文學寬研究員煤炭科學研究總院

1.煤礦巷道頂板事故概況

1954～1985年期間，頂板事故死亡人數占總事故死亡人數的45%，采煤工作面頂板事故占75%，巷道頂板事故占25%。1986～1992年期間頂板事故占總事故死亡人數的40%，采煤工作面頂板事故占頂板事故的66%，巷道頂板事故上升到34%。

1.1巷道頂板事故比例上升原因〔1〕為了滿足大井型的生產系統需要，巷道斷面大，效勞年限長；〔2〕掘進和維護過程中，對關鍵部位、地點〔交叉點等〕，措施不力，管理不嚴；〔3〕隨著開采深度的增加，巖性發生變化和礦山壓力產生影響。全國每年以8-12m的延伸開采。1.2煤礦巷道冒頂分類

(1)無老頂時層狀頂板采動時圍巖變形破壞

(2)有老頂時層狀頂板采動時

圍巖變形破壞

(3)無直接頂時層狀頂板采動時

圍巖變形破壞煤礦巷道支護經歷了木支護、砌碹支護、型鋼支護到錨桿支護的漫長過程。

木支架鋼筋混凝土支護工字鋼可縮性梯形支架工字鋼可縮性梯形支架結構適用巷道：圍巖比較穩定受動壓影響變形200—500mm。U型鋼可縮性拱形支架適用巷道：效勞時間長，圍巖不穩定，受動壓影響大，變形大于400mm，無底臌。U型鋼拱梯形可縮性支架U型鋼可縮性圓形支架適用巷道：效勞時間長圍巖不穩定受動壓影響大變形大于800mm有底臌U型鋼方環形可縮性環形支架適用巷道：效勞時間長圍巖不穩定受動壓影響大變形大于1000mm有底臌錨桿支護梯形巷道錨桿支護拱形巷道2.2錨桿支護的優越性及開展2.3.1錨桿支護構件的作用(1)錨桿桿體的作用

如圖2-1所示，錨桿可以起到抗拉和抗剪作用。常用錨桿鋼材的力學強度見表2-1，錨桿鋼筋的剪切極限強度見表2-2?！?〕錨桿托板的作用托板是錨桿尾部接觸圍巖的構件，通過托板給錨桿施加預緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體。托板本身失效，以及托板下方的圍巖松散脫落，導致托板與外表不緊貼，都會使錨桿失去支護作用。

托板的作用可分為兩個方面：一是通過給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道外表，給錨桿提供預緊力，并使預緊力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應力狀態，抑制圍巖離層，結構面滑動和節理裂隙的張開，實現錨桿的主動、及時支護作用；

二是圍巖變形使載荷作用于托板上，通過托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發揮錨桿控制圍巖變形的作用。托板力學性能應與錨桿桿體的性能相匹配，才能充分發揮錨桿的支護作用。托板強度缺乏、安裝質量差.、受較大偏載都會顯著降低錨桿的作用。

托板對全長錨固的受力分布有明顯的影響。圖2－2所示是有、無托板時錨桿軸力與剪力分布示意圖。無托板時錨桿軸力在巷道外表處為零，在一定深處到達最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時，由于錨桿施加的預緊力和圍巖通過托板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道外表處，到達一定值，而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動，更接近巷道外表?！?〕錨固劑的作用1)錨固劑的黏結作用錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結在一起，使錨桿發揮支護作用。同時錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿共同加固圍巖。

2)錨固劑的抗拉與抗剪作用我國樹脂錨固劑的抗拉強度一般可取11.5MPa。如果Ф28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，那么錨固劑可提供7.08kN的抗拉力。如Ф20mm的桿體，安裝在Ф28mm的鉆孔中，那么錨固劑可提供3.47kN的抗拉力。可見錨固劑可提供一定的抗拉能力。樹脂錨固劑的抗剪強度一般可取35MPa。如果Ф28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，那么錨固劑可提供21.54kN的抗剪力。如果Ф20mm的桿體，安裝在Ф28mm的鉆孔中，那么錨固劑可提供10.55kN的抗剪力，分別是圓鋼〔Q235〕、高強度螺紋鋼〔BHRB400〕、超高強度螺紋〔BHRB600的剪斷載荷的12.4%、8.4%、5.9%?？梢婂^固劑可提供一定的抗剪能力。3〕端部錨固與全長錨固的區別對于端部錨固錨桿，錨固劑的作用在于提供黏結力，使錨桿能承受一定的拉力。錨桿拉力除錨固外，沿長度方向是均勻的〔圖2－5〕。由于錨桿與鉆孔間有較大空隙、所以錨桿抗剪能力只有在巖層發生較大的錯動后才能發揮出來。

對于全長錨固錨桿，主要有兩方面：將錨桿桿體與鉆孔孔壁黏結在一起，使錨桿隨巖層移動承受拉力；當巖層發生錯動時，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層發生滑動。對于端部錨固錨桿，支護剛度低；對于全長錨固錨桿，支護剛度高。如圖2－5所示，這是全長錨固錨桿與端部錨固錨桿的根本區別。〔4〕鋼帶的作用鋼帶是錨桿支護系統中的重要構件，對提高錨桿支護整體支護效果，保持圍巖的完整性起著關鍵作用。鋼帶的作用主要表現在以下3方面:1)錨桿預緊力和工作阻力擴散作用。單根錨桿作用于巷道外表可近似看成點載荷，鋼帶可擴大錨桿作用范圍，實現錨桿預緊力和工作阻力擴散，使載荷趨于均勻。

