赵庄二号井大巷、综放工作面顺槽支护技术研究项目研究报告.doc

赵庄二号井大巷、综放工作面顺槽支护技术研究项目研究报告晋城煤业集团有限责任公司赵庄二号井天地科技股份有限公司开采设计事业部二零一零年十月目 录第一章 概 述11 前 言12 锚杆支护国内外研究现状22.1 国外研究现状22.2 国内研究现状23存在的问题54 本项目的研究内容65 本项目取得的研究成果7第二章 高预紧力强力支护设计方法81 前言82 锚杆支护动态信息设计法92.1 巷道围岩地质力学评估92.2 初始设计方法102.3 井下监测102.4 信息反馈及修正设计172.5 反馈信息指标数值的确定与设计修改准则183 锚杆支护形式和参数选择183.1 锚杆支护形式和参数选择原则183.2 锚杆支护参数193.3 预应力193.4 锚杆几何与力学参数213.5 钻孔与锚固参数244 结语26第三章 地应力、围岩强度及结构对巷道围岩稳定性的影响研究271 前 言272 巷道围岩稳定性与地应力的关系理论分析272.1 根据巷道围岩破坏特征定性判断地应力场272.2 巷道围岩应力应变分析法近似定量判断巷道围岩地应力场283 基于地应力场优化巷道布置的理论分析324 地应力对巷道围岩破坏影响的数值模拟分析334.1 Flac3D程序简介344.2 巷道开挖坐标系下的应力边界条件354.3 数值模型的建立364.4 本构模型的选择：374.5 模拟方案404.6 模拟结果及分析415围岩强度及结构对锚杆支护巷道围岩稳定性影响545.1岩体结构要素特征及对强度的影响545.2 锚杆支护对岩体强度的影响565.3 锚杆支护对围岩结构面的加固作用576裂隙岩体顶板失稳的块体力学理论分析597结论61第四章 赵庄二号井煤层巷道锚杆支护设计631 前言632 锚杆支护设计方法介绍633 试验点调查和地质力学评估643.1 1301工作面巷道布置图643.2 巷道围岩岩性和强度643.3 地应力653.4 粘结强度测试654 锚杆支护初始设计654.1 皮带机头硐室锚杆支护初始设计654.2 1301进风顺槽锚杆支护初始设计664.3 1301轨道回风顺槽锚杆支护初始设计674.4 1301轨道回风联络横川锚杆支护初始设计694.5 1301外回风顺槽锚杆支护初始设计704.6 1301切眼锚杆支护初始设计714.7 回风顺槽与联络横川交叉点初始设计725 锚杆支护材料815.1 所需锚杆支护材料如下：815.2 高强度锚杆杆体845.3 树脂药卷845.4 托盘845.5 钢筋托梁845.6 菱形金属网845.7 锚索846 井下施工工艺和安全措施856.1 施工前的准备工作856.2 施工工艺和技术要求856.3 安全技术措施877 矿压监测877.1 矿压监测前的准备工作877.2 矿压监测内容和方法887.3 监测仪器和物品91第五章 赵庄二号井首采面顺槽巷道矿压分析921 前言922 锚杆支护矿压监测方法922.1 监测方法确定922.2 综合监测922.3 日常监测943 信息反馈和修正初始设计953.1 信息反馈指标确定953.2 反馈信息指标数值的确定与设计修改准则964 矿压监测数据分析974.1 巷道表面位移974.2 顶板离层监测1005 结论100附件：计划任务书0第一章 概述 2010.10第一章 概 述1 前 言巷道支护技术是煤炭开采、各类矿山、水利水电隧道及铁路、公路交通隧道等地下工程的一项关键技术。合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的安全，又具有明显的技术经济效益。随着我国矿山开采深度和广度的不断发展，对巷道支护技术提出了更新、更高的要求。煤矿巷道支护经历了棚式支护到锚杆支护的过程，锚杆也由原来的木锚杆、圆钢锚杆、普通螺纹钢锚杆向着具有高强度、高刚度、高可靠性的强力、高预应力锚杆体系发展。对于锚杆预应力的认识，也得到逐步深入。回顾我国锚杆支护技术的发展可以分为三个阶段：（1）低强度、低刚度锚杆支护阶段上世纪5090年代中期，以低强度的圆钢锚杆、普通螺纹钢锚杆为代表，进行端部锚固(机械、水泥和树脂等)，锚杆预应力很低，属于低强度、低刚度的被动锚杆支护，支护效果差，安全不能得到可靠保证。（2）高强度锚杆支护阶段1996年，在原煤炭部的组织领导下，我国引进了澳大利亚先进的锚杆支护技术，并根据国内煤矿巷道条件，进行了集中攻关研究，完成了十多项与煤巷锚杆支护技术有关的课题，使我国煤巷锚杆支护技术上了一个新台阶。有代表性的成果是高强度螺纹钢锚杆、树脂加长和全长锚固、W形钢带组合支护、小孔径树脂锚固锚索得到认可与推广应用，支护效果得到明显改善。但是，该阶段没有对锚杆预应力给予足够的重视，很多矿区锚杆拧紧扭矩在100Nm左右，数值太低，而且施工中又缺乏保证。因此，本阶段属于高强度、低刚度支护，仍属于被动支护范畴。