巷道錨杆支護參數設計

巷道錨杆支護參數設計
一、錨杆支護理論研究
（一）錨杆支護綜述
1、錨杆支護技術的發展
錨杆支護作為一種有效的、技術經濟優越的采準巷道支護方式，自美國1912年在aberschlesin（阿伯施萊辛）的Friedens（弗裏登斯）煤礦首次使用錨杆支護頂板至今已有90多年的曆史。
1945~1950年，機械式錨杆研究與應用；
1950~1960年，采礦業廣泛采用機械式錨杆，並開始對錨杆支護進行係統研究；
1960~1970年，樹脂錨杆推出並在礦山得到了應用；
1970~1980年，發明管縫式錨杆、脹管式錨杆並得到了應用，同時研究新的設計方法，長錨索產生；
1980~1990年，混合錨頭錨杆、組合錨杆、特種錨杆等得到了應用，樹脂錨固材料得到改進。
美國、澳大利亞、加拿大等國由於煤層埋藏條件好，加之錨杆支護技術不斷發展和日益成熟，因而錨杆支護使用很普遍，在煤礦巷道的支護中的比重幾乎達到了100%。
澳大利亞錨杆支護技術已經形成比較完整的體係，處於國際領先水平。澳大利亞的煤礦巷道幾乎全部采用W型鋼帶樹脂全長錨固組合錨杆支護技術，盡管其巷道斷麵比較大，但支護效果非常好。對於複合頂板、破碎頂板及其巷道交叉點、大跨度硐室等難維護的地方，采用錨索注漿進行補強加固，控製了圍岩的強烈變形。美國一直采用錨杆支護巷道，錨杆消耗量很大。錨杆種類也較多，有脹殼式、樹脂式、複合錨杆等。組合件有鋼帶。具體應用時，根據岩層條件選擇不同的支護方式和參數。
錨杆支護發展最快的是英國。在1987年以前，英國煤礦巷道支護90%以上采用金屬支架，而且主要是礦用工字鋼拱型剛性支架。由於回采工作麵單產低、效率低、巷道支護成本高，因而虧損嚴重。為了擺脫煤炭行業的這種困境，在巷道支護方麵積極發展錨杆支護，到1987年，英國從澳大利亞引進了成套的錨杆支護技術，從而扭轉了過去的被動局麵，煤巷錨杆支護得到迅速發展，經過近10年實驗的基礎上，又進行了改進和提高，到1994年在巷道支護中所占的比重己達到80%以上。錨杆支護技術的廣泛采用給英國煤礦帶來巨大的活力和經濟效益。
德國是U型鋼支架使用最早、技術上最為成熟的國家，自1932年發明U型鋼支架以來，U型鋼支架發展迅速，支護比重很快達到了90%以上，從井底車場一直到采煤工作麵兩巷均采用U型鋼可縮性支架。但是自20世紀80年代以來，隨著礦井開采深度日益增加，維護日益困難。麵臨這種困境，德國采用不斷增加金屬支架的型鋼質量，逐步減小棚距的做法，這不僅使巷道支護費用增高，而且施工、運輸更加困難和複雜。即便如此，巷道維護困難的狀況仍然難以改觀，於是尋求成本低，運輸和施工簡單方便、控製圍岩變形效果好的錨杆支護變得尤為重要。到20世紀80年代初期，錨杆支護在魯爾礦區實驗成功後獲得推廣，現己應用到千米的深井巷道中，取得了許多成功的經驗。
法國煤巷錨杆支護的發展也很迅速，到1986年其比重己達50%。在采區巷道支護中同時發展金屬支架、錨杆支護、混凝土支架。
俄羅斯錨杆支護的發展也引人矚目。他們研製了多種類型的錨杆，在俄羅斯第一大礦區——庫茲巴斯礦區錨杆支護巷道所占比重己達50%。
我國在煤礦岩巷中使用錨杆支護也已有近50餘年的曆史。從1956年起在煤礦岩巷中使用錨杆支護，20世紀60年代錨杆支護開始進入采區，但由於煤層巷道圍岩鬆軟，受采動影響後圍岩變形量很大，對支護技術要求很高，加之錨杆支護理論、設計方法，錨杆材料、施工機具、檢測手段等還不夠完善，因而發展緩慢。“八五”期間，原煤炭工業部把煤巷錨杆支護技術作為重點項目進行攻關，在“九五”期間，原煤炭工業部將“錨杆支護”列為煤炭工業科技發展的五個項目之一，對錨杆支護的可行性和適用性進行了深入細致的研究，取得了一大批水平較高的科研成果。特別是1996~1997年我國引進了澳大利亞錨杆支護技術，在原邢台礦務局進行了現場演示，並完成了與錨杆支護技術有關的15個項目，使我國的煤巷錨杆支護技術有較大提高。同時，困難條件下錨杆——錨索支護技術得到了應用，並取得令人滿意的支護效果和經濟效益。2005年，我國國有重點煤礦的錨杆支護所占比重為60%，有些礦區超過了90%，甚至到達100%。