2)支護巷道外表和改善圍巖應力狀態作用。鋼帶對巷道外表提供支護，抑制淺部巖層離層，裂隙張開，保持圍巖的完整性，減少巖層彎曲引起的拉伸破壞，改善巖層應力狀態，防止錨桿間松動巖塊掉落。3)均衡錨桿受力和提高整體支護作用。鋼帶將數根錨桿連接在一起，可均衡錨桿受力，共同形成組合支護系統，提高整體支護能力。如以下圖：(5)網的作用一般認為，網可以維護錨桿間的圍巖，防止松動小巖塊掉落。其實，網的作用遠不止這一個，特別是在高地應力、破碎圍巖條件下，網是錨桿支護系統中不可或缺的重要部件。網的作用主要表現在以下3方面：1)維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。2)緊貼巷道外表，提供一定的支護力。

已有的研究成果說明，我國現用菱形金屬網，在保證施工質量的條件下，可提供0.01MPa的支護力，一定程度上改善巷道外表巖層受力裝況。同時，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統。3)對深部圍巖也有良好的支護作用。網不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對深部圍巖也有良好的支護作用。如圖2—7所示，有網的情況下，雖然巷道外表圍巖已破壞，但沒有松散、垮落。2.3.2錨桿支護理論評述〔1〕懸吊理論錨桿支護的作用是將頂板下部不穩定的巖層懸吊在上部穩定的巖層中。懸吊理論是最早的錨桿支護理論，它具有直觀、易懂及使用方便等特點。特別是在頂板上部有穩定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件，這種支護理論應用比較廣泛。在比較軟弱的圍巖中，巷道開掘后應力重新分布，出現松動破碎區，在其上部形成自然平衡拱，錨桿支護的作用是將下部松動破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上。

懸吊理論存在以下明顯缺陷：1)錨桿受力只有當松散巖層或不穩定巖層完全與穩定巖層脫離的情況下才等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道中并不多見。2)錨桿安設后，由于巖層變形和離層，會使錨桿受力很大，而遠非破碎巖層重量。

3)當錨桿穿過破碎巖層后，錨桿提供的徑向和切向約束不同程度地改善破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力。而懸吊理論沒有考慮圍巖的自承能力。4)當圍巖松軟，巷道寬度較大時，錨桿很難錨固到上部穩定的巖層或自然平衡拱上。懸吊理論無法解釋在這種條件下錨桿支護仍然有效的原因?？傊?，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動抗拉作用，沒有涉及其抗剪能力及對破碎巖層整體強度的改變。因此，理論計算的錨桿載荷與實際出入比較大。

(2)組合梁理論

從巖層受力角度考慮，錨桿將各個巖層夾緊形成組合梁。

組合梁理論適用于層狀巖層。對于端部錨固錨桿，其提供的軸向力將對巖層離層產生約束，并且增大了個巖層間的摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間產生相對滑動。對于全長錨固錨桿，錨桿和錨固劑共同作用，明顯改善錨桿受力狀況，增加了控制頂板離層和水平錯動的能力，支護效果優于端部錨固錨桿。組合梁厚度越大，梁的最大應變值越小。組合梁理論考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用，但是它存在以下明顯缺陷：1)組合梁有效組合很難確定。它涉及影響錨桿支護的眾多因素，目前還沒有一種方法比較可靠的估計有效組合厚度。

2)沒有考慮水平應力對組合梁強度、穩定性及錨桿載荷的作用。其實，在水平應力較大的巷道中，水平應力是頂板破壞、失穩的主要原因。3)只使用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對離層及滑動的約束作用，沒有涉及錨桿對巖體強度、變形模量及應力分布的影響。(3)加固拱理論大量的試驗說明，即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個承載結構。只要錨桿間距足夠小，各根錨桿形成的壓應力圓錐體將相互重疊，就能形成在巖體中產生一個均勻壓縮帶，如圖2-13所示，它可以承受壓力破壞區上部破碎巖石的載荷。加固拱內的巖石受徑向和切向的約束，處于三向應力狀態，巖石承載能力得到提高。錨桿支護的作用是形成較大厚度和較大強度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于圍巖的穩定。

加固拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用，在軟巖巷道中得到較為廣泛的應用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷：〔1〕只是將各錨桿的支護作用簡單相加，得出支護系統的整體承載結構，缺乏對錨桿巖體力學特性及影響因素的深入研究。〔2〕加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準確的估計。(4)最大水平應力理論國內外井下地應力測量結果說明，巖層中的水平應力在很多情況下大于垂直應力，而且水平應力具有明顯的方向性；最大水平主應力明顯高于最小水平主應力，這種趨勢在淺部礦井尤為明顯。澳大利亞學者通過現場觀測與數值模擬分析，得出水平應力對巷道圍巖變形與穩定性的作用〔圖2-14〕。他認為，巷道頂底板變形與穩定性主要受水平應力的影響；當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于頂底板穩定；當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，頂底板穩定性最差；當兩者呈一定夾角時，巷道一側會出現水平應力集中，頂底板的變形與破壞會偏向巷道的某一幫。

