東榮一礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,東榮一礦,mta,設(shè)計(jì),cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 回采巷道復(fù)合頂板破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù) 摘要：隨著開采深度的增加，頂板條件漸漸由堅(jiān)硬頂板向復(fù)合型頂板變化，以往在堅(jiān)硬頂板條件下采用的單純錨栓支護(hù)方式已顯得不適應(yīng)，曾發(fā)生過(guò)多起冒頂事故，安全生產(chǎn)沒(méi)有保證。為此，本文分析復(fù)合頂板下的回采巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，變形特征；研究復(fù)合頂板在各種錨桿支護(hù)方案下的變形、破壞機(jī)理；分析復(fù)合頂板回采巷道的錨桿支護(hù)機(jī)理以及合理的控制技術(shù)與措施。 關(guān)鍵詞：復(fù)合頂板；聯(lián)合支護(hù)；高預(yù)緊（應(yīng)）力錨桿 1 引言 我國(guó)國(guó)有大中型煤礦煤層巷道應(yīng)用越來(lái)越多，回采巷道布置在煤系巖層中，受力情況較復(fù)雜，受采動(dòng)影響較大，是煤礦巷道圍巖控制的難點(diǎn)，當(dāng)圍巖強(qiáng)度及其穩(wěn)定性較差時(shí)，部分回采巷道會(huì)發(fā)生大范圍的支護(hù)失效和頂板冒落現(xiàn)象，不僅給井下作業(yè)人員人身安全帶來(lái)威脅，而且導(dǎo)致礦上企業(yè)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。復(fù)合頂板巷道在煤礦中有廣泛的分布，復(fù)合頂板的支護(hù)是國(guó)內(nèi)外巷道支護(hù)的難題之一。由于煤系地層為層狀沉積巖層，因而復(fù)合頂板是一種較常見的巖層賦存形態(tài)。復(fù)合頂板極軟煤層巷道圍巖為差異性很大的非均質(zhì)層狀賦存，在圍巖應(yīng)力作用下表現(xiàn)為頂板極易離層、冒落，難以形成承載結(jié)構(gòu)，強(qiáng)烈的兩幫移近、片幫及整體下沉，導(dǎo)致復(fù)合頂板下沉而離層破壞，頂板、兩幫變形相互作用，形成惡性循環(huán)。該類回采巷道采用傳統(tǒng)支護(hù)方式如工字鋼支架、U型鋼可縮支架支護(hù)時(shí)不僅在掘進(jìn)影響期間圍巖變形劇烈，而且在掘后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以趨于穩(wěn)定、變形量大，在服務(wù)期間需多次返修，巷道維護(hù)極為困難。隨著采深的增加，這類巷道的維護(hù)問(wèn)題將越來(lái)越突出，因此，尋求一種有效的支護(hù)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此，對(duì)回采巷道復(fù)合頂板破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)的研究與探討，為煤礦企業(yè)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的高產(chǎn)、高效安全生產(chǎn)起到了積極促進(jìn)作用。 2 復(fù)合頂板巷道變形破壞機(jī)理 2.1 復(fù)合頂板的概念及特點(diǎn) 所謂復(fù)合頂板，其實(shí)質(zhì)就是離層型頂板。即煤層上面有總厚0.3～3m易與上部巖層離層的頂板。這種頂板巖層的巖性主要是頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和薄層細(xì)砂巖，同時(shí)往往夾有薄層煤層、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)巖、植物化石碎屑和鏡煤條帶等。復(fù)合頂板由下軟上硬巖層構(gòu)成。下部軟巖層可能是一個(gè)整層，也可能是由幾個(gè)巖層組成的巖層組。這里的軟巖層與硬巖層只是一個(gè)形象的說(shuō)法，實(shí)際上是指：采動(dòng)后下部巖層或因巖石強(qiáng)度低，或因分層薄，其撓度比上部巖層大，向下彎曲的多，而上、下部巖層間又沒(méi)有多大的粘接力，因此下部巖層與上部巖層形成離層；從外表看，似乎下部巖層較軟，上部巖層較硬。 典型的復(fù)合頂板有“軟”、“弱”、“薄”三個(gè)特點(diǎn)： 1）煤層頂板由下軟上硬的不同巖性的巖層所組成； 2）軟、硬巖層間夾有煤線或薄層軟弱巖層，易離合，差異較大； 3）下部軟巖層的厚度一般較薄，通常情況下不小于0.5 m，且不大于3.0 m，冒落后不能充滿采空區(qū)。 除此之外，當(dāng)偽頂厚度超過(guò)0.5 m時(shí)（超過(guò)0.5 m厚的隨采隨冒的軟弱巖層不能叫偽頂），現(xiàn)場(chǎng)往往采用“托偽頂”開采。在這種情況下，煤層的頂板就是復(fù)合頂板。 應(yīng)用留煤皮方法采煤時(shí)，如果煤皮厚度在0.5~3.0 m之間，而煤皮與頂板又易分離或煤層有偽頂，則采煤工作面也處在復(fù)合頂板之下。 厚煤層應(yīng)用傾斜分層下行垮落開采時(shí)，第二分層以及以下分層可能處在再生頂板之下。如果再生頂板的厚度在0.5~3.0 m，其上為較硬巖層或咬合住的斷裂巖塊，再生頂板與它又沒(méi)有多大的粘接力，則在回采第二分層及以下分層時(shí)，該分層也處在再生的復(fù)合頂板之下。 復(fù)合頂板下部巖層與上部巖層在力學(xué)特性方面的主要差別是他們之間的厚度（包括互層中的分層厚度）、變形模量、泊松比及內(nèi)摩擦角、黏聚力等方面相差較大。 2.2 復(fù)合頂板的巖性及結(jié)構(gòu) 復(fù)合頂板的一半特性是下軟上硬，容易發(fā)生離層。在軟硬頂板之間存在有薄弱面和光滑面，軟硬巖層之間的粘接力很小，極易分離。當(dāng)采掘工作進(jìn)行后，松軟頂板的下沉與堅(jiān)硬頂板的下沉不同步，因而兩層見發(fā)生了離層，尤其在錨桿預(yù)應(yīng)力很小時(shí)，離層現(xiàn)象更加突出，其巷道頂板巖層的層間離層如圖1所示。 如圖1的情況是普遍常見的結(jié)構(gòu)。還有一些特殊的形成狀態(tài)，如沖刷造成的頂板由一種巖性，分成兩種不同的巖性。兩層的層理分明、中間夾有薄弱煤巖或光滑面，使非復(fù)合型頂板，變?yōu)閺?fù)合型頂板。如圖2所示。 在實(shí)際生產(chǎn)工作中，因地質(zhì)情況調(diào)查不清楚，而未能采區(qū)相應(yīng)措施，出現(xiàn)大型的冒頂事故。 在一些傾角較小，而水平斷距又很大的各類斷層的作用下，也會(huì)出現(xiàn)不同類型的復(fù)合型頂板。如圖3所示。 此外，在近距離煤層群中，上一層煤的采厚由可采變?yōu)椴豢刹?，且該層的直接頂比較硬，下一層的頂板比較軟，使得下層的頂板與上層煤層共同構(gòu)成了復(fù)合型頂板。如圖4所示。 圖1 巷道頂板巖層的層間離層 圖2 由非復(fù)合型頂板變?yōu)閺?fù)合型頂板 圖3 由不同類型斷層形成的復(fù)合型頂板 圖4 下煤層的頂板與煤層構(gòu)成為復(fù)合型頂板 2.3 復(fù)合型頂板的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn) 巷道開挖后，巖層抗水平應(yīng)力的截面減少，在水平應(yīng)力作用下煤層沿水平層理面向巷道擠入，致使巷道幫頂受水平應(yīng)力作用而破壞；圍巖中節(jié)理構(gòu)造面的存在對(duì)圍巖的承載能力及其穩(wěn)定性影響很大，尤其是節(jié)理面與最大主應(yīng)力方向斜交時(shí)，巖體最容易沿節(jié)理弱面破壞而失穩(wěn)；巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)由三軸應(yīng)力變?yōu)閱屋S壓應(yīng)力狀態(tài)，由于巖石單軸抗壓強(qiáng)度低，致使圍巖產(chǎn)生塑性破壞或沿節(jié)理弱面破壞、隨著錨固巖體的變形、離層和彎曲，巷道中部的錨桿始終受力，若錨桿的長(zhǎng)度、剛性越大，會(huì)使之受力越大，錨桿受力即可達(dá)到強(qiáng)度極限而破壞，則巖層發(fā)生破壞。 復(fù)合型頂板礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)可總結(jié)如下： 1、頂板變形量大。由于復(fù)合頂板由松軟巖層組成，巖層的彈性模量低，在長(zhǎng)期的地層壓力作用下，巖層內(nèi)積聚了大量的彈性變形能。巷道開掘后，巷道表面圍巖應(yīng)力解除，巖層內(nèi)積聚的彈性變形能釋放，從而產(chǎn)生變形。巖層愈軟，變形量愈大；地層壓力愈大，變形量愈大。復(fù)合頂板的變形量可達(dá)200~400mm。 2、頂板變形時(shí)間長(zhǎng)。巷道掘出后，巷道表層或淺層的彈性變形能會(huì)迅速釋放，表現(xiàn)為巷道開掘初期變形速度快。巷道圍巖彈性變形能的釋放，是由淺而深逐漸發(fā)展的，圍巖的變形會(huì)由快變慢、長(zhǎng)期發(fā)展，但不會(huì)像堅(jiān)硬巖層巷道那樣停止變形，圍巖的變形范圍會(huì)越來(lái)越大。