時至今日，人們不僅成功地在穩定和中等穩定以上的岩巷中使用錨杆，而且在軟岩巷道、以及受采動影響的煤巷中也成功地使用了錨杆支護技術。一批技術先進的國有重點礦區的煤巷錨杆支護率在逐年穩步提高。由於對巷道圍岩強度的強化作用，可顯著提高圍岩的穩定性，並且有支護成本較低、成巷速度快、勞動強度減輕、提高了巷道斷麵的利用率、簡化回采麵端頭維護工藝、明顯改善作業環境和安全生產條件等優點，可提高礦井的經濟效益，因而成為礦井巷道的一種主要支護形式。也代表了煤礦巷道支護技術的主要發展方向。
錨杆支護可大幅度的降低巷道支護維修費用，提高巷道掘進速度和生產效率；在巷道跨度增大時，即在大跨度巷道的情況下，單純用錨杆對巷道進行支護可能會引起巷道頂板在一定高度範圍內整體垮落，在這種情況下可以進行“錨杆+錨索”聯合支護，可將整個潛在冒落範圍內的岩層懸吊在較穩定的岩層中，從而使得該巷道頂板處於穩定狀態。
煤巷與岩巷不同之處在於：煤巷圍岩比較鬆軟，在采動影響下巷道圍岩變形十分劇烈。在使用金屬支架時，頂底板、兩幫相對移近量一般在300~500mm，少則100~200mm，嚴重時超過1000mm。煤巷使用錨杆支護時，必須要有較高的支護強度以控製圍岩變形。煤巷錨杆支護不同於一般岩巷的錨噴（網）支護。它的主要形式有單體錨杆、錨杆加W型鋼帶（或鋼筋梁）加網，或者加板式鋼帶及網，簡稱錨梁、錨網或錨梁網支護。
2、錨索支護技術發展
錨索支護基於錨杆支護原理中的懸吊理論，再增加適當大小的預應力，支護後圍岩不至形成離層脫落，確保圍岩穩定，是一種傳遞主體結構的支護應力到深部穩定岩層的主動支護方式。
預應力錨索支護是錨固技術發展中占有重要地位的一種支護形式，其與普通錨杆相比有突出的特點：一是長度大，能夠錨入到深部穩定岩石中，並可以施加預應力；二是能限製岩體的有害變形發展，從而保持岩體的穩定。錨索一般是錨杆長度的3~5倍，因此除了能夠起到普通錨杆的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用外，還能對巷道圍岩進行深部錨固，在實際應用中往往錨杆與錨索配合使用。
近年來，國內外錨索支護技術發展迅速，應用也越來越廣泛，在岩石邊坡、
交通隧道、礦山井巷、深基坑、壩基及結構加固等許多方麵都有該項技術的用武之地。在英國、澳大利亞，錨索支護技術的應用十分普遍，尤其在煤巷的應用十分突出，利用輕型錨杆鑽機即可施工。在圍岩較差的大硐室、交叉點、斷層附近及受采動影響的巷道采用錨索支護的前景比較廣泛。
總的看來，錨杆、錨索己經廣泛應用於大量的相關的工程中，而且已經積累了大量的寶貴經驗。但是，在一些複雜條件下的煤巷，如果方法運用不當，錨杆支護也往往失效，因此，支護設計及基礎參數測定的研究是解決回采巷道錨杆支護的關鍵，是成功推廣應用錨杆支護的途徑。
3、錨杆支護的優點
實踐充分證明，在煤巷中應用錨杆支護，與傳統的棚式支護相比，具有顯著的優越性。主要表現在以下幾個方麵。
（1）從根本上改善了支護狀況，保證了安全生產。
（2）減輕了工人的勞動強度，改善了作業環境。
（3）減少了支護物料的運輸，改善了生產礦井中輔助運輸的緊張狀況。
（4）提高了掘進工效，有利於高速、高效掘進隊的建設。
（5）大幅度節約支護材料，降低支護成本。
（6）提高巷道斷麵的利用率。
（7）簡化了綜采工作麵超前支護，加快了回采速度。
（8）錨杆支護巷道維修量少，服務年限相對延長，為優化礦井開拓布置、合理集中生產創造了條件。
（9）能可靠的支護綜采大斷麵的機、風巷和開切眼，為綜采工作麵設備快速安裝創造了條件。
（10）有利於節約資源，改善生態環境。
煤巷錨杆支護技術的理論與實踐都已比較成熟，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍岩的煤巷可大麵積的推廣。Ⅳ、Ⅴ類圍岩巷道的錨杆支護在許多礦都取得了成功，這一切都說明煤巷錨杆支護的可行性和安全可靠性。從而提高煤礦生產效率、降低成本、保證生產安全、獲得可觀的社會經濟效益。因此，在煤巷中推廣錨杆支護是勢在必行的。積極組織推廣煤巷錨杆支護技術，是煤礦巷道支護技術發展的必然。
（二）錨杆的作用原理
1、錨杆的作用
1）錨杆構件的作用
錨杆構件主要提供抗拉和抗剪作用，而抗彎和抗壓作用能力非常小，可以忽略不計。
2）錨固劑的作用
