工程類比法是應(yīng)用非常廣泛的方法。它是根據(jù)已經(jīng)支護(hù)的類似工程的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)工程類比，提出錨桿支護(hù)參數(shù)。
一、根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì)
這種方法是將已開掘的、成功應(yīng)用錨桿支護(hù)巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開掘的巷道進(jìn)行比較，在各種條件基本相同的情況下，參照已掘巷道的支護(hù)形式與參數(shù)，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)提出待掘巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)。因此，已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是直接工程類比法應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。
沒(méi)有兩條巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件完全相同，甚至一條巷道不同地段的條件也存在著差異，但是，直接工程類比法使用的基礎(chǔ)是兩條巷道的條件基本類似，不能有較大的差異。進(jìn)行工程類比時(shí)，要求比較的內(nèi)容全面、細(xì)致、可靠，不僅要抓住關(guān)鍵因素，而且不能忽略細(xì)節(jié)。在充分、詳細(xì)比較的基礎(chǔ)上，根據(jù)已掘巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確定待掘巷道的支護(hù)形式與參數(shù)。直接類比的內(nèi)容主要有以下方面：
1.圍巖物理力學(xué)性質(zhì)
圍巖物理力學(xué)性質(zhì)包括巷道頂?shù)装?、煤層賦存狀態(tài)，物理力學(xué)參數(shù)。巷道頂?shù)装鍛?yīng)取一定范圍的巖層（如2倍巷道寬度）進(jìn)行比較。物理性質(zhì)包括巖性、礦物成分、密度、孔隙率、水理性質(zhì)等內(nèi)容。對(duì)于煤礦巷道中常見(jiàn)的泥巖、粉砂巖及頁(yè)巖等巖石，受風(fēng)化影響程度，遇水軟化與膨脹特性都應(yīng)給予足夠重視；力學(xué)性質(zhì)包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力、內(nèi)摩擦角等諸多參數(shù)。其中，煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度是最常用的力學(xué)指標(biāo)。
2.圍巖結(jié)構(gòu)特征
圍巖結(jié)構(gòu)特征指煤巖體內(nèi)節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面的空間分布特征及力學(xué)參數(shù)。結(jié)構(gòu)面的幾何特征參數(shù)包括：結(jié)構(gòu)組數(shù)、密度；結(jié)構(gòu)面走向、傾角、延展長(zhǎng)度與張開度；結(jié)構(gòu)面充填物、粗糙度及起伏度等。結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)包括：法向剛度、切向剛度；凝聚力與內(nèi)摩擦角等。結(jié)構(gòu)面對(duì)裂隙巖體的強(qiáng)度、變形和破壞特征的影響非常明顯，甚至是最關(guān)鍵的因素。因此，進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)特征比較時(shí)，應(yīng)盡量全面、詳細(xì)。當(dāng)然，完全了解結(jié)構(gòu)面的各種參數(shù)是十分困難的，但不能忽略主要參數(shù)。
3.地質(zhì)構(gòu)造影響
地質(zhì)構(gòu)造包括斷層、褶曲、陷落柱等，大型地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤巖體的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)煤巖體的完整性和穩(wěn)定性都有明顯的影響，對(duì)巷道支護(hù)形式與參數(shù)的選取起關(guān)鍵性作用。在進(jìn)行工程類比時(shí)，必須弄清巷道附近有無(wú)較大的地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)，以及構(gòu)造對(duì)巷道的影響程度。
4.地應(yīng)力
地應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)一樣是影響巷道變形與破壞的關(guān)鍵因素。地應(yīng)力一般分為垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，垂直應(yīng)力與巷道埋藏深度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，而水平應(yīng)力則影響因素復(fù)雜，可靠的方法是通過(guò)井下實(shí)測(cè)得到地應(yīng)力的大小與方向。地應(yīng)力參數(shù)包括：垂直主應(yīng)力的大小與方向，最大水平主應(yīng)力的大小與方向，最小水平主應(yīng)力的大小與方向，以及最大水平主應(yīng)力與巷道軸線的夾角。
5.巷道特征與使用條件
巷道特征包括巷道斷面形狀（拱形、矩形、梯形、倒梯形等），巷道斷面尺寸（寬度、高度等），巷道軸線方向、傾角；巷道使用條件包括：巷道類型（大巷、采區(qū)集中巷、回采順槽、開切眼等），巷道服務(wù)年限。
6.采動(dòng)影響情況
采動(dòng)影響狀況包括：采動(dòng)空間關(guān)系，與鄰近巷道的位置關(guān)系，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；采動(dòng)時(shí)間關(guān)系，巷道在采動(dòng)影響前掘進(jìn)、采動(dòng)影響過(guò)程中掘進(jìn)，還是采動(dòng)影響穩(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。采動(dòng)對(duì)采準(zhǔn)巷道圍巖變形與破壞影響很大，類比時(shí)應(yīng)作為一個(gè)重要因素考慮。
