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跃进矿1.8Mta新井设计【含CAD图纸+文档】,含CAD图纸+文档,跃进,1.8,Mta,设计,CAD,图纸,文档

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专题部分第120页浅析有冲击矿压危险性巷道支护苏振国中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116摘要：冲击矿压灾害大部分发生在巷道中。本文锚杆支护作为一种内在的支护形式, 有非常好的自身稳定性和柔性特征, 可以实现主动支护、早期承载, 可以达到很高的支护强度, 对冲击矿压巷道具有良好的适应性。本文就是通过研究冲击矿压发生的机理、特性及其对支护的要求来研究锚杆支护的作用机理。关键词：冲击矿压；锚杆支护；机理；吸能作用Abstract: Most of the rockburst disasters occurred in the roadway. This article bolt support as a built-in support in the form having very good stability and flexible features, and can achieve active suppor, early bearing, and can achieve very high supporting strength, with good rockburst tunnel adaptability. This article is by studying rock pressure in the mechanism, characteristics and support requirements to study the mechanism of action of the bolt support.Keywords: rockburst; bolt support; mechanism; energy absorption effect1巷道（锚杆）支护技术现状及展望1.1巷道（锚杆）支护技术现状我国煤矿巷道支护经历了木支护、砌暄支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程，锚杆支护技术经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。20 世纪90年代初期, 我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅占3% 5% , 煤巷支护主要以棚式支护为主。目前, 有些矿区锚杆支护率已超过90%, 甚至达到100%，很多矿区锚杆支护率达到80%。我国煤矿已经形成了有中国特色的煤巷锚杆支护成套技术体系, 锚杆支护已经成为煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式。它是我国继推行综合机械化采煤技术以来, 采掘技术的又一次革命。它深刻地改变了矿井的开拓部署与巷道布置方式, 对我国高产高效矿井建设、煤炭产量与效益的大幅度提高及安全状况的改善起到不可替代的重要作用。目前, 锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用, 是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。多年来国内外的实践经验表明, 锚杆支护是煤巷经济、有效的支护技术。与棚式支架支护相比, 锚杆支护显著提高了巷道支护效果, 降低了巷道支护成本, 减轻了工人劳动强度， 改善了作业环境, 保证了安全生产, 为巷道快速掘进、采煤工作面的快速推进创造了良好条件。进入21 世纪以来, 随着综采放顶煤、厚煤层一次采全高开采技术的快速发展和大面积应用, 对煤巷锚杆支护技术提出更高的要求。综采放顶煤和一次采全高工作面一般要求回采巷道沿煤层底板布置, 巷道顶板为比较破碎的煤层, 有时甚至是全煤巷道。此外, 随着煤矿开采强度与产量的大幅度提高, 要求的巷道断面越来越大。为了减少煤炭损失, 沿空掘巷应用得越来越广。所有这些都使巷道支护难度支护的费用显著增加。近年来, 为了解决深部高地应力巷道、特大断面巷道、受强烈采动影响巷道、沿空留巷等复杂困难条件支护难题, 我国又开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术, 真正实现了锚杆的主动、及时支护, 充分发挥了锚杆的支护作用。