(5)圍巖松動圈支護理論董方庭等提出圍巖松動圈支護理論。巷道開挖后，當圍巖應力超過圍巖強度時將在圍巖中產生新的裂紋，其分布區域類似圓形或橢圓形，稱之為圍巖松動圈。圍巖一旦產生松動，圍巖的最大變形載荷是松動圈產生過程中的碎脹變形，圍巖破裂過程中的巖石碎裂變形是支護的對象?，F有支護無法有效阻止圍巖松動圈的產生與開展。

根據圍巖松動圈理論，將錨噴支護分為3種類型：①小松動圈〔厚度小于400mm〕，錨桿支護作用不明顯，只需進行噴射混凝土支護。②中松動圈〔厚度在400～1500mm之間〕，支護比較容易，采用懸吊理論設計錨桿參數，懸吊點在松動圈之外。

③大松動圈〔厚度大于1500mm〕，錨桿的作用是給松動圈內破裂圍巖提供約束力，使其恢復到接近原巖的強度并具有可縮性，采用加固拱理論設計支護參數?？梢姡蓜尤χёo理論確定了使用各種經典錨桿支護理論的適用條件和范圍。(6)圍巖強度強化理論侯朝炯等提出巷道錨桿支護圍巖強度強化理論?！?〕錨桿支護的實質是錨桿與錨固區域的巖體相互作用組成錨固體，形成統一的承載結構；〔2〕錨桿支護可提高錨固體的力學參數，包括錨固體破壞前與破壞后的力學參數〔彈性模量、黏聚力、內摩擦角等〕，改善被錨巖體的力學性能；

〔3〕巷道圍巖存在破碎區、塑性區、彈性區，錨桿錨固區域巖體的峰值強度、峰后強度及剩余強度均能得到強化；〔4〕錨桿支護可改變圍巖的應力狀態，增加圍壓，提高威嚴的承載能力，改善巷道支護狀況；

〔5〕圍巖錨固體強度提高后，可減小巷道周圍的破碎區、塑性區范圍和巷道外表位移，控制圍巖破碎區、塑性區的開展，從而有利于巷道圍巖的穩定。為了解錨固前后力學參數的變化，進行了相似材料模擬實驗。實驗數據說明：錨固體的強度總比無錨桿時提高，而且隨著錨桿密度增加錨固體的強化系數也不斷增加。在錨桿強度一定時，錨桿對剩余強度的強化作用大于對極限強度的強化，這對控制破碎區圍巖的變形，保持其穩定性具有重要作用。

其一是支護強度太高，不僅浪費支護材料，而且影響掘進速度；其二是支護強度不夠，不能有效控制圍巖變形，出現冒頂事故。目前，國內外錨桿支護設計方法主要分為三大類：工程類比法、理論計算法和數值模擬法。近10年來，我國在錨桿支護設計方法方面做了大量工作。在借鑒國外先進設計方法的根底上，結合我國煤礦巷道的特點，提出動態化、信息化的設計方法，符合煤礦巷道地質條件復雜性、多變性的特點。

這種設計方法已經在多個礦區得到推廣應用，錨桿支護設計的可靠性、合理性和科學性得到顯著提高。3.1錨桿支護工程類比設計法工程類比法是應用比較廣泛的方法。它是根據已經支護的類似工程的經驗，通過工程類比，提出錨桿支護參數。

根據已有工程直接提出支護設計這種方法是將已開掘的、成功應用錨桿支護巷道的地質與生產條件與待開掘的巷道進行比較，在各種條件根本相同的情況下，參照已掘巷道的支護形式與參數，由設計人員根據自己的經驗提出待掘進巷道的支護設計。

因此，已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設計人員的設計經驗是直接工程類比應用成功的關鍵。沒有兩條巷道的地質與生產條件完全相同，甚至同一條巷道在不同地段的條件也存在著差異。而直接工程類比法使用的是根底是要求兩條巷道的條件根本類似，不能有較大的差異。進行工程類比時，要求比較的內容全面、細致、可靠，不僅要抓住關鍵因素，而且不能忽略細節。在充分、詳細比較的根底上，根據已掘進巷道的支護設計，進行適當調整，確定待掘巷道的支護形式與參數。3.1.2經驗公式經驗公式是在大量支護設計經驗的根底上，得出的指導支護設計的簡單公式。目前，國內外有多種錨桿支護設計的經驗公式，以以下舉數例。〔1〕錨桿長度選取1某學者：錨桿長度與錨桿間排距之比應為1.2～1.5,錨桿長度可作為巷道寬度的函數確定，如其中L為錨桿長度，B為巷道寬度。2〕某學者：最小錨桿長度＝max[錨桿間距的兩倍，三倍不連續面平均間距確定的不穩定巖石寬度，巷道跨度之半]。〔2〕錨桿間排距選取1〕某學者：最大錨桿間距＝min[錨桿長度之半，1.5倍不連續間距確定的不穩定巖石寬度]。2〕某學者：錨桿間排距與錨桿長度之比為2/3~5/6比較合理。

3〕某學者：從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發，錨桿長度與錨桿間距的比值應接近2。4〕新奧法對錨桿間距的選擇提出一些準那么：硬巖，錨桿間距取1.5～2.0m；中硬巖石，錨桿間距取1.5m；松軟破碎的巖體，錨桿間距取0.8～1.0m。經驗公式最大的特點是使用簡單、方便，但存在兩方面的弊端：一是經驗公式只能提供錨桿支護的主要參數〔錨桿長度、間排距等〕，而其他參數，如錨桿桿體結構、預緊力、錨固長度、托板結構與尺寸、組合構件形式與尺寸等，很難在經驗公式中全面反映，這些參數卻在錨桿支護中同樣起著十分重要的作用；