巖層愈軟，巷道變形延續(xù)的時(shí)間愈長(zhǎng)，圍巖變形的范圍愈大。復(fù)合頂板的變形范圍可達(dá)5~8m以上。 3、頂板壓力大。必須對(duì)頂板巖層內(nèi)大量的彈性變形能的釋放予以控制。過(guò)度的釋放會(huì)導(dǎo)致頂板巖層的離層和破壞，而釋放不足則會(huì)極大地增加頂板的支護(hù)壓力。在不采取任何措施的情況下，錨索支護(hù)屬于剛性支護(hù)。錨索支護(hù)系統(tǒng)的剛性系數(shù)大，只允許頂板有很小的變形。當(dāng)頂板巖層內(nèi)的彈性變形能得不到適當(dāng)?shù)尼尫?，頂板壓力?huì)越來(lái)越大，直至錨索被破壞。這種大變形的頂板礦壓顯現(xiàn)特性與錨索的支護(hù)特性顯然不相協(xié)調(diào)。 2.4 復(fù)合型頂板的變形破壞特征 復(fù)合頂板具有雙重力學(xué)屬性，在外載作用下，隨其自身狀態(tài)不同呈現(xiàn)兩種變形特征，即相對(duì)完整狀態(tài)與類似散體軟巖狀態(tài)。 2.4.1 相對(duì)完整狀態(tài)的復(fù)合頂板變形移動(dòng)規(guī)律 所謂相對(duì)完整狀態(tài)，是指煤層頂板的變形移動(dòng)發(fā)生在頂板組成分層之間，而頂板巖層分層自身則保持完整的穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，頂板巖層是由層狀巖體組成的復(fù)合頂板。 層狀巖體屬于典型的橫觀各向同性體，分層層面是其主要弱面。層狀巖體的分層層面屬閉合節(jié)理，根據(jù)剪切試驗(yàn)，在順層理方向剪切下，閉合節(jié)理表現(xiàn)有峰值和殘值，即層狀巖體的分層層面有一定的剪切強(qiáng)度，且在分層之間發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)后，同樣保持微小的殘余強(qiáng)度。部分煤系巖層層面的力學(xué)參數(shù)見表1。 表1 部分煤系巖層層面的力學(xué)參數(shù) 層面兩側(cè)巖石 切向剛度系數(shù) KS/MPa 切向剛度系數(shù) Kn/MPa 黏結(jié)系數(shù) C/MPa 內(nèi)摩擦角 φ/(°) 石灰?guī)r與煤層 24.5 981 0.2 35 煤層與頁(yè)巖交互層 14.7 588 0.1 25 頁(yè)巖互層與砂巖 14.7 588 0.1 25 此時(shí)頂板層狀巖體的強(qiáng)度可表示為： τ = σ×tanφr+Cr （2-1） 式中 Cr————層面處的黏結(jié)系數(shù)； φr————層面處的內(nèi)摩擦角。 當(dāng)頂板層狀巖體在外載作用下，層面處的法向應(yīng)力σ與層面的剪切應(yīng)力τ滿足式2-1時(shí)，頂板將沿分層層面發(fā)生剪切破壞，相鄰的分層沿層面相對(duì)滑移。 因此作為回采巷道頂板，在無(wú)支護(hù)條件下，其移動(dòng)破壞可分為一下幾個(gè)階段。 1）沿層面的分層相對(duì)滑移階段 巷道開掘后，巖體內(nèi)原有平衡狀態(tài)被打破，巷道頂板最初以整體巖體承擔(dān)上覆巖層的重力載荷。在原巖應(yīng)力及掘巷集中應(yīng)力的作用下，巷道頂板巖體發(fā)生變形，同時(shí)內(nèi)力增加，當(dāng)層面處的內(nèi)應(yīng)力σ、τ滿足式2-1時(shí)，巖體發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生層間滑動(dòng)，由于分層層間滑動(dòng)，使層面的力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步減小，整體強(qiáng)度降低。 層面滑動(dòng)范圍與掘巷前的應(yīng)力場(chǎng)及開掘巷道的斷面形狀有關(guān)。當(dāng)巷道跨度L與頂板分層厚度h之比較小時(shí)，即在分層厚度相對(duì)較大的情況下，只會(huì)在巷道兩側(cè)的頂板支撐區(qū)產(chǎn)生層間滑動(dòng)，在巖體中表現(xiàn)為與層理近乎垂直的張開裂隙，如圖5所示。當(dāng)巷道跨度L與頂板分層厚度h之比較大時(shí)，即在分層厚度相對(duì)較小的情況下，滑動(dòng)區(qū)可能波及整個(gè)跨度內(nèi)的直接頂板巖層，此時(shí)下位巖層在中心處與其上位巖層有脫開而離層的趨勢(shì)。 2）分層層間離層階段 頂板分層沿層面的相對(duì)滑動(dòng)，將改變其自身的應(yīng)力狀態(tài)。若此時(shí)變形后的圍巖體與上覆巖層形成的載荷仍不能取得力學(xué)平衡，則直接位于巷道上方巖層的變形將繼續(xù)發(fā)展，縱向變形（下沉）增大。 由于下位巖層的下沉速度大于上位巖層的下沉速度，變形發(fā)展到一定程度，即形成巷道頂板巖層的層間離層，離層范圍及離層巖層數(shù)也逐漸增加。 3）頂板巖層逐層彎曲折斷階段 隨著離層范圍的增加，與上位巖層離層的巖層必須單獨(dú)承擔(dān)自身的全部重量。當(dāng)巖層懸空跨度達(dá)到極限跨距，巖層內(nèi)最大拉應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層將會(huì)發(fā)生彎曲張拉破壞。斷裂后的巖塊若不能形成橫向作用力下的鉸接平衡，便從巷道頂板垮落下來(lái)。離層巖層的這一活動(dòng)過(guò)程可以按均布載荷作用下的固定梁或簡(jiǎn)支梁變形破壞過(guò)程的分析加以說(shuō)明。 由于離層區(qū)域自下而上減小，則巷道頂板巖層各分層可能出現(xiàn)的懸空跨距也自下而上減小。當(dāng)頂板下位巖層強(qiáng)度較低、分層厚度較小時(shí)，頂板巖層從裸露在外的第一層開始，向上逐層垮落，如圖6所示。 2.4.2 類似散體軟巖狀態(tài)的復(fù)合頂板變形移動(dòng)規(guī)律 煤層頂板整體性破壞后（如出現(xiàn)局部冒落），頂板破壞急劇發(fā)展呈現(xiàn)類似散體的破碎狀態(tài)，其變形移動(dòng)過(guò)程可分為如下幾個(gè)階段。 1）水平移動(dòng)并形成大量超薄子分層 頂板冒落空間形成后，空間四周各分層巖層向冒落空間水平移動(dòng)。各分層巖層在水平移動(dòng)過(guò)程中，其內(nèi)部含超薄復(fù)合分層產(chǎn)生滑移錯(cuò)動(dòng)，形成了數(shù)目眾多、厚度極?。ㄐ∮?0 mm）的子分層，使薄層復(fù)合頂板下位分層成為具有工程意義的軟巖。 2）下位軟巖持續(xù)水平移動(dòng) 冒落空間周圍大范圍的下位軟巖，向冒落空間擠出與彎曲，形成較大的破碎變形壓力。 3）薄層子分層隨著頂板分層水平移動(dòng)，因其自身強(qiáng)度低而形成類似散體的破壞。 圖5 沿層面的滑動(dòng) 圖6 巷道層狀巖層頂板冒落形狀 2.4.3 無(wú)支護(hù)條件下巷道頂?shù)装鍖訝顜r體垮落高度的估算 根據(jù)A·鮑里索夫的建議，開掘在層狀巖層的巷道，在長(zhǎng)期無(wú)支護(hù)情況下，其頂板巖層的垮落高度H為 H=(L－ζ×(0.04×σk×hk/nγk)1/2)×tanδ/2 （2-2） 式中 ζ————壓縮蠕變系數(shù),取0.5~0.7； hk————直接位于冒落空洞之上的第k層巖層分層厚度； σk、γk————第k層巖層的順層抗拉強(qiáng)度和巖石重力密度； δ————垮落梯形的邊界腰線與層面間的夾角，參照軟弱巖層的破斷 角，其值可取60°~80°； n————承載能力安全系數(shù)，可取n=4。 其中，可按下述步驟確定冒落空間上方裸露分層的層位k： 1）確定巷道頂板各分層因其下分層垮落形成的懸空跨距Li。對(duì)巷道頂板巖層各分層自下而上編號(hào)，即巷道直接頂板由第i=1，2，3，…，k，…，n層巖層組成，第i分層層厚為hi，巷道頂板各分層因其下分層垮落形成的懸空垮落步距Li為 Li= Li－1－2h i－1 cotδ （2-3） 顯然，L1=L，即第一分層的懸空跨距等于巷道斷面上方的橫向尺寸。 2）計(jì)算巷道頂板巖層各分層的極限跨距Lji。設(shè)巷道頂板巖層各分層的順層抗拉強(qiáng)度及重力密度分別為σi、γi（i=1，2，3，…，k，…，n），則每一分層巖層在長(zhǎng)期無(wú)支護(hù)情況下，保持自身平衡而不冒落的極限跨距為 Lji=ζ×(0.04×σk×hk/nγk)1/2 （2-4） 3）求k值。依次比較Li與Lji（i=1，2，3，…，k，…，n），若Lji＜Li，則該分層將發(fā)生垮落，直到某一分層i時(shí)Lji≥Li，則該分層將不冒落，其所在層位序號(hào)i即是所求的k值，即該分層是冒落空間上方懸露的頂板分層。 2.5 復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理 最大水平主應(yīng)力理論認(rèn)為，圍巖層狀特征比較突出的回采巷道開挖后引起應(yīng)力重新分布時(shí)，垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，從而引起水平、垂直應(yīng)力的相互轉(zhuǎn)換疊加，引起應(yīng)力集中，引起頂板離層、底板鼓起及兩幫外移。 圖7為開掘巷道后巖體的受力情況，N為垂直應(yīng)力，F(xiàn)為原水平應(yīng)力。 