（3）高预应力、强力锚杆支护体系阶段近几年来，随着锚杆支护理论研究的不断深入，特别是煤矿开采向深度和广度发展，出现了高地应力巷道、破碎蠕变围岩巷道、特大断面巷道、受强烈采动影响巷道等一系列支护难题，高强度锚杆暴露出很多问题，支护效果不能满足生产的要求，人们不得不重新认识影响锚杆支护效果的关键因素。研究表明，大幅度提高锚杆支护系统的刚度可有效控制围岩变形，保持巷道稳定，锚杆预应力作为决定性因素受到前所未有的重视。天地科技股份有限公司开采设计事业部提出了高预应力、强力锚杆支护理论，并开发了强力锚杆、锚索支护材料，在新汶、晋城、潞安及金川镍矿得到应用，实现了复杂困难巷道支护技术的突破。锚杆支护进入了崭新的高预应力、强力、一次支护阶段，真正实现了锚杆主动、及时支护的理念。2 锚杆支护国内外研究现状锚杆支护对围岩强度、围岩结构及围岩应力都有不同程度的影响，究竟什么是影响锚杆支护作用的关键因素，怎样才能充分发挥锚杆主动、及时支护的能力，提高巷道支护效果。通过理论分析、数值模拟与井下试验得出，提高锚杆支护系统的刚度非常重要。提高支护刚度的途径主要有两方面：一是给锚杆施加较大的预应力，并通过托板、钢带等构件实现预应力扩散；二是采用加长锚固或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能及时抑制离层与错动的产生。特别是锚杆的预应力在支护系统中起关键性作用。2.1 国外研究现状在国外，美国的矿井十分重视锚杆预应力的作用。在20世纪70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，实现了锚杆的高预应力。此外，采用抗摩擦塑料垫圈也是提高锚杆预应力的重要手段。目前，美国矿山巷道的锚杆预应力一般为100kN，可以达到锚杆杆体屈服强度的5075%。美国的实践经验表明，高预应力锚杆显著提高了复杂条件顶板的稳定性，大大降低了冒顶事故。美国矿山之所以取得如此支护效果，源于两方面的原因：其一是从机理上认识到锚杆预应力的重要作用。如美国J.Stankus和Song Guo研究了水平地应力对巷道围岩变形与破坏的影响，认为水平地应力是引起顶板离层、底臌的主要原因，但可以通过提高顶板锚杆的预应力，将水平地应力的消极影响变为积极作用，从而提高围岩的稳定性；其二是采用性能优越的锚杆施工机具，在锚杆安装过程中能够实现高预应力。澳大利亚研究证明，当锚杆预应力达到6070KN以上时，可以基本上阻止巷道顶板下沉。通过对大量巷道冒顶事故及顶板严重离层变形的现象进行分析，发现导致冒顶事故的原因不仅仅是因为锚杆强度不够造成的，也不能通过增加锚杆密度来解决，锚杆的预应力起到了更为关键的作用。2.2 国内研究现状我国煤矿于1956年开始在岩巷中使用锚杆支护，至今已有50多年的历史。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。从锚杆支护形式的发展过程看，我国最早采用的主要是机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆；1974年开始研制和试验树脂锚杆，并于1976年在淮南、鸡西、徐州等矿区进行了井下试验，取得较好效果；我国还引进和应用了管缝式锚杆、胀管式锚杆等，开发研制了廉价的快硬水泥锚杆；1996年又从澳大利亚引进高强度树脂锚固锚杆，并针对我国煤矿的条件进行了大量二次开发和完善提高。可以说，国外使用过的锚杆支护型式国内基本上都用过，但是国外没有的巷道地质和生产条件国内基本上都有。我国煤矿锚杆支护首先在岩巷中应用成功，并在岩巷中大力推广应用了以“三小”为代表的锚喷支护技术。20世纪60年代锚杆支护开始应用于采区巷道。由于煤层巷道围岩相对比较松软破碎，又受到采动影响，巷道围岩变形大，对支护技术要求高。我国早期采用的锚杆支护强度、刚度低，支护原理上仍属于被动支护，加之锚杆支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、监测仪器等还不成熟，导致煤巷锚杆支护技术发展缓慢。1990年，我国国有重点煤矿煤巷锚杆支护仅占35%，煤巷支护主要以棚式支护为主。在“八五”期间，国家将煤巷锚杆支护技术列为重点科技攻关项目，完成了一批水平较高的科研课题，并应用于新汶、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区，取得较好的支护效果。1995年，国有重点煤矿当年新掘的巷道中，锚杆支护所占比重为28.19%，其中岩巷占57.2%，煤巷占15.15%。但是对于复杂困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及沿空掘巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入细致的研究，煤巷锚杆支护技术发展的潜力还很大。