二是經驗公式中考慮影響錨桿支護效果的因素很少，如上述的經驗公式中，只考慮了巷道寬度、高度，巖石軟硬程度，結構面分布，而影響巷道圍巖變形與破壞的因素還有很多。因此，經驗公式提供的支護參數只能作為參考，不能不顧巷道的具體條件而照搬套用。3.1.3以圍巖為根底的支護設計(1)圍巖分類方法直接工程類比法與支護設計者的實踐經驗關系很大，是決定支護設計成敗的關鍵因素。然而，要求每一個設計人員都具有豐富的實踐經驗是不切實際的。

為了將待定巖體條件下的設計與個別工程相應條件下的實踐經驗聯系起來進行工程類比，做出比較合理的設計方案，進行圍巖分類是非常必要的。在圍巖分類的根底上，根據不同類別的圍巖提出支護形式和參數設計的建議這種方法在國內為得到廣泛應用。我國學者在巖體分類方面做了大量工作。如制定了?工程巖體分級標準?；根據巖石單軸抗壓強度和巖體完整性系數對巖體進行根本質量分級，然后根據結構面產狀、應力狀態及地下水等修正巖體根本質量指標；綜合考慮巖石強度、巖體完整性指標、巖體結構和分布、地應力及圍巖自穩時間等，比較全面、合理地提出錨噴支護圍巖分類(GBJ86-1985)；將圍巖變形量作為分類的根底，并提出分類方法?！?〕回采巷道圍巖穩定性分類及支護設計建議煤炭系統1988年公布試用?我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩定性分類方案?后，經過多年的應用和不斷的完善，開展成為包括緩傾斜、傾斜、急傾斜煤層及不同煤層厚度的回采巷道，煤層上、下山及其他煤巷、巖石巷道在內的全部采準巷道圍巖穩定性分類。煤巷圍巖的穩定性分為5個類別：

一類非常穩定、二類穩定、三類中等穩定、四類不穩定、五類極不穩定。在圍巖穩定性分類的根底上，結合已有的支護設計與實踐經驗，提出了巷道錨桿支護根本形式與主要參數選擇的建議，見表4—1。(3)巷道圍巖松動圈分類及支護設計建議根據巷道圍巖松動圈支護理論，現場圍巖松動圈測試，松動圈大小與巷道支護難易程度的關系，結合錨噴支護機理，將圍巖分為小松動圈穩定圍巖〔厚度小于400mm〕、中松動圈一般穩定圍巖〔厚度在400~1500mm之間〕及大松動圈不穩定圍巖〔厚度大于1500mm〕三大類，然后提出圍巖分類及相應的支護機理與方法，見表4—3。

3.2錨桿支護懸吊理論分析設計法

理論計算法是根據巷道圍巖條件，選擇某種錨桿支護理論，如懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論及其他力學分析方法，在測得支護理論所需巖體物理學參數的前提下，建立力學模型，通過計算確定錨桿支護參數。

懸吊理論認為錨桿的作用是將下部不穩定的巖層懸吊在上部穩定的巖層中，阻止軟弱破碎巖層垮落。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據不穩定巖層厚度計算錨桿長度，根據錨桿懸吊的不穩定巖層重量計算錨桿直徑和間排距。(1)錨桿長度

如圖4—1a所示，錨桿長度用下式計算：L-錨桿長度，m；L1-錨桿外漏長度，取決于錨桿類型與錨固方式，一般取0.15mL2-錨桿有效長度，不小于不穩定巖層的厚度，m;L3-錨桿錨固長度，端部錨固一般取0.3~0.4m(2)錨桿錨固力與直徑錨桿錨固力應不小于被懸吊不穩定巖層的重量，用下式計算：式中Q-錨桿錨固力，MN;K-平安系數，一般取1.5~2；a1、a2-錨桿間排距，m；－不穩定巖層平均重力密度，MN/m3如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，那么錨桿直徑可由下式得出：式中：d－錨桿直徑，m；－錨桿材料的抗拉強度，MPa。3〕錨桿間距排如圖4－1b所示，當錨桿間排距相等時，即，那么間排距為

3.3.錨桿支護預緊力設計

預緊力是錨桿支護中的關鍵參數，對支護效果起著決定性作用。但是，長期以來，沒有認識到預緊力的重要性，而且錨桿施工機具不能提供較大的預緊力，導致我國煤礦錨桿預緊力普遍偏低。一般預緊力矩為100-150N.m，預緊力為15-20kN，有的甚至為零，嚴重影響了錨桿支護作用的發揮。