7.巷道施工技術(shù)
對(duì)于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設(shè)備等對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有明顯影響，例如掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)優(yōu)于爆破掘進(jìn)，光面爆破優(yōu)于普通爆破。此外，不同的開挖順序也可能影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。
二、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)
經(jīng)驗(yàn)公式是在大量支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單公式。目前，國(guó)內(nèi)外有多種錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，以下列舉數(shù)例。
1.錨桿長(zhǎng)度選取
(1)Hoek與Brown等提出確定錨桿長(zhǎng)度的一般經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則：最小錨桿長(zhǎng)度=max［錨桿間距的兩倍，三倍不連續(xù)面平均間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度，巷道跨度之半］。
(2)Lang與Bischoff認(rèn)為，錨桿長(zhǎng)度與錨桿間排距之比應(yīng)為1.2～1.5，錨桿長(zhǎng)度可作為巷道寬度的函數(shù)確定，如：L=B2/3，其中L為錨桿長(zhǎng)度，B為巷道寬度。
(3)Schach等人提出確定錨桿長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為：
L=1.4+0.184B （非預(yù)應(yīng)力錨桿）
L=1.6+(1+0.012B2)1/2 （預(yù)應(yīng)力錨桿）
(4)日本的經(jīng)驗(yàn)表明，錨桿長(zhǎng)度為巷道寬度或高度的0.6倍。如果再加長(zhǎng)錨桿，支護(hù)效果將不會(huì)明顯變化。
(5)新奧法對(duì)錨桿長(zhǎng)度的選擇也提出一些準(zhǔn)則。基于錨桿支護(hù)的作用是在圍巖中形成自承拱的原理，錨桿長(zhǎng)度主要與巷道圍巖條件及跨度有關(guān)：對(duì)于比較完整的硬巖，錨桿長(zhǎng)度取1.0～1.2m；對(duì)于完整性較差的中硬巖石，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1/4～1/3，一般為2～3m；對(duì)于松軟破碎的巖體，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1/2～2/3，一般為4～6m。
(6)其它經(jīng)驗(yàn)公式，如：
公式1：
頂板錨桿長(zhǎng)度 L=2+0.15B/K
幫錨桿長(zhǎng)度 L=2+0.15H/K
其中：B—巷道寬度，m；
H—巷道高度，m；
K—與圍巖性質(zhì)等有關(guān)的系數(shù)，一般取3~5。
公式2：
錨桿長(zhǎng)度 L=k(1.5+B/10)
其中：k—圍巖影響系數(shù)，一般取0.9-1.2，圍巖穩(wěn)定性差時(shí)取大值。
2.錨桿間排距選取
(1)Hoek與Brown等提出，最大錨桿間距=min［錨桿長(zhǎng)度之半，1.5倍不連續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度］。
(2)Lang與Bischoff認(rèn)為，錨桿間排距與錨桿長(zhǎng)度之比為2/3～5/6比較合理。
(3)Schach等從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā)，認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度與錨桿間距的比值應(yīng)接近2。
(4)新奧法對(duì)錨桿間距的選擇提出一些準(zhǔn)則：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(jīng)驗(yàn)公式最大的特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、方便，但存在兩方面的弊端：一是經(jīng)驗(yàn)公式只能提供錨桿支護(hù)的主要參數(shù)（錨桿長(zhǎng)度、間排距等），而其它參數(shù)，如錨桿桿體結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力、錨固長(zhǎng)度、托板結(jié)構(gòu)與尺寸、組合構(gòu)件形式與尺寸等，很難在經(jīng)驗(yàn)公式中全面反映，但是，這些參數(shù)在錨桿支護(hù)中同樣起著十分重要的作用；二是經(jīng)驗(yàn)公式中考慮影響錨桿支護(hù)效果的因素很少，如上述的經(jīng)驗(yàn)公式中，只考慮了巷道寬度、高度，巖石軟硬程度，結(jié)構(gòu)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(jīng)驗(yàn)公式提供的支護(hù)參數(shù)只能作為參考，不能不顧巷道的具體條件而照搬套用。
三、以圍巖分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)
1.圍巖分類方法
直接工程類比法與支護(hù)設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大，是決定支護(hù)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。然而，要求每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是不切實(shí)際的。為了將待定巖體條件下的設(shè)計(jì)與個(gè)別工程相應(yīng)條件下的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行工程類比，做出比較合理的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行圍巖分類是非常必要的。在圍巖分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類別的圍巖提出支護(hù)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)的建議，這種方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。
