馬小鈞-錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)判準(zhǔn)則和匹配原則

1、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)判準(zhǔn)則和匹配原則錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)評(píng)判準(zhǔn)則和匹配原則探探 討討n概論概論n支護(hù)設(shè)計(jì)的評(píng)判準(zhǔn)則支護(hù)設(shè)計(jì)的評(píng)判準(zhǔn)則n支護(hù)設(shè)計(jì)的規(guī)范化流程支護(hù)設(shè)計(jì)的規(guī)范化流程n錨桿錨桿( (索索) )參數(shù)設(shè)計(jì)中的錨固力匹配問題參數(shù)設(shè)計(jì)中的錨固力匹配問題n錨索與錨桿的匹配設(shè)計(jì)問題錨索與錨桿的匹配設(shè)計(jì)問題n結(jié)論結(jié)論馬小鈞 簡(jiǎn)介n馬小鈞 男，1961年生于山東省安邱市。1986年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院采礦系，采礦高級(jí)工程師。中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)煤礦支護(hù)專業(yè)委員會(huì)特聘專家。勞動(dòng)人口部煤炭系統(tǒng)高級(jí)職業(yè)考評(píng)員，香港國際專利技術(shù)開發(fā)投資公司顧問。1.1.概論：概論： 支護(hù)技術(shù)發(fā)展到今天，錨桿支護(hù)顯著的優(yōu)越性已成共識(shí)，錨桿支護(hù)在煤

2、礦現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用發(fā)展迅猛，從某種意義上說，支護(hù)理論的發(fā)展相對(duì)滯后。到目前為止，錨桿支護(hù)的理論學(xué)說諸子百家，但真正能夠方便用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的并不多；支護(hù)設(shè)計(jì)不能系統(tǒng)匹配，設(shè)計(jì)結(jié)果無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，往往要么造成支護(hù)失敗甚至釀成事故，要么造成經(jīng)濟(jì)上的巨大浪費(fèi)；現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)支護(hù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)只是支護(hù)的成功與否，而忽略了支護(hù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，即安全的可靠性掩蓋了支護(hù)的經(jīng)濟(jì)合理性。錨桿支護(hù)技術(shù)在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，迫使我們不得不面對(duì)這樣一個(gè)課題：如何使設(shè)計(jì)做到安全上更可靠、技術(shù)上更可行、經(jīng)濟(jì)上更合理這實(shí)質(zhì)上正是評(píng)價(jià)一個(gè)支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)。為促進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展，提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)的效益最大化，

3、支護(hù)設(shè)計(jì)的規(guī)范化、科學(xué)化勢(shì)在必行。2.支護(hù)設(shè)計(jì)的評(píng)判準(zhǔn)則支護(hù)設(shè)計(jì)的評(píng)判準(zhǔn)則2.1 2.1 技術(shù)可行性準(zhǔn)則技術(shù)可行性準(zhǔn)則 技術(shù)可行性是指技術(shù)本身在實(shí)施過程中的難易程度和可操作性。支護(hù)技術(shù)的可行性是支護(hù)設(shè)計(jì)的前提，是實(shí)現(xiàn)安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益最大化準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。2.2 2.2 安全可靠性準(zhǔn)則安全可靠性準(zhǔn)則 控制巷道圍巖在生產(chǎn)過程中的相對(duì)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，是支護(hù)的根本目的。不能保證安全可靠性的設(shè)計(jì)，無論技術(shù)上多么先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益有多高，都是失敗的設(shè)計(jì)，其實(shí)施的后果也是可想而知的。因此，安全可靠性是支護(hù)設(shè)計(jì)的否決條件。2.3 2.3 經(jīng)濟(jì)效益最大化準(zhǔn)則經(jīng)濟(jì)效益最大化準(zhǔn)則 在技術(shù)上可行、安全上可靠的前提下