3.3.1錨桿預緊力值的選擇實踐證明，如果選擇合理的預緊力值，能夠實現對離層與滑動的有效控制。根據國外經驗，以及國內局部礦區的試驗數據，結合我國煤礦巷道條件與施工機具，一般可選擇錨桿預緊力為桿體屈服載荷的30%-50%。表4-5列出了不同錨桿的預緊力值(桿體屈服載荷的50%)?？梢?，錨桿直徑越大，桿體材質強度越高，要求的預緊力值越高。影響K值大小的關鍵因素為:1)螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數；2〕螺母、墊圈端面間的摩擦系數；3)錨桿直徑。國內普遍采用單體錨桿鉆機鉆裝錨桿，這種錨桿鉆機輸出扭矩一般為100～150N.m，頂推力在10kN左右，無法實現錨桿的高預力。為了大幅度提高錨桿的預緊力矩，措施之一是采用專門的高扭矩螺母擰緊設備(如氣動扳機)，但是給錨桿安裝增加了一道工序；其二是在適宜的條件下，引進、開發錨桿臺車和掘錨聯合機組，保證錨桿快速、高質量安裝。

(2)提高錨桿預緊力與螺母預緊力矩的轉換系數k

提高錨桿預緊力與螺母預緊力矩轉換系數k值的主要措施是：降低螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數f1；減小螺母、墊圈端面問的摩擦系數f。。降低f1的措施包括：提高螺紋加工精度等級，減少摩擦阻力和摩擦扭矩；采用油脂對螺紋部進行潤滑，減少摩擦阻力。因此，改善錨桿螺紋加工工藝與設備，提高錨桿螺紋加工精度，對提高錨桿預緊力和支護效果具有重要意義。

減小f。的措施是采用高效減摩副，減少螺母、墊圈和托盤之間的摩擦阻力和摩擦扭矩。上述試驗說明，在螺母與托板之問加減摩墊片，可減少摩擦阻力，而且減摩墊片的材質起關鍵作用。井下使用時應選擇適宜的減摩墊片，實現高效減摩，顯著提高錨桿預緊力。3.3.3錨索預緊力錨索與錨桿相比，具有長度大、拉斷載荷高等特點，因此錨索的預緊力應更大。錨索預緊力設計的原那么為：錨索與錨桿預緊力形成的有效壓應力區相互連接、重疊，形成以錨索為骨架、錨桿為連續帶的骨架網狀結構，對錨桿、錨索之間圍巖的起到有效的主動支護作用。錨索越長、直徑越大、強度越高，施加的預緊力應越大。根據我國煤礦巷道條件、現有錨索規格及張拉設備，錨索預緊力一般應為其拉斷載荷的40％～70％。

3.4錨桿支護參數設計

除錨桿預緊力參數外，錨桿支護參數還包括錨桿幾何參數(直徑、長度等)、錨桿力學參數(屈服強度、抗拉強度、抗剪強度及延伸率等)、鉆孔與錨固參數、錨桿布置參數(錨桿間距、排距、安裝角度等)、組合構件與網的參數、錨索參數等。

2)錨桿預緊力選擇錨桿直徑時，應結合巷道圍巖具體條件，支護要求的預緊力大小確定。預緊力越大，在相同材質的條件下，錨桿直徑應越大。3)錨桿強度在桿體材質相同的情況下，錨桿直徑越大，強度越高。數值計算和井下監測數據說明，錨桿直徑對巷道圍巖變形有明顯影響。隨著錨桿直徑增大，圍巖變形量逐漸減小，對變形量較大的巷道這種影響更為明顯。因此，一般對于圍巖破碎、應力大的巷道，應選用直徑大的錨桿；相反，對于頂板比較完整、變形量較小的巷道宜選用直徑較小的錨桿。

2)與錨桿預緊力、直徑、強度相匹配錨桿長度的選擇應與錨桿預緊力、直徑、強度相匹配。顯然，直徑小、強度低、預緊力低的錨桿，選擇過大的長度是不合理的。錨桿長，預緊力低，在頂板不能形成有效的預應力結構，不能充分發揮錨桿的支護作用。

如圖：隨著錨桿長度增加，壓應力區范圍與厚度增加，錨桿作用范圍擴大。但錨桿長度中上局部的壓應力減??；兩錨桿之問中部圍巖的壓應力減小。在預緊力一定的條件下，錨桿越長，預緊力的作用越不明顯，主動支護性越差。錨桿越長，施加的預緊力應越大。反過來，通過提高預緊力，可適當減小錨桿長度。

因此，合理的錨桿長度應與錨桿預緊力、強度相匹配，形成有效的支護系統，實現良好的支護效果。3)滿足井下施工要求

錨桿長度的選擇應滿足井下施工的要求。過長的錨桿不宜度，甚至無法施工。(3)錨桿外表粗糙度錨桿外表粗糙度對桿體與錨固劑之間的黏結力與作用力的傳遞有顯著影響。桿體與錨固劑之問的黏結力由兩局部組成：錨固劑對桿體的吸附力與機械作用力。同光圓桿體相比，桿體外表粗糙具有更大的外表積，吸附力更大；錨固劑嵌入桿體外表凹進去的局部，具有更大的機械作用力。因此，粗糙桿體與錨固劑的黏結力明顯大于光圓桿體，而且桿體外表越粗糙，黏結力越大。3.4.2錨桿力學參數(1)優先選擇高強度錨桿選擇高強度鋪桿，以提高支護效果，保證巷道平安。數值模擬與井下應用說明，提高錨桿強度可有效減小巷道圍巖變形，控制圍巖破壞范圍。

(2)與錨桿預緊力相匹配一味地提高錨桿強度，而無視預緊力的作用，只能導致錨桿的作用不能充分發揮，達不到應有的支護效果。結合控制圍巖離層、滑動等所需要的預緊力，確定合理的錨桿強度，不僅能顯著提高支護效果，而且能降低錨仟支護密度，有利于提高掘進速度，