井下应用大幅度减少了巷道围岩变形与破坏, 巷道支护与安全状况发生了本质改变。同时, 实现了高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度的“ 三高一低” 的现代锚杆支护设计理念, 在保证支护效果的前提下, 显著提高了巷道掘进速度与工效。随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。随着开采深度的不断增加，工程灾害日趋增多，如矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。因此，深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为国内外研究的焦点1根据目前资源开采状况，我国煤矿开采深度以每年8m12m 的速度增加，东部矿井正以每10 年100m250m 的速度发展11,17。近年己有一批矿山进入深部开采。随着煤矿巷道锚杆支护技术的快速发展, 其使用量越来越大, 应用范围也越来越广。1.2锚杆支护的展望煤矿锚杆支护机具行业随着煤炭需求量的增长、锚杆支护普及率的提升、煤炭开采难度的增加、煤矿安全成本投入增加，煤矿锚杆支护机具需求保守估计将保持年均20%以上的增长。根据行业统计2010年锚杆支护机具市场销量5亿元，预计2012年将达到7.2亿元，2015年将达到12亿元以上规模。锚杆支护行业正处于快速发展的成长期，我国煤矿锚杆支护机具的种类更加多样化, 单体锚杆机将向着节约能源、减轻重量、进一步提高可靠性方向发展；锚杆钻车将迎来它的黄金发展期，一批机械化、自动化及智能化程度更高锚杆支护机具将会面世。2锚杆支护理论及常用锚杆形式2.1锚杆支护理论2.1.1悬吊理论悬吊理论存在明显的缺陷(1)锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下才等于破碎岩层的重量，而这种条件在井下巷道中并不多见。(2)锚杆安设后，由于岩层变形和离层，会使锚杆受力很大，而远非破碎岩层重量。(3)当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度地改善破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力。而悬吊理论没有考虑围岩的自承能力。(4)当围岩松软，巷道宽度较大时，锚杆很难锚固到上部稳定的岩层或自然平衡拱上。悬吊理论无法解释在这种条件下锚杆支护仍然有效的原因。总之，悬吊理论仅考虑了锚杆的被动抗拉作用，没有涉及对岩体抗剪能力及对破碎岩层整体强度的改变。因此，理论计算的锚杆载荷与实际出入比较大。2.1.2组合梁理论组合梁理论适用于层状岩层。对于端部锚固锚杆，其提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。对于全长锚固锚杆，锚杆和锚固剂共同作用，明显改善了锚杆受力状况，增加了控制顶板离层和水平错动的能力，支护效果优于端部锚固锚杆。从岩层受力考虑，锚杆将各个岩层夹紧形成组合梁，如图所示。组合梁所受的最大拉应力与叠合梁所受的最大拉应力的比值为：组合梁的最大弯曲应变为组合梁厚度越大，梁的最大应变值越小。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用。 组合梁理论存在的明显缺陷：(1)组合梁有效组合厚度很难确定。它涉及影响锚杆支护的众多因素，目前还没有一种方法比较可靠地估计有效组合厚度。(2)没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用。其实，在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶底板破坏、失稳的主要原因。(3)只适用于层状顶板，而且仅考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，没有涉及锚杆对岩体强度、变形模量及应力分布的影响。2.1.3加固拱（岩梁）理论试验表明，在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，各根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠，就能在岩体中产生一个均匀压缩带（岩梁），它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱（岩梁）内的岩体受径向和切向约束，处于三向应力状态，岩体承载能力得到提高。锚杆支护的作用是形成较大厚度和较大强度的加固拱（岩梁），拱（岩梁）的厚度越大，越有利于围岩的稳定。