4、，追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化是支護(hù)設(shè)計(jì)的最終目的，也是設(shè)計(jì)工作者所應(yīng)追求的最高境界。3.3.支護(hù)設(shè)計(jì)的規(guī)范化流程支護(hù)設(shè)計(jì)的規(guī)范化流程 支護(hù)設(shè)計(jì)只有做到科學(xué)化、規(guī)范化，才是真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、達(dá)到安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大化設(shè)計(jì)目的的唯一途徑。錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)流程，應(yīng)遵循煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)量影響煤巷圍巖分類指標(biāo)各因素的確定分類指標(biāo)的計(jì)算煤巷圍巖類別的界定支護(hù)方案的確定支護(hù)參數(shù)的量化設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控信息反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行。 因此，支護(hù)設(shè)計(jì)必須有與設(shè)計(jì)對(duì)象客觀條件相適應(yīng)的、明確的理論依據(jù)，盡可能詳實(shí)的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)資料，嚴(yán)瑾的設(shè)計(jì)理念，明確的優(yōu)化指標(biāo)，及相應(yīng)的信息反饋系統(tǒng)和電算程序化。3.13.1地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)資料的調(diào)

5、查是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)資料的調(diào)查是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 支護(hù)設(shè)計(jì)要做好，就是對(duì)上述評(píng)判準(zhǔn)則的實(shí)踐，因此設(shè)計(jì)過程必須做到規(guī)范化、科學(xué)化。只有符合現(xiàn)場(chǎng)客觀條件的設(shè)計(jì)才能夠真正解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題。 為此，每個(gè)礦井都應(yīng)進(jìn)行全面的地質(zhì)力學(xué)調(diào)查(包括各采區(qū)各煤層的煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)量等)，建立盡可能詳實(shí)可靠的地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)資料。這是做好設(shè)計(jì)、真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)所必須的基礎(chǔ)工作。3.23.2圍巖分類與支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系圍巖分類與支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系圍巖分類是一個(gè)宏觀的概念，旨在給人以粗線條的認(rèn)識(shí)，在沒有支護(hù)理論或支護(hù)理論發(fā)展的初期，它曾一度是我們進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)的方法，但其實(shí)質(zhì)是經(jīng)驗(yàn)類比型設(shè)計(jì)方法。圍巖分類只能用來宏觀確

6、定支護(hù)形式，而無法直接進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。因此，那種企圖以分類代替設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)是幼稚的。圍巖分類工作和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)工作是整個(gè)支護(hù)設(shè)計(jì)過程的兩個(gè)階段。兩者既有密切聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，不能互為代替。圍巖分類結(jié)果用來進(jìn)行支護(hù)方案的選擇，參數(shù)設(shè)計(jì)則是支護(hù)方案的具體量化體現(xiàn)。3.33.3分類方法的確定分類方法的確定 圍巖的分類方法很多，從早期的普氏圍巖硬度分類法、到董氏圍巖松動(dòng)圈分類法、煤巖截割阻抗分類法、蔣氏亞分類法、劉氏極限平衡區(qū)分類法，還有專門的軟巖分類法等，均代表著人們?cè)诓煌l(fā)展時(shí)期各自對(duì)支護(hù)對(duì)象的認(rèn)知程度，各自從不同的角度去盡可能準(zhǔn)確地描述支護(hù)對(duì)象、從而提出相應(yīng)的支護(hù)形式。 從這個(gè)意義上說，無

7、論何種分類方法，只要能夠更準(zhǔn)確地描述和反應(yīng)支護(hù)對(duì)象、并與支護(hù)設(shè)計(jì)有機(jī)地聯(lián)系起來，就是好方法。以彈塑性理論為基礎(chǔ)，充分考慮采動(dòng)影響及巖體與巖石物理力學(xué)參數(shù)的差異，加以系數(shù)修正后的極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度為主要指標(biāo)，以巷道周邊位移u為輔助指標(biāo)，進(jìn)行巷道圍巖分類的方法，簡(jiǎn)稱極限平衡區(qū)分類法。4.4.錨桿錨桿( (索索) )參數(shù)設(shè)計(jì)中的錨固力匹配問題參數(shù)設(shè)計(jì)中的錨固力匹配問題 在支護(hù)載荷集度確定后，一般是根據(jù)圍巖條件和施工組織先確定錨桿間排距，再進(jìn)行錨桿直徑的計(jì)算。錨桿支護(hù)除應(yīng)堅(jiān)持“三徑”匹配原則外，設(shè)計(jì)上還應(yīng)貫徹錨固力匹配原則，而幾乎大多數(shù)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)只有錨桿長(zhǎng)度、直徑和間排距的設(shè)計(jì)，而恰恰忽略