巷道開挖后，巷道的頂板變?yōu)橐浑p支梁，開挖段的壓力向兩幫轉(zhuǎn)移，造成兩幫壓力增大，引起兩幫的水平應(yīng)力F'與原F疊加造成水平應(yīng)力集中，導(dǎo)致兩幫煤體的向里位移。巷道的水平應(yīng)力，由于頂、底、煤體的層理作用，煤體向里位移，層面間就產(chǎn)生剪切力(摩擦力)F″，剪切力隨著頂?shù)装宓募雍穸鴾p小，剪切力F″與原F疊加，從而造成頂、底板水平應(yīng)力集中，特別是與煤層接觸的一層頂、底板水平應(yīng)力最大，從而引起頂、底板彎曲，即頂板下沉，底鼓。嚴(yán)重者造成巷道破壞。 復(fù)合頂板巷道的變形主要是頂板的撓曲下沉與底板的鼓起，巷道兩幫的位移量相比頂?shù)装宓奈灰屏枯^小。巷道頂?shù)装灞砻娑加休^大的位移量，其中巷道頂板中央的位移量最大，方向垂直向下。巷道圍巖的位移由巷道的頂?shù)装灞砻嬷另數(shù)装宓纳畈恐饾u減小。 圖7 巷道圍巖受力情況 由于巷道可以簡(jiǎn)化為為平面應(yīng)變模型，用FLAC數(shù)值模擬軟件中的彈性模型模擬了翟鎮(zhèn)煤礦3416面軌巷的應(yīng)力分布情況，如圖8所示。其應(yīng)力在平面內(nèi)存在水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力及剪應(yīng)力。因而可以將巷道內(nèi)各單元的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)與最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)。由彈性力學(xué)的知識(shí)可知，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的方向是 相互垂直的，如圖中所示。在巷道的幫角處，受較大的剪應(yīng)力作用。巷道圍巖中的最大拉應(yīng)力為2.1 MPa，最大壓應(yīng)力為25.3 MPa。在巷道頂?shù)装逯谐霈F(xiàn)拉主應(yīng)力的絕對(duì)值大于壓主應(yīng)力的情況，并且部分單元的拉主應(yīng)力的方向是水平的，根據(jù)抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，巖體中一旦出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域往往會(huì)最先破壞的原則，說(shuō)明巷道頂?shù)装逯胁糠謪^(qū)域的破壞將是拉應(yīng)力破壞。 巷道幫角處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，觀察到巷道幫角處的主應(yīng)力的方向?yàn)閤軸與y軸成45°或135°的方向上。根據(jù)最大與最小的切應(yīng)力其值為，±（σ1－σ2）/2發(fā)生在與x軸及y軸成45°的斜面上，可以斷定在巷道的幫角處的最大主應(yīng)力即為剪應(yīng)力，所以巷道的幫角處容易發(fā)生剪切破壞。 如圖9所示，巷道頂?shù)装逯谐霈F(xiàn)了范圍較大的卸壓區(qū)(應(yīng)力降低區(qū))，巷道頂?shù)装灞砻娴拇怪睉?yīng)力降到了上覆巖層應(yīng)力的1/4左右，由頂板表面向上及由底板向下垂直應(yīng)力降低程度都逐漸減小，直至恢復(fù)到上覆巖層應(yīng)力水平。巷道兩幫為應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力集中程度最大達(dá)到2.25倍，在巷道兩幫大約1/2巷寬，即1.7 m左右范圍內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)仍達(dá)到了1.25。側(cè)壓系數(shù)人對(duì)圍巖的應(yīng)力分布影響較大，λ<1時(shí)，巷道兩幫是應(yīng)力增高區(qū)。在模擬中λ=0.3所模擬出的結(jié)果符合以上所述的規(guī)律。巷道兩幫在高集中應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，產(chǎn)生較大的移近量，甚至兩幫的片幫。在巷道幫角處都出現(xiàn)了剪應(yīng)力，容易出現(xiàn)剪切破壞。 圖8 巷道圍巖主應(yīng)力分布矢量圖(據(jù)楊峰，2006) 圖9 復(fù)合頂板巷道垂直應(yīng)力分布等值云圖(據(jù)楊峰，2006) 根據(jù)模擬厚層復(fù)合頂板在無(wú)支護(hù)情況下，頂板發(fā)生大的撓曲下沉，在所給定的巖性條件下，復(fù)合頂板表面的下沉大于125 mm，最大達(dá)到142 mm，導(dǎo)致復(fù)合頂板呈梯形冒落。復(fù)合頂板矩形巷道的底板發(fā)生底鼓，底鼓量大于50 mm。而兩幫的位移相對(duì)于頂?shù)装宓奈灰戚^小。 巷道頂板的塑性區(qū)范圍較大，在頂板巖層中第一個(gè)層理以下的巷道上方均出現(xiàn)了塑性區(qū)，頂板巖層中的薄煤層煤4上也大部分呈現(xiàn)屈服狀態(tài)。在巷道的兩幫表面單元部分出現(xiàn)塑性區(qū)，由于煤層較硬，所以兩幫的變形較小，塑性區(qū)也較小，底板中基本沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)。 復(fù)合頂板巷道在彈塑性數(shù)值模擬時(shí)，巷道的應(yīng)力分布規(guī)律與彈性分析時(shí)相似，巷道的拉應(yīng)力區(qū)的范圍稍有擴(kuò)大，拉應(yīng)力的最大值有所增大。巷道的頂?shù)装逋瑯映霈F(xiàn)垂直應(yīng)力卸載區(qū)，而兩幫成為垂直應(yīng)力集中區(qū)，由于煤層較硬，所以兩幫的變形較小，塑性區(qū)也較小。巷道的幫角處為剪應(yīng)力區(qū)，幫角處最大主應(yīng)力即為剪應(yīng)力，容易發(fā)生剪切破壞。 巷道開掘后，頂板中部分區(qū)域中的垂直應(yīng)力降低，部分垂直壓力轉(zhuǎn)移到巷道兩幫形成垂直應(yīng)力集中。復(fù)合頂板在水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和自重應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生撓曲下沉，各巖層之間離層，如圖10所示。 圖10中位移不連續(xù)處即為頂板離層發(fā)生處，由于復(fù)合頂板中各薄巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，在大變形(離層、下沉)下，逐漸破碎冒落，導(dǎo)致復(fù)合頂板各巖層由下至上分層垮落。 圖10 巷道垂直位移分布云圖(據(jù)楊峰，2006) 3 復(fù)合頂板巷道控制理論 3.1 巷道錨桿支護(hù)理論基礎(chǔ) 傳統(tǒng)的懸吊、組合梁、組合拱等錨桿支護(hù)理論是根據(jù)處于彈性狀態(tài)的完整巖體提出的，而且只適用于特定的條件，對(duì)于圍巖處于峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的破裂巖體。上述理論不能解釋錨桿支護(hù)的作用機(jī)理。近期國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者研究了錨桿支護(hù)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的改善，但僅限于巖石處于峰前彈性狀態(tài)下對(duì)內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角、彈性模量E的作用，未涉及巖石處于峰后的情況。圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論認(rèn)為： 1）巷道錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域的巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載機(jī)構(gòu)。 2）巷道錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)()改善被錨固巖體的力學(xué)性能。 3）巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)的巖體則處于破碎區(qū)或處于上述2~3個(gè)區(qū)域中，相應(yīng)錨固區(qū)的巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度。錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。 4）煤巷錨桿支護(hù)可以改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。 5）巷道圍巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少巷道周圍破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定。 