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。但是这种理论同样存在一些明显的缺陷：(1)只是将各锚杆的支护作用简单相加，得出支护系统的整体承载结构，缺乏对锚固岩体力学特性及影响因素的深入研究。(2)加固拱厚度涉及很多因素，很难较准确的估计。2.1.4最大水平应力理论地应力测量结果表明，在很多情况下岩层中的水平应力大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性（构造应力）；最大水平主应力明显高于最小水平主应力，这种趋势在浅部矿井尤为明显。水平应力对巷道围岩的稳定性有较大的影响，因此，水平应力的作用逐步得到人们的认识和重视。在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形。锚杆的作用是抑制岩层沿锚杆轴向的膨胀和垂直于轴向的剪切错动，因此，要求锚杆强度大、刚度大、抗剪能力强，才能起到上述两方面的约束作用。这也正是澳大利亚锚杆支护技术特别强调高强度、全长锚固的原因。2.1.5围岩松动圈支护理论巷道开挖后，当围岩应力超过围岩强度时将在围岩中产生新的裂纹，其分布区域类似圆形或椭圆形，称之为围岩松动圈。围岩一旦产生松动圈，围岩的最大变形载荷是松动圈产生过程中的碎胀变形，围岩破裂过程中的岩石碎胀变形是支护的对象。现有支护无法有效阻止围岩松动圈的产生与发展。围岩松动圈的厚度是围岩强度与围岩应力的函数，它是一个综合指标。围岩松动圈越大，碎胀变形越大，围岩变形量越大，巷道支护也越困难。 根据松动圈的大小，将围岩分为3种类型，并给出了相应的支护方式：小松动圈(厚度小于400mm)，锚杆支护作用不明显，只需进行喷射混凝土支护。中松动圈(厚度在4001 500mm之间)，支护比较容易，采用悬吊理论设计锚杆参数，悬吊点在松动圈之外。大松动圈(厚度大于1 500mm)，锚杆的作用是给松动圈内破裂围岩提供约束力，使其恢复到接近原岩的强度并具有可缩性，采用加固拱理论设计锚杆支护参数。可见，松动圈支护理论确定了使用各种经典锚杆支护理论的适用条件和范围。2.1.6围岩强度强化理论侯朝炯等在已有研究成果的基础上，提出巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论的要点为：锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构；锚杆支护可提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数(弹性模量、黏聚力、内摩擦角等)，改善被锚岩体的力学性能；巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化；锚杆支护可改变围岩的应力状态，增加围压，提高围岩的承载能力，改善巷道支护状况；围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于巷道围岩的稳定。2.2常用锚杆形式锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆由锚头、杆体及托板组成。例如，对于以机械或化学方式锚固的端头锚固式锚杆，位于锚孔内部用于在锚杆和岩体之间传递力的部分是内锚头，位于锚杆孔外部用于支承托板并产生锚杆预应力的部分是外锚头。托板的作用是将围岩压力转化为对锚杆的拉力。锚杆的杆体可用不同材料制造，用于承受张拉作用。按照锚杆与被支护岩体锚固方式可将其分为机械式、粘结式和摩擦式三类。根据锚固段位置与长度又可分为端头锚固与全长锚固两类。按照锚杆作用特点可将其分为主动式与被动式。主动式锚杆安装后施以预应力，使不同岩层间摩擦作用增大，同时将锚固范围内岩层夹紧，形成梁或拱形式的承载结构，可以提高巷道稳定性。被动式锚杆不对杆体施加预应力，只有在围岩开始变形后才开始起加固作用，按照锚杆工作特性可将其划分为刚性及可伸缩性锚杆。可伸缩性锚杆又可分为增阻性和恒阻性锚杆，其典型锚杆支护特性曲线，见图。按照杆体材料的不同可分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、(钢筋)混凝土锚杆以及聚酯锚杆等。根据锚杆的组合方式又可区分出单体锚杆与组合锚杆支护。典型锚杆支护特性曲线1刚性锚杆；2增阻式；3恒阻式2.2.1机械式锚杆机械锚固锚杆一般属于端头锚固式，并且锚杆的安装需要施加预应力，属于主动式锚杆。常见的锚头类型包括胀壳式、倒楔式和楔缝式等，常用金属杆体直径1422mm，也有3032mm的，杆体长度0.655.25m。在机械锚固锚杆中，木锚杆、竹锚杆及其它人工合成材料锚杆在煤矿中得到一定应用。