一、概述
根據(jù)煤礦巷道的特點(diǎn)，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，某研究團(tuán)隊(duì)提出錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法。動(dòng)態(tài)信息法具有兩大特點(diǎn)：其一，設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過程中提供的信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息收集、信息分析與信息反饋。
該設(shè)計(jì)方法包括五部分：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)、信息反饋與修正設(shè)計(jì)。
圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、井下環(huán)境評(píng)價(jià)及錨固性能測(cè)試等內(nèi)容，為初始設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)參數(shù)；初始設(shè)計(jì)以數(shù)值計(jì)算方法為主，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設(shè)計(jì)；將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下，進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測(cè)；根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷初始設(shè)計(jì)的合理性，必要時(shí)修正初始設(shè)計(jì)。正常施工后應(yīng)進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，保證巷道安全。
二、巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估
巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估是在地質(zhì)力學(xué)測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行的。包括以下幾方面：
1.巷道圍巖巖性和強(qiáng)度。包括煤層厚度、傾角、抗壓強(qiáng)度；頂?shù)装鍘r層分布，強(qiáng)度。
2. 地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)。巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲等的分布，對(duì)巷道的影響程度。巷道圍巖中不連續(xù)面的分布狀況，如分層厚度和節(jié)理裂隙間距的大小，不連續(xù)面的力學(xué)特性等。
3. 地應(yīng)力。包括垂直主應(yīng)力和兩個(gè)水平主應(yīng)力，其中最大水平主應(yīng)力的方向和大小對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。
4.環(huán)境影響。水文地質(zhì)條件，涌水量，水對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響，瓦斯涌出量，巖石風(fēng)化性質(zhì)等。
5.采動(dòng)影響。巷道與采掘工作面、采空區(qū)的空間位置關(guān)系，層間距大小及煤柱尺寸；巷道掘進(jìn)與采動(dòng)影響的時(shí)間關(guān)系（采前掘進(jìn)、采動(dòng)過程中掘進(jìn)、采動(dòng)穩(wěn)定后掘進(jìn)）；采動(dòng)次數(shù)，一次采動(dòng)影響、二次或多次采動(dòng)影響等。
6.粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。采用錨桿拉拔計(jì)確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度。該測(cè)試工作必須在井下施工之前進(jìn)行完畢。測(cè)試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計(jì)錨固深度上進(jìn)行三組拉拔試驗(yàn)。粘結(jié)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后方可在井下施工中采用。
初始設(shè)計(jì)前所需的原始數(shù)據(jù)如表1所列。
表1 地質(zhì)力學(xué)評(píng)估內(nèi)容
三、初始設(shè)計(jì)方法
錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)合其它方法確定。通過數(shù)值模擬計(jì)算，可分析巷道圍巖位移、應(yīng)力及破壞范圍分布，支護(hù)體受力狀況；不同因素對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響，不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響；通過方案比較，確定比較合理的支護(hù)參數(shù)（如錨桿長(zhǎng)度、直徑、間排距等）。對(duì)于數(shù)值模擬不太好反映的參數(shù)，如鉆孔直徑、組合構(gòu)件參數(shù)等采用其它方法確定。
1.數(shù)值模擬計(jì)算方法
隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元、離散元及有限差分等數(shù)值方法已廣泛應(yīng)用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。它們?cè)诮鉀Q非圓形、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方面顯示出較大的優(yōu)越性，而且可以同時(shí)進(jìn)行眾多方案的比較，從中選出合理方案。目前，用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方法主要有三種：
（1）有限元法
