一、概述

根据煤矿巷道的特点，借鉴国外先进技术经验，某研究团队提出锚杆支护动态信息设计法。动态信息法具有两大特点：其一，设计不是一次完成的，而是一个动态过程；其二，设计充分利用每个过程中提供的信息，实时进行信息收集、信息分析与信息反馈。

该设计方法包括五部分：巷道围岩地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈与修正设计。

围岩地质力学评估包括围岩强度、围岩结构、地应力、井下环境评价及锚固性能测试等内容，为初始设计提供可靠的基础参数；初始设计以数值计算方法为主，结合已有经验和实测数据确定出比较合理的初始设计；将初始设计实施于井下，进行详细的围岩位移和锚杆受力监测；根据监测结果判断初始设计的合理性，必要时修正初始设计。正常施工后应进行日常监测，保证巷道安全。

二、巷道围岩地质力学评估

巷道围岩地质力学评估是在地质力学测试基础上进行的。包括以下几方面：

1.巷道围岩岩性和强度。包括煤层厚度、倾角、抗压强度；顶底板岩层分布，强度。

2. 地质构造和围岩结构。巷道周围比较大的地质构造，如断层、褶曲等的分布，对巷道的影响程度。巷道围岩中不连续面的分布状况，如分层厚度和节理裂隙间距的大小，不连续面的力学特性等。

3. 地应力。包括垂直主应力和两个水平主应力，其中最大水平主应力的方向和大小对锚杆支护设计尤为重要。

4.环境影响。水文地质条件，涌水量，水对围岩强度的影响，瓦斯涌出量，岩石风化性质等。

5.采动影响。巷道与采掘工作面、采空区的空间位置关系，层间距大小及煤柱尺寸；巷道掘进与采动影响的时间关系（采前掘进、采动过程中掘进、采动稳定后掘进）；采动次数，一次采动影响、二次或多次采动影响等。

6.粘结强度测试。采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度。该测试工作必须在井下施工之前进行完毕。测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷，分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行三组拉拔试验。粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。

初始设计前所需的原始数据如表1所列。

表1 地质力学评估内容

三、初始设计方法

锚杆支护初始设计采用数值模拟计算结合其它方法确定。通过数值模拟计算，可分析巷道围岩位移、应力及破坏范围分布，支护体受力状况；不同因素对巷道围岩变形与破坏的影响，不同支护参数对支护效果的影响；通过方案比较，确定比较合理的支护参数（如锚杆长度、直径、间排距等）。对于数值模拟不太好反映的参数，如钻孔直径、组合构件参数等采用其它方法确定。

1.数值模拟计算方法

随着计算技术的迅速发展，有限元、离散元及有限差分等数值方法已广泛应用于巷道支护设计。它们在解决非圆形、非均质、复杂边界条件的巷道支护设计方面显示出较大的优越性，而且可以同时进行众多方案的比较，从中选出合理方案。目前，用于巷道支护设计的数值模拟方法主要有三种：

（1）有限元法

在各种有限元计算机软件中，把连续介质或物体表示为一些单元的集合。这些单元可认为是在一些称之为节点的指定结合点处彼此连接。这些节点通常是置于单元的边界上，并认为相邻单元就是在这些节点上与它相连的。由于不知道连续介质内部的场变量(如位移、应力、温度、压力或速度)的真实变化，所以先假设有限元内场变量的变化可用一种简单的函数来近似描述。这些近似函数可以由场变量在结点处的值来确定。当对整个连续介质写出场方程组（如平衡方程组）时，新的未知量就是场变量的结点值。求解方程组即得场变量的结点值，继而求出整个单元集合体的场变量，最终求得位移和应力的近似解。

目前，有多种有限元软件，如NASTRAN、ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS等，国内外岩土工程方面ANSYS软件应用比较多。ANSYS软件有自己的语言（APDL），具备一般计算机的所有功能，用户可用变量的形式建立模型，可在其它环境下编程。有限元法主要适用于模拟连续介质。

（2）离散元方法

离散元法是Cundall于1971年提出的，该法适用于研究在准静力或动力条件下的节理系统或块体集合的力学问题。近年来，离散元法有了长足的发展，已成为解决岩土力学问题的一种重要数值方法。

有限元法、有限差分法、边界元法等数值方法是建立在连续性假设基础上的。然而，当煤岩体形态和结构呈强烈的非连续性，煤岩块体的运动和受力为几何或材料非线性时，用连续介质力学进行求解显然是不适合的，需要用别的方法解决。离散元法充分考虑结构的不连续性，适用于解决节理化岩石力学问题。离散元法能够分析变形连续和不连续的多个物体相互作用问题、物体断裂问题以及大位移和大转动问题，能够处理范围广泛的材料本构关系、相互作用准则和任意几何形状。离散元法的这些特点非常适用于类似煤岩体的非连续体。

离散单元法也像有限元法那样，将区域划分为单元。但是，单元因受节理等不连续面的控制，在以后的运动过程中，单元节点可以分离，即一个单元与相邻单元可以接触，也可以分开，单元之间想互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定。离散单元法是一种显式求解的数值方法，显式法不需要形成矩阵，因此可以考虑大的位移和非线性，而不必花费额外的计算时间。