这些锚杆具有结构简单、成本低、制造容易等优点，一般用在服务年限短的回采巷道两帮支护中。1)胀壳式锚杆样 常见的胀壳式锚杆由胀壳、锥形螺母、杆体、托板及螺帽等组成。标准的胀壳式锚头为沿纵向分割为两瓣或四瓣的一段短管，另一端为未分割的刚性部分。胀壳外表面加工成锯齿状，胀壳内插入一个有内丝扣的锥形空心螺母。组装好的锚杆送入孔底后，旋转杆体，使锥形螺母向下滑动，迫使胀壳张开，嵌入孔壁，使锚杆锚固在岩体中。2)金属倒楔式锚杆 金属倒楔式锚杆由固定楔、活动楔、杆体、托板和螺帽等组成。倒楔式锚杆的锚头由固定楔和活动楔组成。如果固定楔为铸铁的，则与杆体浇铸为一体，相应的活动楔也是铸铁的。如果固定楔是钢制的，则与杆体螺丝连接，相应的活动楔也是钢制的。楔子的尺寸和锥度对于锚固力大小影响甚大。安装时先将由橡皮筋固定的活动楔与带固定楔的杆体同时送入孔内，视杆体外端露出孔口长度适宜为止，采用扁形长冲头沿杆体一侧送入孔内顶住活动楔，并用锤撞击使活动楔沿固定楔斜面滑动，造成楔体横截面增大，并嵌入孔壁，然后装上托板和螺母，使锚杆锚固在岩体中。倒楔式锚杆构造简单，安装方便，易于回收，安装后可立即发挥支护作用。金属倒楔式锚杆的锚固力一般可达3050kN。在围岩松软、破碎时，锚固效果差，不宜采用。3)楔缝式锚杆 (a)金属楔缝式锚杆。金属楔缝式锚杆由杆体、楔块、托板和螺母等组成，其杆体用A3或A5钢制成，直径1625mm，长度1.52.0m，杆体内锚头上有25mm宽、150200mm长的纵向楔缝，外锚头带有100150mm的标准螺纹。楔子一般用铸铁制成，较楔缝短1020mm，楔头厚1.52mm，楔尾厚2025mm，楔宽与杆体直径相同。安装时将楔子装入楔缝并送入孔底，冲击锚杆外锚头使楔子撑开楔缝，造成内锚头紧压孔壁，产生所需锚固力。然后安装托板使锚杆进入工作状态。楔缝式锚杆的优点是结构简单，制造容易，成本低，易于安装等。但对眼深及孔径要求严格，对软弱破碎岩体锚固力差，故不宜在软岩中使用。此外，未灌浆的锚杆抗震能力差，且回收复用困难。 (b)木、竹楔缝式锚杆。木、竹锚杆是矿山巷道最经济的支护型式，它既可机械锚固也可粘结锚固。木楔缝式锚杆由硬杂木制作，直径一般为28mm，长度1.21.8m，杆体上、下端均加工出长度250mm左右的纵向缝。楔子长150200mm，厚2025mm。竹楔缝式锚杆一般由两片竹片制成30 mm20mm的矩形截面杆体，长度1.21.6 m。内外锚头均采用与木锚杆类似的楔缝和硬杂木楔子。竹倒楔式锚杆的固定楔和活动楔均由硬木或竹子做成，杆体由两竹片制成，用铁销钉或铁丝连成一体。杆体外锚头为楔缝式楔子锁口，通过打紧楔子获得锚固力。木、竹锚杆的托板可采用硬木板、塑化竹板、钢筋混凝土或菱苦土板以及钢板等。木锚杆的设计锚固力1020kN，不防腐可使用一年左右。防腐处理后配合喷浆可使用510a，竹锚固力一般1020kN，经过改制后的竹钢组合锚杆的锚固力可达30kN左右。用于一年以上采区巷道时一般要作防腐处理或配合喷浆。2.2.2粘结式锚杆粘结式锚杆主要为分为水泥砂浆钢筋锚杆和水泥或树脂锚固钢筋锚杆两大类。前者属于被动式锚杆，这类锚杆只有当围岩产生变形时，锚杆才能受载。显然，它们必须紧跟掘进工作面安装，因为当锚杆的安装进度远远落后于开挖工作时，围岩会在短时间内出现较大变形，这时再安设锚杆，已很难充分发挥锚固作用。另一类粘结式锚杆是安设后短期内即可迅速固化并拉紧的。例如树脂锚杆和水泥锚固锚杆，安装迅速方便，锚固力大，并能防腐防锈，在软弱破碎岩石中也能可靠工作。它们属于主动式支护。按照粘结剂锚固长度，也可将粘结式锚杆分成全长粘结式或端头粘结式，通常前者的锚固力为后者的数倍。1)树脂锚固钢筋锚杆 树脂锚固钢筋锚杆由树脂胶囊、杆体、托板和螺母等组成。杆体内锚头压扁拧成反麻花状，杆体由圆断面到压扁处形状应渐渐改变。内锚头应设置挡圈，防止树脂由孔内外流。杆体外锚头的螺纹应由滚丝机滚制而成，以便提高螺纹段强度。目前，国内已轧制出无纵筋螺纹钢筋(又称螺旋钢筋)，有这种钢筋做杆体可以不需加工，直接安装螺帽，可以做为端头锚固锚杆，也可做为全长锚固式锚杆。这种杆体不但可以提高锚杆粘结强度，而且便于安装和进行长度调节。这种锚杆具有使用方便、节省工时、锚固力大、安全可靠、防震性能好、适用范围广等优点。可以预先拉紧也可以不预先拉紧。特别是全长粘结式锚杆可以在质量很差的岩体中形成高强度粘固，选定合适的凝固时间，可以一次完成全长粘固和拉紧。这种锚杆的缺点是锚固剂成本高，贮存期短(6个月)。 2)水泥锚固锚杆 水泥锚固锚杆是以快硬水泥卷代替树脂胶囊，其粘结方式也有端头粘固和全长粘固两种。水泥卷内包装的胶结材料由国产早强水泥和双快水泥按一定比例混合而成。