在“九五”期间，原煤炭部又把煤巷锚杆支护技术列为重点课题，展开了更深入、细致和全面的研究试验工作。特别是19961997年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现场演示。同时经过科研院所、大专院校和煤炭企业的联合攻关，使我国煤巷锚杆支护技术有很大提高。高强度螺纹钢锚杆并进行加长和全长树脂锚固，动态支护设计方法，小孔径树脂锚固预应力锚索等新技术、新材料、新方法得到广泛认可，应用于煤顶巷道、复合与破碎顶板巷道等困难条件，取得良好的支护效果和技术经济效益。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显著增加。为此，兖州、潞安、晋城、西山、淮南、淮北、新汶、龙口、开滦、铁法、徐州、华亭等矿区相继开展了本矿区煤巷锚杆支护成套技术的研究、试验与推广应用。锚杆支护在大断面巷道、煤顶和全煤巷道、沿空掘巷、松软破碎围岩巷道等困难条件得到成功应用，显著提高了巷道支护效果，降低了支护成本，为采煤工作面的快速推进，矿井实现高产高效创造了良好的条件。到2005年，国有重点煤矿的煤巷锚杆支护率达到60%，有些矿区超过了90%，甚至达到100%，我国煤巷锚杆支护技术发展到一个崭新的阶段。概括起来，我国煤巷锚杆支护技术取得以下主要成果：（1）在锚杆支护理论方面，提出松动圈支护理论、巷道围岩强度强化理论、锚杆支护的扩容稳定理论等，对生产实践起到积极的指导作用。高强度、高刚度锚杆组合支护系统得到广泛认可，不仅重视锚杆的强度，而且强调支护系统的刚度和整体效果，特别是锚杆预紧力的决定性作用和组合构件的重要性，使锚杆支护真正实现了主动、及时支护。（2）开发出巷道围岩地质力学快速测试系统，包括地应力测量装置、巷道围岩强度原位测定装置以及钻孔窥视仪，实现了井下巷道围岩地质力学参数的快速、经济、大面积测量。结合实验室煤岩物理力学性质试验，能够为巷道布置与支护设计提供比较全面、可靠的基础参数。（3）动态性、系统性、信息性的锚杆支护设计法得到普遍认可与应用。认为锚杆支护设计不是一次完成的，而是一个动态的、系统的过程，设计应充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。有限差分(FLAC)、有限元(ANSYS)、离散元(UDEC)等数值计算软件已广泛应用于锚杆支护设计，提高了设计的科学性、合理性与可靠性。有些单位还开发出适用于工程技术人员使用的煤巷锚杆支护设计软件，不仅提高了设计的合理性与可靠性，而且大大减轻了工程技术人员的设计工作量，提高了设计速度和质量。（4）开发出高强度树脂锚固锚杆支护系统，实现了巷道支护材料的跨越式发展。 研制出锚杆专用钢材左旋无纵筋螺纹钢，达到高强度和超高强度级别，并形成系列，力学性能达到了国外同类产品的水平。 开发出经济型树脂锚固剂成套生产设备，能够生产超快速、快速、中速、慢速及双速等不同类型、不同规格的树脂锚固剂，满足锚杆支护的不同要求。 设计出W型、M型钢带等组合构件，制订了钢带产品系列与技术标准。研制出矿用钢带轧制设备与生产工艺，使钢带强度、刚度有明显提高，断面形状和尺寸进一步优化。 研制出多种形式的玻璃钢锚杆，无论是玻璃钢锚杆杆体加工工艺和力学性能，还是锚杆尾部结构均有明显改进与提高，为煤帮提供了可切割的支护方式。 开发出小孔径树脂锚固预应力锚索。采用树脂药卷锚固，单体锚杆钻机施工，安装工序简单，施工速度大幅度提高。同时，开发了不同直径的锚索索体系列，适用不同的巷道条件。小孔径树脂锚固锚索为复杂困难巷道提供了有效、快速的加固手段。（5）经过不断改进、完善和提高，单体风动和液压锚杆钻机、手持式锚杆钻机的性能指标达到了国外同类产品的水平，并形成系列产品，基本满足了锚杆支护的要求，结束了锚杆钻机主要靠进口的历史。（6）立足我国煤矿现有的掘进装备，形成了一套综掘机配单体锚杆钻机的煤巷快速施工工艺。以扭矩螺母为控制元件的树脂锚杆快速安装系统，实现了搅拌树脂药卷、上托板、紧固螺母一体化。快速施工工艺使煤巷锚杆支护单进水平有了较大提高。有些矿区还引进了国外先进的连续采煤机配锚杆台车的施工工艺与设备，掘锚联合机组，大幅度提高了煤巷掘进速度。（7）研制出锚杆支护施工质量检测与矿压监测成套仪器。顶板离层指示仪、测力锚杆、锚杆(索)测力计和多点位移计等监测仪器，及矿压在线监测系统在井下得到推广应用，在判断支护设计的合理性、围岩的稳定性与巷道的安全性方面起到重要作用。（8）将锚固与注浆加固技术有机结合在一起，开发出多种形式的注浆锚杆、注浆锚索及钻锚注一体化锚杆。它兼有锚固与注浆加固功能，为破碎煤岩体等复杂困难条件提供了有效的加固手段。（9）有些矿区针对具体条件，制订了本矿区的煤巷锚杆支护技术规范，促进了煤巷锚杆支护技术的健康发展。但是，由于预应力锚杆与围岩的作用机理比较复杂，到目前为止，对预应力锚杆作用机理的研究仍处于探索阶段，还没有形成系统的理论体系。