8、了的錨固長(zhǎng)度、托盤和錨梁設(shè)計(jì)。在錨索和端錨式錨桿的支護(hù)設(shè)計(jì)中，錨固長(zhǎng)度、托盤的設(shè)計(jì)與錨桿直徑的設(shè)計(jì)同樣重要，是最不應(yīng)忽視的一環(huán)。錨固力匹配的原則是：內(nèi)錨端的粘錨力、托盤的托錨力都必須與桿體的極限承載能力相匹配，或略大于桿體的極限承載能力，才能充分發(fā)揮所設(shè)計(jì)錨桿(索)的能力，保證支護(hù)的可靠性。 4.14.1端錨式錨桿端錨式錨桿( (索索) )錨固長(zhǎng)度的確定錨固長(zhǎng)度的確定 錨桿與錨索在計(jì)算錨固長(zhǎng)度時(shí)，均應(yīng)按粘錨力同錨桿(索)極限承載能力 相匹配的原則進(jìn)行，即： 。錨桿體表面與樹脂錨固劑間粘結(jié)力： (4-1)樹脂錨固劑與鉆孔巖壁間的粘結(jié)力： (4-2)而 錨桿桿體的極限破斷力為： (4-3)按 的匹

9、配原則有： (4-4) (4-5) maxgnpp gggngldpkkknkldpngnknppp,min4/23maxbgdpgnpp 4/23bgggdld4/23bkkkdld當(dāng)破壞發(fā)生在錨桿桿體與粘結(jié)劑之間時(shí)的錨固長(zhǎng)度為： (4-6)當(dāng)破壞發(fā)生在粘結(jié)劑與鉆孔巖壁之間時(shí)的錨固長(zhǎng)度為： (4-7)式中： 為按破壞面發(fā)生在金屬錨桿表面處所需錨固段長(zhǎng)度； 為按破壞面發(fā)生在鉆孔巖壁表面處所需錨固段長(zhǎng)度； 為粘結(jié)劑同錨桿間的粘結(jié)強(qiáng)度； 為桿體極限強(qiáng)度； 為樹脂錨固劑同鉆孔巖壁間的粘結(jié)強(qiáng)度； 為錨尾螺紋根徑或錨索有效直徑； 為錨桿直徑； 為鉆孔直徑。)4/(23kkbkddl)4/(23ggbgd

10、dlglklgbk3dgdkd實(shí)際選用的錨固段長(zhǎng)度應(yīng)為二者之中的尺寸較大者，即： (4-8)樹脂錨固劑卷長(zhǎng)度可按等積原則確定： (4-9)錨桿(索)的長(zhǎng)度為： (4-10)式中：Lmax為錨桿長(zhǎng)度； L1 為錨固長(zhǎng)度； L 2為錨尾長(zhǎng)度，取0.1米，錨索為0.3米； 為加固范圍。,max1kgllL 2221/ )(sgksdddLL2max1maxLLLmax4.24.2托盤和錨桿的匹配設(shè)計(jì)問題托盤和錨桿的匹配設(shè)計(jì)問題 4.2.14.2.1托盤面積的設(shè)計(jì)托盤面積的設(shè)計(jì) 托盤面積的設(shè)計(jì)，通常在堅(jiān)硬圍巖條件下，目前的托盤面積已足夠，而在較軟的圍巖條件下則必須進(jìn)行必要的比壓計(jì)算，從而設(shè)計(jì)確定托盤的