錨固劑的作用是將鑽孔孔壁岩石與杆體粘接在一起。對於端部錨固錨杆，錨固劑的作用在於提供粘結力，使錨杆能承受一定的拉力。錨杆拉力除錨固端外，延長度方向是均勻分布的。由於錨杆與鑽孔間有較大空隙，所以錨杆的抗剪能力隻有在岩層發生較大錯動後才能發揮出來。對於全長錨固錨杆，錨固劑的作用比較複雜，主要有兩方麵，一是將錨杆杆體與鑽孔孔壁粘結在一起，使錨杆隨著岩層移動承受拉力；二是當岩層發生錯動時，與杆體共同起抗剪作用，阻止岩層發生錯動。
3）金屬網的主要作用
金屬網可以用來維護錨杆間的圍岩，防止鬆動岩塊掉落。金屬網所能承受鬆散岩石的載荷與錨杆間距密切相關。
4）鋼帶的作用
鋼帶的作用除可以防止錨杆間的鬆動岩塊掉落外，還可均衡錨杆受力，改善頂板岩層應力狀態，與錨杆共同形成組合支護係統，增加圍岩的穩定性。
2、錨杆支護作用機理
錨杆支護的作用機理有懸吊作用、組合梁作用、加固拱作用和楔固作用等。
1）懸吊作用
懸吊作用是指錨杆把將要冒落的鬆軟弱岩層或危岩懸吊於上部堅固穩定的岩體上，由錨杆來承擔危岩或鬆軟弱岩層的重量，如圖1所示。
2）組合梁作用
在層狀岩層的巷道頂板中，通過錨入一係列的錨杆，將錨杆錨固長度以內的薄層岩石組成岩石組合梁，從而提高其承載能力。可以把平頂巷道的層狀岩石頂板看作是以巷道兩幫為支點的疊合梁。在載荷作用下，各層岩石（板）都有各自的單獨彎距，每層岩石（板）的上下緣分別處在受壓和受拉狀態。但用錨杆將各層岩石錨固在一起後，在載荷作用下，各層岩石之間基本上不會發生離層、錯動，就如同一塊板的彎曲一樣，大大提高了組合梁的抗彎強度和承載能力，如圖2所示。

（三）錨杆支護作用機理03manbetx
1）頂板錨杆的作用
（1）錨杆的早期作用
巷道開掘階段頂板破壞範圍較小，此時錨杆的作用主要是控製頂板下部岩層的滑動、離層、失穩。錨杆安裝越及時，預緊力越大，效果越好。
（2）錨杆的中期作用
掘進影響穩定後受到采動影響前，稱之為中期階段。此階段主要是由於岩石的流變效應，致使隨著時間推移，岩層強度不斷降低，頂板下沉及錨杆受力逐漸加大，最後形成一定範圍的破壞區，當巷道有煤柱時，殘餘支承壓力也影響巷道圍岩變形，巷道易破壞。
當錨杆能深入到上部穩定岩層時，錨杆的作用主要表現為：一是將破壞區內的岩層與穩定岩層相連，阻止破壞岩層垮落；二是錨杆提供徑向和切向約束，阻止破壞區岩層擴容、離層及滑動，提高岩層的水平承載能力，使穩定岩層內的應力分布均勻。錨杆的工作阻力越大，效果越明顯。
當錨杆不能深入穩定岩層時，錨杆的作用主要表現為：一是阻止錨固區內的岩層擴容、離層及滑動，從而提高岩層的水平承載能力，在破壞區範圍內形成次生承載層，它可以阻止上部岩層的進一步擴容和離層；二是次生承載層形成後，使上部岩層應力分布趨於均勻和下移，有利於巷道穩定。
（3）錨杆的後期作用
當巷道支護時間很長或受到回采影響後，巷道圍岩破壞區會進一步擴大，圍岩變形急劇增加，錨杆受力增大。
此時有可能出現二種情況：其一是次生承載層雖然發生了進一步的擴容和離層，但仍具有較大的承載能力，巷道頂板仍能保持穩定。其二是次生承載層的承載能力下降過大，造成失穩、垮落。
2）鋼帶的作用
（1）鋼帶的早期作用
由於鋼帶沒有預緊力，所以當鋼帶剛安裝以後，其受力很小。隻有當頂板產生一定變形之後，鋼帶承受的拉力才逐漸增大。即鋼帶的早期作用主要表現在防止頂板破碎的小岩塊掉落，與網的作用相差無幾。
（2）鋼帶的中期作用
一是阻止錨杆間的危岩垮落；二是阻止其產生較大的擴容和離層，提高岩層的承載能力，從而增加次生承載層厚度和承載能力，有利於巷道頂板的穩定；三是使錨杆受力趨於均勻，有利於發揮錨杆支護的整體作用。
（3）鋼帶的後期作用
巷道變形增加後，錨杆間圍岩擴容和離層逐漸增大，鋼帶受力增加。
對於錨杆錨固端仍處於穩定岩層範圍內時，隻要鋼帶承受的拉力小於其破斷載荷，頂板仍能保持穩定，下沉得到有效的控製。
對於錨杆全部處於破壞岩層範圍內時，可能出現兩種狀態，其一是次生承載層雖然產生較大的擴容和離層，但仍有足夠的承載能力，保持頂板穩定，不至於失穩垮落；其二是次生承載層承載能力喪失過大，出現失穩現象。如果僅采用錨杆群支護，則有可能頂板垮落。加鋼帶後，不僅增大了次生承載層的厚度，顯著增加了其承載能力，而且次生承載層的受力狀態也得到明顯改善。
3）幫錨杆的作用
