1、第四講 錨桿支護(hù)理論本講主要介紹錨桿常用支護(hù)理論（包括一些近年來比較流行和活躍的理論）、錨桿支護(hù)設(shè)計方法和國外錨桿支護(hù)主要經(jīng)驗(yàn)，以及巷道容易冒頂?shù)氖N情況和五種應(yīng)對措施。錨桿支護(hù)的作用機(jī)理尚在探討之中。目前己提出的觀點(diǎn)較多，其中影響較大的有懸吊作用、組合梁(拱)作用、組合拱、減跨理論、加固(提高C、值)作用等幾種。這幾種觀點(diǎn)都是以圍巖狀態(tài)和利用錨桿桿體受拉(力)為前提來解釋錨桿支護(hù)作用機(jī)理的，因此，圍巖狀態(tài)及錨桿受拉力這兩個前提的客觀性是判定上述理論正確性的標(biāo)準(zhǔn)。一、錨桿支護(hù)理論支護(hù)：就是指為了地下巷道掘進(jìn)、硐室開挖后的穩(wěn)定及施工安全，而采取的支持、加強(qiáng)或改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)而打設(shè)的構(gòu)件或采取的措

2、施的總稱。支護(hù)包括兩個方面，一是支，就是頂住頂板，防止頂板出現(xiàn)大量的下沉，使頂板下沉控制在可控、安全的狀態(tài)，二是護(hù)，就是保持頂板的完整性，防止出現(xiàn)漏矸、漏頂、巷道掉渣等現(xiàn)象。支和護(hù)是一個有機(jī)統(tǒng)一的整體，它們共同組成了支護(hù)系統(tǒng)。（一）錨桿支護(hù)理論綜述1、懸吊理論1）機(jī)理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩(wěn)定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。圖4-1 錨桿懸吊作用原理示意圖2）缺點(diǎn)：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。3）適用條件：在錨桿的長度范圍內(nèi)有一層堅硬而穩(wěn)定的巖層，錨桿可以錨固到頂板堅硬穩(wěn)定巖層。圖4-2 a拱形巷道的錨桿懸吊作用 b

3、軟弱巖層的錨桿懸吊作用2、組合梁理論1）機(jī)理：將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊，增加巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提高其自撐能力。將幾層薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內(nèi)的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。在于通過錨桿的預(yù)拉應(yīng)力將原視為疊合梁(板)的巖層擠緊，增大巖層間的摩擦力；同時，錨桿本身也提供一定的抗剪能力，阻止其層間錯動。錨桿把數(shù)層薄的巖層組合成類似鉚釘加固的組合梁，這時被錨固的巖層便可看成組合梁，全部錨固層能保持同步變形，頂板巖層抗彎剛度得以大大提高。決定組合梁穩(wěn)定性的主要因素是錨桿的預(yù)拉應(yīng)力及桿體強(qiáng)度

4、和巖層的性質(zhì)。2）缺點(diǎn)：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時，難以形成組合梁。這一觀點(diǎn)有一定的影響，但是其工程實(shí)例比較少，也沒有進(jìn)一步的資料供錨桿支護(hù)設(shè)計應(yīng)用，尤其是組合梁的承載能力難以計算，而且組合梁在形成和承載過程中，錨桿的作用難以確定。另外，巖層沿巷道縱向有裂縫時粱的連續(xù)性問題、梁的抗彎強(qiáng)度等問題也難以解決。3）適用條件：層狀地層，如圖4-3中2所示；頂板在相當(dāng)距離內(nèi)（錨桿長度范圍內(nèi)）不存在穩(wěn)定巖層，懸吊作用處于次要地位。圖4-3錨桿的組合梁作用 a未打錨桿（疊合梁） b布置錨桿（組合梁）3、組合拱理論 1）機(jī)理：在破碎區(qū)安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形