如果在水泥中添加外加剂，还可制成快硬膨胀水泥卷，它具有速凝、早强、减水、膨胀等作用，特点是膨胀水泥的膨胀率1h可达0.4%0.6%，8h可达到0.7%0.8%，1d可达到1.1%1.3%，从而有助于杆体与孔壁的粘结，提高锚固力。 各种类型的水泥锚固锚杆都是通过锚杆锚头将水泥挤入钻孔裂隙，并快速粘结杆体与岩壁，由于体积膨胀达到产生较大锚固力的目的。直径16mm的杆体采用快硬水泥卷作端头锚固，半小时后锚固力可达到50kN以上，具有较好的锚固性能。水泥锚固锚杆具有适应性较好、锚固迅速可靠、可以施加预应力、抗震动冲击等特点，并且，价格低廉、施工简便，是一种较适合我国矿山应用的锚杆类型，但是，它的锚固直径及其它技术指标一般不如树脂锚杆，因此，在永久性重要地下工程中，特别在淋水或渗水严重的巷道中应用受到限制。我国还普遍使用水泥锚固的竹锚杆，为了使外锚头强度与水泥锚固的内锚头粘结力相适应，近年来研制了钢竹组合锚杆。3)水泥砂浆锚杆 水泥砂浆锚杆由水泥砂浆、杆体、托板和螺母组成，这是一种全长粘固式锚杆。水泥砂浆锚杆杆体一般采用A3钢，直径1625mm，为增加锚固力，也可与机械式锚头配合使用。水泥砂浆一般用425#以上硅酸盐水泥，砂子粒径不大于2.5mm。砂浆配合比(重量比)一般为：水泥：砂=1：1；水灰比=0.380.45。这种锚杆的水泥砂浆依靠压气注眼器注入钻孔内，水泥砂浆凝固后，将锚杆与钻孔壁粘结在一起。当岩体发生变形时开始起作用。因此，必须在岩体发生明显变形之前安装。其优点是结构简单、价格低廉、锚固力较高、抗冲击和震动性能好。砂浆钢筋锚杆用于井下永久性工程或采区主要硐室。砂浆竹锚杆配合喷浆可用于服务期限510a的巷道。2.2.3摩擦式锚杆摩擦式锚杆是近年来发展起来的新型锚杆。按锚固原理它也是一种机械式锚杆。由于通过钢管与孔壁之间的摩擦作用达到锚固目的，故多为全长锚固式。主要包括缝管锚杆、水胀管锚杆、爆固管锚杆和液力顶板销钉等，而缝管式锚杆是我国独创的。1)缝管锚杆 缝管锚杆杆体是一根全长纵向开缝的长钢管，外锚头焊有一个直径6mm8mm的圆钢弯成的圆钢弯成的挡环，杆体直径3045mm，开缝宽度1015mm，壁厚2.23m。当开缝管打入比管径小13mm的钻孔后，钢管的弹性使其外壁与钻孔岩壁挤紧并产生沿管全长的径向应力和轴向摩擦力，阻止围岩变形，并在围岩中产生一个压应力场，使围岩加固。开缝管一般用冲击法装入钻孔，为了便于安装，锚头部分制成圆锥形。在开缝管外锚头处安装托板。缝管锚杆具有全长锚固的特点，安装后立即提供预应力，锚固力随围岩变形而增大，随时间推移而增长，适应性好，在软弱破碎岩体及含水岩层中均能使用，锚固可靠。这种锚杆构造简单，安装方便、快速、易于实现机械化。2)水胀管锚杆 水胀管锚杆(Swellex dowel)是一种2mm厚、直径41mm钢管被褶叠成直径2528mm的异形钢管，装入直径3339mm的钻孔中，通过高压水泵将高压水泵将高压水注入管内，使钢管沿锚杆全长膨胀并压紧孔壁，依靠管壁与孔壁之间的摩擦力和挤压力实现支护目的。同时，管体的膨胀伴随着纵向收缩，使托板紧贴岩面产生预紧力。水胀管锚杆结构简单，安装迅速，作业安全，抗震动性能好，锚固力大，锚固可靠。2.2.4伸缩锚杆理论分析与实践经验均表明，在锚杆支护系统的设计中，应满足锚杆变形(刚度)与围岩变形相协调。因此，在松软、破碎、膨胀性围岩和动压影响条件下，应寻求具有与围岩变形量相适应的锚杆型式，以便允许围岩有一个卸压过程，这就是各种可伸缩式锚杆产生的背景。目前，可伸缩式锚杆已有多种型式。概括起来，可以分为结构可伸缩式与杆体可伸缩式两种。1)结构可伸缩杆 这种锚杆是对杆体、内锚头、外锚头及托板等构件采用特殊结构实现可伸缩目的的。结构可伸缩杆一般都具有恒阻可缩性、伸缩量可调、动作比较可靠、伸长量较大等优点，但这种锚杆的构造通常较复杂，成本较高。2)杆体可伸缩锚杆 普通锚杆杆体在拉力作用下的伸长量占总长度0.2%左右，如果采用优质钢材，并对材料进行专门加工处理，则可制成有较大延伸率的锚杆杆体。国内采用对锚杆杆体进行特殊热处理方法，也达到了增大杆体延伸率的目的。杆体可伸缩式锚杆构造最简单，具有微增阻性。为了保证安全，在使用中往往只能利用杆体极限伸长量的一半，所以，伸长量是有限的。初锚力也较小。为了适应复杂岩体条件下围岩的变形特性，可伸缩锚杆应满足下述要求：(a)及时提供一定初锚力：锚杆安装后，应具有3050kN的初锚力；(b)有较大的极限伸缩量：锚杆极限伸缩量一般取为50100mm，达锚杆全长的10%以上；(c)具有恒阻式特征；(d)较高的长期稳定锚固力；(e)能抵抗一定的横向剪切作用。2.3组合锚杆支护2.3.1锚网与锚网梁支护将锚杆与掩护网、托梁(钢带)联合使用，组成一个以锚杆为主的整体承载结构，可增大锚杆的承载面积，防止锚杆间小块松石的冒落，大大改善锚杆系统的整体支护性能，使锚杆支护有可能应用在顶板较破碎或节理裂隙发育的条件下和受采动影响的巷道中。