巷道側幫變形與破壞規律很多方麵同頂板類似。但是，對於煤巷，由於煤幫的強度比頂板強度小，而且頂板與煤層交界麵的強度更小，因此，與岩石巷道相比，煤巷變形和破壞有其特點。
（1）幫錨杆的早期作用
巷道開掘初期，煤幫變形和破壞範圍都較小，錨杆的作用在於控製淺部煤層的擴容和鬆動。顯然，同頂板錨杆一樣，幫錨杆安裝越及時，預緊力越大，效果越好。
（2）幫錨杆的中期作用
在這個階段，由於煤層的流變效應，導致破壞範圍逐漸擴大，如果不采取支護，煤層導致片幫，巷道跨度增大。
采用錨杆支護後出現兩種情況。
當錨杆深入到煤層穩定深度後，錨杆的作用是：將煤層破壞區域與穩定煤層相連，阻止破壞區域向巷道移動；錨杆給破壞區煤層提高徑向和切向約束，從而減小煤層破壞區的擴容、鬆動和滑移，增大其承載能力；破壞區內煤層的切向承載能力增大後，會增加岩層與煤層交界麵的摩擦力，有利於阻止煤幫的整體移動。
當錨杆處於煤層破壞區時，錨杆作用是：在煤層破壞區內形成次生承載層，它具有較大的垂直承載能力，並能阻止內部煤層的進一步擴容、鬆動；次生承載層形成後，會使煤層深部的應力分布趨於均勻，有利於煤幫穩定；次生承載層的垂直承載能力大，從而作用在其上的垂直應力大，增大了岩層與煤層交界麵上的摩擦力，有利於減小錨固區煤層的整體移動。
（3）幫錨杆的後期作用
巷道支護時間加長或受到采動影響，煤幫破壞範圍及移動量都會明顯增加。
當錨杆錨固端處於煤層穩定範圍內，隻是錨杆受力增大。若錨杆參數設計合理，能夠保證煤幫的穩定性。
當錨杆已全部處於煤層破壞範圍中，若次生承載層具有較大的承載能力，仍可保持煤幫的穩定性，阻止煤幫整體移動。
若次生承載層能力喪失過大，則煤幫將失穩、片落，向巷道內移動。
3）頂板與兩幫支護的關係
以上03manbetx 了頂板及兩幫錨杆的受力特征。在實際巷道中，兩者相互影響，共同作為一個支護係統維護巷道。保持煤幫的穩定性，給頂板支護係統提供了強有力的支點，不會出現煤層片幫而引起巷道跨度增大，導致頂板下沉劇烈、失穩和垮落等現象。同樣，頂板保持穩定、完整也有利於煤幫的穩定性和減少變形，兩者是相輔相成的，任何一個環節出現問題，都會影響巷道圍岩的整體穩定性。在回采巷道中，由於煤層相對較軟，是易破壞的部位。因此，巷道的兩幫支護顯得尤為重要。
（四）錨索作用機理
錨索支護基於錨杆支護原理中的懸吊理論，再增加適當大小的預應力，支護後圍岩不至形成離層脫落，確保圍岩穩定，是一種傳遞主體結構的支護應力到深部穩定岩層的主動支護方式。
錨索的作用主要是將錨杆支護形成的次生承載層與圍岩的關鍵承載層相連，提高次生承載層的穩定性。即使次生承載層發生斷裂、轉動，也不致於失穩而引起頂板垮落。同時，由於錨索可施加較大的預緊力，可擠緊岩層中的層理、節理、裂隙等不連續麵，增加不連續麵之間的摩擦力，從而提高圍岩的整體強度。
預應力錨索支護是錨固技術發展中占有重要地位的一種支護形式，其與普通錨杆相比有突出的特點：一是長度大，能夠錨入到深部穩定岩石中，並可以施加預應力；二是能限製岩體的有害變形發展，從而保持岩體的穩定。錨索一般是錨杆長度的3~5倍，因此除了能夠起到普通錨杆的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用外，還能對巷道圍岩進行深部錨固，在實際應用中往往錨杆與錨索配合使用。
二、煤巷錨杆支護參數設計方法
煤巷的突出特點就是承受采動支承壓力，圍岩破碎，變形量大。巷道錨杆支護設計，首先要對巷道所經受采動影響過程及影響程度進行準確的評估，對巷道使用要求和設計目標要予以準確定位。比如，是按采動影響時的支護難度設計支護，還是按照采動影響前的使用要求設計，不同的設計思想，結果大不相同。
目前，我國煤巷支護設計方法大致分為三類，即工程類比法、理論計算法及實例法。
1）工程類比法
工程類比法是當前應用較廣的方法。它是根據已經支護的類似工程的經驗，通過工程類比，直接提出支護參數。它與設計者的實踐經驗有很大關係。然而，要求每一個設計人員都具有豐富的實踐經驗是不切實際的。為了將特定岩體條件下的設計與個別的工程相應條件下的實踐經驗聯係起來進行工程類比，做出比較合理的設計方案，正確的圍岩分類是非常必要的。進行圍岩分類後，就可根據不同類別的岩層，確定不同的支護形式和參數。
（1）巷道圍岩分類方法