5、分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯，在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。2）缺點(diǎn)：一般不能作為準(zhǔn)確的定量設(shè)計。3）適用條件：頂板無穩(wěn)定巖層。圖4-4 a錨桿的組合拱作用原理示意圖b錨桿的減跨作用示意圖4、減跨理論1）機(jī)理：把不穩(wěn)定的頂板巖層看成是支撐在兩幫的疊合梁(板)，由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點(diǎn)安設(shè)了錨桿就相當(dāng)于在該處打了點(diǎn)柱，增加了支點(diǎn)，減少了頂板的跨度(如圖)，從而降低了頂板巖層

6、的彎曲應(yīng)力和撓度，維持了頂板與巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞。2）使用條件：同懸吊理論，其實(shí)質(zhì)就是錨桿的“減跨”作用，它實(shí)際上來源于錨桿的懸吊作用。3）缺點(diǎn)：它也未能提供用于錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計的方法和參數(shù)。5、圍巖松動圈巷道支護(hù)理論圍巖松動圈巷道支護(hù)理論是在對圍巖狀態(tài)進(jìn)行深入研究后提出的，通過研究，發(fā)現(xiàn)松動圈的存在是巷道圍巖的固有特性，它的范圍大小(厚度值)目前可以用聲波儀或者多點(diǎn)位移計等手段進(jìn)行測定。松動圈理論認(rèn)為：巷道支護(hù)的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中產(chǎn)生的碎脹變形力，錨桿受拉力的來源在于松動圈的發(fā)生、發(fā)展，并根據(jù)圍巖松動圈厚度值大小的不同將其分為小、中、大三類，松動圈的類別不同

7、，則錨桿支護(hù)機(jī)理也就不同。本理論認(rèn)為，巷道支護(hù)的對象除松動圈圍巖自重和巷道深部圍巖的部分彈塑性變形力外，還有松動圍圍巖的變形力。后者，往往占據(jù)主導(dǎo)地位。簡而言之，巷道支護(hù)的對象主要是圍巖松動圈在形成過程中的巖石碎脹力。在現(xiàn)有支護(hù)條件下，試圖用支護(hù)手段阻止圍巖松動破壞是不可能的。松動圈理論認(rèn)為，支護(hù)的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。支護(hù)對破碎圍巖的維護(hù)作用：松動圈發(fā)展變形過程中維持破碎巖塊相互嚙合不垮落，通過提供支護(hù)阻力限制破裂縫隙過度擴(kuò)張，從而減少巷道的收斂變形。1）小松動圈（<40cm） 圍巖的變形壓力可以忽略不計，巷道支護(hù)載荷只是松動圈內(nèi)圍巖的自重，其數(shù)值小于0

8、.1MPa，只用單一噴混凝土支護(hù)即可達(dá)到支護(hù)的目的。2）中松動圈（40cm150cm） 圍巖碎脹變形比較明顯，變形量較大，使剛性的噴射混凝土支護(hù)產(chǎn)生裂縫或破壞，必須采用以錨桿為主體構(gòu)件的錨噴支護(hù)方式，以錨桿為主體支護(hù)結(jié)構(gòu)控制其碎脹變形，噴層將只作為錨桿間活石的支護(hù)和防止圍巖風(fēng)化。 由于圍巖松動圈厚度小于常用錨桿長度，因此可采用錨桿懸吊作用機(jī)理來設(shè)計支護(hù)參數(shù)。3）大松動圈（>150cm） 圍巖表現(xiàn)出軟巖的工程特征，圍巖松動圈碎脹變形量大，初期圍巖收斂變形速度快，變形持續(xù)時間長，礦壓顯現(xiàn)大，支護(hù)難度大。支護(hù)不成功時，巷道底板出現(xiàn)底鼓。在這種條件下，如果用懸吊理論設(shè)計錨桿支護(hù)參數(shù)，常因設(shè)計錨桿