预应力锚杆支护技术在很多国家煤矿中的应用还很不成熟，预应力锚杆支护设计也主要依靠工程类比法来实现。目前，在预应力锚杆支护的设计和施工过程中，对锚杆预应力的控制一般是通过锚杆安装时对螺帽施加一定的预紧扭矩来实现的。施工现场一般要求对螺帽施加尽量大的扭矩，以保证锚杆具有较高的预应力，来提高巷道的支护效果。然而对于不同扭矩对应的锚杆预应力大小，锚杆预应力对巷道围岩应力分布的影响以及锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究却非常少。这对锚杆支护的设计和施工造成了一定的盲目性。我国大多数煤矿对锚杆预应力的认识还很不够。在复杂困难条件下，往往通过增加锚杆密度来提高支护效果，导致锚杆支护密度过大，支护系统的作用不能充分发挥，支护效果也不理想，而且影响巷道掘进速度。此外，国内现有施工机具扭矩小，不能实现高预应力也是一个重要原因。因此，有必要从理论上进一步深入研究高预应力支护体系的作用机理，为支护设计提供可靠依据。同时应开发研制能给锚杆施加高预应力的施工机具与配套材料，使锚杆支护真正实现主动、及时支护，实现从低强度、高强度到高刚度、高预应力支护的跨越。3存在的问题尽管我国煤巷锚杆支护技术取得了很大进展，但还存在许多问题。特别是近年来随着煤矿开采深度、广度的增加，开采强度的大幅度提高，出现了一系列包括深部高地应力巷道、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，对巷道支护技术提出更高、更苛刻的要求。高强度锚杆支护在复杂困难巷道中支护效果差，围岩变形大，支护构件破坏严重，巷道安全得不到保证。归纳起来，主要存在以下几方面的问题：（1）锚杆支护刚度低。支护刚度主要与锚杆施加的预紧力及锚固方式有关，只有高预紧力并实施加长和全长锚固的高强度锚杆才能达到高刚度，其中预紧力是关键参数，是决定锚杆支护是否为主动支护的重要因素。由于锚杆加工精度低、锚杆钻机输出扭矩小，以及对预紧力的作用认识不足等多方面的原因，导致现用锚杆的预紧力矩一般为100N.m左右，预紧力大多为1520kN，属于被动支护，锚杆的支护作用没有充分发挥。（2）锚杆、锚索强度低。现用高强度锚杆杆体的屈服强度一般仅为335400MPa，拉断强度为500600MPa，锚索索体直径为15.2417.8mm，拉断力为260350kN。在同样支护强度的要求下，由于锚杆、锚索强度低，显然需要较大的支护密度。（3）锚杆螺纹加工精度低。一方面增加了螺母与螺纹的摩擦力，显著降低了螺母预紧力矩与锚杆预紧力的转换系数，对提高预紧力十分不利；另一方面，使锚杆尾部受力状态恶化，容易受剪、受弯，出现断裂现象。（4）缺乏对护表构件（大托板、钢带、网）的足够重视。现场为了节约支护材料费用，大量采用强度和刚度比较低的钢筋托梁，这种构件组合效果差，护表能力弱，明显影响锚杆支护的整体效果。（5）锚杆与锚索支护强度与刚度的匹配缺乏深入、系统的研究，支护参数选择不合理会导致锚杆与锚索不能共同承载，出现各个击破的现象。井下巷道中出现的锚索被拉断，而锚杆受力很小的现象就是锚杆与锚索不匹配的直接后果。（6）锚杆支护密度偏大，单位面积上安装锚杆的数量多，安装锚杆占用的时间长，明显影响巷道掘进速度。4 本项目的研究内容针对上述存在的问题，根据煤矿井下环境的特点，确定项目的主要研究内容为：（1）对赵庄矿二号井区软弱煤层大巷及首采面顺槽锚杆支护设计进行评价；（2）围岩结构窥视：进行10个钻孔（5个顶板岩层孔，5个煤层孔）的围岩结构观察，分析煤及岩层的结构特性，包括节理、裂隙发育特性、完整程度等；（3）采用有限差分数值计算软件，进行巷道围岩应力、变形和破坏范围计算,分析地应力、围岩强度、围岩结构等因素对巷道的影响；（4）采用现代力学理论，分析地应力、围岩强度和围岩结构对巷道围岩变形和稳定性的影响；（5）提交东区3条煤层大巷支护初始设计，400m后对支护设计进行评价修正，提交大巷修正支护设计；（6）首采面3条顺槽、横川和切眼的锚杆支护初始设计；（7）优选支护材料和设备，确定合理的施工工艺；（8）提供遇到构造等地质条件变化时的处理方法；（9）指导井下施工和矿压监测；（10）首采面回采期间的矿压监测及数据分析；（11）总结试验研究成果，提交课题研究报告；（12）成果提交方式：提交研究报告20份，电子光盘2份。项目的研究目标：通过项目技术开发，通过钻孔窥视初步了解赵庄二号井的围岩结构，采用高预应力、高强锚杆支护系统解决软弱煤层条件下的大巷支护技术和综放工作面顺槽支护技术难题，保证永久大巷长期稳定和首采面顺利回采。5 本项目取得的研究成果经过近两年的研究与试验，完成了项目要求的全部研究内容，达到了预期目标。项目取得以下研究成果：（1）通过对赵庄二号井三号煤巷道地质和生产条件调查和分析，确定了采用锚杆支护形式进行巷道支护。（2）运用有限差分数值模拟计算，掌握了巷道围岩应力、变形和破坏范围，对支护参数的选取提供了科学依据。