锚杆支护机理

锚杆支护技术在煤矿的广泛应用，推动了锚杆支护理论的研究工作，国内外在这方面做了大量的工作，取得了许多有价值的成果，形成了以下3大类较成熟的锚杆支护理论：一是基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论等；二是基于锚杆的挤压、加固作用提出的组合梁理论、组合拱理论以及楔固理论等；三是综合锚杆的各种作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理论、最大水平应力理论以及锚杆桁架支护理论等。悬吊理论认为，巷道开挖以后，由于应力状态的改变，围岩中一定区域内将可能发生岩石的松动和破裂现象、或由于被裂隙切割的岩块因失去足够约束而成为关键块体即出现危岩，此时锚杆的作用就是利用其抗拉能力将松软岩层或危岩悬吊于稳定岩层之上。该理论适用于锚杆长度范围内赋存有稳定岩层或稳定岩层结构的条件。减跨理论包括两方面的内容：一是基于松散介质的自然冒落拱理论提出的锚杆作用原理，其依据是冒落拱高度与跨度成正比关系，认为利用锚杆的悬吊作用可增加顶板岩层的支点，从而减小支点间的跨距，进而达到降低冒落拱高度、减少所需支护强度的目的；二是基于梁或板的理论提出的锚杆作用原理，即当巷道顶板为层状岩层时，其变形特性近似于梁或板的性质，此时锚杆的作用是缩短梁或板的跨距，以减小其中因横力而产生的弯矩及因弯矩产生的弯曲应力，尤其是弯曲拉应力，从而提高顶板的稳定性。从以上两种情况可以看出，减跨理论中锚杆的作用机理以及适用条件等同于悬吊理论，即需要以稳定岩层或稳定岩层结构为依托。组合梁理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩层组成的巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力将顶板各分层夹紧，以增加各分层间的摩擦作用，并借助锚杆自身的横向承载能力提高顶板各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度，使各分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯曲变形特征，从而提高顶板的抗弯刚度及强度。挤压加固理论适用性较强（几乎适用于所有围岩条件）。对于拱形巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力在围岩中形成拱形压缩带，即通过锚杆的轴向作用力将围岩中一定范围岩体的应力状态由单项（或双向）受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度指标，使该压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷。楔固理论主要是针对巷道围岩沿弱面滑移失稳现象而提出的围岩加固机理。当围岩中的部分岩体被弱面切割为块体时，其稳定性状况一定程度上将取决于对关键块体的维护情况，因为这种条件下围岩的失稳大多起因于关键块体的失稳。此时可将锚杆相交于弱面布置，通过锚杆的抗拉、抗剪以及抗弯作用防止危岩发生滑动甚至脱离岩层而冒落，从而保持巷道围岩的整体稳定性。最大水平应力理论认为，巷道围岩的水平应力有时会大于垂直应力，此时巷道顶、底板的稳定性主要受水平应力的影响；水平应力具有明显的方向性，巷道轴向与最大水平应力之间的夹角不同，水平应力对顶、底板稳定性的影响程度也会有所差异：（1）与最大水平应力方向平行的巷道受其影响最小，顶底板稳定性最好；（2）与最大水平应力方向成锐角的巷道其顶底板变形破坏偏向巷道的某一帮；（3）与最大水平应力垂直的巷道受其影响最大，顶底板稳定性最差。锚杆桁架支护结构出现于20世纪60年代人们通过对其支护机理的研究，认为桁架锚杆的作用原理属于挤压加固一类，锚杆桁架对巷道围岩的加固作用主要表现在以下三个方面：（1）改变顶板的应力状态时锚杆桁架的基本支护机理之一。