9、過長、過粗而失去其普遍應(yīng)用的價值。在單根錨桿作用下每根錨桿因受拉應(yīng)力而對圍巖產(chǎn)生擠壓，在錨桿兩端周圍形成一個兩端圓錐形的受壓區(qū)，合理的錨桿群可使單根錨桿形成的壓縮區(qū)彼此聯(lián)系起來，形成一個厚度為b的均勻壓縮帶。對于拱形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成拱形；對于矩形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成矩形結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱之為組合拱作用機(jī)理。表4-1 松動圈分類表6、錨桿支護(hù)的“關(guān)健承載圈”及“擴(kuò)容穩(wěn)定”理論由煤炭科學(xué)研究總院開采所康紅普博士提出，該理論認(rèn)為：巷道圍巖的變形和破壞狀態(tài)在掘進(jìn)、穩(wěn)定、回采等不同階段是不同的，具有顯著差別。因此主張根據(jù)圍巖的狀態(tài)特點(diǎn)分別按“關(guān)鍵承載圈理論”和“擴(kuò)容-穩(wěn)定理論”分析闡述錨

10、桿支護(hù)的作用機(jī)理。1）“關(guān)鍵承載圈”是指在巷道周圍圍巖一定深度的范圍內(nèi)，存在一個能承受較大切向應(yīng)力的“巖石圈”，該巖石圈處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，可以用來懸吊承載圈以內(nèi)的巖層。關(guān)鍵承載圈理論認(rèn)為，承載圈以內(nèi)的巖石重量是支護(hù)的對象即荷載高度。理論分析及工程實(shí)踐表明：承載圈厚度越大，圈內(nèi)應(yīng)力分布越均勻，承載能力越大；在對圍巖未采取人工支護(hù)等控制措施時，承載圈離巷道周邊越近，荷載高度越低，巷道越易維護(hù)。關(guān)鍵承載圈的位置及厚度，可以根據(jù)對圍巖狀態(tài)的分析計算得出。“關(guān)鍵承載圈理論”認(rèn)為，當(dāng)載荷高度不大，通常錨桿長度能夠伸入到關(guān)鍵承載圈中時，用“關(guān)鍵承載圈觀點(diǎn)”闡述錨桿支護(hù)機(jī)理。其主要觀點(diǎn)是：

11、(1)關(guān)鍵承載圈以內(nèi)的巖石重量是支護(hù)的對象，荷載高度是關(guān)鍵承載圈以下的不穩(wěn)定巖層的高度。(2)錨桿的支護(hù)作用主要是：將破壞區(qū)巖層與關(guān)鍵承載圈相連，阻止破碎巖層垮落；對圍巖提供徑向、切向約束力，阻止破壞區(qū)巖層的擴(kuò)容、離層、滑動，提高破碎區(qū)的承載能力，如圖4-5所示。圖4-5 錨桿支護(hù)的關(guān)鍵承載圈理論示意圖2）擴(kuò)容穩(wěn)定理論巷道經(jīng)受采動影響之后，圍巖的破壞范圍會逐漸擴(kuò)大，當(dāng)通常錨桿的長度不能伸入到關(guān)鍵承載圈時，依據(jù)“擴(kuò)容穩(wěn)定理論”闡述錨桿支護(hù)的作用，主要觀點(diǎn)： (1)錨桿要控制圍巖的擴(kuò)容變形，阻止深部破碎巖層的進(jìn)一步擴(kuò)容相離層。 (2)在破壞區(qū)內(nèi)形成“次生關(guān)鍵承載層”，使圍巖深部關(guān)鍵承載圈內(nèi)的應(yīng)力分

12、布趨于均勻和內(nèi)移，提高關(guān)鍵承載圈的承載能力。 (3)錨桿對煤幫的控制效果尤為明顯，由于煤層強(qiáng)度較低且受到采動影響程度較為嚴(yán)重，所以回采巷道兩幫支護(hù)顯得尤為重要，安裝錨桿后，對煤幫的擴(kuò)容、松動和擠出均有控制作用，加鋼帶后效果會更好。 “擴(kuò)容一穩(wěn)定理論”的核心思想就是控制圍巖的擴(kuò)容變形，形成次生關(guān)鍵承載層，提高承載圈的承載能力使圍巖趨于穩(wěn)定。次生關(guān)鍵承載層厚度的影響因素很多，當(dāng)其厚度較薄且遠(yuǎn)小于巷道尺寸時，在水平應(yīng)力的作用下，次生關(guān)鍵層很容易發(fā)生“壓曲失穩(wěn)、彎曲失穩(wěn)”破壞，造成巷道支護(hù)失敗。因此，合理確定次生關(guān)鍵承載層的厚度至關(guān)重要，錨桿的存在，減小了巖層壓曲或者彎曲失穩(wěn)的可能性，錨桿預(yù)緊力越大，

