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中国矿业大学学报990 518 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG σ3为碎裂岩石围压, M Pa ; σc为完整岩石的单向抗压强度, M Pa ; m 为反映岩性结构的系数, 其值为0 . 0 0 1～2 5. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 518 . h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 5 中国矿业大学学报990 518 图3 岩石峰值强度和残余强度与围压之间的关系 Fi g . 3 Pe a k s t r e n g t h a n d r e s i d u a l s t r e n g t h v e r s u s c o n f i n i n g p r e s s u r e 围岩峰后的这些特性对研究巷道支护特别是软岩巷道支护具有重要意义. 对于具有护表构 件 如金属网、钢带等 的锚杆支护, 径向锚固力可以均布到锚固体内, 锚固体的围压为σ3 P/ a 2. 其中, P为锚杆径向锚固力. 若P 10 0 k N, a 0 . 7 m , 则σ3≈0 . 2 M Pa . 低围压下, 按上述试验结果, 较软破裂岩石锚固体强度 残余强度 将提高到1～4 m Pa . 3 破裂岩块锚固组合拱的承载能力 3. 1 破裂岩石锚固体的强度 根据前述试验结果, 掘巷后破裂围岩锚固体的强度由式 1 确定. 锚杆对围岩实际施加的径 向锚固力P由其托锚能力和粘锚能力决定. 锚杆托锚能力取决于托板及托板与杆体间的配合 ［6 ］ 式中 Pt为锚杆托锚能力, N; r 0为托板半径, m ; r1为托板上螺母半径, m ; t 为托板厚度, m ; σl 为托板材 料抗拉强度, Pa ; k 1为取决于r0, r1的修正系数. 锚杆粘锚能力在现场常用拉拔试验确定. 在较软岩层或煤层中, 锚杆粘锚力和拉拔力的关系 为［6 ］ 式中Pn为锚杆粘锚能力, N; Fl m a x为试验得锚杆最大抗拉拔力, N. 锚杆对围岩实际施加的径向锚固力 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 518 . h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 5 中国矿业大学学报990 518 3. 2 组合拱承载能力的计算 组合拱若发生破坏, 必然从拱内壁（即巷道周边）开始. 在组合拱内壁处围岩切向应力最 大, 弹性条件下为 式中σθR为组合拱内壁 巷道周边 切向压应力, M Pa ; q 为围岩对组合拱施加的载荷 设为均布 载荷 , M Pa ; b 为组合拱厚度, m ; R为巷道半径 跨度之半 , m . 组合拱具有较大的可缩性，式 5 计算的应力值与实际相比偏于安全. 根据H o e k -Br o w n 强 度准则, 当组合拱切向应力大于锚固体强度时, 组合拱将发生剪切破坏. 组合拱不发生破坏的条 件为 式中 k 为安全系数，k 1. 0 ～1. 2 σ3大时取小值，反之取大值 . 将式 5 代入式 6 , 得 可见, 组合拱的承载能力与它的结构及锚固体强度有关. 在已知组合拱外载荷时, 可利用此式计 算组合拱厚度，进而设计锚杆参数. 锚杆组合支护系统中梁、网等辅助构件不仅要护住锚固锥体间的破裂危岩, 还要承载锚固 锥体的反力. 因此, 其强度σ附必须满足 式中γ为巷道围岩容重; a ，P与前面同. 4 应用实例 三河尖矿7 135综采放顶煤工作面轨道平巷沿煤层底板布置, 煤层厚8 . 5～9. 2 m , 煤层内生裂 隙发育, 呈条带状、块状及粉未状构造. 直接顶为粉砂岩, 厚3. 8 7 ～7 . 56 m ; 老顶为细砂岩. 该巷道通 过数条落差1. 0 ～5. 0 m 的断层, 对顶板控制影响也较大. 原采用工字钢棚支护时, 巷道掘进过程中 常发生严重冒顶事故, 且成巷后变形量大, 维护成本高，因此进行了锚梁网支护试验. 根据前述方法进行支护参数设计. 