即随着桁架预紧力的增加，顶板中部的拉应力将减小，甚至出现压应力，使顶板处于无拉应力状态，从而弥补岩体抗拉强度较小的弱点；（2）促进顶板裂隙体梁的形成。当巷道开挖在层状岩体中且顶板极软和破碎时，顶板的破坏和变形可以用“岩梁”理论来分析，它的稳定性取决于裂隙体梁的成拱作用。桁架的预紧力可以增强裂隙体间的挤压作用，从而增强其间的摩擦作用，并可约束岩层的下沉变形，甚至使顶板产生向上的位移，有利于裂隙体梁达到压力拱式的平衡状态；（3）提高顶板裂隙体梁拱座处的抗滑性能。根据静力平衡原理，当岩梁拱座处抗剪能力过低时，顶板将发生整体剪切滑动。桁架的预紧力引起的主动作用将与拱座处的水平推力叠加，增大了该危险部位岩石或不连续面的摩擦阻力，从而提高顶板裂隙体梁在拱座处的抗剪切强度。通过对软岩巷道围岩控制方法的研究，陆士良教授提出了外锚内注式支护方法。认为软岩巷道围岩的破裂范围及变形量都很大，传统的刚性支护难以适应，而单纯的锚杆支护或组合锚杆支护欲使破裂岩体处于挤紧状态从而形成平衡拱也难以实现。对于节理裂隙发育的软岩，采用注浆的方法可以改变其松散结构，提高粘结力和内摩擦角，提高围岩的整体性和强度系数，从而形成一个注浆加固圈，为锚杆提供可靠的着力基础，使其能够充分发挥悬吊、组合等基本功能，对注浆加固圈以下的松碎岩石起到支护的作用。这种支护方式的提出极大地拓宽了锚杆支护技术的应用范围。通过对处于不同物性状态岩体加锚前后的力学性质的研究，侯朝炯教授等提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。认为：巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域岩体相互作用，并形成统一的承载结构；锚杆支护可以提高锚固体强度破坏前、后的力学参数，改善锚固体的力学性能；锚杆作用可以提高围岩各状态下的强度值，使巷道围岩强度得到强化。通过对巷道底鼓机理的深入研究。侯朝炯教授突破围绕底板加固进行底鼓防治的传统思维定式，提出了加固巷道帮、角控制底鼓的理论及方法，为巷道底鼓的防治提供了一条有效、实用的途径。基于巷道围岩状态特征的研究，董方庭教授等提出了松动圈支护理论，并提出了关于锚杆作用机理的动态解释。认为在矩形巷道围岩中，锚杆除了可以悬吊作用以外，形成组合拱是其主要的支护作用，即破裂顶板在锚杆锚固力作用下可以形成具有一定强度和厚度的锚固层，随着顶板的下沉变形，锚固层将达到新的平衡状态，形成压力拱（或称之为裂隙体梁）式的平衡结构。在进行锚杆支护设计前，必须充分了解巷道围岩地质力学特征。近几年来，随着煤巷锚杆支护技术的迅速发展，作为该技术中的关键内容之一，巷道围岩地质力学测试也逐渐得到重视，测试结构应用于支护设计，显著提高了支护设计的合理性和可靠性。在国外，澳大利亚、英国和美国等采煤技术先进的国家，十分重视巷道围岩地质力学测试工作。在进行巷道布置、锚杆支护设计之前，都要进行详细的围岩强度、围岩结构和地应力测试，从而保证巷道布置和支护设计的合理性和巷道的安全程度。巷道围岩地质力学测试是代表上述国家锚杆支护技术先进水平的重要方面。在国内，人们也逐渐认识到进行巷道围岩地质力学测试的重要性和必要性。邢台、新汶、铁法等矿区进行过地应力测量和围岩强度测定工作，为支护设计起到积极作用。潞安矿务局的一些矿井也测量过围岩强度和地应力，但是由于缺乏快速、方便的测试仪器和配套机具，致使巷道围岩地质力学测试成为一件非常繁琐，耗费大量人力、物力和时间的工作，有时甚至影响矿井正常生产。鉴于这种情况，我国大多数矿区还没有进行过全面、系统的巷道围岩地质力学测试工作，基础参数严重不足。巷道布置和支护设计随意性大、可靠性差、安全程度得不到保证。为了解决上述问题，煤炭科学研究总院北京开采研究所引进了一批世界一流的测试仪器和配套钻进，并结合自己开发的测试