(3)因地制宜對于圍巖穩定、地質構造簡單、地應力小的巷道條件「如神東礦區)，應因地制宜，可以選用圓鋼等低強度錨桿，在滿思支護要求的前提下，降低支護本錢。3.4.3鉆孔與錨固參數(1)鉆孔參數鉆孔參數包括鉆孔直徑、深度與外表粗糙度。我國煤巷錨桿鉆孔直徑有28mm、33mm，43mm等幾種，尤以28mm最為普遍。不同鉆孔直徑與錨桿直徑的錨固參數見表4-7?？梢?，孔徑差越大，錨固劑環形厚度越大，錨固長度越小。孔徑差過大的會引起以下問題:1)錨桿不能有效攪拌錨固劑，導致錨固劑攪拌不均勻，反響不充分，甚至出現錨固劑包裝薄膜沒有攪破，出現所渭的“手套效應〞，嚴重影響錨固力。2)錨固劑環形厚度過大，不利于錨固力的提高。試驗說明，錨桿錨固力與錨固劑環形厚度有很大關系，當鋪固劑環形厚廢在3-4mm時，黏結力最強，錨桿錨固力最大。隨著環形厚度增大，錨桿錨固力反而顯著降低。

3)在錨固劑長度相同的條件下，孔徑差越大，錨固長度越小。為了到達同樣的錨固長度，需用更多的錨固劑，浪費材料。4)鉆孔百徑過大，會導致鉆孔鉆迸速度低，時間長，影響支護速度。此外，鉆孔直徑大，需要的錨固劑直徑也大，材料本錢增加?？讖讲钸^小，錨固劑環形圈太薄，同樣影響錨桿錨固力。而且，引起錨桿插入鉆孔比較困難，影響施工速度，甚至導致錨桿安裝失敗。

鉆孔深度應與錨桿長度匹配合理的鉆孔深度應保證錨桿端頭至孔底，尾部能順利安裝組合構件、托板、墊片與螺母，并使外露長度保持在合埋的范圍。鉆孔深度過大，會導致錨桿端頭不能到達孔底，無法攪拌孔底的錨固劑，使有效錨固長度減?。幌喾矗@孔深度過小，會使錨桿外露太長。由于錨桿尾部螺紋長度是有限的，過大的外露長度有可能導致螺母已經擰到螺紋底部，但托板和組合構件還沒有貼緊頂板，無法施加預緊力，嚴重削弱了錨仟的作用。

鉆孔外表粗糙度明顯影響圍巖與錨固劑之間的黏結力與錨桿外表粗糙度類似，圍巖條件相同的情況下，外表粗糙的鉆孔與鋪固劑的黏結力明顯大于光滑鉆孔，而且鉆孔外表越粗糙，黏結力越大。鉆孔外表粗糙度與圍巖性質、鉆孔設備、鉆頭鉆桿、推進速度等多種因素有關。(2)錨固參數錨固參數包括錨固劑的型號、規格、尺寸，錨固長度等。錨固劑直徑應與鉆孔直徑和錨桿直徑相匹配。為了使錨固劑能夠順利安裝到鉆孔中，同時錨桿桿體又能充分攪拌錨固劑，比較合理的錨固劑直徑是比鉆孔百徑小3-5mm。如28mm直徑的鉆孔，采用23mm直徑的錨固劑；33mm直徑的鉆孔，采用28mm直徑的錨固劑。

錨桿錨固長度主要分為端部錨固、加長錨固和全長錨固。端部錨固：錨桿錨固長度不大于500mm或不大于鉆孔長度的1/3；全長錨固：錨桿錨固長度不小于鉆孔長度的90%加長錨固：錨桿錨固長度介于端部錨固和全長錨固之間。3.4.4錨桿布置參數(1)錨桿密度錨桿支護密度應遵循以下原那么:1)低支護密度原那么應盡量提高單根錨桿的預緊力、強度與剛度，在保證支護效果與平安條件下，降低支護密度。我國煤巷錨桿間排距一般為，間排距偏小，支護密度偏大，而且將縮小錨桿間排距作為增加支護強度的一種主要手段。

相反，美國、澳大利亞等國家，錨桿間排距比較大。如美國錨桿間排距一般選擇為1.2m，澳大利亞錨桿間排距一般在1.0m左右。降低支護密度，可降低巷道支護綜合本錢，明顯提高成巷速度。2)支護密度與錨桿預緊力、強度、長度相匹配原那么實踐說明，通過提高錨桿預緊力、直徑、強度，可以增大錨桿間排距。特別是我國錨桿預緊力普遍很低，即使支護密度大，支護效果也不理想“通過大幅度提高錨桿預緊力，不僅能夠顯著減小圍巖變形，保持圍巖的完整性與穩定性，而且可顯著降低支護密度。