運(yùn)用極限平衡理論，在各向等壓的情況下，圓形巷道的塑性區(qū)半徑和周邊位移的計(jì)算式為： （3-1） （3-2） 式中：u——巷道周邊位移； R——塑性區(qū)半徑； p——原巖應(yīng)力； pi——支護(hù)阻力； a——圓形巷道半徑； ——圍巖內(nèi)摩擦角； ——圍巖的粘聚力； ——剪切彈性模量。 由式3-1和式3-2可知，巷道的穩(wěn)定性和周邊位移主要取決于巖層的原巖應(yīng)力，反映巖石強(qiáng)度性質(zhì)的內(nèi)摩擦角和粘聚力。再因在給定巷道條件下，原巖應(yīng)力是定值，內(nèi)摩擦角和粘聚力愈小，也就是圍巖強(qiáng)度愈低，則周邊位移值顯著增大。 針對(duì)巷道圍巖中等穩(wěn)定的條件，根據(jù)理論研究、計(jì)算和相似材料模擬試驗(yàn)，得到了以下認(rèn)識(shí)： 1）錨固體破壞前后的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、錨固體極限強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度隨錨桿支護(hù)強(qiáng)度增加而提高，破壞后的較破壞前的提高更顯著，因此錨桿可以增強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性，控制巷道的周邊位移。見表2、表3。 2）破裂巖體中布置的錨桿強(qiáng)化了巖體的和，的強(qiáng)化大于的強(qiáng)化，與的強(qiáng)化比值為1.06~1.13，這對(duì)破裂巖體的穩(wěn)定十分有利。 3）破裂巖體的和隨的增加而不斷強(qiáng)化，達(dá)到一定程度就能保持圍巖的穩(wěn)定，見圖11。這就是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)參數(shù)研究的基本依據(jù)。 表2 不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞前C、α值 錨桿支護(hù)強(qiáng)度σt/MPa 0 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.22 等效內(nèi)聚力C/MPa 0.347 0.357 0.363 0.368 0.383 0.377 0.387 等效內(nèi)摩擦角α/(°) 31.51 31.53 33.51 35.37 37.14 38.80 40.40 表3 不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度下錨固體破壞后C*、值 錨桿支護(hù)強(qiáng)度σt/MPa 0 0.06 0.08 0.11 0.14 0.17 0.22 等效內(nèi)聚力C/MPa 0.0168 0.0182 0.0183 0.0184 0.0186 0.0194 0.021 等效內(nèi)摩擦角α/(°) 31.51 31.53 33.51 35.37 37.24 40.40 40.40 3.2 復(fù)合頂板巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)原理 3.2.1 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)概念、特征 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)是一種十分先進(jìn)的支護(hù)方式，在軟巖巷道支護(hù)中具有廣闊的發(fā)展前景。聯(lián)合支護(hù)并非是各種支護(hù)構(gòu)件的簡(jiǎn)單疊加，而是應(yīng)該適應(yīng)巷道圍巖非線性大變形的特點(diǎn)，充分發(fā)揮錨桿、錨索的支護(hù)能力，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)巷道實(shí)現(xiàn)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。 圖11 錨固體應(yīng)力應(yīng)變曲線 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)就是針對(duì)巷道圍巖由于塑性大變形而產(chǎn)生的大變形不協(xié)調(diào)部位，通過(guò)錨網(wǎng)—圍巖以及錨索—關(guān)鍵部位的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、載荷均勻化，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。 在整個(gè)支護(hù)體系中，錨桿通過(guò)與圍巖的相互作用，起著主導(dǎo)承載作用，同時(shí)能夠防治圍巖的松動(dòng)破壞，并有一定的伸縮性，可隨巷道的變形，而不失去支護(hù)能力。錨網(wǎng)的主要作用是防止錨桿間的松軟巖石垮落，提高支護(hù)的整體性。錨索作為一種新型的加強(qiáng)支護(hù)形式，由于錨固深度大，可將下部不穩(wěn)定的巖層錨固在上部穩(wěn)定巖層中，同時(shí)可施加預(yù)緊力，主動(dòng)支護(hù)圍巖，能夠充分調(diào)動(dòng)巷道深部圍巖的強(qiáng)度。 根據(jù)巷道圍巖變形的破壞機(jī)理，巷道實(shí)現(xiàn)聯(lián)合支護(hù)的基本特征是：強(qiáng)度耦合、剛度耦合和結(jié)構(gòu)耦合。 強(qiáng)度耦合能夠充分釋放膨脹能等非線性能量，最大限度的保護(hù)圍巖的承載能力；剛度達(dá)到耦合，可實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的一體化、載荷的均勻化；結(jié)構(gòu)耦合可使支護(hù)體對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面不連續(xù)變形部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以防止圍巖個(gè)別部位發(fā)生有害的變形損傷。支護(hù)體與圍巖的耦合，及時(shí)限制圍巖塑性大變形產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)部位，實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定。 3.2.2 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)原理 根據(jù)巷道聯(lián)合支護(hù)的特征，巷道聯(lián)合支護(hù)的遠(yuǎn)離包括錨桿與圍巖之間的耦合。錨網(wǎng)與圍巖之間的耦合以及錨索關(guān)鍵部位的耦合。 1）錨桿與圍巖耦合支護(hù)原理 (1) 錨桿與圍巖相互作用機(jī)理。巷道開挖后，圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生改變。不同部位的巖體，由于受力狀態(tài)不同，所表現(xiàn)的強(qiáng)度特征頁(yè)各不相同，如圖12所示。對(duì)巷道的頂板和底板的A點(diǎn)和C點(diǎn)，處于受拉狀態(tài)，而巖石的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，因此極易發(fā)生破壞。對(duì)于巷道幫部的B點(diǎn)，處于受壓狀態(tài)，因此其強(qiáng)度表現(xiàn)要比A點(diǎn)高。圍巖內(nèi)部的D點(diǎn)，仍處于三向狀態(tài)，因此其強(qiáng)度變現(xiàn)相對(duì)較高。 圖12 巷道圍巖受力分析 打入錨桿后，由于錨桿與圍巖的相互作用，使巷道的圍巖受力狀態(tài)發(fā)生了改變。錨桿對(duì)圍巖的加固作用機(jī)理比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：錨桿與圍巖黏結(jié)在一起，提高了巖體的整體剛度，增強(qiáng)了巖體的抗變形能力；由于錨桿的抗拉作用，當(dāng)錨桿穿過(guò)破碎巖層深入穩(wěn)定巖層時(shí)，對(duì)不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用；對(duì)于層狀巖體，由于錨桿的作用，對(duì)巖層離層的作用起著一定的阻礙作用，并增大了層間的摩擦力，與錨桿本身的抗剪作用阻止層間的相對(duì)滑動(dòng)，從而將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，提高了巖層的承載能力；由于錨桿的作用，改變了邊界巖體的受力狀態(tài)，使其由一維狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三維受力狀態(tài)，提高了巖體的承載能力。 在不同階段，錨桿與圍巖的相互作用有所不同。