锚杆支护设计评判准则和匹配原则

锚杆支护设计评判准则和匹配原则探讨,概论支护设计的评判准则支护设计的规范化流程锚杆(索)参数设计中的锚固力匹配问题锚索与锚杆的匹配设计问题结论,马小钧简介,马小钧男，1961年生于山东省安邱市。1986年毕业于山东矿业学院采矿系，采矿高级工程师。中国煤炭工业协会煤矿支护专业委员会特聘专家。劳动人口部煤炭系统高级职业考评员，香港国际专利技术开发投资公司顾问。,1.概论：支护技术发展到今天，锚杆支护显著的优越性已成共识，锚杆支护在煤矿现场的应用发展迅猛，从某种意义上说，支护理论的发展相对滞后。到目前为止，锚杆支护的理论学说诸子百家，但真正能够方便用于现场设计的并不多；支护设计不能系统匹配，设计结果无法实现最优化，往往要么造成支护失败甚至酿成事故，要么造成经济上的巨大浪费；现场评价支护设计的标准只是支护的成功与否，而忽略了支护的技术经济问题，即安全的可靠性掩盖了支护的经济合理性。锚杆支护技术在工程实践中的广泛应用，迫使我们不得不面对这样一个课题：如何使设计做到安全上更可靠、技术上更可行、经济上更合理这实质上正是评价一个支护设计优劣的唯一标准。为促进锚杆支护技术的健康发展，提高锚杆支护系统的可靠性、实现锚杆支护的效益最大化，支护设计的规范化、科学化势在必行。,2.支护设计的评判准则2.1技术可行性准则技术可行性是指技术本身在实施过程中的难易程度和可操作性。支护技术的可行性是支护设计的前提，是实现安全可靠性和经济效益最大化准则的基础。2.2安全可靠性准则控制巷道围岩在生产过程中的相对稳定性，实现安全生产，是支护的根本目的。不能保证安全可靠性的设计，无论技术上多么先进、经济效益有多高，都是失败的设计，其实施的后果也是可想而知的。因此，安全可靠性是支护设计的否决条件。2.3经济效益最大化准则在技术上可行、安全上可靠的前提下，追求经济效益的最大化是支护设计的最终目的，也是设计工作者所应追求的最高境界。,3.支护设计的规范化流程支护设计只有做到科学化、规范化，才是真正实现科学管理、达到安全技术经济效益最大化设计目的的唯一途径。锚杆支护的设计流程，应遵循煤岩物理力学参数测量影响煤巷围岩分类指标各因素的确定分类指标的计算煤巷围岩类别的界定支护方案的确定支护参数的量化设计现场监控信息反馈优化设计的原则进行。因此，支护设计必须有与设计对象客观条件相适应的、明确的理论依据，尽可能详实的地质力学基础资料，严瑾的设计理念，明确的优化指标，及相应的信息反馈系统和电算程序化。3.1地质力学基础资料的调查是设计的基础支护设计要做好，就是对上述评判准则的实践，因此设计过程必须做到规范化、科学化。只有符合现场客观条件的设计才能够真正解决现场实际问题。,为此，每个矿井都应进行全面的地质力学调查(包括各采区各煤层的煤岩物理力学参数测试、地应力测量等)，建立尽可能详实可靠的地质力学基础资料。这是做好设计、真正实现设计目标所必须的基础工作。3.2围岩分类与支护设计的关系围岩分类是一个宏观的概念，旨在给人以粗线条的认识，在没有支护理论或支护理论发展的初期，它曾一度是我们进行支护设计的方法，但其实质是经验类比型设计方法。围岩分类只能用来宏观确定支护形式，而无法直接进行支护参数的设计与优化。因此，那种企图以分类代替设计的观点是幼稚的。围岩分类工作和支护参数设计工作是整个支护设计过程的两个阶段。两者既有密切联系又相对独立，不能互为代替。围岩分类结果用来进行支护方案的选择，参数设计则是支护方案的具体量化体现。,3.3分类方法的确定围岩的分类方法很多，从早期的普氏围岩硬度分类法、到董氏围岩松动圈分类法、煤岩截割阻抗分类法、蒋氏亚分类法、刘氏极限平衡区分类法，还有专门的软岩分类法等，均代表着人们在不同发展时期各自对支护对象的认知程度，各自从不同的角度去尽可能准确地描述支护对象、从而提出相应的支护形式。从这个意义上说，无论何种分类方法，只要能够更准确地描述和反应支护对象、并与支护设计有机地联系起来，就是好方法。以弹塑性理论为基础，充分考虑采动影响及岩体与岩石物理力学参数的差异，加以系数修正后的极限平衡区深入巷道围岩的深度为主要指标，以巷道周边位移u为辅助指标，进行巷道围岩分类的方法，简称极限平衡区分类法。,4.锚杆(索)参数设计中的锚固力匹配问题在支护载荷集度确定后，一般是根据围岩条件和施工组织先确定锚杆间排距，再进行锚杆直径的计算。