让压托盘、托梁及金属网等附属结构。让压托盘采用300×300×16mm拱形调心托盘；采用网孔为50×50mm菱形金属网，规格为2800×900mm；采用Ф16mm圆钢焊制的宽度80mm，长2500mm的4孔钢筋托梁。

附图说明

图1不同因素下巷道两帮及顶底板收敛级差分析

图2巷道长短锚索速度示意图

图3巷道长短锚索位移示意图

图4巷道支护断面图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明。

首先，从原理上对锚索和锚杆的受力情况进行分析

（一）锚索的调整

随着拉伸应力的增加，锚索轴力逐渐呈现线性增长，并在端部承受最大轴力。从图1中可以看出，巷道围岩位移量对锚索长度不敏感，因此适当缩小锚索长度在理论上对围岩位移量不造成影响，而只需考虑锚索本身的性质。以下分两种角度来考虑。

（1）从动能角度分析，假设有长短两种锚索，L₁>L₂，因为巷道围岩周边梯度增强和边界放大效应等的影响，锚索沿长度方向形成不同的质点速度。如图2所示。

此时锚索上的质点Δm动能为

$\frac{1}{2}{\mathrm{\Δmv}}^2---\left(1\right)$

速度曲线为v(l)。因而锚索系统动能为

$K_L=\frac{1}{2}m{\∫}_0^L{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}---\left(2\right)$

则长锚索和短锚索系统动能之比为

$\frac{{K_L}_1}{{K_L}_2}=\frac{m_1}{m_2}\left(\frac{{\∫}_0^{L_1}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}}{{\∫}_0^{L_1}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}-{\∫}_0^{L_1-L_2}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}}\right)---\left(3\right)$

令则a>1，m₁>m₂则式（3）可写为

$\frac{K_{L_1}}{{K_L}_2}=\frac{m_1}{m_2}\left(\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{aL}}_2}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}}{{\∫}_0^{{\mathrm{aL}}_2}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}-{\∫}_0^{{\mathrm{aL}}_2-L_2}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}}\right)\≥\frac{1}{1-\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{aL}}_2-L_2}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}}{{\∫}_0^{{\mathrm{aL}}_2}{v}^2\left(l\right)\mathrm{dl}}}>1---\left(4\right)$

所以有即长锚索的系统动能大于短锚索系统动能。所以在同等条件下，长锚索比短锚索承受更大的能量，也更加容易断裂。

（2）从锚索变形能来考虑。假设有长短两种锚索，L₁>L₂，如图3所示，同时也假设锚索为全长锚固，则锚索位移应和围岩位移相同。

此时，锚索上某Δl长度的应变能为则锚索应变能为

$Q_L=\frac{E}{2}{\∫}_0^L{\left(\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dl}}\right)}^2\mathrm{dl}---\left(5\right)$

式中，u为l函数，则长锚索和短锚索系统动能之比为

$\frac{{Q_L}_1}{{Q_L}_2}=\frac{{\∫}_0^{L_1}{\left(\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dl}}\right)}^2\mathrm{dl}}{{\∫}_{L_1-L_2}^{L_1}{\left(\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dl}}\right)}^2\mathrm{dl}}>1---\left(6\right)$

综上所述，把锚索长度从7.3m减小到6.5m，可以有效提高支护效果。一方面锚索6.5m，已经布置在巷道顶板的塑性区范围内，另外一方面，适当减小锚索长度，有利于减弱锚索所承受的应变能和系统动能，进而和锚杆形成较好匹配，减少断裂的趋势。长短结合，能有效地提高围岩的稳定程度。同时，锚索支护作为一种高承载力的支护手段，也能减轻巷旁压力。

（二）锚杆参数的调整

矿上锚杆长度为2.4m，而松动圈测试表明煤矿松动圈大小为2.1～2.5m，超出巷道现有锚杆的支护范围，锚杆端部还在围岩破碎区域，无法形成悬吊梁及悬吊拱，进而达不到理想的支护效果。现场需要加大锚杆长度以取得更好的支护效果。建议锚杆长度从2.4m增加到2.8m，以深入围岩塑性区范围内。

支护巷道塑性区围岩的切向应力σ_θ

式中，D、e为锚杆间排距；Y为锚杆截面积；σ_r为围岩径向应力，c、为围岩残余粘结力及摩擦角。

随着围岩深度增加，围岩应力增加。单位长度上锚杆受到的剪力越大，锚固效果越好。从式（7）可以看出，锚杆受到剪力与锚杆间排距成反比，与锚杆截面积成正比。在工程实际应用时要兼顾经济成本和施工难易程度进行选取。

进而，结合图4，给出了锚杆和锚索的优选实施例。

锚杆形式和规格：杆体为22#高强度预应力让压锚杆，长度为2800mm，杆尾螺纹为M24。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为K2335，另一支规格为Z2360。

钢带规格：长度4350×275×2.75mm，7个锚杆安装孔，锚杆安装孔间距800mm。

锚杆布置：锚杆排距800mm，间距800mm。

锚索形式和规格：锚索材料为φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力让压锚索，长度为6500mm，树脂加(全)长锚固，采用一支K2335和两支Z2360树脂药卷锚固。

锚索布置：三花型布置（即：每两排2根1根交错布置），排距800mm，间距1000mm，每排锚索必须布置在相邻两排锚杆的正中间。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种强矿压巷道支护设计方法，其特征在于，所述巷道支护包括锚杆，锚索，所述设计方法适当增加所述锚杆长度，以使其深入围岩塑性区范围内，并且同时，适当减小所述锚索长度以减弱锚索所承受的应变能和系统动能，进而和锚杆形成较好匹配，减少断裂的趋势，所述锚杆和所述锚索的具体参数如下：锚杆长度从2.4m增加到2.8m，锚索长度从7.3m减小到6.5m；

锚杆参数为：杆体为直径22#螺纹钢，杆尾为螺纹M24的高强高预应力让均压锚杆，杆体材料为Q500矿用高强螺纹钢，屈服强度19吨，最大抗拉强度26吨；

锚索采用1×19股φ22mm高强度低松弛鸟窝让压锚索；

锚杆间距为700mm，排距800mm，运输顺槽每排8根锚杆，材料顺槽每排6根，靠近两帮的两根锚杆与铅垂线呈60°角，其它锚杆与巷顶轮廓线垂直，每根锚杆使用一支K2335和四支Z2360树脂药卷，全长锚固；

锚索间排距为1000×800mm，采用一支K2335和两支Z2360树脂药卷锚固，锚索三花型布置，即，每两排2根1根交错布置。

2.根据权利要求1所述的一种巷道支护设计方法，其特征在于，增设附属结构，所述附属结构包括让压托盘、托梁及金属网。

3.根据权利要求2所述的一种巷道支护设计方法，其特征在于，所述让压托盘采用300×300×16mm拱形调心托盘；所述金属网采用网孔为50×50mm菱形金属网，规格为2800×900mm；所述托梁采用Ф16mm圆钢焊制的宽度80mm，长2500mm的4孔钢筋托梁。