在早期階段，錨桿的主要作用是控制頂板下部巖體的錯(cuò)動(dòng)和離層失穩(wěn)的發(fā)生；在中期階段，巖層產(chǎn)生了一定的變形，由于巖石的流變效應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，巖層強(qiáng)度不斷降低，當(dāng)錨桿深入穩(wěn)定的巖層時(shí)，其懸吊作用處于主要位置，同時(shí)由于錨桿的徑向和切向約束，阻止破壞區(qū)巖層擴(kuò)容、離層和錯(cuò)動(dòng)；在后期階段，圍巖變形增大，錨桿受力增大，在設(shè)計(jì)合理的情況下，只要錨桿不產(chǎn)生破壞，圍巖的穩(wěn)定層仍在錨桿的控制范圍內(nèi)，仍可起懸吊作用，若穩(wěn)定層上移，使錨桿完全處于破壞層內(nèi)，則錨桿和破壞巖體仍可形成承載圈，具有一定的承載能力。 (2) 錨桿與圍巖耦合作用分析。傳統(tǒng)的組合拱設(shè)計(jì)觀點(diǎn)認(rèn)為，巷道圍巖打入錨桿后所形成的組合拱厚度與錨桿的間排距、錨桿對(duì)巖體的控制角α有關(guān)，一般α取45°。根據(jù)數(shù)值模擬的研究結(jié)果，α的取值及錨桿調(diào)動(dòng)巖體的范圍應(yīng)根據(jù)錨桿與圍巖的耦合程度來(lái)確定。 由于巖體的開挖，頂部巖體要向下移動(dòng)、變形，上部巖體和下部巖體的變形大小是不同的。錨桿的存在，增大了巖體的整體剛度，使巖體的變形更加協(xié)調(diào)，下部巖體的變形比上部巖體的變形大得多，此時(shí)錨桿就處于一種受拉狀態(tài)，當(dāng)錨桿頂端深入穩(wěn)定巖體中時(shí)，錨桿對(duì)下部巖體起著懸吊作用。當(dāng)單根錨桿與巖體在剛度上實(shí)現(xiàn)耦合時(shí)，即錨桿與圍巖在剛度上相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，錨桿的作用范圍比通常認(rèn)為的錨桿頂端沿45°向下的區(qū)域增加60%作用。若將巖體彈性模量降低到10 MPa，錨桿彈性模量為10 GPa時(shí)，通常的認(rèn)識(shí)才符合事實(shí)，同時(shí)，其他部位錨桿的作用范圍也有所降低。 同樣，群錨加固巖體的影響范圍的大小并不都是錨桿頂部向下45°范圍內(nèi)。模擬結(jié)果表明，當(dāng)錨桿與圍巖在剛度上達(dá)到耦合時(shí)，即錨桿彈性模量為100 GPa、巖體彈性模量為1 GPa時(shí)，群錨的范圍比此范圍增大20%左右；當(dāng)巖體彈性模量為10 MPa時(shí)，才是通常認(rèn)為的沿錨桿頂端向下45°的加固范圍；當(dāng)巖體彈性模量為10 MPa和1 MPa之間時(shí)，群錨的加固范圍又相繼降低。 因此可以認(rèn)為，在耦合條件下，即錨桿與圍巖在剛度上相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，錨桿調(diào)動(dòng)巖體強(qiáng)度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)極限。 2）錨網(wǎng)與圍巖耦合支護(hù)原理 錨網(wǎng)與圍巖的耦合作用十分重要，過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的錨網(wǎng)支護(hù)，都會(huì)引起局部應(yīng)力集中而造成巷道破壞。只要錨網(wǎng)與圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到耦合時(shí)，變形才能相互協(xié)調(diào)。達(dá)到耦合的標(biāo)志是圍巖應(yīng)力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過(guò)程中，向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，從而達(dá)到最佳支護(hù)效果。 (1) 圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。如圖13所示，數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道開掘初期，巷道圍巖應(yīng)力迅速集中，巷道兩幫是巷道垮落的危險(xiǎn)區(qū)域。在實(shí)施錨網(wǎng)與圍巖耦合支護(hù)后，應(yīng)力集中區(qū)下降，而幫部低應(yīng)力區(qū)迅速升高，整個(gè)圍巖不同部位應(yīng)力狀態(tài)趨于均勻化。由此可見，錨網(wǎng)與圍巖耦合支護(hù)技術(shù)，改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了圍巖應(yīng)力擴(kuò)散均勻化的過(guò)程。 (2) 圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化。隨著圍巖受力由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)也趨于均勻化。 3）錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)原理 錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)就是根據(jù)位移反分析原理，確定支護(hù)系統(tǒng)二次組合支護(hù)的最佳時(shí)間，在關(guān)鍵部位實(shí)施支護(hù)體和圍巖再次耦合，最大限度地發(fā)揮圍巖的承載能力，從而使支護(hù)體的支護(hù)抗力降到最低。 在均質(zhì)圍巖條件下，沒(méi)有錨索支護(hù)時(shí)，直墻半圓拱巷道周圍形成“雙耳”應(yīng)力集中關(guān)鍵部位，常常造成巷道兩幫剪切破壞；在應(yīng)力集中關(guān)鍵點(diǎn)施加錨索后，淺部圍巖剪應(yīng)力集中程度明顯減小，深部圍巖的剪應(yīng)力水平顯著增加，表明調(diào)動(dòng)了深部巖體強(qiáng)度，控制了淺部巖體穩(wěn)定性。無(wú)錨索支護(hù)時(shí)，巷道拱頂應(yīng)力集中程度較高，施加錨索后，應(yīng)力集中程度大幅降低，同時(shí)使深部圍巖巖體Py發(fā)生集中。 圖13 圍巖頂部集中應(yīng)力區(qū)向幫部低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)換過(guò)程 1—掘進(jìn)錨噴后圍巖應(yīng)力狀態(tài)；2—錨網(wǎng)與圍巖耦合設(shè)計(jì)作用后應(yīng)力狀態(tài)； 3—應(yīng)力轉(zhuǎn)化中性點(diǎn)；4—應(yīng)力變化趨勢(shì) 通過(guò)比較可以看出，施加錨索支護(hù)后與施加前巷道圍巖應(yīng)力分布具有明顯的不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴(kuò)張，應(yīng)力集中程度相對(duì)減小，在巷道圍巖深部錨索頂端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。在說(shuō)明錨索的作用，促使巷道深部巖體也承擔(dān)惡劣淺部圍巖的支護(hù)載荷，從而減小了巷道的變形量。另外，巷道開挖后，圍巖的應(yīng)力由空區(qū)向深部逐漸增大到原巖應(yīng)力，正是由于錨索作用，調(diào)動(dòng)了巷道深部圍巖強(qiáng)度，從而達(dá)到對(duì)巷道淺部圍巖的支護(hù)效果。 3.3 復(fù)合頂板巷道預(yù)緊（應(yīng)）力支護(hù)理論基礎(chǔ) 大量的實(shí)測(cè)表明，很多礦區(qū)的錨桿支護(hù)預(yù)緊(應(yīng))力低，初錨力多在10 kN以下，大于5 kN的錨桿數(shù)量只占1/4。在多數(shù)情況使錨桿(索)初錨力很快下降，實(shí)際上成為被動(dòng)支護(hù)。 20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)只在簡(jiǎn)單條件下使用普通圓鋼錨桿，桿體直徑一般為14 mm，16 mm，18 mm，材質(zhì)為Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，破斷力均在I00 kN以下；80年代中后期開始研制高強(qiáng)度錨桿，目前多采用材質(zhì)為20MnSi B級(jí)螺紋鋼作桿體，桿體直徑一般為18 mm，20 mm，22 mm，其屈服強(qiáng)度為340 Mpa，破斷力均在100 Nk以上，適用范圍擴(kuò)展到很多困難、復(fù)雜條件的巷道支護(hù)。相應(yīng)地，按鋼材屈服強(qiáng)度大小，對(duì)錨桿進(jìn)行分類：σs ≤ 340 MPa為普通錨桿；340 MPa ≤ σs ≤ 600 MPa為高強(qiáng)錨桿；σs ≥ 600 MPa為超高強(qiáng)錨桿。目前我國(guó)煤礦推廣應(yīng)用高強(qiáng)錨桿，多采用人工擰緊螺母的方式安裝錨桿，錨桿初錨力一般低于10 kN，和圓鋼錨桿基本維持在同一水平，屬于低初錨力支護(hù)。而煤巷復(fù)合頂板通常有1-2 m厚的軟弱巖層(頂板煤巖互層)，其負(fù)荷大致為20-40 kN/m2。這種低初錨力的支護(hù)尚不足于平衡松動(dòng)巖體自重，更不能有效地加固頂板、控制弱面離層，因而不能形成有效的主動(dòng)支護(hù)。