（3）通过理论分析和数值模拟，对地应力、围岩强度、围岩结构对巷道变形和破坏影响特征有了比较全面的认识，地应力是引起巷道变形和破坏的根本动因，围岩强度和围岩结构对岩体的强度影响很大，同样决定着巷道变形的特征，但通过锚杆支护可提高煤岩体强度特征。（4）对于赵庄二号井号煤极易风化顶板，巷道支护重点是控制两帮煤体的稳定及顶板结构性块体的稳定，保证巷道顶板的完整。（5）通过本项目的研究，确定了适合赵庄二号井号煤盘区巷道合理、科学的巷道支护方案。7赵庄二号井大巷、综放工作面顺槽支护技术研究第二章 高预紧力强力支护设计方法 2010.10第二章 高预紧力强力支护设计方法研究锚杆支护作用机理的目的是弄清锚杆、锚索与围岩之间的相互作用关系，正确分析处理地应力、巷道支护应力和巷道掘进以及工作面采动应力之间的耦合关系，选择合适的支护强度，从而为锚杆支护设计奠定理论基础。锚杆支护设计是煤巷锚杆支护中的一项关键技术。自从锚杆支护问世以来，人们一直把锚杆支护作用机理作为一个重点，进行了广泛、深入的研究，以便充分发挥锚杆支护巨大优越性，对保证巷道的支护安全具有十分重要的意义。如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，浪费材料；其二是支护强度不够，出现冒顶事故。尤其是对大断面巷道，支护设计的安全性更为严重。从理论到实践，再从实践中总结规律，充实和完善理论，进一步完善和推广锚杆支护技术。1 前言支护设计是巷道锚杆支护中的一项关键技术。对充分发挥锚杆支护的优越和保证巷道的安全具有十分重要的意义。如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。目前，国内外锚杆支护设计方法主要分为三大类：工程类比法、理论计算法和数值模拟法。工程类比法包括，根据已有的巷道工程，通过类比提出新建工程的支护设计；通过巷道围岩稳定性分类提出支护设计；采用简单的经验公式确定支护设计。理论计算法基于某种锚杆支护理论，如悬吊理论、组合梁理论及加固拱理论，计算得出锚杆支护参数。由于各种支护理论都存在着一定的局限性和适用条件，而且计算所需的一些参数很难比较准确、可靠的确定，因此，设计结果很多情况下只能作为参考。随着数值计算方法在采矿工程中的大量应用，采用数值模拟法进行锚杆支护设计也得到了较快发展。与其它设计方法相比，数值模拟法具有多方面的优点，如可模拟复杂围岩条件、边界条件和各种断面形状巷道的应力场与位移场；可快速进行多方案比较，分析各因素对巷道支护效果的影响；模拟结果直观、形象，便于处理与分析等。数值模拟法已经在美国、澳大利亚及英国等锚杆支护技术先进的国家得到广泛应用。如澳大利亚锚杆支护设计方法就是在巷道围岩地质力学测试与评估的基础上，采用数值模拟分析结合其它方法提出锚杆支护初始设计，然后进行井下监测，根据监测数据验证、修改和完善初始设计。尽管数值模拟法还存在很多问题，如计算所需的一些参数很难合理的确定，模型很难全面反映井下巷道状况，导致计算结果与巷道实际情况相差较大。但是，数值模拟法作为一种有前途的设计方法，经过不断的改进和发展，会逐步接近于实际。近十年来，我国在锚杆支护设计方法方面作了大量工作。在借鉴国外先进设计方法的基础上，结合我国矿山巷道的特点，提出动态化、信息化的设计方法，符合巷道地质条件复杂性、多变性的特点。这种设计方法已经在多个矿区得到推广应用，锚杆支护设计的可靠性、合理性和科学性得到显著提高。2 锚杆支护动态信息设计法根据矿山巷道的特点，借鉴国外先进技术经验，提出锚杆支护动态信息设计法。动态信息法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。该设计方法包括五部分：巷道围岩地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈与修正设计；围岩地质力学评估包括围岩强度、围岩结构、地应力、井下环境评价及锚固性能测试等内容，为初始设计提供可靠的基础参数；初始设计以数值计算方法为主，结合已有经验和实测数据确定出比较合理的初始设计；将初始设计实施于井下，进行详细的围岩位移和锚杆受力监测；根据监测结果判断初始设计的合理性，必要时修正初始设计。正常施工后应进行日常监测，保证巷道安全。2.1 巷道围岩地质力学评估巷道围岩地质力学评估包括以下几方面：(1) 巷道围岩岩性和强度：包括岩层厚度、倾角、抗压强度；顶底板岩层分布，强度等。(2) 地质构造和围岩结构：巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，对巷道的影响程度；巷道围岩中不连续面的分布状况，如分层厚度和节理裂隙间距的大小，不连续面的力学特性等。(3) 地应力：包括垂直主应力和两个水平主应力，其中最大水平主应力的方向和大小对锚杆支护设计尤为重要。