11、最小尺寸。由： (4-11)得： 錨桿托盤直徑 (4-12) 錨索托盤直徑 (4-13)442322bykpdkdd21223/kybpdkdd2122/kybspdkndd式中： 為托盤直徑； 為托盤小孔的直徑； 為錨桿桿尾螺紋內(nèi)徑； 為錨索的單絲直徑； 為圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度； 為錨桿或錨索的單軸抗拉強(qiáng)度； 為載荷備用系數(shù)，一般取1.2-1.5； n 為錨索鋼絞線絲數(shù)。bsdypd3dkd 4.2.2 4.2.2托盤厚度的設(shè)計(jì)托盤厚度的設(shè)計(jì) 在不同的圍巖條件及不同的托盤材料情況下，托盤的受力狀態(tài)是很復(fù)雜的，已經(jīng)超出了線性力學(xué)的范疇。由于作者才疏學(xué)淺，力學(xué)模型很難建立，有志者可做進(jìn)一步的理論研

12、究或通過試驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。但目前我們已知的是：托盤的剛度與其厚度的平方成正比，適當(dāng)加大托盤的厚度對(duì)堅(jiān)硬圍巖條件下提高錨桿(索)系統(tǒng)承載能力，實(shí)現(xiàn)與錨桿(索)的合理匹配非常有效。 5.5.錨索與錨桿的匹配設(shè)計(jì)問題錨索與錨桿的匹配設(shè)計(jì)問題 錨索與錨桿由于其剛度不同，延伸率不同，而錨索的初錨力又往往較高(100KN左右)，導(dǎo)致支護(hù)初期的載荷集中于錨索，在支護(hù)的整個(gè)周期內(nèi)錨桿的工作錨固力基本維持在初錨力水平上(1030KN)，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。造成支護(hù)體系在整個(gè)支護(hù)過程中不能同步承載、形不成合力。從而大大降低了支護(hù)體系的整體支護(hù)能力，要么支護(hù)失敗，要么造成浪費(fèi)，達(dá)不到預(yù)期的效果。 57鋼絞線錨

13、索的極限承載能力216KN，而一根22mm等強(qiáng)錨桿極限承載能力為194KN，基本達(dá)到了錨索的極限承載能力，只不過錨固點(diǎn)更深一點(diǎn)而已。 8m長(zhǎng)錨索的極限變形量只有280mm,而2.2m長(zhǎng)錨桿的極限變形量為352mm，加之錨索初錨力大，而錨桿初錨力小，其在支護(hù)過程中的剩余有效變形量相差就更大。因此，錨索先行破壞，這在軟巖大變形的巷道尤其明顯。而現(xiàn)場(chǎng)所有沒出問題的原因是支護(hù)過于保守，只保住了安全而失去了技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。錨索的鋼絞線應(yīng)進(jìn)一步加大直徑以提高承載能力，適當(dāng)增加柔性以適應(yīng)變形，實(shí)現(xiàn)與錨桿的變形能力匹配，達(dá)到與錨桿同步承載的目的。5.1 5.1 變形能力匹配變形能力匹配無初錨力時(shí)： (5-1)

14、 (5-2)(5-3)(5-4)(5-5)maxmaxsssKpmaxmaxgggKpssbsssssldnpK42maxmaxggbgggggldpK42maxmaxssbggggbssgsldlndKK22 有初錨力時(shí)： (5-6) (5-7) 無論有、無初錨力，k值都是不變的，因此變形能力匹配的條件是： 即： (5-8) (5-9)ssssKpp0maxggggKpp0maxgsgsggssKKpppp0max0maxssbggggbssggssldlndpppp220max0max式中： 錨索極限承載能力； 錨桿極限承載能力； 錨索初錨力； 錨桿初錨力； 錨索每絲直徑； 錨桿有效直徑； 錨索材料極限強(qiáng)度；maxspmaxgp0sp0gpsdgdbsbgslglsg錨桿材料極限強(qiáng)度；錨索長(zhǎng)度； 錨桿長(zhǎng)度；錨索延伸率；錨桿延伸率； 錨索絲數(shù)。 n 5.2 5.2變形能力匹配的途徑變形能力匹配的途徑 式(5-9)反映了錨索與錨桿的內(nèi)在匹配關(guān)系。由此可知：既可以通過錨索直徑和材質(zhì)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)匹配(這是最好的)，也可基于現(xiàn)有條件，通過調(diào)整錨桿與錨索初