而且，还可用于巷道宽度较大的情况，从而明显地改善了锚杆的支护效果，进一步扩大了锚杆支护的应用范围。作为联系各个锚杆的托梁主要采用钢梁。钢梁的选材范围较宽，可以采用槽钢、角钢和U型钢。近年来，国内、外也广泛采用钢带作为锚杆的联系构件。钢带由扁钢或薄钢板制成，为了便于锚杆安装，在钢带上预先钻好孔，钻孔形状为椭圆形，钻孔直径由相应锚杆直径确定。我国生产的钢带，共有12种规格，其长度1.64.0m，宽180280mm，每条重量在529kg之间，可根据不同需要选用。煤矿常用的钢带型式有：W型钢带、M型钢带、梯形钢带等。W型钢带采用抗拉强度375500MPa的普通热轧或冷轧钢带制作，其机械性能及技术要求应符合GB/T 700的规定。W型钢带的破断力应不小于183kN。梯形钢带采用抗拉强度490 MPa以上钢坯轧制，力学性能：高强度钢带的钢带空撕裂力不小于220kN；普通钢带的钢带空撕裂力不小于180kN；高强度钢带承载力不小于220kN；普通钢带承载力不小于180kN，其他机械性能及技术要求应符合GB/T 700的规定。M型钢带采用Q235A材质，抗拉强度在375MPa以上的普通热轧或冷轧钢带制作，其机械性能及技术要求应符合GB/T 700的规定。M型钢带的破断力应不小于190kN。也可采用钢筋梯代替钢带，钢筋梯的钢筋直径一般为10mm，钢筋间距约80100mm。它们的主要优点是省钢材，且有较大刚度。但是，必须保证钢筋梯整体焊接质量，并在使用中确保锚杆托板能切实托住钢筋梯。金属网是组合锚杆支护中常用的构件，它用来维护锚杆间围岩，防止小块松石掉落，也可用作喷射混凝土的配筋。被锚杆拉紧的金属网还能起到联系各锚杆组成支护整体的作用。金属网可负担的松石取载荷决于锚杆间距大小。常见的金属网采用直径34mm的铁丝编织而成，一般采用镀锌铁丝。以往采用60mm60mm的矩形孔网，即经纬网。目前，经纬网已被丝距40100mm的铰接菱形孔金属网取代。这种菱形网具有柔性好、强度高、连接方便等优点，近年来已在我国煤矿广泛应用。由于金属网消耗钢材较多，目前正在尽可能采用玻璃纤维网或塑料网代替。2.3.2锚杆桁架顶板锚杆桁架是60年代末出现的组合锚杆支护的一种型式。这种支护由水平拉杆、锚杆和顶板岩层一起形成整个桁架系统，通过水平拉杆的预紧作用而表现为主动式支护，从而大大改善顶板应力状态，增强顶板成拱效应，提高顶板整体抗剪能力。特别适用于围岩变形大的软岩巷道，对于锚杆或其它常规支护方法难于维护的复杂地质条件、软弱破碎顶板控制有重要作用。顶板锚杆桁架的最基本组成部分为顶板锚杆和水平拉杆，其余构件可依情况增减。2.3.3锚网索锚杆与预应力锚索联合支护，与普通的锚网支护相比，具有更大的支护强度和可靠性，并且最大限度地改善和拓宽了锚网支护的受力状况和应用范围，大大降低了巷道的维护及返修工作量，具有显著的技术经济效益和社会效益。 预应力锚索由高强度钢绞线、成套锁具、托盘等构件组成，安装时与树脂锚固剂配合使用并施加一定的预紧力。钢绞线是由一组钢丝沿一根纵轴钢丝左旋缠绕而成的；锁具是由锚头外套、锚头锁片、橡胶圈组成的成套锚固装置。钢绞线的直径一般为15.2mm，长度为50008000mm。钢绞线强度有1720MPa和1860MPa两个级别，优先选用1860MPa强度级别。其力学性能及技术要求应符合GB/T 5224的规定。钢绞线的伸长率（标距500mm）应不小于3.5；锚索安装后应施加100kN的预紧力，钢绞线破断负荷应大于220kN。锚索托盘采用Q235A材质、抗拉强度在380MPa及其以上的碳素结构钢平托盘，承载能力应与钢绞线匹配。托盘中心孔直径比钢绞线直径大2mm，最小几何尺寸不小于250mm X 250mm X 20mm。3冲击矿压发生的机理、特征及危害3.1冲击矿压发生的机理冲击矿压是矿山压力的一种特殊显现形式,是矿山井巷和采场周围煤岩体,由于变形能和重力势能的释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单地讲,冲击矿压就是煤(岩)体的突然破坏现象。未开挖和采掘之前,地下岩体处于三向应力状态,在三向高应力的作用下,煤岩体积聚了大量的弹性能。当巷道掘出或工作面的煤采出之后,巷道的顶底板和其夹持的煤体形成一个系统,由于煤体的极限强度低于顶底板,因此,该系统的薄弱环节是顶底板夹持的煤体。在巷道的开挖和地下煤体的采出过程中,顶底板所夹持的煤体应力发生重新分布,从而在夹持的煤体中依次形成卸载区、夹持区和弹性区(图1)。卸载区的煤体已经破裂,其积聚的能量绝大部分得到释放,但在顶板弯曲下沉时又被压实(图1中A区),夹持区虽已出现微破裂(形成包体),但强度仍未降低,仍被顶底板牢固地夹持着(图1中B区),在支撑压力的后方深部煤层仍处于弹性状态(图1中C区)。