CN107133381B - 一种巷道支护用锚杆的长度确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种巷道支护用锚杆的长度确定方法。首先根据巷道断面形状，做出巷道轮廓线的外接圆，然后依据围岩塑性区发育深度做该外接圆的拓展同心圆，巷道表面至塑性区拓展同心圆的距离，叠加锚杆锚入坚硬稳定围岩长度与锚杆外露长度，即得到锚杆合理长度参数。本发明确定锚杆合理长度的过程简单、操作方便、准确性较高，节省了锚杆杆体材料、避免浪费，使得钻孔施工速度加快，工人劳动强度降低，提高锚杆对围岩的控制效能，为煤矿安全生产提供了有利条件。
Description
技术领域
本发明涉及矿用锚杆支护参数设计领域，尤其是一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，适用于一般条件下的巷道锚杆支护参数设计。
背景技术
锚杆支护是提高巷道围岩稳定性的有效手段，锚杆置入岩体部分通过杆体与黏结剂、黏结剂与岩孔壁间的黏结力与岩体牢固锚结，部分长度裸露在岩体外面，挤压住围岩或使锚杆从里面拉住围岩，因此锚杆杆体置入岩体部分的长度将直接影响锚固力大小，进而影响支护的效果。
目前锚杆长度参数确定的常用方法有工程类比法、理论计算法及实例法。
工程类比法是根据已经支护的类似工程的经验，通过工程类比，直接提出长度参数。它与设计者的实践经验有很大关系，要求每一个设计人员都具有丰富的实践经验是不切实际的。设计者将特定围岩条件下的设计与相应条件下个别工程的实践经验联系起来进行工程类比，而后做出比较合理的设计方案，该设计方法受设计人员的主观性影响比较大，准确性较差。
理论计算法是根据悬吊理论、承压拱理论、松动圈理论等确定锚杆长度参数，该设计方法繁琐，影响因素多，很难适应不同位置巷道复杂多变的地质特征。
实例法是根据巷道的地质环境和现场实际观测资料，如地应力、顶板岩层位移及锚杆承载特性等参数，利用岩石力学原理与数理统计方法进行巷道支护的设计方法，需要的仪器设备较多、过程繁琐、耗时费力，其复杂性导致该方法不能适应煤矿高产高效要求。
发明内容
为了克服现有锚杆长度参数确定中普遍存在的准确性差且较复杂的不足，本发明提供一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，该方法操作简单，易实施，准确性高，锚固效果好，劳动强度低，效率高，经济效益高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，操作步骤如下：
第一步：依据巷道断面设计尺寸掘进巷道，在形成巷道轮廓线之后，根据巷道断面形状，做出巷道轮廓线的外接圆，确定外接圆的半径r；
第二步：基于塑性力学和巷道围岩塑性松动圈理论，得出巷道围岩塑性区的发育深度为h，
其中，C为巷道围岩的内聚力，φ为巷道围岩的内摩擦角，p0为巷道的静水压力，p0＝γH，γ为上覆岩层的平均容重，H为巷道埋深；
第三步：做与外接圆同圆心的塑性区拓展同心圆，其半径为
此塑性区拓展同心圆即为塑性松动圈；
第四步：确定锚杆的合理长度L，锚杆的合理长度L＝L1+L2+L3，其中L1为锚杆外露长度，根据松动圈理论，锚杆外露长度取0.15m；L2为巷道表面到塑性区拓展同心圆的距离；L3为锚杆锚入坚硬稳定围岩的长度，根据松动圈理论，锚杆锚入坚硬稳定岩层的长度为0.3m-0.4m，实际中可按照锚杆锚固长度适当调整，保证锚杆锚固端有效锚固在坚硬围岩中即可；
第五步：在各位置处的锚杆孔中安装相应确定了合理长度的锚杆；随着巷道不断向前掘进，根据不同位置巷道的断面尺寸，形成新的巷道轮廓线，重新进行锚杆的合理长度的确定，接着重复以上步骤，直至整个巷道支护完成。
相比现有技术，本发明的一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，首先，巷道断面依据设计要求掘进成型后，根据巷道断面形状，容易做出巷道轮廓线的外接圆，得到巷道轮廓线的外接圆半径，为后续锚杆合理长度的确定提供基础；其次，根据巷道所在位置的岩石物理力学性质与应力承载条件，利用弹塑性力学理论推导即可得到巷道围岩塑性区的发育深度h，该方法理论可靠、数值准确；再者，依据上述所确定的塑性区发育深度h，可得到巷道表面到塑性区拓展同心圆的距离L2，叠加锚杆锚入坚硬稳定围岩长度L3与锚杆外露长度L1，即可得到锚杆的合理长度L。该方法简单，容易操作，数值准确性高，更加科学，为锚杆参数设计提供了理论依据；进而，根据该长度参数的确定方法，使得锚杆锚固力满足需要，能够有效控制巷道围岩的变形，解决了由于锚杆长度较短带来的锚固力不足，影响支护效果，以及锚杆长度过长带来的锚杆材料浪费、黏结剂浪费，钻孔速度低、钻孔机具损耗，支护速度降低等问题，取得了一定的经济效益，使得工人劳动强度降低，支护速度加快，满足矿井高产高效的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的示意图。