圍岩分類方法的研究工作曆史悠久，早在18世紀，在采礦及各地下工程已開始用分類的方法研究圍岩的穩定性。隨著采礦和人們對岩石物理力學性質認識的不斷深入，國內外圍岩分類研究得到了迅速發展，據不完全統計，有影響的圍岩分類有五六十種之多。
a. 普氏岩石分級法
該法用岩石堅固性係數f（普氏係數）來對圍岩分類，f值等於岩石的單向抗壓強度除以10。堅固性係數是岩石間相對的堅固性在數量上的表現，它最重要的性質在於不論是何種抗力，以及這種抗力是如何引起的，而給予岩石相互之間進行比較的可能性。普氏岩石分級法來自實踐，並且有抽象概括的程序可取，所提出的岩石堅固性係數值簡單明確，到目前仍有一定的使用價值。
b. 煤礦錨噴支護圍岩分類
為了適應巷道錨杆支護的需要，原煤炭工業部頒布的《煤炭井巷工程錨噴支護設計試行規範》製定了煤礦錨杆支護圍岩分類，見表1。該分類綜合考慮了岩石的單向抗壓強度、岩體結構和結構麵發育狀況、岩體完整性係數、圍岩穩定時間等多種因素，是一種典型的多指標分類方法。
c. 圍岩鬆動圈分類
圍岩鬆動圈是一個定量的綜合指標，它是建立在對巷道圍岩實測的基礎上，幾乎不作任何假設，用現場實測和模擬試驗，研究圍岩狀態，找出圍岩鬆動圈這一綜合指標，用來作為圍岩分類的依據。這一分類方法簡單、直觀性強、易於掌握，受到眾多煤礦巷道設計與施工人員的歡迎。
經過大量的現場鬆動圈測試及其與巷道支護難易程度相關關係的調研之後，依據圍岩鬆動圈的大小將圍岩分成小鬆動圈，中鬆動圈、大鬆動圈三大類六小類，如表2所示。

2）理論計算法
在岩石力學支護理論的發展曆程中，人們試圖做像地麵結構那樣能夠較為準確地確定支護荷載，用理論計算方法設計支護結構，這是岩石力學工作者長期追求和奮鬥的目標。經過眾多學者和科技工作者的長期研究和實踐，理論設計支護日漸完善，成為很多國內外專家巷道支護設計的主要手段。
目前，常用的錨杆支護參數設計方法有以下幾種：
（1）懸吊作用理論設計錨杆支護參數；
（2）承壓拱理論設計錨杆支護參數；
（3）鬆動圈支護理論設計錨杆支護參數；
（4）擴容理論設計錨杆支護參數。
3）實測法
根據現場實際觀測資料，利用岩石力學原理與數理統計方法進行巷道支護的設計方法已被許多國家采用。
我國一些礦區，利用超聲儀實測巷道圍岩鬆動圈的方法，進行軟岩錨噴網支護參數的設計，取得了較好效果。澳大利亞、英國利用對圍岩特性的綜合測量結果，進行支護係統的設計。觀察內容有地應力、頂板岩層位移及錨杆承載特性等參數，根據實測資料、巷道的地質環境及岩石力學原理，確定支護的參數。
三、煤巷錨杆支護參數和設計方法的確定
錨杆支護參數確定方法取決於錨杆支護理論，錨杆支護理論不同，錨杆支護參數的確定方法也不同。
1 懸吊作用理論設計錨杆支護參數
1）錨杆長度的確定
L=L1+L2+L3
式中 L——錨杆長度，m；
L1——錨杆外露長度，m；
L2——錨杆有效長度，m；
L3——錨杆錨固長度，m。
（1）錨杆外露長度L1的確定
L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m
一般L1=0.15m。
（2）錨杆有效長度L2的確定
錨杆有效長度L2的確定方法有三種，一是采用聲波法測出巷道圍岩鬆動圈範圍；二是采用岩層探測03manbetx 儀進行測量；三是采用解釋法中普式自然平衡拱理論確定L2。
a. 岩層探測03manbetx 儀確定L2
b. 普式自然平衡拱理論確定L2
巷道頂錨杆有效長度L2的確定：

式中 f——普氏係數；
B——巷道跨度，m；
H——巷道掘進高度，m；
——內摩擦角，（º）。
（3）錨杆錨固長度L3的確定
L3 = 0.3~0.4m
2）錨杆間排距的確定
對錨杆支護巷道，考慮施工工藝通常取間排距相等，錨杆間排距D按下式計算：
D≤0.5L
3）錨杆直徑的確定
錨杆直徑d可按下式計算：

2 組合梁理論設計錨杆支護參數
用組合梁理論設計錨杆的支護參數適用於層狀岩體，裂隙發育的平頂巷道。計算公式如下：
a. 錨杆的長度

若錨杆的控製角按45°計，則b=L-a
錨杆長度按L=1.6~1.8m，錨杆間排距按a=0.6~0.8。取值時，則擠壓加固拱的厚度b=0.9~1.2m，且錨固體具有較好的可縮性。