卸载区、夹持区和弹性区并不是固定不变的,在顶板(基本顶)的弯曲下沉中,夹持煤体受到的应力集中程度逐渐加大,夹持区以及弹性区向着远离巷道两帮方向移动,卸载区的范围扩大,夹持煤体的能量逐渐增加。图1煤层极限平衡状态示意由于煤体处于顶底板的夹持当中,这样,一方面顶底板夹持的煤体在高应力的作用下趋于侧向突破或向采掘空间逐渐膨胀,另一方面煤岩交界处的摩擦阻力又阻碍上述过程的发展,这就使得夹持的煤体积聚了大量的弹性能,这些能量大部分储存在B区,使得B区成为一个能量气囊,为了释放其积聚的弹性能, B区必然会对A区施加一个内部推力,随着能量的积聚, B区对A区的内部推力越来越大,当这个推力大于A区的阻力时, A区就会向采空区或巷道一侧移动, A区的压出使得B区的部分或全部围岩阻力迅速降低,为B区提供了急剧破坏条件,煤层和围岩中所积聚的弹性能转化为动能,又促进了A区的压出,在压力足以使A区不断压出的条件下,必将引起B区的加速破坏,当B区裂缝扩展的能量释放率大于其能量的消耗率时,释放出的多余能量把从其表面破碎分离的煤岩迅速地抛出从而形成冲击矿压。由上可知, B区的破坏失稳是发生冲击矿压的关键因素,如果B区破坏的范围不大,则显现为常见的煤壁片帮或小煤炮,如果B区离采空区或巷道一侧的距离过远,即使B区的破坏范围比较大, B区对A区的内部推力也难以克服A区的摩擦阻力,从而使得B区的能量得不到释放。由此可见,只有当B区离巷道一侧的距离适当时才发生冲击矿压。巷道掘出或地下煤体采出之后,巷道顶板(坚硬的基本顶)不仅承受着强大的矿山压力,并且把矿山压力快速传递到其夹持的煤体上,其弯曲变形会影响夹持煤体的应力集中范围,进而影响B区离煤壁的距离和其积聚能量的大小。随着顶板的弯曲下沉, B区积聚越来越多的能量,同时A区的范围扩大, B区向C区方向移动。顶板下沉量的大小和下沉速度对冲击矿压的发生有很大的关系,显然,如果顶板突然下沉, B区来不及向远离采空区或巷道方向移动,从而使得B区瞬间获得大量的能量和受到极高的应力,强大的内部推力必然会使得A区向采空区或巷道迅速移动而发生冲击矿压。图2是对几个采场发生的22次冲击矿压的观测结果,从图2中可以看出80%的冲击矿压发生在距离煤壁1820 m的范围,且冲击矿压发生时顶板的下沉量范围均在40-95mm。图2顶板下沉量、离煤壁距离与冲击矿压的分布19841989年通过对几个矿井的33次破坏冲击矿压的观测,得出冲击矿压发生前的顶板动态曲线(图3)。从图3中可以看出,冲击矿压主要发生在顶底板移近速度上升段。图3冲击矿压发生前顶板动态曲线因此,控制顶板的下沉量和下沉速度对防止冲击矿压的发生有着非常积极的意义。而顶板的下沉量和下沉速度不仅与巷道的埋深、顶板的力学性质有关系,而且还与巷道顶板(基本顶)的厚度有关系。基本顶越厚,其抗变形能力就越强,因此,在相同的地质条件和采动影响下,巷道顶板的下沉量和下沉速度随着基本顶厚度的增加而减少,顶板突然下沉的概率也会明显减少。3.2冲击矿压对环境的影响在采矿巷道工作面中发生震动和冲击矿压，将会对井下巷道、井下工作人员和地面建筑物造成影响。1、对井下巷道的影响冲击矿压对井下巷道的影响主要是动力将煤岩抛向巷道，破坏巷道周围煤岩的结构及支护系统，使其失去功能（如下图所示）。而一些小的冲击矿压或者说岩体卸压，则对航道的破坏不大。巷道局不破坏、剥落巷道支架部分损坏。应当确定，当矿山震动较小，或震中距巷道较远时，将不会对巷道产生任何破坏。2、对矿工的影响在发生冲击矿压区域如有工人工作，则可能对其产生伤害，甚至造成死亡事故。波兰的分析结果表明，发生冲击矿压后，人员受伤的主要部位是脑部，占91.65，其次是胸部的机械破坏，包括肋骨折断等占60.41。而内部器官的损坏主要是肺、心、胃等，占18.75，再其次为下肢的折断。3、对地表建筑物的影响矿山震动和冲击矿压不仅对井下巷道造成破坏，伤害工作人员，而且对地表及地表建筑物造成损坏，甚至造成地震那样的灾难性后果（如图所示），如波兰就曾于1982年6月4日在Bytom市下发生的3.7级的矿山震动，造成了588多栋建筑物的损坏。3.3冲击矿压的特征通常情况下，冲击矿压会直接将煤岩抛向巷道，引起岩体的强烈震动，产生强烈声响，造成掩体的破断和裂隙扩展。因此，冲击矿压具有如下明显的显现特征：（1）突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，冲击过程短暂，持续时间几秒倒计时秒，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度。（2）瞬时震动性。冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几千米甚至几十千米，地面有地震的感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。