國(guó)外比較典型的巖石分類法有普氏堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)法、巖芯質(zhì)量指標(biāo)RQD分級(jí)法（Deere，1967）、以巖體中彈性波傳播速度為指標(biāo)的分類方法（池田和彥，1973），以及巖體質(zhì)量Q分級(jí)法（Barton，1974）和RMR巖體分級(jí)法（Bieniawski，1979）等，有些分類方法提出了相應(yīng)的錨桿支護(hù)建議。
我國(guó)學(xué)者在巖體分類方面也做了大量工作。如制訂了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)對(duì)巖體進(jìn)行基本質(zhì)量分級(jí)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)及地下水等修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；提出錨噴支護(hù)圍巖分類（GBJ86-85），綜合考慮了巖石強(qiáng)度、巖體完整性指標(biāo)、巖體結(jié)構(gòu)和分布、地應(yīng)力及圍巖自穩(wěn)時(shí)間等，比較全面、合理；提出以圍巖變形量大小為指標(biāo)的分類方法，將圍巖變形量這個(gè)眾多影響因素作用的綜合指標(biāo)作為分類的基礎(chǔ)；提出以圍巖松動(dòng)圈為指標(biāo)的分類方法，圍巖松動(dòng)圈是與圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及巷道斷面形狀和尺寸等多種因素有關(guān)的綜合指標(biāo)；制訂了《我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》，采用模糊聚類分析方法，用模糊綜合評(píng)判預(yù)測(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性類別，預(yù)測(cè)巷道圍巖移近量。下面簡(jiǎn)單介紹以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類和圍巖松動(dòng)圈分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)建議。
2.回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議
煤炭系統(tǒng)1988年頒布試用《我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》后，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用和不斷的完善，發(fā)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、下山及其它煤巷，巖石巷道在內(nèi)的全部采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類。煤巷圍巖的穩(wěn)定性分為5個(gè)類別：Ⅰ類非常穩(wěn)定，Ⅱ類穩(wěn)定，Ⅲ類中等穩(wěn)定，Ⅳ類不穩(wěn)定，Ⅴ類極不穩(wěn)定。在圍巖穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了巷道錨桿支護(hù)基本形式與主要參數(shù)選擇的建議，如表1。
3.巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議
根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，松動(dòng)圈大小與巷道支護(hù)難易程度的關(guān)系，結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，將圍巖分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖（厚度小于400mm），中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖（厚度在400-1500mm之間），及大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖（厚度大于1500mm）三大類，然后提出圍巖分類及相應(yīng)的支護(hù)機(jī)理與方法，如表3。圍巖松動(dòng)圈大小可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得。測(cè)試方法有超聲波測(cè)井探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、滲流法、地震聲學(xué)法等，其中超聲波測(cè)井探測(cè)法比較常用。
表1 巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要支護(hù)參數(shù)選擇
注：1. 巷幫錨桿支護(hù)形式與主要參數(shù)視地應(yīng)力大小、巷幫煤巖體強(qiáng)度、節(jié)理狀況、護(hù)巷煤柱尺寸、巷道斷面與是否切割等，參照頂板錨桿確定；
2. 對(duì)于復(fù)合頂板、破碎圍巖、易風(fēng)化、潮解、遇水膨脹圍巖，可考慮在基本支護(hù)形式基礎(chǔ)上增加錨索加固或注漿加固、封閉圍巖等措施；
3. 錨桿各構(gòu)件強(qiáng)度應(yīng)與相應(yīng)錨固力匹配；
4. “頂板較完整”指節(jié)理、層理分級(jí)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)；“頂板較破碎”指Ⅳ、Ⅴ級(jí)，如表2。
表2 巖層節(jié)理、層理發(fā)育程度分級(jí)
表3 巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(hù)建議
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