(4) 环境影响：水文地质条件，涌水量，水对围岩强度的影响，岩石风化性质等。(5) 采动影响：巷道与采掘工作面、采空区的空间位置关系，层间距大小及矿柱尺寸；巷道掘进与采动影响的时间关系；采动次数，一次采动影响、二次或多次采动影响等。(6) 粘结强度测试：采用锚杆拉拔计和张拉千斤顶确定锚固剂的粘结强度。该测试工作必须在井下施工前进行完毕，测试应采用施工中所用的锚杆和锚固剂，分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行拉拔试验。粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。2.2 初始设计方法锚杆支护初始设计采用数值模拟计算结合其它方法确定。通过数值模拟计算，可分析巷道围岩位移、应力及破坏范围分布，支护体受力状况；不同因素对巷道围岩变形与破坏的影响，不同支护参数对支护效果的影响；通过方案比较，确定比较合理的支护参数（如锚杆长度、直径、间排距等）。对于数值模拟不太好反映的参数，如钻孔直径、组合构件参数等采用其它方法确定。随着计算技术的迅速发展，有限元、离散元及有限差分等数值方法已广泛应用于巷道支护设计。它们在解决非圆形、非均质、复杂边界条件的巷道支护设计方面显示出较大的优越性，而且可以同时进行众多方案的比较，从中选出合理方案。目前，用于巷道支护设计的数值模拟方法主要有三种：(1) 有限元法在各种有限元计算机软件中，把连续介质或物体表示为一些单元的集合。这些单元可认为是在一些称之为节点的指定结合点处彼此连接。这些节点通常是置于单元的边界上，并认为相邻单元就是在这些节点上与它相连的。由于不知道连续介质内部的场变量(如位移、应力、温度、压力或速度)的真实变化，所以先假设有限元内场变量的变化可用一种简单的函数来近似描述。这些近似函数可以由场变量在结点处的值来确定。当对整个连续介质写出场方程组（如平衡方程组）时，新的未知量就是场变量的结点值。求解方程组即得场变量的结点值，继而求出整个单元集合体的场变量，最终求得位移和应力的近似解。 (2) 离散元方法离散元法是Cundall于1971年提出的，该法适用于研究在准静力或动力条件下的节理系统或块体集合的力学问题。近年来，离散元法有了长足的发展，已成为解决岩土力学问题的一种重要数值方法。 (3) 有限差分法差分法是一种最古老的数值计算方法，但是随着现代数值计算手段的飞速发展，赋予差分法更多的功能和更广的应用范围。2.3 井下监测初始设计实施于井下后，必须进行全面、系统的监测，这也是动态信息法中的一项主要内容。监测的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。井下监测主要包括围岩位移、围岩应力、锚杆（索）受力监测。矿压监测技术在岩土工程中占有十分重要的地位。锚杆（索）加固是岩土加固的重要方式，近年来，在矿山坑道、交通隧道、深基坑加固等岩土工程中得到广泛应用。随着煤巷锚杆支护技术的推广应用，矿压监测技术也得到越来越重视。井下监测是煤巷锚杆支护技术的重要组成部分，也是锚杆支护动态信息设计方法的核心内容之一。在进行锚杆支护设计以前，要进行详细的巷道围岩强度测定，围岩结构及力学性质测试，地应力分析和测量，锚杆（索）锚固性能测试等工作，以最大限度地获得各种初始信息，为进行合理的锚杆支护初始设计提供可靠的数据。锚杆支护实施于井下后，还要对围岩变形状况，锚杆（索）受力分布和大小进行全方位监测，以获得支护体和围岩的位移和应力信息，从而判断锚杆支护初始设计的合理性和可靠性，巷道围岩的稳定程度和安全性。进而根据监测信息，修改初始设计，使其逐步趋于合理。本报告介绍适合赵庄二号井煤层锚杆支护的监测方法和仪器，测试数据的处理，信息反馈指标的确定，初始设计修改的方法，以及矿压监测数据处理等内容。2.3.1 锚杆支护矿压监测方法(1) 监测方法确定根据现场巷道条件，确定井下监测采用综合监测和日常监测相结合的方法进行。综合监测的内容多，相对比较复杂，监测工作量大，主要用于验证和修改初始设计；日常监测的内容以观测顶板离层仪和锚固力检测为主，主要用于保证巷道的安全施工。(2) 综合监测锚杆支护实施于井下后，要进行综合监测，以验证初始设计的合理性和可靠性，并为修正初始设计提供依据。(3) 综合监测内容根据赵庄二号井煤层的具体条件，确定锚杆支护的综合监测内容如表2-1所列。包括巷道围岩位移与锚杆受力监测。(4) 巷道表面位移表2-1 巷道综合监测内容序号项 目内 容1巷道表面位移巷道顶底板、两帮相对移近量、顶板下沉量、底臌量。2顶板离层锚杆区内外顶板岩层位移。3锚杆受力顶板锚杆受力分布，两帮锚杆受力。4锚索受力顶板锚索受力5巷道断面收缩率及破坏状况统计统计锚杆支护巷道断面收缩率及破坏状况图2-1 巷道表面位移监测断面布置 400mm A 400mm C D O B 采用十字布点法安设表面位移监测断面(图2-1)。