（3）巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的媒体突然破裂并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。（4）复杂性。自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从200-1000米，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件下，不论水平、炮采、机采或是综采，全部垮落法等各种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或煤柱支撑式，分层开采还是倒台节开采等各种采煤方法都出现过冲击地压。针对冲击矿压巷道的破坏特征, 巷道的支护必须与其相适应。冲击矿压是岩体破坏的一种特殊形式, 常规支护的功能都是必须的, 此外还有其特殊的要求: 更高的承载能力、良好的柔性、稳定性和整体性。4锚杆支护原理分析4.1锚杆支护对冲击矿压巷道的适应性分析目前煤矿回采巷道支护主要有2类: 一种是架设在巷道表面的棚式支架, 另一种是植入巷道围岩内的锚杆支护。棚式支架主要有木棚、工字钢支架、U型钢可缩支架等。其中木棚、工字钢支架为一梁两腿的支撑结构, 支护强度低, 不具备可缩性, 在受到外载后, 梁和腿比较容易弯曲或折断,从而导致整架失稳, 不适用于冲击矿压巷道的支护。U型钢可缩支架是由几段搭接而成, 可以做成封闭的环状, 靠搭接段的滑动可以有一定的缩量,由于其相对于其他棚式支架有较高的强度和一定的可缩量, 在国内外某些困难巷道条件下被使用, 取得较好支护效果。尽管如此, U 型钢支架与锚杆支护相比, 还有许多不足, 比如它是一种被动支护,其提供的支护强度有限, 在冲击矿压的突然作用下, 往往U 型钢的可缩性未来得及动作就被冲毁了。图4为煤矿常用支护形式的工作特性曲线。图4 不同支护形式的工作特性曲线锚杆支护原理与传统的棚式支护不同, 它是一种主动支护形式, 通过施加预紧力, 可以实现早期承载, 提高围岩的整体强度, 符合有效利用围岩自承能力的现代支护理念。近年来研究成功的超高强锚杆、强力锚索等支护材料使锚杆支护可以达到很高的支护强度。锚杆安装在钻孔中, 和围岩锚固成一体, 作为一种内在的支护形式, 有非常好的自身稳定性, 受到冲击载荷不轻易失稳, 在与围岩协调变形中持续地发挥着支护作用。锚杆支护又是一种柔性支护形式。所谓柔性是指其具有良好的延展性, 与围岩同步协调变形, 不易失稳, 相对于石材、型钢支架, 锚杆支护的延伸量为其可缩量的几倍到几十倍(参见图1)。由于锚杆具有柔性特征, 使其对于冲击载荷有良好的适应能力, 锚杆对于冲击载荷不是硬顶, 而是让压,在保护自身不被破坏的前提下始终给围岩一定约束力, 控制围岩变形和进一步的破坏。锚杆支护由金属网、钢带、托盘等支护附件与锚杆、锚索一起形成了一个立体的支护体系: 锚固剂、锚杆、锚索与围岩粘结成一体, 形式一定厚度和强度的加固体; 由金属网、钢带、托盘等在巷道表面形成了一个封闭的柔性金属护表层。柔性金属护表层可以控制围岩变形, 阻止围岩的破碎和抛射, 即使巷道受到较强烈的冲击, 仍能保持一定的空间。不像刚性支架那样, 受冲击后立即失稳, 破碎煤岩失控可能使巷道被全部堵死。锚杆支护的整体性, 对于减轻冲击矿压对人员伤害, 保证巷道发生冲击矿压后人员的撤出极为重要。抚顺老虎台煤矿、新汶华丰煤矿在冲击矿压巷道中试验锚杆支护收到了良好的效果。甘肃华亭砚北煤矿在急倾斜特厚煤层首采工作面开采过程中,回采巷道支护曾采用29号U 型钢支架, 巷道变形严重, 并多次发生冲击矿压, 采用锚杆支护后支护状况大大改善, 再没有发生冲击矿压。理论和实例说明, 锚杆支护对冲击矿压巷道有良好的适应性。4.2锚杆支护对围岩应力状态的改良作用巷道开挖以后, 应力状态发生很大变化, 会出现受拉和受剪的区域, 巷道围岩中的拉应力和剪应力区域最容易发生破坏。通过锚杆给围岩施加一定的压应力, 改善围岩应力状态: 对于受拉区域, 可抵消部分拉应力; 对于受剪区域, 通过压应力产生的摩擦力, 提高围岩的抗剪能力。所以锚杆有消除围岩不良应力区的作用。从围岩本身来看, 巷道开掘后受力状态由原来的三向受力变为平面受力, 甚至出现单向受力的情况, 预应力锚杆等于给巷道围岩施加了一个表面应力, 使它又恢复了三向受力的状态。大量的实验数据表明, 随着围压的增加, 岩石的峰值强度大幅增加, 并且破坏形式由脆性向延性过渡。由此说明,锚杆支护改变了围岩的受力状态和变形特性, 提高了巷道的围岩承载能力, 同时在一定