锚杆支护理论研究与应用

高贞贤

【摘 要】通过锚杆技术的研究及现场应用表明，对不同的地质条件采取不同的锚杆支护方式对支护效果和施工进度有很大的影响，如大倾角煤层、窗煤柱护巷、复合顶板、“三软”煤层等困难条件下的煤巷锚杆支护，文中就此提出锚杆控顶技术的研究及应用。

【关键词】锚杆支护；围岩松动圈；动压；煤巷；顶板；回采巷道；稳定性

锚杆支护机理日前提出的观点很多，有悬吊作用、组合梁（拱）作用、加固（提高C，?值）作用等。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉为前提来解释锚杆支护的作用机理。因此，围岩状态及锚杆受拉这两个前提的客观性是判定上述这些理论正确的标准。

1.锚杆的作用

1.1锚杆的悬吊作用

在缓倾斜煤层中，锚杆将下部不稳定的岩层（直接顶或块状结构中不稳定的岩块）悬吊在上部稳固的岩层上，阻止岩层或岩块的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计描杆支护参数。

这一理论提出的较早，满足其前提条件时，有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明，即使巷道上部没有稳固的岩层，锚杆亦能发挥支护作用。例如，在全煤巷道中，锚杆就锚固在煤层中也能达到的目的，说明这—理论有局限性。

1.2锚杆的组合梁作用

为了解决悬吊理论的局限性，在怪状地层中提出了组合梁理论。它认为在没有稳固岩层捉供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来，形成组合梁结构进行支护。

组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁（板）的岩层挤紧，增大岩层间的磨擦力。同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合粱，这时被锚固岩层便可看成组合梁，全部功固层能共同变形，顶板岩层抗弯刚度大大提高。决定纽合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力、杆体强度和岩层性质。

1.3锚杆的减跨作用

如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑住两帮的叠合梁（板），由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆相当于增加了支点，从而减小了顶板的跨度，使顶板岩层的弯曲应力利挠度得到降低，维持厂顶板稳定。这就是锚杆的减跨作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用，但它同样未能提供用于锚杆支护参数设计的方法。

1.4弹塑性理论锚杆支护作用机理

弹塑性理论在对围岩状态作了正确分析后，对锚杆支护的作用机理提出了两个不同的观点：

（1）锚杆提供足够的支护抗力，加固围岩提高其承载能力、减小其变形量，并且实验室相似模拟试验证实通过锚杆锚固可使围岩的抗压强度峰值提高50%～1005%相对于无锚杆情况，同时，据此用莫尔理论抗剪强度我络线解释，可以使围岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变形的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性状态。

（2）锚杆的抗拉力主要来自支撑平衡破碎带内岩石的重量。这两种观点存在着以下两个实际问题有待阐明：对前一种观点来讲，由于现有支护（包括锚杆支护）的不及时性和支护手段与围岩的不密贴程度决定了支护抗力不可能有效阻止和限制围岩破碎带的产生和发展：对后一种观点来讲，锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩石的重量，而是破碎带发展、产生过程中的碎胀变形力。综上所述，虽然锚杆支护经过长时间大量的应用，但锚杆支护理论的研究还很不充分，锚杆支护参数的确定仍然采用工程类此法，上述一些观点设计的锚杆支护参数只是作为参考。此外，近年来对锚杆的作用机理还提出了悬吊环理论、最大水平主应力理论等，但这些理论日前尚在研究和发展过程中。

2.围岩松动圈巷道锚杆支护理论

围岩松动圈巷道锚杆支护理论是基于煤矿生产中大量的地下工程都是在围岩破坏和发展中支护的客观实际状况而提出的，该理论在对围岩状态进行深入研究后，发现松动圈的厚度值如是围岩应力户与围岩强度R的复杂函数，即Lp=f（P，R），乙。是一个综合性指标，它的大小反映了支护的难易程度，而且大量的相以模拟试验及现场实测表明，它与煤矿巷道的跨度（一般3～5m范围）及有无支护等关系不大，巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中的碎胀变形力。当采用锚杆支护时，锚杆受拉是由围岩松动圈的发生利发展而引起的。