在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向钻28mm、深380mm的孔，将28mm、长400mm的木桩打入孔中。顶板和上帮木桩端部安设弯形测钉，底板和下帮木桩端部安设平头测钉。两监测断面沿巷道轴向间隔 0.6-1.0m。观测方法为：在C、D之间拉紧测绳，A、B 之间拉紧钢卷尺，测读AO、AB值；在A、B之间拉紧测绳，C、D 之间拉紧钢卷尺，测读CO、CD值；测量精度要求达到1mm，并估计出0.5mm；采用皮卷尺测量监测断面至掘进工作面的距离。观测频度为：距掘进工作面50m之内，至回采工作面50m以内，每天观测一次，其它时间每周12次。2.3.2 顶板离层采用顶板离层指示仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值。煤炭科学研究总院北京开采研究所开发出了LBY-3型离层指示仪（图2-2），该仪器的特点、结构和使用方法为：(1) 主要特点LBY-3型顶板离层指示仪主要特点是结构简单、测读方便、显示直观。图2-2 LBY-3型顶板离层指示仪主要技术特征：测量方式：反光彩色显示与测尺读数测量点数 (个)：2最大量程 (mm)：200读值精度(mm)：1安装钻孔直径：2842(2) 仪器结构 LBY-3型离层指示仪主要由基点锚头、测绳、套管、外测筒与内测筒组成。深基点锚头应固定在稳定岩层内，浅基点固定在锚杆端部位置。当锚杆锚固范围内有离层时，顶板(套管)沿外侧筒向下移动，移动量由测筒标尺指示；当锚固范围外顶板离层时，外测筒与顶板相对位置不变，但沿内测筒向下滑动，表明顶板有离层，离层量由内测筒标尺指示；当锚杆锚固范围内、外都有离层时，内外测筒分别有离层显示，其示值之和为总离层值。(3) 仪器使用说明(图2-3) 先安设深基点锚头：将测绳由空心安装杆内穿过，用安装杆把锚头送至设计位置，送入时，用手拉紧测绳。 然后，将另一测绳穿过安装杆，用手拉紧测绳，将浅部锚头送至设计位置。 将2根测绳穿过外测筒，按图示连接外测筒，注意将标尺0点少许(5mm左右)露在顶板外。 然后连接内测筒，注意将内测筒标尺0点与外测筒下端面对齐。 最后安装套筒，注意应使外测筒标尺0点对准套筒底边。 记录初读数。安装完毕。图2-3 LBY-3型顶板离层指示仪安装示意图2.3.3 锚杆(索)受力锚杆（索）受力监测有两种形式，一种是测量端部锚固锚杆(索)工作阻力的锚杆测力计，另一种是测量加长锚固、全长锚固锚杆受力分布的测力锚杆。(1) 锚杆（索）测力计锚杆测力计的种类很多，现介绍煤炭科学研究总院北京开采研究所研制的几种。l KS型锚杆测力计该锚杆测力计由传力油压枕和振弦式压力传感器组成。传力油压枕与锚杆外端结构相配合，接收仪器为KSE-1型矿用频率计。测量范围为0200kN；油枕内径为45mm，精度为1.5%。l CH90A型锚杆测力计该锚杆测力计为电阻应变片式测力计，通过测量应变求出锚杆受力。量程有两种：200kN和 300kN，分辨度为0.1kN，与YJK4500数字应变仪配套使用。l YGS-200/300型锚杆（索）测力计该测力计采用液压式，载荷直读，无需配套仪器。量程为200300kN，精度为1%。通过井下应用，这种锚杆测力计比较适合赵庄二号井。(2) 测力锚杆煤炭科学研究总院北京开采所开发了CM-200型测力锚杆（图2-4），该测量仪是本安型井下巷道锚杆受力的专用测量仪器。它同普遍锚杆一样，安设在(需要测量的)普通锚杆的设计位置上（图2-5）。l CM-200型测力锚杆系统该测量仪主要包括测力锚杆、静态电阻应变仪与转换开关。l 主要技术特征适于钻孔深度(m)：2.4适用于钻孔直径(mm)：28，42测力锚杆测点数(个)：6，9图2-4 CM-200型测力锚杆 2 1 1 5 4 3图2-5 CM-200型测力锚杆安装和测量示意图1- 测力锚杆；2-普通锚杆；3-静态电阻应变仪；4-多通道转换开关；5-安装搅拌接头l 测力锚杆的安装 安装位置测力锚杆应尽可能靠近掘进迎头安装，但必须保证不被掘进机炮头破坏。一般距掘进迎头至少大于0.5m，这样可以给掘进机留出足够的空间，以免下一循环掘进时测力锚杆受到损害(图2-6)；安装多个测力锚杆，从左至右编号。 安装方向 500mm 掘进工作面 巷帮 巷帮 应变片埋植槽 图2-6 测力锚杆安装位置 图2-7 测力锚杆安装方向安装测力锚杆要保证杆体上的应变片面向两帮(图2-7)。安装时，要在搅拌接头上做好标记，以便在搅拌时可以得到正确的安装方向。 测初读数测力锚杆安装前必须测定初读数，可在安装点附近进行。测量时应将测力锚杆平置，不受外力作用。l 测力锚杆测量方法每次测量时，先将保护接头内的防尘盖旋下，接上连接导线，导线的另一端与多通道转换开关连接，再把多通道转换开关与静态电阻应变仪连接。确信一切正常，开始测量。将多通道转换开关上的转换开关置于“1”的位置，读取应变值。