已知 煤块的单轴抗压强度σc 11. 5 m Pa ; 巷道跨度为3. 8 m , 即R 1. 9 m ；实测树脂锚杆托锚力（平均）Pt 42 k N，剪胀力q 0 . 10 5 m Pa . 计算得 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 518 . h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 5 中国矿业大学学报990 518 σ3 0 . 0 8 57 m Pa ; σp c 0 . 38 3 m Pa , 则组合拱厚度b ≥0 . 7 1R 1. 35 m （安全系数k 1. 2 ）. 设计锚杆有 效长度L 1. 7 m ，锚杆间排距为0 . 7 0 m . 试验时顶板锚杆长度取2 . 0 m , 帮锚杆长1. 8 m ，锚杆由16 的A 3钢加工而成. 顶板锚杆每孔用Z2 335型树脂药卷2 ～3卷, 两帮锚杆每孔1～2 卷. 试验巷道经历了掘进影响期、掘后稳定期和采动影响期, 其收敛变形量明显小于架棚支护 段，支护总费用较工字钢棚节约40 . 锚梁网支护和工字钢棚支护段的巷道维护状况对比如图4 所示. a 工字钢棚支护 b 锚梁网支护 图4 巷道维护状态比较 Fi g . 4 Co n t r a s t o f r o a d w a y m a i n t e n a n c e s i t u a t i o n 5 结 论 1） 在松软围岩中, 无论是园形、拱形还是平顶梯形巷道, 锚杆支护系统通过破裂围岩形成 的组合拱起支护作用. 当组合拱承载能力小于外载荷时, 首先从其内侧开始失稳破坏. 破坏特征 主要为剪切破坏. 2 ） 锚固力的作用在于提高拱内破裂岩块的残余强度. 形成组合拱的锚固体强度与其破坏 前强度、破裂程度、支护系统提供的围压等因素有关. 3） 以锚杆为主体，梁、网等为辅助构件的支护系统共同促使破裂岩体形成锚固组合拱. 组合拱的承载能力与其结构、锚固体强度和厚度等有关. 4） 根据锚固体强度和承载能力的理论计算公式提出了锚杆支护系统定量设计方法, 并成 功地进行了破碎顶板综放全煤回采巷道支护试验. 第一作者简介 徐金海, 男, 196 3年生, 工学硕士, 讲师 作者单位徐金海 中国矿业大学采矿工程系 江苏徐州 2 2 10 0 8 石炳华 王云海 徐州矿务集团三河尖矿 江苏徐州 2 2 10 0 6 参 考 文 献 1 陈炎光, 陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制. 徐州 中国矿业大学出版社, 32 8 ～330 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 518 . h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 5 中国矿业大学学报990 518 2 董方庭, 宋宏伟, 郭志宏等. 巷道围岩松动圈支护理论. 煤炭学报, 1994, 19 1 2 1～31 3 宋宏伟, 牟彬善. 破裂岩石锚固组合拱承载能力及其合理厚度探讨. 中国矿业大学学报, 1997 , 2 6 2 33～36 4 伊藤福夫. 锚杆支护现状及其存在的问题. 张文魁译. 北京 煤炭工业出版社, 197 6 . 1～30 5 鲍里索夫 A A . 矿山压力原理与计算. 王庆康译. 北京 煤炭工业出版社, 198 6 . 40 ～49 6 陆士良, 汤 雷, 杨新安. 锚杆锚固力与锚固技术. 北京 煤炭工业出版社, 1998 . 10 ～12 , 2 3～30 7 陈庆敏, 张 农，赵海云等. 岩石残余强度与变形特性的试验研究. 中国矿业大学学报, 1997 , 2 6 3 42 ～45 收稿日期1999-0 2 -0 8 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 518 . h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 5
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