13、支護(hù)效果越好。（二）錨桿（索）支護(hù)作用機(jī)理分析1、錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體性和穩(wěn)固性。2、在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。3、錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度十分重要，特別是錨桿預(yù)應(yīng)力起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵。較高的預(yù)應(yīng)力要求錨桿具有較高的強(qiáng)度。4、錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散對支護(hù)效果同樣重要。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍有限，必須通過托板、鋼帶和金

14、屬網(wǎng)等構(gòu)件，將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。5、錨索的作用主要有兩個方面：一是將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。二是錨索施加較大的預(yù)緊力，擠緊和壓密巖石中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度。二、錨桿的三徑匹配1、鉆孔直徑比錨桿直徑大610mm。2、鉆孔直徑比樹脂藥卷大6mm左右。3、一般鉆孔直徑29mm，錨桿直徑20、22mm，樹脂藥卷直徑23mm。圖4-6 錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑的關(guān)系三、錨桿支護(hù)設(shè)計錨桿支護(hù)設(shè)計可歸納為三大類，分別是工程類比法、理論計算法、

15、以計算機(jī)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法。我們今天主要講理論計算法,其他方法簡單介紹一些。（一）工程類比法：是一種實(shí)用的方法，在我國錨桿支護(hù)設(shè)計中占主導(dǎo)地位。這種方法是在已有的大量、成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)巷道的生產(chǎn)地質(zhì)條件確定支護(hù)參數(shù)。 主要有以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的工程類比法；巷道圍巖松動圈分類為基礎(chǔ)的工程類比法。采用我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道穩(wěn)定性分類方案，將巷道分為5類。制訂相應(yīng)的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范。 （二）動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法：首先進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評估（含地應(yīng)力測試），將地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、錨桿參數(shù)等輸入計算機(jī)數(shù)值模擬軟件，以圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論為依據(jù)，按控制圍巖變形效果和經(jīng)濟(jì)合理的原則選擇

16、最優(yōu)方案，組織施工，并對巷道圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿載荷監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測反饋信息確定是否調(diào)整錨桿支護(hù)參數(shù)，經(jīng)反復(fù)實(shí)踐，在動態(tài)中修改完善設(shè)計。（三）理論計算方法（k的取值）1、按加固拱原理確定錨桿參數(shù)：1）頂錨桿(1)錨桿長度：= N（1.1+B/10）=1.0×(1.1+4.2/10)=1.52m；根據(jù)我礦支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，錨桿長度取=2.0-2.2m。式中：L錨桿長度；N圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)，取1.0m；B巷道跨度。(2)錨桿直徑：=L/110=（2.0-2.2）/110=0.018-0.02m，取D=18-20mm。(3)錨桿間距：d0.5L=0.5×2.2=1.1m，取間排距為900&#

17、215;1000mm。(4)錨桿型號：選用（18-20）×（2000-2200）mm的左旋無縱筋錨桿，其錨固力100KN/根；配用W鋼帶及4mm的鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)頂板。2）巷幫錨桿：巷幫支護(hù)錨桿選用20×2200mm的左旋無縱筋錨桿，并配合14mm的鋼筋梯形梁和4mm的鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。2、按懸吊理論確定錨桿參數(shù)：1）錨桿長度L，L=L1+L2+L3 =50+1200+300=1550mm 設(shè)計錨桿長度L=2200mm 式中：L1錨桿外露長度L2軟弱巖層厚度，可根據(jù)柱狀圖確定 mmL3錨桿伸入穩(wěn)定巖層深度 一般不小于300mm2）錨固力N：可按錨桿桿體的屈服載荷計算N=/4(d2屈