2.1单体锚杆作用机理

在锚杆与围岩相互作用过程中，锚杆通过垫板与锚头对围岩提供支护抗力，阻止破裂岩石产生有害变形（影响围岩稳定和工程使用的变形），使围岩保持稳定并将其变形限定在允许的范围内。

实际上，锚杆应力来源于围岩松动圈的产生和发展过程。假如开巷后围岩只产生弹塑性变形，没有发生破坏，则围岩松动圈厚度将为零，碎胀变形亦为零。由于弹塑性变形发生在锚杆安装之前，锚杆的最大应力将只是安装应力，考虑到这一应力往往较小，可认为锚杆在这种围岩状态下不起作用。所以，在此种围岩状态下，不必要采用锚杆支护。

锚杆的工作应力将取决于围岩松动圈的稳定位置。结合围岩与锚杆支护的客观实际情况，考虑到锚杆与围岩的相以不密贴性及锚杆杆体在应力增加时的弹塑性变形，锚杆将在达到了作拉力前，即30-40kN，产生20-50mm的伸长（包括锚杆与围岩的不密贴及锚头的受力滑移等），它将使围岩松动圈的碎胀力得到部分释放，这就是单体锚杆的受力状态。由此可见，松动圈厚度大小与锚杆受力及锚杆的作用机理有直接关系，松动圈厚度值类别（小、中和大3类松动圈）不同，锚杆支护作用机理不同。

2.2松动圈状态锚杆支护探讨

2.2.1小松动圈围岩状态

当Lp=0～40cm时为小松动圈，围岩碎胀变形和松动圈围岩自重均较小，不需用锚杆支护，为防止围岩风化和局部危石掉落，只需单—喷射混凝土支护即可。

2.2.2中松动圈围岩状态

当Lp=40～150cm时为中松动圈，其碎胀变形比较明显，必须进锚网或锚喷支护，支护的主要是锚杆，锚杆支护参数采用悬吊理论设计。

在这里需要说明几个问题：

（1）松动圈理论所指的悬吊理论已赋予新的含义。即锚杆悬吊点为松动圈外的岩（煤）体，并不需要悬吊在坚硬的顶板岩层，悬吊对象是松动圈形成过程中的碎胀变形力，但在目前碎胀力研究不充分的情况下，可简化为重力计算。

（2）对中松动圈围岩状态，从理论上讲可采组合拱理论设计锚杆支护参数，但由于松动圈厚度值较小，用组合拱设计的杆长度较短，在实际地下工程支护中存在着两方面的不安全因素：巷道壁表面施工质量问题。由于围岩客观情况的变化及施工管理上的难度，目前尚很难严格达到光面爆破标准，不可避免的存在着超（欠）挖问题：锚杆施工质量问题。由于围岩松动圈厚度值较小，采用组合拱理论设计时，其锚杆的长度一般均小于常用锚杆的长度，即1.1～1.5m，一旦某根锚杆较短形成的组合拱太薄而导致组合拱失效。因此，在中松动圈围岩状态下，为达到安全、经济的目的，应该采用悬吊理论设计锚杆支护参数。

（3）对中松动圈一般稳定围岩，采用它类型普通支护形式，如砌碹或棚式支架（可缩或不或缩）等，可行但不经济。对于中松动圈，只要支护阻力大于松动圈围岩破裂过程中产生的碎胀变形力，均可成功。但最为经济合理的支护形式为锚喷支护，因为锚杆支护特点是深入围岩内部，通过其安装方向与岩体重力方向或者位移方向一致而受拉力，以杆体的抗拉刚度与强度抑制岩体的位移，而且在同样的支护效果下，锚杆的用钢量只有U型钢支架的l/12～1/15。

2.2.3大松动圈围岩状态

当L>150cm时为大松动圈，属软岩支护范畴。围岩变形量大，变形时间长，矿压显现剧烈，支护困难。如果采用悬吊理论设计锚杆，则将会因其过长而失去普遍应用的价值。因此，重点研究了锚杆的组合拱理论。组合拱理论的实质是利用锚杆的锚固力对破裂围岩进行锚固，提高其残余强度，从而破裂围岩中形成—个只有相当强和可缩性的“组合拱”结构体。相似模型试验证实了组合拱的存在及其强度和可缩性。