存在缺陷：錨杆的錨固力是影響錨杆控製角的關鍵因素，而在理論推導中並未涉及錨杆的錨固力。錨杆的控製角度及加固體厚度的計算存在一些問題，因而其支護效果的可靠性受到質疑。此外當加固拱的厚度遠小於巷道跨度時，加固拱是否發生破壞不僅與其強度有關，更主要取決於加固拱的穩定性，而在該理論中沒有考慮。
4 鬆動圈支護理論設計錨杆支護參數
鬆動圈支護理論認為，鬆動圈的厚度包含了原岩應力的大小、岩體強度、節理性質及采動影響等影響圍岩穩定性的重要因素，用鬆動圈厚度指標LP綜合評價圍岩穩定性及支護難度，既包含了這些因素的影響，又繞開了測試原岩應力、岩體強度的難題，把它作為確定錨杆支護參數的重要依據，是一種比較實用的方法。
鬆動圈巷道支護理論，是根據圍岩鬆動圈狀態分析闡述錨杆支護機理和設計錨杆支護參數，其設計程序和原則為：
a. 測定或預測新開巷道將要穿過岩層的鬆動圈（在已揭露類似巷道中進行），包括靜態鬆動圈、采動影響期間的最大鬆動圈，從而準確把握巷道的支護難度。
b. 根據巷道用途和使用要求，決定是按靜態鬆動圈還是按動壓作用下的最大鬆動圈進行支護參數設計。根據靜態鬆動圈設計，有利於提高掘進施工速度和降低巷道成本，回采期間須超前工作麵20~50m增設加強支護；根據動壓鬆動圈設計，能改善工作麵端頭支護狀況和簡化順槽的超前支護，有利於回采工作的順利進行。
c. 當實測的圍岩鬆動圈LP＜1.5m時，懸吊理論是確定支護參數較好的方法，錨杆的懸吊點是鬆動圈外的未鬆動岩層或煤層。
d. 當圍岩裂隙發育或者實測的圍岩鬆動圈LP＞1.5m時，按組合拱理論設計錨杆支護參數。
e. 頂板“斜錨杆”非常重要，其錨固要可靠，長度要伸入到兩幫上方一定深度。
f. 一般條件下，金屬網或塑料網是必須的，當圍岩破碎或者鬆動圈大於1.5m，要敷設鋼帶，以提高錨杆的整體性和支護能力，兩幫壓力大時也需敷設鋼帶或鋼筋梯。
g. 圍岩破碎或變形壓力大的條件下，宜選用錨固可靠、承載能力較大（錨固力大於6t）的錨杆，沿空掘巷的沿空側，須采用全長錨固式錨杆。
綜上所述，鬆動圈理論確定錨杆支護參數如下：
a. 錨杆長度確定
當鬆動圈厚度L=0.4~1.5m時，稱為中鬆動圈，此時，圍岩的碎脹力比較明顯，L值一般小於常用錨杆長度，因此在設計上可采用懸吊理論。錨杆長度計算公式為：
L=kh+L1+L2
式中 L——錨杆長度，m；
H——不穩定地層厚度，m；
K——安全係數，一般根據巷道的重要程度及服務年限，取k=1~2.5；
h——不穩定地層厚度，m；
L1——錨杆外露長度，m，一般取值0.1m；
L2——錨杆錨入穩定地層的深度，m，一般取值0.3~0.4m。
傳統懸吊理論的最大困難在於如何準確判定不穩定地層的厚度h。鬆動圈的厚度係實測數值，準確性較高。因此，在確定錨杆長度時直接取鬆動圈值代表不穩定地層厚度h，取安全係數k=1~1.5。當圍岩裂隙發育或者圍岩鬆動圈靜態值Lp0、動態值Lpd均大於1.5m時，形成的“錨固層組合拱”是錨杆支護的主要作用機理。錨杆在錨固力的作用下，將破裂了的岩石組織起來，提高其殘餘強度，形成一定厚度的錨固層。隨著圍岩的變形，錨固層中將進一步形成次生的“壓力拱”承受地壓。在跨度和巷道高度一定的條件下，錨杆越長，“壓力拱”的厚度越大，承載力越高。理論和實踐證明，動態鬆動圈大於靜態鬆動圈。因此，在選擇鬆動圈值時要視巷道是否受動壓影響來確定，一般受動壓影響的巷道選用動態值Lpd否則選擇靜態值Lp0，兩者的成本是不一樣的。
b. 錨杆間排距的確定
按組合拱理論確定錨杆支護間排距，組合拱厚度：

X3——錨索錨固長度，取1.7m；
X2——潛在不穩定岩層高度，m；
X2 =B
B為巷道跨度，m。
（2）錨索排距
s=3σ/4B2γk。
式中 σ——每根錨索最低破斷載荷，260 kN；
γ——煤岩體積力，kN/m3；
B——巷道寬度m；
k——安全係數，取0.5；
（3）錨索間距
m=0.85B/n
式中 n——排數；
　B——巷道寬度，m。
錨固長度根據拉拔試驗數據，考慮到岩性和施工等影響因素及安全係數確定錨固長度。實踐表明：
水泥砂漿錨索錨固長度＞2.5m
樹脂藥包錨索錨固長度＞1.0m。
錨索的破壞形式一般是膠結體與鋼絞線的粘結被破壞，錨索從膠結體中被拔出。錨索支護設計中應保證鋼鉸線與膠結體有足夠的粘結強度，才能保證錨索的支護效果。
按GBJ86-85要求：錨索錨固長度La應符合下式：