為改變這種高強(qiáng)錨桿卻不能發(fā)揮好的支護(hù)效果的窘迫局面，應(yīng)該發(fā)展煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)。煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)是指能夠在支護(hù)構(gòu)件和頂板間施加明顯超過(guò)松散巖體自重的預(yù)應(yīng)力，形成頂板預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，并有效控制頂板離層的高強(qiáng)錨桿支護(hù)?？梢姡合镥^桿高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)是有別于低強(qiáng)度低初錨力支護(hù)和高強(qiáng)度低初錨力支護(hù)的一個(gè)相對(duì)的階段性概念，是錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新階段。 預(yù)緊（應(yīng)）力支護(hù)的基本作用： （1）預(yù)拉力的大小對(duì)頂板穩(wěn)定性具有決定性的作用，當(dāng)預(yù)拉力達(dá)到一定程度時(shí)，可以使頂板巖層處于橫向壓縮狀態(tài)，形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，從而使錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度以上的頂板離層得以消除。 在高水平應(yīng)力條件下頂板表面的剪切破壞是不可避免的，但通過(guò)建立頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可提高頂板整體的抗剪強(qiáng)度，使其破壞不向頂板縱深方向發(fā)展。如圖14所示。 （2）在一定條件下，水平應(yīng)力的存在有利于巷道頂板的穩(wěn)定。所以，當(dāng)最大水平應(yīng)力與巷道軸向垂直時(shí)，巷道不一定難以維護(hù)，通過(guò)對(duì)錨桿施加較大的預(yù)拉力可以充分利用水平應(yīng)力來(lái)維護(hù)頂板穩(wěn)定性；當(dāng)最大水平應(yīng)力與巷道軸向平行時(shí)，巷道不一定容易維護(hù)，關(guān)鍵是巷道圍巖本身的強(qiáng)度與水平地應(yīng)力的比值及錨桿預(yù)拉力的大小。在水平應(yīng)力大的條件下，高預(yù)拉力的短錨桿比無(wú)預(yù)拉力的長(zhǎng)錨桿會(huì)起到更好的支護(hù)效果，如圖15所示。 （3）錨桿參數(shù)和預(yù)拉力的合理配置可以使錨桿長(zhǎng)度之內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞。當(dāng)預(yù)拉力達(dá)到一定值后頂板巖層在不同的層位會(huì)出現(xiàn)一定的正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變，其累計(jì)值還不足以造成明顯的頂板下沉，即預(yù)緊（應(yīng)）力結(jié)構(gòu)可以做到不出現(xiàn)橫向彎曲變形，只有縱向的微小膨脹和壓縮變形。主動(dòng)錨桿支護(hù)狀態(tài)下的垂向應(yīng)力傳遞原理詳如圖16所示。 （4）當(dāng)錨桿預(yù)拉力達(dá)到一定程度后，預(yù)緊（應(yīng)）力頂板將使得垂直壓力均化到巷道兩側(cè)縱深范圍，巷道兩側(cè)的壓力集中現(xiàn)象減小，片幫的現(xiàn)象緩和，兩幫的維護(hù)將變 得相對(duì)簡(jiǎn)單。與被動(dòng)錨桿支護(hù)原則“先護(hù)幫，后控頂”相對(duì)照，主動(dòng)錨桿支護(hù)的原則是“后控頂，先護(hù)幫”。其實(shí)幫部穩(wěn)定可以同比頂部分析，并無(wú)更多的特殊性，只是由于對(duì)頂板的安全可靠性要求更高而強(qiáng)調(diào)一些。復(fù)合頂板層狀賦存松散煤體巷道應(yīng)該遵循“幫頂同治”的原則。 （5）施工機(jī)具、施工工藝、錨桿結(jié)構(gòu)及加工等方面的研究應(yīng)以實(shí)現(xiàn)高預(yù)拉力為中心。 圖14 預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與頂板變形特征 圖15 典型的主動(dòng)支護(hù)條件下頂板沿垂直方向的應(yīng)變曲線 圖16 主動(dòng)錨桿支護(hù)狀態(tài)下頂板的垂向應(yīng)力傳遞 （a）主動(dòng)支護(hù)情況；（b）被動(dòng)支護(hù)情況 根據(jù)該理論可得出一下一些有益結(jié)論： (1) 頂板的穩(wěn)定性與垂直壓力關(guān)系不大，比如采深因素、長(zhǎng)壁工作面超前垂直支承壓力等對(duì)頂板穩(wěn)定性影響較小。 (2) 在一定范圍內(nèi)，頂板的穩(wěn)定性與巷道的寬度關(guān)系不大。傳統(tǒng)上認(rèn)為巷道寬度越大，頂板穩(wěn)定性越差，這一思路僅適合于被動(dòng)支護(hù)（棚子和錨桿），因?yàn)樵诖藯l件下頂板中部的拉應(yīng)力越大，頂板拉破壞的可能性也就越大。預(yù)緊（應(yīng)）力結(jié)構(gòu)頂板的形成杜絕了頂板發(fā)生拉破壞的可能。 (3) 在同等地質(zhì)條件下，提高錨桿預(yù)拉力可進(jìn)一步增加錨桿間排距，減少錨桿用量，降低巷道支護(hù)成本，為提高巷道掘進(jìn)速度創(chuàng)造條件。 與普通的螺紋鋼錨桿支護(hù)相比，高預(yù)緊力錨桿支護(hù)在安裝機(jī)具的配套，錨桿附屬構(gòu)件的選擇及錨固形式上進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高預(yù)緊力。與普通螺紋鋼錨桿支護(hù)采用人工擰緊螺母的方式不同，高預(yù)緊力錨桿支護(hù)緊固螺母采用氣扳機(jī)或2600型氣動(dòng)扳手，最大預(yù)緊扭矩達(dá)到800 Nm，并通過(guò)選擇采用高強(qiáng)錨桿螺母，配合高強(qiáng)托盤調(diào)心球墊和尼龍墊圈，高強(qiáng)度托盤的措施，實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)的高預(yù)緊力。與普通螺紋鋼錨桿相比，高預(yù)緊力錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)錨桿支護(hù)的較高預(yù)緊力，從而取得較好的支護(hù)效果。而實(shí)測(cè)全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿在預(yù)緊力矩為300 Nm時(shí)，預(yù)緊力僅為12-15kN，因此高預(yù)緊力錨桿能夠明顯提高錨桿安裝質(zhì)量。 高預(yù)緊力錨桿支護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)： （1）預(yù)緊力大，加大了錨桿對(duì)圍巖的主動(dòng)約束力，從而控制圍巖的變形，與預(yù)緊力低的螺紋鋼錨桿相比，可降低支護(hù)密度； （2）預(yù)緊力錨桿不易松動(dòng)，受放炮震動(dòng)影響比其他類型的錨桿小，如全螺紋鋼錨桿距迎頭10 m范圍內(nèi)松動(dòng)較為嚴(yán)重； （3）桿體采用左旋螺紋，而全螺紋鋼錨桿為右旋螺紋，目前安裝緊固螺母的工具為右旋，采用左旋螺紋右旋安裝方式有利于錨固劑的攪拌，能夠提高錨固段的密實(shí)度，錨固效果好； （4）使用機(jī)械安裝，可靠性高，避免了人工操作的隨意性，保證了安裝質(zhì)量，而全螺紋鋼錨桿使用扳手人工緊固螺母，隨意性強(qiáng)，難以保證足夠的預(yù)緊力。 4 復(fù)合頂板巷道控制技術(shù) 4.1 支護(hù)原則與方法 針對(duì)煤層復(fù)合頂板的特性及受力后頂板的變化情況：破碎頂板(其解離及縫距小小于一般錨桿間距)；該類頂板巖石縫距小，縫數(shù)多，巖石間摩擦力小，巷道掘進(jìn)后若支護(hù)不及時(shí)，則極易出現(xiàn)碎巖塊自主掉落。復(fù)合頂板煤巷作為困難、復(fù)雜條件煤巷，結(jié)合現(xiàn)代支護(hù)理論，復(fù)合頂板巷道支護(hù)應(yīng)遵循一下基本原則： 1）綜合支護(hù)原則。巷道的支護(hù)應(yīng)該是針對(duì)頂板、兩幫的綜合支護(hù)，頂板巖石與兩幫煤體作應(yīng)為一個(gè)整體來(lái)考慮，二者相互聯(lián)系，唇齒相依，其一處支護(hù)破壞，則造成巷道整體支護(hù)的破壞。對(duì)于有低鼓傾向的巷道，還應(yīng)增加巷道底板支護(hù)措施。 2）支護(hù)與圍巖共同作用原則。煤和圍巖都具有一定的自承和承載能力，采用及時(shí)有效的支護(hù)手段以保證巷道圍巖的整體性，使支護(hù)和圍巖結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)承載整體結(jié)構(gòu)，使其共同支承圍巖載荷，在提高巷道圍巖穩(wěn)定性的同時(shí)，明顯減少了支護(hù)費(fèi)用。 3）控制原則。