在各種有限元計(jì)算機(jī)軟件中，把連續(xù)介質(zhì)或物體表示為一些單元的集合。這些單元可認(rèn)為是在一些稱之為節(jié)點(diǎn)的指定結(jié)合點(diǎn)處彼此連接。這些節(jié)點(diǎn)通常是置于單元的邊界上，并認(rèn)為相鄰單元就是在這些節(jié)點(diǎn)上與它相連的。由于不知道連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)變量(如位移、應(yīng)力、溫度、壓力或速度)的真實(shí)變化，所以先假設(shè)有限元內(nèi)場(chǎng)變量的變化可用一種簡(jiǎn)單的函數(shù)來近似描述。這些近似函數(shù)可以由場(chǎng)變量在結(jié)點(diǎn)處的值來確定。當(dāng)對(duì)整個(gè)連續(xù)介質(zhì)寫出場(chǎng)方程組（如平衡方程組）時(shí)，新的未知量就是場(chǎng)變量的結(jié)點(diǎn)值。求解方程組即得場(chǎng)變量的結(jié)點(diǎn)值，繼而求出整個(gè)單元集合體的場(chǎng)變量，最終求得位移和應(yīng)力的近似解。
目前，有多種有限元軟件，如NASTRAN、ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS等，國(guó)內(nèi)外巖土工程方面ANSYS軟件應(yīng)用比較多。ANSYS軟件有自己的語言（APDL），具備一般計(jì)算機(jī)的所有功能，用戶可用變量的形式建立模型，可在其它環(huán)境下編程。有限元法主要適用于模擬連續(xù)介質(zhì)。
（2）離散元方法
離散元法是Cundall于1971年提出的，該法適用于研究在準(zhǔn)靜力或動(dòng)力條件下的節(jié)理系統(tǒng)或塊體集合的力學(xué)問題。近年來，離散元法有了長(zhǎng)足的發(fā)展，已成為解決巖土力學(xué)問題的一種重要數(shù)值方法。
有限元法、有限差分法、邊界元法等數(shù)值方法是建立在連續(xù)性假設(shè)基礎(chǔ)上的。然而，當(dāng)煤巖體形態(tài)和結(jié)構(gòu)呈強(qiáng)烈的非連續(xù)性，煤巖塊體的運(yùn)動(dòng)和受力為幾何或材料非線性時(shí)，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行求解顯然是不適合的，需要用別的方法解決。離散元法充分考慮結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，適用于解決節(jié)理化巖石力學(xué)問題。離散元法能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個(gè)物體相互作用問題、物體斷裂問題以及大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)問題，能夠處理范圍廣泛的材料本構(gòu)關(guān)系、相互作用準(zhǔn)則和任意幾何形狀。離散元法的這些特點(diǎn)非常適用于類似煤巖體的非連續(xù)體。
離散單元法也像有限元法那樣，將區(qū)域劃分為單元。但是，單元因受節(jié)理等不連續(xù)面的控制，在以后的運(yùn)動(dòng)過程中，單元節(jié)點(diǎn)可以分離，即一個(gè)單元與相鄰單元可以接觸，也可以分開，單元之間想互作用的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，而個(gè)別單元的運(yùn)動(dòng)則完全根據(jù)該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定。離散單元法是一種顯式求解的數(shù)值方法，顯式法不需要形成矩陣，因此可以考慮大的位移和非線性，而不必花費(fèi)額外的計(jì)算時(shí)間。
UDEC、3-DEC等二維、三維離散元軟件已經(jīng)在我國(guó)得到應(yīng)用，在分析頂板垮落、頂煤冒落、節(jié)理化巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)設(shè)計(jì)等方面取得良好效果。
（3）有限差分法
差分法是一種最古老的數(shù)值計(jì)算方法，但是隨著現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算手段的飛速發(fā)展，賦予差分法更多的功能和更廣的應(yīng)用范圍。
目前應(yīng)用比較廣泛的FLAC軟件（二維、三維），可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù)，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞。FLAC采用顯式解法，可模擬任意非線性力學(xué)問題，而所用機(jī)時(shí)與解線性問題相差無幾。FLAC不需要存貯矩陣，在不增加很大內(nèi)存要求的情況下可計(jì)算含大量單元的模型。因?yàn)闆]有剛度矩陣不斷更新，所以大變形與小變形計(jì)算的機(jī)時(shí)消耗無明顯區(qū)別。FLAC內(nèi)部含有多個(gè)力學(xué)模型，如摩爾-庫侖模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、節(jié)理模型及雙屈服模型等，用以模擬高度非線性、不可逆等地質(zhì)材料的變形特征。除此之外，F(xiàn)LAC還有多種特殊功能：FLAC中含有界面單元，可以模擬巖層中不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理及層理等滑動(dòng)和離層；FLAC中含有四種結(jié)構(gòu)單元，分別為梁、錨桿、樁及支柱單元，可以模擬各種支護(hù)構(gòu)件。錨桿單元是一種一維軸向單元，在一定拉力下屈服。錨固方式可以是端錨、全長(zhǎng)錨固或任意長(zhǎng)度錨固，這種單元還可以施加預(yù)緊力。FLAC內(nèi)部還有一種編程語言FISH。運(yùn)用FISH語言，用戶可編制自己的函數(shù)、變量，甚至引入自定義力學(xué)模型，顯著擴(kuò)大了FLAC的應(yīng)用范圍和靈活性。有限差分法適用于模擬連續(xù)介質(zhì)非線性、大變形問題。
2.數(shù)值模擬步驟
采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)一般按以下步驟進(jìn)行：
(1)確定巷道的位置與布置方向：巷道位置與布置方向一般根據(jù)煤層條件、井田和采區(qū)劃分、回采工作面布置及采煤方法等因素確定。在近水平煤層條件下，如果能考慮地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護(hù)。一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的煤巖體中和應(yīng)力降低區(qū)；另一方面，應(yīng)將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。如當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。