图中，1、巷道轮廓线，2、外接圆，3、塑性松动圈，4、锚杆，r：巷道轮廓线的外接圆半径，h：巷道围岩塑性区的发育深度，R：塑性区拓展同心圆半径。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中箭头为巷道所处地层中的等效围岩应力。
一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，操作步骤如下：
第一步：依据巷道断面设计尺寸掘进巷道，在形成巷道轮廓线1之后，根据巷道断面形状，做出巷道轮廓线1的外接圆2，确定外接圆2的半径r；
第二步：基于塑性力学和巷道围岩塑性松动圈理论，得出巷道围岩塑性区的发育深度为h，巷道围岩塑性区的发育深度h是根据巷道所在位置岩石的物理力学性质得到的，做与外接圆2同圆心的塑性区拓展同心圆，其半径为R＝r+h，此塑性区拓展同心圆即为图1中的塑性松动圈3；
第三步：确定锚杆4的合理长度，锚杆4的合理长度为巷道表面到塑性区拓展同心圆的距离，叠加锚杆锚入坚硬稳定围岩5的长度以及锚杆4外露的长度。可见，巷道断面内的锚杆4长度是不同的，锚杆4长度在巷道轮廓线1与其外接圆2相接处需要安装的锚杆4长度最小。不同长度的锚杆在巷道断面内的布局合理，整体支护效果好，避免了锚杆4长度过长带来的锚杆材料浪费、黏结剂浪费、钻孔速度低、钻眼机具损耗、支护速度降低等问题，经济高效。
本发明是以巷道围岩塑性松动圈为基础，提出的一种合理锚杆4长度的确定方法。首先根据巷道断面形状，做出巷道轮廓线1的外接圆2，然后依据围岩塑性区发育深度作该外接圆2的拓展同心圆，巷道表面至塑性区拓展同心圆的距离，叠加锚杆4锚入坚硬稳定围岩5的长度与锚杆外露长度，即得到锚杆(4)合理长度参数。
上述技术方案确定锚杆合理长度的过程简单、操作方便、准确性较高，节省了锚杆杆体材料、避免浪费，使得钻孔施工速度加快，工人劳动强度降低，提高锚杆对围岩的控制效能，为煤矿安全生产提供了有利条件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出的任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，操作步骤如下：
第一步：依据巷道断面设计尺寸掘进巷道，在形成巷道轮廓线(1)之后，根据巷道断面形状，做出巷道轮廓线(1)的外接圆(2)，确定外接圆(2)的半径r；
第二步：基于塑性力学和巷道围岩塑性松动圈理论，得出巷道围岩塑性区的发育深度为h，
C为巷道围岩的内聚力，φ为巷道围岩的内摩擦角，p0为巷道的静水压力，p0＝γH，γ为上覆岩层的平均容重，H为巷道埋深；
第三步：做与外接圆(2)同圆心的塑性区拓展同心圆，其半径为
此塑性区拓展同心圆即为塑性松动圈(3)；
第四步：确定锚杆(4)的合理长度L，锚杆(4)的合理长度L＝L1+L2+L3，其中L1为锚杆外露长度，根据松动圈理论，锚杆(4)外露长度取0.15m；L2为巷道表面到塑性区拓展同心圆的距离；L3为锚杆(4)锚入坚硬稳定围岩(5)的长度，根据松动圈理论，锚杆(4)锚入坚硬稳定岩层的长度为0.3m-0.4m，实际中可按照锚杆锚固长度适当调整，保证锚杆锚固端有效锚固在坚硬围岩中即可；
第五步：在各位置处的锚杆孔中安装相应确定了合理长度的锚杆(4)；随着巷道不断向前掘进，根据不同位置巷道的断面尺寸，形成新的巷道轮廓线(1)，重新进行锚杆(4)的合理长度的确定，接着重复以上步骤，直至整个巷道支护完成。
2.根据权利要求1所述的一种巷道支护用锚杆的长度确定方法，其特征是：所述的锚杆(4)锚入坚硬稳定岩层的长度不小于0.3m。
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