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1、第十章煤巷锚杆支护技术,第一节 煤巷锚杆支护理论,传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论和加固拱理论等。悬吊是最早的锚杆支护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对破碎岩层整体强度的提高。,组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形
2、成一个承载结构。只要锚杆间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛的应用。,一、悬吊理论 悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。 对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图1所示。 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松
3、动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展，如2所示。,图1 锚杆的悬吊作用,图2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层,根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。 悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。 悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。,二、组合梁理论 组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。 如果顶板岩层中
4、存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层(组合梁)。这种组合厚岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3所示。 根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。,图3 顶板锚杆组合梁作用,(a)未打锚杆,(b)布置顶板锚杆,组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩
5、的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，并且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 组合梁理论只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。,三、组合拱(压缩拱)理论 组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱(亦称组合拱或压缩拱)，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图4
6、所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。,图4 锚杆的组合拱原理,组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩一支护的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。,四、最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔(WJGale)提出。该理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向
7、性，最大水平应力一般为最小水平应力的L 525倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点：(1)与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；(2)与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；(3)与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图5所示。,图5 应力场效应(a)巷道平行于主应力(最佳方向)； (b)巷道与主应力呈45夹角； (c)巷道与主应力呈90夹角(最劣方向),在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动(图6)，因此要求锚杆
8、必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。 最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。 在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。,(a)约束岩层膨胀； (b)约束岩层错动图6 锚杆加固作用示意图,五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述该理论的要点是：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；(2)巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数(E、C、)，改善被锚固
9、岩体的力学性能；(3)巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。,这些研究成果，在一定程度上定性或定量地弄清了一些重要问题，例如锚固体的极限强度和E、C、的提高等，但这些研究成果主要偏重于地表加固工程和浅埋隧道工程。对于煤矿巷道特别是煤巷，由于围岩松软、埋藏深，受采动、构造应力的影响，地应力很大，巷道围
10、岩破坏严重，因而，其周围存在着破碎区、塑性区和弹性区，相应巷道周围锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域之中，相应锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。只有掌握围岩峰值后强度和变形的特点以及锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，才能从根本上揭示锚杆支护的作用机理。,中国矿业大学矿山压力研究所，在分析已有研究成果的基础上研究并提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。该理论揭示了锚杆的作用原理和加固巷道围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提供了理论依据。该理论的要点是：(1)巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；(2)巷道锚杆支护可以
11、提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数(E、C、)，改善被锚固岩体的力学性能；(3)巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强度提高以后，可减小巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。,锚杆杆体主要提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪。锚固剂的作用是将钻孔孔壁岩石与杆体粘结在一起。对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受
12、一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，沿长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来。对于全长锚固锚杆，锚固剂的作用比较复杂，主要有两方面：将锚杆杆体与钻孔孔壁粘结在一起，使锚杆随着岩层移动承受拉力；当岩层发生错动时，与杆体共同起抗剪作用，阻止岩层发生滑动。对于端部锚固锚杆，杆体各部位的应力和应变相等。在锚固范围内，任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体的长度上。对于全长锚固锚杆，这种分散是不可能的，致使应力、应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，离层大的部位锚杆受力很大。这是全长锚固锚杆与端部锚固锚杆的根本区别。,国内外学者对锚杆锚固前后岩体
13、力学性能的变化也进行了比较全面、系统的研究。研究结果表明，岩体锚固后可不同程度地提高其强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。而且，锚杆的主要作用是改善破碎区、塑性区内岩石的力学性质，提高其屈服后的强度。有无锚杆约束时岩石应力应变曲线如图所示。可见，锚杆显著增加了岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比较平缓。,图7 锚固前后岩石应力一应变关系,综上所述，根据煤巷围岩变形、破坏的特点对煤巷锚杆支护机理进行概括，其要点如下： (1)回采巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其特点；(2)锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层
14、，减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性，锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好；(3)随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范围会逐渐扩大，当锚杆能伸人稳定岩层中时，其作用主要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落，同时，锚杆提供径向和切向约束，提高破坏岩石强度，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力；,(4)锚杆不能伸人稳定岩层时，锚杆的作用主要是提高破坏岩层的整体强度，在破坏区内形成承载结构，它不仅可保持自身平衡，而且可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层，同时使围岩深部的应力分布趋于均匀和内移； (5)钢带和钢筋托梁等组合构件的早期作用主要是防止锚杆间的破碎岩块
15、掉落，随着锚固区岩层扩容、离层的增大，钢带受力逐渐增加，对锚杆间的围岩施以径 向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加岩层承载能力； (6)当锚固岩层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚杆形成组合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较 大的转动(如图) (7)回采巷道煤帮的变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出，由于煤层强度较低且受到采动影响，所以回采巷道两帮支护显得尤为重要，打锚杆后对煤帮的两种变形均有控制作用。加钢带后效果会更好。,第二节 特种锚杆与锚索支护技术,对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室，它们共同的特点是围岩自稳时间短、破碎范围大、变形强烈，仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的
16、支护效果，而且支护和维修费用极高，有的甚至影响矿井的正常生产。为此，开发研制了一系列对付这些困难工程的支护技术。,锚索和桁架的使用大大拓宽了锚杆的作用和使用范围。使用范围由岩巷发展到半煤岩巷、全煤巷；由坚硬顶板发展到软弱、破碎、极破碎顶板；由采深浅的巷道发展到采深超千米，有冲击地压的煤巷；由普通煤巷发展到小煤柱或沿空留巷：由巷道发展到工作面的开切眼和收作线。,图 钢绞线桁架支护系统,钢绞线桁架连接器,一、特种锚杆 1注浆锚杆 锚杆与注浆都是地下巷道工程围岩加固的基本形式。如果利用锚杆兼作注浆管对巷道围岩进行注浆，一方面可加固巷道周边的破裂岩体，提高围岩的自承能力；另一方面，可改善破裂岩体的结构及其力学性能，为锚杆提供可锚的物质基础，最大限度地发挥锚杆的锚固作用。所以，如何把锚杆支护与注浆加固有机地结合起来，取得巷道围岩加固的最佳效果，一直是人们所努力的目标。前苏联、德国等在20世纪80年代就采用空心圆管作为锚杆对围岩实施注浆，国内有些单位也开发了注浆锚杆。 图17是一种内锚外注式锚杆。该锚杆分为三个部分，每段有一挡环隔开：锚固段，可增大端头锚固力；注浆段，布有出浆孔若干，作为注浆时出浆用；封孔段，锚杆的注浆封孔采用橡胶圈(或软木塞、或快速凝结剂)配合喷射混凝土来实现。,