為了充分發(fā)揮巷道圍巖的自承能力，應(yīng)允許巷道圍巖產(chǎn)生一定量的位移和變形。然而，圍巖過(guò)度的位移和變形將導(dǎo)致其自身的結(jié)構(gòu)性破壞，使巷道周邊圍巖喪失自身承載能力，在巷道圍巖穩(wěn)定性降低的同時(shí)，給巷道支護(hù)又增加了因圍巖松動(dòng)而產(chǎn)生的圍巖載荷。因此，巷道中必須將巷道圍巖的位移和變形控制在一定限度內(nèi)，保持圍巖完整，不喪失其自身承載能力，即采取支護(hù)及時(shí)，且具有一定柔度和初撐力的支護(hù)。 4）短期臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)原則。巷道不可避免要收到工作面采動(dòng)影響。然而，由于回采工作面前方支承壓力明顯影響的范圍?。ㄒ话阍?5~20 m），作用時(shí)間短（一般在5~10 d），巷道支護(hù)始終采用一種針對(duì)巷道受采動(dòng)影響時(shí)的支護(hù)形式，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上顯然是不合理的。因此，應(yīng)采用原巖應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)收靜壓作用時(shí)的支護(hù)形式作為巷道基本支護(hù)，當(dāng)巷道受到回采工作面采動(dòng)影響時(shí)，在巷道內(nèi)增設(shè)具有較大初撐力和剛度的短期臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，以改變巷道支護(hù)特性，提高巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載能力，使支護(hù)與圍巖關(guān)系迅速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。 5）及時(shí)調(diào)整原則。針對(duì)不同的頂板巖性，圍巖狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案及參數(shù)以實(shí)現(xiàn)支護(hù)的最優(yōu)適應(yīng)性選擇。 根據(jù)以上支護(hù)原則，為此設(shè)計(jì)支護(hù)時(shí)，應(yīng)考慮： （1）增加錨桿長(zhǎng)度，使錨桿盡量深入錨固到直接頂或老頂里面去，支護(hù)應(yīng)力盡量向深部巖體傳遞，增加支護(hù)整體的完整性； （2）采用高強(qiáng)度全長(zhǎng)錨固錨桿。研究表明，全長(zhǎng)錨固錨桿具有最佳的支護(hù)效果，可充分發(fā)揮錨桿的約束作用和抗剪作用，提高圍巖的整體性和承載能力，其支護(hù)效果遠(yuǎn)好于相同桿體端部錨固錨桿； （3）提高錨桿預(yù)拉力。復(fù)合頂板回采巷道的最顯著特點(diǎn)是頂板由層理裂隙的厚層狀組成，巷道開挖后，圍巖變形很小時(shí)，就出現(xiàn)開裂、離層、滑動(dòng)、裂紋擴(kuò)展和松動(dòng)等，使圍巖強(qiáng)度大大弱化。現(xiàn)代煤巷錨桿理論認(rèn)為，層狀巖體內(nèi)維護(hù)煤層巷道應(yīng)充分考慮圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度及賦存狀態(tài)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，特別是水平地應(yīng)力對(duì)巷道頂板的離層、剪切等破壞作用十分明顯，復(fù)合頂板條件下這種破壞形式更加突出。如在巷道開挖后安裝錨桿的同時(shí)，立即施加足夠的預(yù)拉力，不僅消除了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的初始滑移量，而且給圍巖一定的預(yù)壓應(yīng)力，大大提高抗拉能力和抗剪能力，形成“剛性化”頂板結(jié)構(gòu)，從而控制頂板初期變形，消除或大大減緩頂板離層，保證巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。錨桿預(yù)拉力是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的參數(shù)之一。錨桿的預(yù)拉力主要取決于螺母與托盤之間的摩擦阻力?？赏ㄟ^(guò)提高安裝機(jī)具的扭緊力矩M和減摩措施提高預(yù)緊力； （4）采用錨帶網(wǎng)索組合支護(hù)形式。理論研究與實(shí)踐證明，全長(zhǎng)粘結(jié)錨固的錨帶網(wǎng)索組合支護(hù)形式最有利于發(fā)揮錨固平衡拱的作用，這種支護(hù)形式使錨桿、錨索、鋼帶及網(wǎng)支護(hù)構(gòu)件組成一個(gè)支護(hù)整體，不僅可以有效地提高圍巖的整體性，防止錨桿周圍巖石的松動(dòng)對(duì)錨桿支護(hù)作用的影響，而且通過(guò)鋼帶的作用使支護(hù)系統(tǒng)具有很高的安全性，防止突發(fā)性冒頂事故。鋼帶應(yīng)優(yōu)先選用礦用W型鋼帶，這種鋼帶由薄鋼帶經(jīng)過(guò)輥壓軋制而成，具有強(qiáng)度高、剛性大、護(hù)頂面積大，便于錨桿安裝等特點(diǎn)，在國(guó)外已得到普遍使用。我國(guó)也制訂了適合國(guó)內(nèi)使用的礦用W型鋼帶系列，可供不同條件的巷道支護(hù)使用； （5）加強(qiáng)巷幫支護(hù)?？刂苾蓭兔后w變形、破壞是對(duì)復(fù)合頂板的有效支撐。對(duì)于煤層巷道(矩形斷面)開掘后兩幫為應(yīng)力集中部位，圍巖塑性區(qū)首先在兩幫發(fā)展，提高兩幫支護(hù)強(qiáng)度和煤體殘余強(qiáng)度，可控制兩幫破壞區(qū)、塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)兩幫對(duì)頂板的支撐，防止復(fù)合頂板離層，達(dá)到提高圍巖整體承載力的目的。因此復(fù)合頂板煤層巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度和煤體殘余強(qiáng)度的提高是該類巷道圍巖控制的另一個(gè)關(guān)鍵。加固兩幫是控制復(fù)合頂板極軟煤層巷道圍巖變形的有效技術(shù)途徑，也是一般層狀巖體含軟弱煤、巖層圍巖巷道支護(hù)的一般規(guī)律； （6）采取必要的輔助支護(hù)措施。困難條件下煤巷的一個(gè)共同特點(diǎn)是圍巖破壞范圍和變形量大，錨桿支護(hù)主要是通過(guò)錨桿的加固作用維護(hù)圍巖的自身穩(wěn)定。由于圍巖的壓力大，地質(zhì)條件復(fù)雜，初次單獨(dú)使用錨桿支護(hù)時(shí)，并不能完全保證圍巖的穩(wěn)定和巷道的安全使用。因此，為了安全起見，采用輔助支護(hù)措施是十分必要的。輔助支護(hù)可以使用金屬支架，其主要作用是當(dāng)錨桿支護(hù)不能維護(hù)圍巖自穩(wěn)時(shí)，圍巖變形使支架受力而起到補(bǔ)強(qiáng)、防止冒頂?shù)淖饔?。由于巷道支護(hù)是以錨桿支護(hù)為主，所以支架的間距可以適當(dāng)加大，通過(guò)試驗(yàn)，最后確定最佳的支架間距或取消支架輔助支護(hù)。這種以錨桿支護(hù)為主，以支架支護(hù)為輔，通過(guò)試驗(yàn)逐步加大棚距，最后取消支架的方法，是英國(guó)煤巷錨桿支護(hù)應(yīng)用穩(wěn)步發(fā)展的有效途徑。對(duì)我國(guó)困難條件下煤巷錨桿支護(hù)，這種方法很值得借鑒； （7）煤巷頂板離層及錨桿受力監(jiān)測(cè)。頂板離層與錨桿受力監(jiān)測(cè)即是一種安全措施，又是一種評(píng)價(jià)支護(hù)效果和修正初始支護(hù)設(shè)計(jì)的手段。通過(guò)監(jiān)測(cè)，可以隨時(shí)掌握巷道頂板的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)頂板離層大或錨桿失去作用時(shí)，立即采取加強(qiáng)支護(hù)措施，防止冒頂事故的發(fā)生。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)，如果頂板離層小、輔助支護(hù)作用小，說(shuō)明頂板穩(wěn)定，可以安全采用錨桿支護(hù)，放大支架間距或取消支架輔助支護(hù)。頂板離層監(jiān)測(cè)可使用簡(jiǎn)便型頂板離層儀，在試驗(yàn)巷道中每10-20m安裝一臺(tái)，利用該儀器外露端的顏色和數(shù)值，可以非常直觀地觀察頂板的離層狀況，隨時(shí)提醒巷道內(nèi)的人員對(duì)頂板安全狀態(tài)的警覺(jué)。錨桿受力監(jiān)測(cè)應(yīng)使用測(cè)力錨桿，在錨桿桿體上貼有多組應(yīng)變片，可以測(cè)定全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿的受力狀態(tài)，而一般的錨桿測(cè)力計(jì)只能量測(cè)錨桿托盤上的受力； （8）加強(qiáng)回采工作面前方的超前支護(hù)。