(2)確定巷道斷面形狀與尺寸：根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備尺寸、通風(fēng)、行人要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)合理的巷道斷面形狀與尺寸。對(duì)于回采巷道，斷面形狀應(yīng)優(yōu)先選擇矩形，以滿足回采工作面快速推進(jìn)的要求。
(3) 建立數(shù)值模型：根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，確定模型模擬范圍、模型網(wǎng)格及邊界條件，選擇合理的模擬圍巖和支護(hù)體的力學(xué)模型。
(4)確定模擬方案：根據(jù)模擬對(duì)象確定模擬方案。一般包括無支護(hù)巷道，不同巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角、不同煤柱尺寸護(hù)巷，不同錨桿直徑、長(zhǎng)度、強(qiáng)度和支護(hù)密度，及有無錨索，錨索密度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度等支護(hù)方案。
(5)模擬結(jié)果分析：分析巷道圍巖變形與破壞的特征，地應(yīng)力大小與方向、煤柱尺寸對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，錨桿、錨索支護(hù)密度、直徑、長(zhǎng)度和強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，通過多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟(jì)、便于施工的支護(hù)方案。
四、錨桿支護(hù)形式和參數(shù)及選擇原則
1.錨桿支護(hù)形式與參數(shù)
錨桿支護(hù)形式與參數(shù)主要包括以下內(nèi)容：
(1) 錨桿種類（螺紋鋼錨桿，圓鋼錨桿，其它錨桿）；
(2) 錨桿幾何參數(shù)（直徑、長(zhǎng)度）；
(3) 錨桿力學(xué)參數(shù)（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率）；
(4) 錨桿密度，即錨桿間、排距；
(5) 錨桿安裝角度；
(6) 鉆孔直徑；
(7) 錨固方式（端部錨固，加長(zhǎng)錨固，全長(zhǎng)錨固）和錨固長(zhǎng)度；
(8) 錨桿預(yù)緊力矩或預(yù)應(yīng)力；
(9) 鋼帶形式、規(guī)格和強(qiáng)度；
(10) 金屬網(wǎng)形式、規(guī)格和強(qiáng)度；
(11) 錨索種類；
(12) 錨索幾何參數(shù)（直徑、長(zhǎng)度）；
(13) 錨索力學(xué)參數(shù)（抗拉強(qiáng)度、延伸率）；
(14) 錨索密度，即錨索間、排距；
(15) 錨索安裝角度；
(16) 錨索孔直徑，錨固方式和錨固長(zhǎng)度；
(17) 錨索預(yù)緊力；
(18) 錨索組合構(gòu)件形式、規(guī)格和強(qiáng)度。
2.錨桿支護(hù)形式與參數(shù)選擇原則
針對(duì)我國(guó)煤礦巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，特別是復(fù)雜困難條件巷道，為了充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，提出以下設(shè)計(jì)原則：
(1) 一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)，以及巷道維修。一方面，這是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，就回采巷道而言，要實(shí)現(xiàn)采煤工作面的快速推進(jìn)，服務(wù)于回采的順槽應(yīng)在使用期限內(nèi)保持穩(wěn)定，基本不需要維修；對(duì)于大巷和硐室等永久工程，更需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修。另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會(huì)受到顯著影響。
(2) 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度，保持其完整性。
(3) “三高一低”原則。即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度）、剛度（提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固），保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。
(4) 臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)大于臨界值。
(5) 相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用。
(6) 可操作性原則。提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高。
(7) 在保證巷道支護(hù)效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本。
五、井下監(jiān)測(cè)與信息反饋及修正設(shè)計(jì)
初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下后，必須進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，這也是動(dòng)態(tài)信息法中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。監(jiān)測(cè)的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始設(shè)計(jì)。井下監(jiān)測(cè)主要包括圍巖位移、圍巖應(yīng)力、錨桿（索）受力監(jiān)測(cè)。
獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以后，應(yīng)從眾多數(shù)據(jù)中選取修改、調(diào)整初始設(shè)計(jì)的信息反饋指標(biāo)。指標(biāo)應(yīng)能比較全面地反映巷道支護(hù)狀況，同時(shí)具有可操作性。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與信息反饋指標(biāo)比較，就可判斷初始設(shè)計(jì)的合理性，必要時(shí)修正初始設(shè)計(jì)。
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