UDEC、3-DEC等二维、三维离散元软件已经在我国得到应用，在分析顶板垮落、顶煤冒落、节理化巷道围岩稳定性与支护设计等方面取得良好效果。
（3）有限差分法

差分法是一种最古老的数值计算方法，但是随着现代数值计算手段的飞速发展，赋予差分法飞禽走兽老虎机的功能和更广的应用范围。

目前应用比较广泛的FLAC软件（二维、三维），可模拟土、岩石等材料的力学行为。它采用显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，使该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。FLAC采用显式解法，可模拟任意非线性力学问题，而所用机时与解线性问题相差无几。FLAC不需要存贮矩阵，在不增加很大内存要求的情况下可计算含大量单元的模型。因为没有刚度矩阵不断更新，所以大变形与小变形计算的机时消耗无明显区别。FLAC内部含有多个力学模型，如摩尔-库仑模型、应变硬化/软化模型、节理模型及双屈服模型等，用以模拟高度非线性、不可逆等地质材料的变形特征。除此之外，FLAC还有多种特殊功能：FLAC中含有界面单元，可以模拟岩层中不连续面，如断层、节理及层理等滑动和离层；FLAC中含有四种结构单元，分别为梁、锚杆、桩及支柱单元，可以模拟各种支护构件。锚杆单元是一种一维轴向单元，在一定拉力下屈服。锚固方式可以是端锚、全长锚固或任意长度锚固，这种单元还可以施加预紧力。FLAC内部还有一种编程语言FISH。运用FISH语言，用户可编制自己的函数、变量，甚至引入自定义力学模型，显著扩大了FLAC的应用范围和灵活性。有限差分法适用于模拟连续介质非线性、大变形问题。

2.数值模拟步骤

采用数值模拟方法进行锚杆支护设计一般按以下步骤进行：

(1)确定巷道的位置与布置方向：巷道位置与布置方向一般根据煤层条件、井田和采区划分、回采工作面布置及采煤方法等因素确定。在近水平煤层条件下，如果能考虑地应力对巷道稳定性的影响，将十分有利于巷道维护。一方面，尽量将巷道布置在比较稳定的煤岩体中和应力降低区；另一方面，应将巷道布置在受力状态有利的方向。如当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差。

(2)确定巷道断面形状与尺寸：根据运输设备尺寸、通风、行人要求和巷道围岩变形预留量，设计合理的巷道断面形状与尺寸。对于回采巷道，断面形状应优先选择矩形，以满足回采工作面快速推进的要求。

(3) 建立数值模型：根据巷道地质与生产条件，确定模型模拟范围、模型网格及边界条件，选择合理的模拟围岩和支护体的力学模型。

(4)确定模拟方案：根据模拟对象确定模拟方案。一般包括无支护巷道，不同巷道轴向与最大水平主应力方向夹角、不同煤柱尺寸护巷，不同锚杆直径、长度、强度和支护密度，及有无锚索，锚索密度、长度、强度等支护方案。

(5)模拟结果分析：分析巷道围岩变形与破坏的特征，地应力大小与方向、煤柱尺寸对围岩稳定性的影响，锚杆、锚索支护密度、直径、长度和强度等参数对支护效果的影响，通过多方案比较，最后选择有效、经济、便于施工的支护方案。

四、锚杆支护形式和参数及选择原则

1.锚杆支护形式与参数

锚杆支护形式与参数主要包括以下内容：

(1) 锚杆种类（螺纹钢锚杆，圆钢锚杆，其它锚杆）；

(2) 锚杆几何参数（直径、长度）；

(3) 锚杆力学参数（屈服强度、抗拉强度、延伸率）；

(4) 锚杆密度，即锚杆间、排距；

(5) 锚杆安装角度；

(6) 钻孔直径；

(7) 锚固方式（端部锚固，加长锚固，全长锚固）和锚固长度；

(8) 锚杆预紧力矩或预应力；

(9) 钢带形式、规格和强度；

(10) 金属网形式、规格和强度；

(11) 锚索种类；

(12) 锚索几何参数（直径、长度）；

(13) 锚索力学参数（抗拉强度、延伸率）；

(14) 锚索密度，即锚索间、排距；

(15) 锚索安装角度；

(16) 锚索孔直径，锚固方式和锚固长度；

(17) 锚索预紧力；

(18) 锚索组合构件形式、规格和强度。

2.锚杆支护形式与参数选择原则

针对我国煤矿巷道地质与生产条件，特别是复杂困难条件巷道，为了充分发挥锚杆支护的作用，提出以下设计原则：

(1) 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护，以及巷道维修。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，就回采巷道而言，要实现采煤工作面的快速推进，服务于回采的顺槽应在使用期限内保持稳定，基本不需要维修；对于大巷和硐室等永久工程，更需要保持长期稳定，不能经常维修。另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。

(2) 高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度，保持其完整性。

(3) “三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。

(4) 临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。

(5) 相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

(6) 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。

(7) 在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

五、井下监测与信息反馈及修正设计

初始设计实施于井下后，必须进行全面、系统的监测，这也是动态信息法中的一项主要内容。监测的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。井下监测主要包括围岩位移、围岩应力、锚杆（索）受力监测。

获得监测数据以后，应从众多数据中选取修改、调整初始设计的信息反馈指标。指标应能比较全面地反映巷道支护状况，同时具有可操作性。将实测数据与信息反馈指标比较，就可判断初始设计的合理性，必要时修正初始设计。

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