四、巷道錨杆支護參數設計
蒙西煤礦目前開采煤層為12煤層和21+2煤層，采煤工作麵兩巷為矩形。
1 21+2煤層回風順槽錨杆支護參數設計
21+2煤層基本全區發育，煤層由南向北變薄，最大厚度14.24m，最小厚度4.54m，平均厚度10.80m，煤層結構簡單，夾石層數1~2層，夾石岩性為炭質泥岩、泥岩、粉砂岩，厚度一般為0.20~0.40m，煤層頂板岩性為砂礫岩、粉砂岩、細砂岩及泥岩；煤層底板岩性有炭質泥岩、粉砂岩、砂礫岩。埋深在53.40~106.25m，平均90.86m，與12煤層間距平均為29.61m。
回風順槽設計巷道斷麵為矩形，巷道寬度為3.6m，高度3m。
1）支護方式選擇
錨杆支護的作用主要有懸吊作用、組合梁作用、加固拱作用和楔固作用等。
錨索的作用主要是將錨杆支護形成的次生承載層與圍岩的關鍵承載層相連，提高次生承載層的穩定性。即使次生承載層發生斷裂、轉動，也不致於失穩而引起頂板垮落。同時，由於錨索可施加較大的預緊力，可擠緊岩層中的層理、節理、裂隙等不連續麵，增加不連續麵之間的摩擦力，從而提高圍岩的整體強度。
由地質資料分析可知，煤層平均厚度為10.80m，煤層的直接頂板為鬆散的砂礫岩，膠結性非常差。采用綜采放頂煤開采，巷道基本沿煤層底板布置，由於煤層底板為炭質泥岩，遇水底鼓，因此，留0.5m厚的底煤。
如果隻采用錨杆支護，由於巷道的跨度較大，在采動影響下，勢必會發生錨杆錨固範圍內的煤體離層、甚至塌落，導致冒頂02manbetx.com 的發生。因此，為保證生產安全，應使錨杆錨固範圍內的煤層不塌落，保持巷道的相對完整，就必須打錨索才能達到目的。
雖然錨索打在煤層中，但煤層較鬆散的砂礫岩頂板要好得多，能起到錨索應起的作用。
由於綜放巷道沿煤層底板布置，巷道上方有7m左右的煤層，因此，巷道支護應采用錨杆+金屬網+錨索+鋼帶的支護方式。
2）錨杆支護參數確定
錨杆支護參數確定采用懸吊作用理論進行。
（1）錨杆長度的確定
L=L1+L2+L3
式中 L——錨杆長度，m；
L1——錨杆外露長度，m；
L2——錨杆有效長度，m；
L3——錨杆錨固長度，m。
① 錨杆外露長度L1的確定
L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02~0.03）m
一般L1=0.15m。
② 錨杆有效長度L2的確定
錨杆有效長度L2的確定方法有三種，一是采用聲波法測出巷道圍岩鬆動圈範圍；二是采用岩層探測分析儀進行測量；三是采用解釋法中普式自然平衡拱理論確定L2。
由於沒有測定巷道圍岩鬆動圈，也沒有采用岩層探測儀進行測量，因此，本項目采用解釋法中普式自然平衡拱理論確定L2。
巷道頂錨杆有效長度L2的確定：
由於實測煤的堅固性係數為1.9，小於2，因此，采用下式確定L2：

（2）錨杆間排距的確定
對錨杆支護巷道，考慮施工工藝通常取間排距相等，錨杆間排距D按下式計算：
D≤0.5L=0.5×2.5=1.25m
考慮巷道在煤層中布置，為安全起見，錨杆間排距確定為0.8m。
（3）錨杆直徑的確定
頂錨杆：d=L/110=2/110=19mm
取20mm。
幫錨杆：d=L/110=18/110=16mm
取20mm。
④ 錨杆錨固力計算
錨杆錨固力可按下式計算：
t
式中 Q——錨杆錨固力，t；
K——錨杆安全係數，取2~3；
L2——錨杆有效長度，m；
r——視密度，t/m3。
⑤ 錨杆角度
靠近巷幫的頂板錨杆安設角度與垂線成15°。
2）錨杆的選擇
（1）常用錨杆杆體的材料性能
常用鋼材及其性能見表5；錨杆適宜選用45Mn羅紋鋼，其承載能力見表6。
（2）錨杆的選擇
巷道錨杆選擇φ=20mm、45Mn螺紋鋼錨杆。
Q=10.7 t＜12.4 t
3）錨固劑的確定
錨杆支護巷道采用樹脂錨固劑。樹脂錨固劑應具備的主要特性見表7，樹脂錨固劑產品型號見表8，樹脂錨固劑的規格見表9，樹脂錨固劑的主要技術指標見表10。

錨杆錨固采用樹脂藥卷。當頂部煤體較好時，錨杆錨固方式可端部錨固；當頂板煤體鬆軟破碎時，采用全長錨固。
回風順槽錨杆支護布置見圖1所示。
4）錨索支護參數的確定
錨索由索體、錨具和托板等組成，索體一般用具有可彎曲、柔性的鋼絞線製成。錨索的特點是錨固深度大、承載能力高、可施加較大的預緊力，因而可獲得比較理想的支護效果。其加固範圍、支護強度、可靠性是普通錨杆支護所無法比擬的。