3)支護密度與組合構件相匹配原那么組合構件(鋼帶、金屬網)在預應力支護系統中起著關鍵作用。通過選擇護外表積大、強度和剛度高的組合構件，呵擴大錨桿作用范圍，適當減小錨桿支護密度。(2)錨桿角度錨桿角度主要指頂板靠近兩幫傾斜錨桿的角度。傳統的錨桿布置方式是將傾斜錨桿布置成與垂線呈20-30度角，使傾斜錨桿能夠深人到巷幫上方的頂板中。一般認為，這樣布置一方面傾斜錨桿可以阻止頂板整體切落；另一方面，傾斜錨桿與鋼帶組成一個兜狀結構，防止頂板冒落。對已發生的冒頂事故分析說明，傾斜錨桿的上述兩種作用郡比較小，不能阻止頂板垮落，相反，過大的角度削弱了錨桿對頂板的支護作用。頂板角錨桿不同角度時的錨桿預應力場分布如圖4-10所示。從圖上可看出以下兒點：1)當頂板角錨桿垂直布置時，角錨桿與中部錨桿形成的有效壓應力區相互連接與疊加，在頂板形成厚度較大、分布比較均勻的壓應力區，覆蓋了錨固區的大多數面積，錨桿預緊力擴散與疊加效果最好。(2)隨著頂板角錨桿角度增加，角錨桿形成的有效壓應力區與申部鋪桿形成約有效壓應力區逐步別離，疊加區域越來越小。當頂板角錨桿角度到達嶼。，兩個壓應力區明顯別離。繼續加大角錨仟角度，角錨桿與中部錨桿的壓應力區分開的更遠，成為彼此獨立的支護單元，錨桿支護的整體作用受到嚴重影響。

(3)頂板角錨桿角度越大，錨桿預緊力形成的有效壓應力區越小。而且，較高的壓應力主要集申在錨桿尾部附近，在錨桿中部與端部壓應力那么較小，這不利于錨桿支護作用的充分發揮。由此可見，在近水平煤層巷道申，頂板角錨桿最好垂直布置。如考慮施工需要一定的角度，最大角度不應超過10。。、組合構件與網的參數(l)組合構件參數組合構件有鋼帶、鋼筋托梁、鋼梁等形式。鋼帶又分平鋼帶、W形鋼帶、M形鋼帶等形式。組合構件在錨桿支護系統中起著關鍵作用，對其有以下要求:1)有一定的護外表積、強度和剛度，起到擴散錨桿預緊力、擴大錨桿作用范圍，以及均衡錨桿受力，提高整體支護能力的作用。

2)幾何參數、力學參數應與錨桿參數相匹配。組合構件形式與參數選擇不合理，會導致組合構件發生破壞，顯著降低支護系統的艾護能力。3)經濟合理，便于施工。應對組合構件的斷面形狀、兒何參數、材質進行優化，在獲得比較優越的力學性能的條件下，節約材料，有利于井下施工。鋼筋托梁：由鋼筋焊接而成。鋼筋直徑一般為10-16mm，托梁寬度為60-100mm，長度根據需要確定。鋼筋托梁最大的優點是加工方便、重量小、本錢低，然而力學性能比較差，表現在:護外表積小、強度與剛度低;托梁鋼筋與巷道外表為線接觸，不利于錨桿預緊力擴散和作用范圍的擴大;組合作用和均衡錨桿受力的能力差，易出現鋼筋或焊接部位破斷的現象。鋼筋托梁適合用于地質條件比較簡單的巷道，在復雜困難條件下，不建議采用這種組合構件。W形鋼帶：由鋼板滾壓成形的組合構件。鋼板厚度為3-5mm，鋼帶寬度一般為180-280mm。W形鋼帶有以下優點：護外表積大、強度與剛度高；與巷道外表為面接觸，有利于錨桿預緊力擴散和擴大錨仟作用范圍；組合作用和均衡錨桿受力的能力強。W形鋼帶是適合復雜困難條件巷道的有效組合構件。實際應用時，可根據錨桿預緊力、直徑和強度等參數選擇相適應的鋼帶參數。

M形鋼帶也是一種性能比較優越的組合構件。這種鋼帶鋼材利用率高，抗彎截面利用率高；向上的截面模量明顯小于向下的截面模量，安裝鋼帶時易于緊貼頂板，而頂板下沉時，鋼帶向下的抗彎截面模量大，有利于阻止錨桿間的圍巖變形、松動和破壞。〔2〕網的參數網有多種形式，按材料可分金屬網和非金屬網。金屬網又分為鐵絲網和鋼筋網:鐵絲網又分為經緯網和菱形網，其中菱形網柔性好、強度大、孔形不易變形、連接方便，逐步取代經緯網;鋼筋網強度與剛度大，護表能力強，可有效擴大錨桿作用范圍，提高支護系統的整體效果。非金屬網有塑料網相聚酷網等。塑料網輕便、抗腐蝕、本錢低，但強度與剛度低，護表能力差;聚酷網重量小，但強度與剛度比塑料網顯著增加，正逐步推廣應用。