18、) = 0.25×3.14×（0.02）2×335×106=105KN式中：屈桿體材料的屈服極限Mpa；d桿體直徑3）錨桿間排距錨桿間距D1/2LD0.5×2200=1100mm錨桿排距L0=Nn/2kra L2=105×103×13/2×3×24×103×2.1×1.2=3.76m設(shè)計錨桿間排距為900×1000mm式中：n每排錨桿根數(shù)N設(shè)計錨固力，KN/根K安全系數(shù)，取2-3r 上覆巖層平均容重，取24KN/ m3a1/2巷道掘進(jìn)寬度 m3、按組合梁原理計算(1

19、) 錨桿長度LL=L1+L2+L3式中：L1錨桿外露長度 mL3錨固端長度 mL2組合梁自撐厚度 mL2=0.612BK1P/1x/2 K1與施工方法有關(guān)的安全系數(shù)。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)2-3；爆破法掘進(jìn)3-5；巷道受動壓影響5-6P組合梁自重均布載荷 MPa與組合梁層數(shù)有關(guān)的系數(shù)表4-2 組合層數(shù)與值關(guān)系表組合層數(shù)1234 值：10.750.70.65B巷道跨度， m；1最上一層巖層抗拉計算強(qiáng)度，可取試驗(yàn)強(qiáng)度的0.3-0.4倍，單位為MPa；x原巖水平應(yīng)力，x=rz MPa，側(cè)壓力系數(shù)，一般為0.25-0.4，Z巷道埋深，m。(2)錨桿間距以上所選錨桿長度，還需驗(yàn)算組合梁各層間不發(fā)生相對滑動，并保證最

20、下面一層巖層的穩(wěn)定性。D1.63m1(1/KP)/2 式中：m1最下面一層巖層的厚度 mK安全系數(shù)，取8-10P本層自重均布荷載 P=r1m1MPa ；r1最下面一層巖層的容重，KN/m3四、國外錨桿支護(hù)主要經(jīng)驗(yàn)：1、美國錨桿支護(hù)技術(shù)的精髓是 “兩高一大” 。高強(qiáng)度（螺紋鋼）；高預(yù)拉力（漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯(lián)合使用，使得錨桿具有很高的預(yù)拉力，錨桿的預(yù)拉力可以達(dá)到桿體本身強(qiáng)度的50%75%）；大排間距。2、澳大利亞主要推廣全長樹脂錨固錨桿，強(qiáng)調(diào)錨桿強(qiáng)度要高。其錨桿設(shè)計方法是將地質(zhì)調(diào)研、設(shè)計、施工、監(jiān)測、信息反饋等相互關(guān)聯(lián)、相互制約的各個部分作為一個系統(tǒng)工程進(jìn)行考察，使它們形成一個有機(jī)的整體，形

21、成了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方法。3、波蘭主要推廣及時支護(hù)技術(shù)，在巷道開挖后，及時進(jìn)行支護(hù)，以適應(yīng)圍巖應(yīng)力重新分布的要求，及時控制圍巖變形。4、國外錨桿支護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀，即成功經(jīng)驗(yàn)（1）采用高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度材料制造錨桿，加工精細(xì)，將錨桿作為產(chǎn)品、實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、商品化，而不是簡單的支護(hù)材料，并形成適用于不同條件的系列化產(chǎn)品。（2）形成一整套比較科學(xué)的設(shè)計方法，以巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估及井下實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)最大水平應(yīng)力在巷道布置與支護(hù)參數(shù)設(shè)計上的應(yīng)用。（3）采用可靠的監(jiān)測手段，大力推廣應(yīng)用頂板光纖窺視儀、頂板離層指示儀、圍巖深部多點(diǎn)位移計、測力錨桿等監(jiān)測儀器。（4）堅持科學(xué)管理，嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)測，形成了從理論到實(shí)踐的完善的錨桿支護(hù)技術(shù)體系。（5）有比較可靠的配套機(jī)具，采用掘錨一體化聯(lián)合掘進(jìn)機(jī)或性能良好的單體錨桿鉆機(jī)，滿足施工要求，并能實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。五、掘進(jìn)巷道容易冒頂?shù)?/p>