锚杆支护除应坚持“三径”匹配原则外，设计上还应贯彻锚固力匹配原则，而几乎大多数锚杆支护设计只有锚杆长度、直径和间排距的设计，而恰恰忽略了的锚固长度、托盘和锚梁设计。在锚索和端锚式锚杆的支护设计中，锚固长度、托盘的设计与锚杆直径的设计同样重要，是最不应忽视的一环。锚固力匹配的原则是：内锚端的粘锚力、托盘的托锚力都必须与杆体的极限承载能力相匹配，或略大于杆体的极限承载能力，才能充分发挥所设计锚杆(索)的能力，保证支护的可靠性。,4.1端锚式锚杆(索)锚固长度的确定锚杆与锚索在计算锚固长度时，均应按粘锚力同锚杆(索)极限承载能力相匹配的原则进行，即：。锚杆体表面与树脂锚固剂间粘结力：(4-1)树脂锚固剂与钻孔岩壁间的粘结力：(4-2)而锚杆杆体的极限破断力为：(4-3)按的匹配原则有：(4-4)(4-5),当破坏发生在锚杆杆体与粘结剂之间时的锚固长度为：(4-6)当破坏发生在粘结剂与钻孔岩壁之间时的锚固长度为：(4-7)式中：为按破坏面发生在金属锚杆表面处所需锚固段长度；为按破坏面发生在钻孔岩壁表面处所需锚固段长度；为粘结剂同锚杆间的粘结强度；为杆体极限强度；为树脂锚固剂同钻孔岩壁间的粘结强度；为锚尾螺纹根径或锚索有效直径；为锚杆直径；为钻孔直径。,实际选用的锚固段长度应为二者之中的尺寸较大者，即：(4-8)树脂锚固剂卷长度可按等积原则确定：(4-9)锚杆(索)的长度为：(4-10)式中：Lmax为锚杆长度；L1为锚固长度；L2为锚尾长度，取0.1米，锚索为0.3米；为加固范围。,4.2托盘和锚杆的匹配设计问题4.2.1托盘面积的设计托盘面积的设计，通常在坚硬围岩条件下，目前的托盘面积已足够，而在较软的围岩条件下则必须进行必要的比压计算，从而设计确定托盘的最小尺寸。由：(4-11)得：锚杆托盘直径(4-12)锚索托盘直径(4-13),式中：为托盘直径；为托盘小孔的直径；为锚杆杆尾螺纹内径；为锚索的单丝直径；为围岩的单轴抗压强度；为锚杆或锚索的单轴抗拉强度；为载荷备用系数，一般取1.2-1.5；n为锚索钢绞线丝数。,4.2.2托盘厚度的设计在不同的围岩条件及不同的托盘材料情况下，托盘的受力状态是很复杂的，已经超出了线性力学的范畴。由于作者才疏学浅，力学模型很难建立，有志者可做进一步的理论研究或通过试验获得相关数据。但目前我们已知的是：托盘的刚度与其厚度的平方成正比，适当加大托盘的厚度对坚硬围岩条件下提高锚杆(索)系统承载能力，实现与锚杆(索)的合理匹配非常有效。,5.锚索与锚杆的匹配设计问题锚索与锚杆由于其刚度不同，延伸率不同，而锚索的初锚力又往往较高(100KN左右)，导致支护初期的载荷集中于锚索，在支护的整个周期内锚杆的工作锚固力基本维持在初锚力水平上(1030KN)，不能充分发挥其应有的作用。造成支护体系在整个支护过程中不能同步承载、形不成合力。从而大大降低了支护体系的整体支护能力，要么支护失败，要么造成浪费，达不到预期的效果。,57钢绞线锚索的极限承载能力216KN，而一根22mm等强锚杆极限承载能力为194KN，基本达到了锚索的极限承载能力，只不过锚固点更深一点而已。8m长锚索的极限变形量只有280mm,而2.2m长锚杆的极限变形量为352mm，加之锚索初锚力大，而锚杆初锚力小，其在支护过程中的剩余有效变形量相差就更大。因此，锚索先行破坏，这在软岩大变形的巷道尤其明显。而现场所有没出问题的原因是支护过于保守，只保住了安全而失去了技术经济合理性。锚索的钢绞线应进一步加大直径以提高承载能力，适当增加柔性以适应变形，实现与锚杆的变形能力匹配，达到与锚杆同步承载的目的。,5.1变形能力匹配无初锚力时：(5-1)(5-2)(5-3)(5-4)(5-5),有初锚力时：(5-6)(5-7)无论有、无初锚力，k值都是不变的，因此变形能力匹配的条件是：即：(5-8)(5-9),式中：锚索极限承载能力；锚杆极限承载能力；锚索初锚力；锚杆初锚力；锚索每丝直径；锚杆有效直径；锚索材料极限强度；,锚杆材料极限强度；锚索长度；锚杆长度；锚索延伸率；锚杆延伸率；锚索丝数。,n,5.2变形能力匹配的途径式(5-9)反映了锚索与锚杆的内在匹配关系。由此可知：既可以通过锚索直径和材质的调整实现匹配(这是最好的)，也可基于现有条件，通过调整锚杆与锚索初锚力的大小实现匹配。实际应用过程中还可通过图解法进行匹配设计，误差不