網的參數包括鐵絲(鋼筋)直徑、強度、網孔大小、網片的長度與寬度等。根據網的作用，對其有以下要求:：1)有一定的強度和剛度，不僅能阻止錨桿間的小煤巖塊掉落，而且能起到一定的抑制圍巖松動和變形的作用。2〕當巷道需要噴漿時，網的參數應滿足噴漿的需要。3)井下施工時，網應盡量緊貼巷道外表。網的形式與參數應有利于施工。3.4.6錨索參數小孔徑樹脂錨固預應力錨索參數主要包括錨索長度、直徑，錨固長度、外露長度，錨索間、排距，錨索安裝角度，預緊力與拉斷力，錨索組合構件形式、規格和強度等。〔1〕錨索長度錨索應將錨桿支護形成的預應力承載結構與深部圍巖相連，發揮深部圍巖的承載能力，提高預應力承載結構的穩定性。因此，錨索應錨固在圍巖內部相對較穩定的巖層中。錨索長度可參考下式設計：L=L1+L2+L3(4-26)式中L-錨索長度，m；L1-錨索外露長度，0·3-0·4m;L2-潛在的不穩定巖層高度，m；L3-錨索錨固長度，1·2-1·5m。錨索長度的選取應與錨索的預緊力相匹配，錨索越長，施加的預緊力應越大。低預緊力的長錨索支護效果比高預緊力的短錨索差?！?)錨索直徑考慮到錨索索體直徑與鉆孔直徑(一般為28mm)的差值控制在4-10mm之內有利于樹脂藥卷錨固效果的發揮，應優先選用直徑18mm及以上錨索。(3)錨固長度為了確定比較合理的錨固長度，按不同孔徑、錨固長度和錨固劑等分別在井下進行了拉撥試驗。試驗地點的巖性為粉砂巖、細砂巖，局部含鋁土巖。根據試驗數據，考慮到巖性和施工等影響因素及平安系數，確定樹脂錨固最小錨固長度為1·0m，一般應為1·2-1·5m。

(4)錨索密度錨索間、排距應結合錨索預緊力選取，以與錨桿形成骨架網狀預應力結構。但是，錨索支護密度不宜過大，否那么會顯著增加巷道支護本錢，影響成巷速度。對于一般的巷道，每2-3排錨桿布置1-2根鋪索是比較可行的。特殊條件應根據具體情況確定錨索的間排距。(5)錨索安裝角度錨索優先選擇垂直于巷道外表的方向布置，有利于發揮錨索的預緊力與抗拉能力。(6)錨索拉斷力由于錨索施加較大的預緊力，宜采用高強度、較大直徑的索體，保證錨索的支護加固能力。(7)錨索外露長度考慮到托板、錨具和張拉機具的要求，錨索外露長度一般控制在300mm左右。

4.煤礦頂板事故發生的原因遇到斷層、破碎帶煤巖體層節理發育吸水膨脹軟巖采掘深度較深受地壓影響(1)地質條件巷道附近出現隱含小斷層因巷道附近一定范圍內無法發現的隱含小斷層導致冒頂事故。頂板一定范圍內出現軟弱夾層圖2.3軟弱夾層導致巷道冒頂實例軟弱夾層層厚一般在幾mm～幾十mm。而普通錨桿無法將其納入錨固范圍之內。冒頂原因:直接頂板泥巖與根本頂砂巖間突然出現煤線。

節理發育

由于地質構造作用，巖層節理發育，多組節理互相切割，破壞巖體的完整性，導致楔形冒落。褶曲構造引起頂板局部變化，斜交節理發育，導致巷道頂板楔形冒落。圍巖出現鑲嵌型結構：俗稱：“鍋底矸〞(2)人的不平安行為采礦方法不合理或支護設計不合理缺乏平安知識及平安意識空頂作業和支護不及時巷道成形不好支護強度不夠或沒有劃嚴背緊爆破崩倒支架沒有進行及時支護受采動的影響缺乏平安知識及平安意識違章進入采空區進入封閉巷道不佩戴平安帽在年久失修巷道處逗留空頂作業和支護不及時第四十一條掘進工作面嚴禁空頂作業。靠近掘進工作面10m內的支護，在爆破前必須加固。爆破崩倒、崩壞的支架必須先行修復，之前方可進入工作面作業。修復支架時必須先檢查頂、幫，并由外向里逐架進行。在松軟的煤、巖層或流砂性地層中及地質破碎帶掘進巷道時，必須采取前探支護或其他措施。在堅硬和穩定的煤、巖層中，確定巷道不設支護時，必須制定平安措施。巷道成形不好容易造成冒頂第三百二十九條炮眼深度和炮眼的封泥長度應符合以下要求：〔一〕炮眼深度小于0.6m時，不得裝藥、爆破；在特殊條件下，如挖底、刷幫、挑頂確需淺眼爆破時，必須制定平安措施，炮眼深度可以小于0.6m，但必須封滿炮泥。〔二〕炮眼深度為0.6～1m時，封泥長度不得小于炮眼深度的1/2。〔三〕炮眼深度超過1m時，封泥長度不得小于0.5m。巷道成形不好容易造成冒頂〔四〕炮眼深度超過2.5m時，封泥長度不得小于1m?！参濉彻饷姹茣r，周邊光爆炮眼應用炮泥封實，且封泥長度不得小于0.3m。〔六〕工作面有2個或2個以上自由面時，在煤層中最小抵抗線不得小于0.5m，在巖層中最小抵抗線不得小于0.3m。淺眼裝藥爆破大巖塊時，最小抵抗線和封泥長度都不得小于0.3m。第四十二條支架間應設牢固的撐木或拉桿。可縮性金屬支架應用金屬支拉桿，并用機械或力矩扳手擰緊。支架與頂幫之間的空隙必須塞緊、背實。巷道砌碹時，碹體與頂幫之間必須用不燃物充滿填實；巷道冒頂空頂局部，可用支護材料接頂，但在碹拱上部必須充填不燃物墊層