转动开关，依次到“2”至“12”位置。l 测量时间锚杆安装前测量初读数，安装结束后马上进行第一次测读。距掘进工作面5m范围内至少观测2至3次。以后至少每掘进10m观测一次，直到数据趋向稳定。巷道变形相对稳定阶段，每月测1至2次。进入回采阶段，距工作面距离分别为下列数值时进行观测：100m、50m、20m、10m、1m与0m。l 数据处理方法 计算各测点应力每次所测数据与初读数之差为该点此次测量的应变增量。应变增量乘以系数L，即为该点此次测量的应力值。应力值为正，表示拉力；应力值为负，表示压力。各应变片对应编号如图2-8所示。系数L与许多因素（诸如杆体材料、杆体断面、应变片特性等）有关，需经实验室标定。 计算平均应力将图2-8中1、3、5、7、9、11号应变片的应力值与2、4、6、8、10、12号应变片的应力值对应相加取平均值，即可得出各测段的平均应力值。由此可以分析锚杆各段轴向载荷。 计算应力差将图2-8中1、3、5、7、9、11号应变片的应力值与2、4、6、8、10、12号应变片的应力值对应相减，即可得出各测段的应力差，由此可分析杆体所受弯矩大小。 1 3 5 7 9 11 2 4 6 8 10 12图2-8 测力锚杆应变片编号2.3.4 日常监测锚杆支护正常施工后，还要进行日常监测，确保巷道的安全状态。日常监测包括三部分内容：锚杆锚固力抽检，顶板离层观测和锚杆预紧力矩检测。(1) 锚杆锚固力抽检巷道掘进施工过程中安排专人，按不小于5%的比例和不大于二天的时间间隔对锚杆锚固力进行抽测。抽测时只做非破坏性拉拔，顶板锚杆70kN，达到上述值后可停止拉拔。(2) 顶板离层顶板离层指示仪除作综合监测外，还用作日常监测。巷道每隔2530m，安设一个顶板指示仪。在距掘进工作面30m内，观测离层值。30m以外，除非离层松动仍有明显增长的趋势，一般可停止测读具体数据，改为观察两个刻度坠的颜色。由当班班长和跟班技术员负责观察，其他人员也应随时注意观察，以便及早发现异常现象，确保安全。离层指示仪以红、黄、绿三种颜色表示顶板离层松动的严重程度，绿色表示顶部松动离层值较小，处于较稳定的状态；黄色表示离层松动已达到警界值；红色则表示顶板离层松动值较大，已进入危险的状态。(3) 锚杆预紧力矩检测巷道掘进施工过程中，安排专人按不小于30%的比例和不大于一天的时间间隔用力矩示值扳手对锚杆螺母预紧力进行抽测，锚杆预紧力矩达400N.m，即为合格。2.4 信息反馈及修正设计获得监测数据以后，应从众多数据中选取修改、调整初始设计的信息反馈指标。指标应能比较全面地反映巷道支护状况，同时具有可操作性。将实测数据与信息反馈指标比较，就可判断初始设计的合理性，必要时修正初始设计。如前所述，井下监测数据很多，必须从众多数据中选取修改、调整初始设计的反馈信息指标。指标应简单、易于测取，而且是影响支护参数的关键数据。为此，根据赵庄二号井3#煤层的地质与生产条件，选用顶板离层值、两帮相对移近量、锚杆受力三个方面的5个指标。顶板离层值包括锚固区内外顶板离层值两个指标。顶板离层值只能反映顶板的稳定情况，两帮的稳定状况需要另外的指标来控制。当前比较通用的是围岩移近量。从科学性考虑，分别采用上帮、下帮移近量更为合理，但在现场难以取得，因此采用两帮相对移近量一个指标。巷道围岩的稳定状况与锚杆的受力大小和是否受到损坏关系很大。锚杆支护参数设计的合理性在一定程度上也表现在锚杆的受力状况上。在巷道掘进影响期内锚杆受力选用两个指标，全长锚固一个，端锚一个。对于全长锚固锚杆，由于整个杆体受到粘结剂与围岩的约束，围岩稍有变形，锚杆杆体上的力量增加很大，中部产生屈服。在巷道其他条件一定时，锚杆杆体强度高则屈服的范围小；杆体强度低则屈服范围大。因此，用测力锚杆杆体测点屈服数与杆体测点总数的比值作为全长锚固锚杆的受力指标。对于端锚，锚杆的受力控制指标选用设计锚固力，实测指标选用锚杆测力计量测掘进影响期内锚杆工作时承受拉力的数值。总之，共确定5个指标，量测和确定时间为掘巷期。5个指标分别用A、B、C、D、E表示。A. 锚固区内顶板离层设计值，mm；B. 锚固区外顶板离层设计值，mm；C. 两帮相对移近量的设计值，mm；D. 全长锚固测力锚杆杆体测点屈服数与杆体测点总数的比值，定为1/3；E. 端锚锚杆的设计锚固力，kN。2.5 反馈信息指标数值的确定与设计修改准则反馈信息指标数值必须要确定准确，参照晋城矿务局锚杆支护规范手册。 3 锚杆支护形式和参数选择3.1 锚杆支护形式和参数选择原则针对赵庄二号井复杂条件下高应力、比较松软的围岩巷道条件，为了充分发挥锚杆支护的作用，提出以下设计原则：(1) 一次支护原则：锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。(2) 高预应力和预应力扩散原则：预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的