困難條件下的煤巷從掘進(jìn)至本回采工作面采動(dòng)影響之前，其維護(hù)較為困難，當(dāng)受到本回采工作面影響時(shí)，無(wú)論是錨桿支護(hù)還是錨桿與支架聯(lián)合支護(hù)都難于維護(hù)巷道的正常使用。因此，采取回采工作面超前支護(hù)的措施是不可少的。錨桿支護(hù)在困難條件下煤巷中的應(yīng)用，其支護(hù)設(shè)計(jì)主要是考慮維護(hù)巷道在掘進(jìn)至受采動(dòng)影響前滿足使用要求。如果考慮在受采動(dòng)影響時(shí)不需加強(qiáng)支護(hù)仍可滿足生產(chǎn)需要，將導(dǎo)致錨桿支護(hù)不可行或因支護(hù)成本太高，在經(jīng)濟(jì)上不合理。 4.2 支護(hù)參數(shù)的確定 根據(jù)工程類比法進(jìn)行巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的初次設(shè)計(jì)，然后根據(jù)錨桿支護(hù)原理計(jì)算錨桿支護(hù)參數(shù)，綜合確定最佳的錨桿支護(hù)方案。 1998年原煤炭工業(yè)部頒布試用《我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道穩(wěn)定性分類方案》以來(lái)，該分類方案進(jìn)一步完善，發(fā)展成為包括緩傾斜、傾斜、急傾斜各種煤層厚度的回采巷道、煤層上、下山以及巖石巷道的全部采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。根據(jù)這個(gè)分類方案，煤巷圍巖的穩(wěn)定性可分為非常穩(wěn)定(I類)、穩(wěn)定(II類)、中等穩(wěn)定(III類)、不穩(wěn)定(IV類)和極不穩(wěn)定(V類)5個(gè)類別，見表4。 在以上的采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上，綜合了我國(guó)煤炭系統(tǒng)的專家學(xué)者及現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的工作成果，原煤炭部錨桿支護(hù)專家組制定了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范(送審稿，1997年8月)，見表5。 復(fù)合頂板巷道作為困難、復(fù)雜條件下的VI類、V類圍巖類型，應(yīng)采用“錨帶網(wǎng)十錨索”支護(hù)。根據(jù)錨桿支護(hù)原理計(jì)算錨桿支護(hù)參數(shù)，如下： 1）巖石載荷高度h的確定 h=(100-MBR)B/100 （4-1） 式中 MRB——地質(zhì)力學(xué)分級(jí)指標(biāo)； B——巷道跨度。 2）理論頂板錨桿長(zhǎng)度Lb的確定 Lb=0.35B （4-2） 3）錨桿排距Sb1的確定 Sb1=0.5Lb （4-3） 4）錨桿間距Sb2的確定 根據(jù)懸吊理論:： Sb2=(Cb/Fγh)1/2 4-4 式中 Sb2——錨桿間距； Cb——錨桿承受能力； γ——圍巖容重； F——安全系數(shù)，一般取2~3。 表4 中國(guó)煤礦回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類與合理支護(hù)技術(shù)指標(biāo)表(1998) 圍巖類別 穩(wěn)定情況 頂?shù)装逡平?(%) 主要特點(diǎn) 支護(hù)強(qiáng)度/KN·m-2 I 非常穩(wěn)定 ＜5 頂板多為砂巖、石灰?guī)r；無(wú)直接頂或僅有薄層直接頂或偽頂；底板多為砂巖、粉砂巖或砂質(zhì)頁(yè)巖 0-30 II 穩(wěn)定 5～10 頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)頁(yè)巖，也有的是砂巖或致密頁(yè)巖；煤質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理、層理輕微發(fā)育；直接頂初次垮落步距約15m；圍巖變形量及超前支承壓力不大 30-70 III 中等穩(wěn)定 10～20 一般為一側(cè)己采空的圍巖較穩(wěn)定的回風(fēng)巷和圍巖穩(wěn)定性差的實(shí)體煤運(yùn)輸巷；頂?shù)装宥酁轫?yè)巖或砂質(zhì)頁(yè)巖；直接頂較厚，節(jié)理中等發(fā)育，初次垮落步距約10 m；煤質(zhì)中硬 70-150 IV 不穩(wěn)定 20～35 頂?shù)装宥酁榉凵皫r、砂質(zhì)頁(yè)巖：煤質(zhì)中硬，節(jié)理、裂隙發(fā)育；巷道受超前支承壓力和護(hù)巷煤柱應(yīng)力集中的影響；煤柱影響系數(shù)0. 67~0.97，兩幫移近率與頂?shù)装逡平蚀笾孪嗟? 100-200 V 極不穩(wěn)定 ＞35 頂?shù)装宥酁槟鄮r、頁(yè)巖；也有的是層理、節(jié)理十分發(fā)育的砂質(zhì)頁(yè)巖；煤質(zhì)松軟，層理、節(jié)理發(fā)育；直接頂厚度較大，巷道一側(cè)護(hù)巷煤柱較?。灰话銉蓭鸵平市∮陧?shù)装逡平?，有底鼓現(xiàn)象 150-250 表5 巷道頂板錨桿支護(hù)基本形式與主要參數(shù)選擇表 巷道類別 巷道圍巖穩(wěn)定狀況 基本支護(hù)形式 主要支護(hù)參數(shù) I 非常穩(wěn)定 整體砂巖、石灰?guī)r類巖層：不支護(hù) 其他巖層：?jiǎn)渭冨^桿支護(hù) 端錨： 桿體直徑>16 mm 錨桿長(zhǎng)度1.6~1.8 m 間排距0. 8~1.2 m 設(shè)計(jì)錨固力64~80 kN II 穩(wěn) 定 頂板較完整：?jiǎn)渭冨^桿支護(hù) 頂板較破碎：錨桿+網(wǎng)支護(hù) 端錨： 桿體直徑16~18 mm 錨桿長(zhǎng)度1.6~2.0 m 間排距0.8~1.0 m 設(shè)計(jì)錨固力64~80kN III 中等穩(wěn)定 頂板較完整：錨桿+鋼筋梁或桁架 頂板較破碎： 錨桿+W鋼帶(或鋼筋梁)+網(wǎng)，或增加錨索； 桁架+網(wǎng)，或增加錨索 端錨： 桿體直徑16~18 mm 錨桿長(zhǎng)度1.6~2.0 m 間排距0.8~1.0 m 設(shè)計(jì)錨固力64~80kN 全長(zhǎng)錨固： 桿體直徑18~22 mm 錨桿長(zhǎng)度1.8~2.4 m 間排距0. 6~1.0 m VI 不穩(wěn)定 錨桿+W鋼帶+網(wǎng)，或增加錨索 桁架+網(wǎng)，或增加錨索 全長(zhǎng)錨固： 桿體直徑18~22 mm 錨桿長(zhǎng)度1.8~2.4 m 間排距0. 6~1.0 m V 極不穩(wěn)定 頂板較完整： 錨桿+金屬可縮支架，或增加錨索 頂板較破碎： 錨桿+網(wǎng)+金屬可縮支架，或增加錨索 底鼓嚴(yán)重： 錨桿+環(huán)形可縮支架 全長(zhǎng)錨固： 桿體直徑18~24 mm 錨桿長(zhǎng)度2.0~2.6 m 間排距0. 6~1.0 m 5）幫錨桿長(zhǎng)度Le的確定 幫錨桿長(zhǎng)度確定基礎(chǔ)為巷道破壞最大深度、錨桿外露長(zhǎng)度和錨固段長(zhǎng)度之和，即： Le=Lc+Ld （4-5） 式中 Lc——巷道破壞最大深度； Ld——錨固段長(zhǎng)度與外露長(zhǎng)度之和。 6）錨桿直徑D的確定 根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算出錨桿直徑: D=(4.4×P/π×Jb)1/2 （4-6） 式中 P——取0.1 MPa; Jb——螺紋鋼錨桿屈服點(diǎn)。 7）錨索長(zhǎng)度Ls的確定 根據(jù)懸吊理論及承壓拱理論計(jì)算，即： Ls=L1+L2+L3 （4-7） 式中 L1——錨的外露長(zhǎng)度； L2——錨索的外露長(zhǎng)度，對(duì)頂板而言，L2為冒落帶(或離層)的高度h； L3——錨索的錨固長(zhǎng)度。 8）網(wǎng)帶的選擇 目前，錨噴支護(hù)中所采用的“網(wǎng)”，按其材料不同，可分為金屬網(wǎng)(包括鐵網(wǎng)和鋼筋網(wǎng))和塑料網(wǎng)。其中，金屬網(wǎng)按其網(wǎng)格形狀分為方格網(wǎng)和菱形網(wǎng)，按其制作工藝分為焊接網(wǎng)和紡織網(wǎng)。焊接網(wǎng)整體性好、強(qiáng)度高，但剛性較大、加工成本高，在我國(guó)很少使用。目前使用最多的還是方格編織網(wǎng)和菱形編織網(wǎng)。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣泛使用鋼帶作為錨桿的聯(lián)系構(gòu)件。在一般錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，若干根錨桿共用一條鋼帶作為輔助托板，使它們互相聯(lián)系，以形成整體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)圍巖的控制能力。目前，常使用的鋼帶有：鋼板鋼帶、W型鋼帶和圓鋼鋼帶。 5 主要結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)復(fù)合頂板巷道的相關(guān)文獻(xiàn)資料的歸納總結(jié)、理論分析，取得了以