煤礦應用錨索技術，特別是在應用小孔徑樹脂錨固預應力錨索後，錨索在煤巷中得到大麵積推廣應用，顯著擴大了錨杆的應用範圍，提高了巷道的安全可靠性，成為支護困難巷道補強加固的主要手段。
按錨索材料分，有精軋螺紋鋼筋、高強度鋼絲和鋼絞線錨索；按錨固材料分，有水泥漿錨固、樹脂錨固及水泥漿樹脂聯合錨固；按錨固長度分，有端錨和全長錨固；按錨索索體的數量分，有單體錨索和錨索束；按預緊力分，有預應力錨索和非預應力錨索。
根據蒙西煤礦的特點，本項目采用7股5mm的鋼絞線錨索，其力學性能見表11所示。

（1）錨索長度的確定
X= X1 + X 2 + X 3
=0.3+3.6+1.7=5.6m
取6m。
式中 X 1——錨索外露長度，取0.3m；
X3——錨索錨固長度，取1.7m；
X2——潛在不穩定岩層高度,取3.6m。
X2 =B=3.6m。B為巷道跨度，m。
（2）錨索排距
s=3σ/4B2γk
=3×260/（4×3.6²×12.0×0.5）=2.5m
式中 σ——每根錨索最低破斷載荷，260 kN；
γ——煤岩體積力，12.0kN/m3；
B——巷道寬度，3.6m；
k——安全係數，取0.5；
由於巷道寬度為3.6m，因此，布置2排錨索，即錨索排數為2排，排距2m，布置在靠巷道中間位置，如圖5所示。
（3）錨索間距
m=0.85B/n=（0.85×3.6）/2=1.53m
取1.5m。
式中 n——排數；
　B——巷道寬度，3.6m 。
錨索支護參數見圖5所示。

2 21+2煤層運輸順槽錨杆支護參數設計
運輸順槽設計巷道斷麵為矩形，巷道寬度為4.5m，高度3m。
支護方式選擇：采用錨杆+金屬網+錨索+鋼帶的支護方式。
1）錨杆支護參數確定
錨杆支護參數確定采用懸吊作用理論進行。
（1）錨杆長度的確定
L=L1+L2+L3
式中 L——錨杆長度，m；
L1——錨杆外露長度，m；
L2——錨杆有效長度，m；
L3——錨杆錨固長度，m。
① 錨杆外露長度L1的確定
L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）
一般L1=0.15m。
② 錨杆有效長度L2的確定
巷道頂錨杆有效長度L2的確定：
由於實測煤的堅固性係數為1.9，小於2，因此，采用下式確定L2：

幫錨杆長度：L=L1+L2+L3=0.15+1.2+0.3=1.65m
取1.8m。
（2）錨杆間排距的確定
對錨杆支護巷道，考慮施工工藝通常取間排距相等，錨杆間排距D按下式計算：
D≤0.5L=0.5×2.4=1.2m
考慮巷道在煤層中布置，為安全起見，錨杆間排距確定為0.8m。
（3）錨杆直徑的確定
頂錨杆：d=L/110=2.4/110=21mm
取22mm。
幫錨杆：d=L/110=1.8/110=16mm
取18mm。
④ 錨杆錨固力計算
錨杆錨固力可按下式計算：
t
式中 Q——錨杆錨固力，t；
K——錨杆安全係數，取2~3；
L2——錨杆有效長度，m；
r——視密度，t/m3。
⑤ 錨杆角度
靠近巷幫的頂板錨杆安設角度與垂線成15°，其它錨杆垂直於巷道頂部安設。
2）錨杆的選擇
同回風順槽。
3）錨固劑的確定
同回風順槽。
運輸順槽錨杆支護布置見圖6所示。
4）錨索支護參數的確定
（1）錨索長度的確定
X= X1 + X 2 + X 3
=0.3+3.6+1.7=5.6m
式中 X 1——錨索外露長度，取0.3m；
X3——錨索錨固長度，取1.7m；
X2——潛在不穩定岩層高度，取4.5m。
X2 =B=4.5m
式中B為巷道跨度，m。
錨索長度取6m。
（2）錨索排距
s=3σ/4B2γk。
=3×260/(4×4.5²×12.0×0.5)=1.6m
由於巷道寬度為4.5m，因此，布置3排錨索，即錨索排數為3排，排距1.5m。
式中 σ——每根錨索最低破斷載荷，260 kN；
γ——煤岩體積力，12.0kN/m3；
B——巷道寬度，3.6m；
k——安全係數，取0.5；
（3）錨索間距
m=0.85B/n=（0.85×4.5）/3=1.28m
取1.2m。
式中 n——排數；
　 B——巷道寬度，4.5m 。
錨索支護參數見圖6所示。