主講人：謝中輝單位：岱莊煤礦綜掘二隊掘進(jìn)施工基礎(chǔ)知識—錨桿支護(hù)經(jīng)典理論簡介一、巷道支護(hù)類型

目前巷道支護(hù)的主要形式有：

錨桿支護(hù)：（還包括錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、錨網(wǎng)帶支護(hù)）

架棚支護(hù)

砌碹支護(hù)

錨噴支護(hù)：（錨噴支護(hù)包括錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、噴錨噴錨 網(wǎng)噴支護(hù)、噴錨梁噴、錨網(wǎng)噴支護(hù)）二、巷道斷面設(shè)計選擇巷道圍巖應(yīng)力是引起圍巖變形和失穩(wěn)破壞的根本作用力,其壓力大小和分布與巷道的斷面形狀有關(guān)。因此在圍巖穩(wěn)定的條件下，可選擇形狀簡單的折線型巷道斷面，在圍巖不穩(wěn)定的條件下，可選擇形狀復(fù)雜的曲線型巷道斷面。

不同形斷面應(yīng)力集中系數(shù)見表1表1巷道斷面形狀應(yīng)力集中系數(shù)橢圓形巷道（長短軸之比1：5）1.5圓形巷道2圓拱形巷道2.5拱形巷道3矩形、梯形巷道3.5

（一）矩形，倒梯形斷面根據(jù)礦不同的埋深、圍巖條件、技術(shù)條件、用途、服務(wù)年限等選擇不同的巷道斷面形狀（二）圓弧拱、微弧拱、切圓拱、偏心拱斷面

拱形巷道受力較為均勻，不容易形成應(yīng)力集中區(qū)域和集中點，并且，拱型巷道圍巖自撐能力強(qiáng)，是深部巷道較為理想的斷面。偏心拱和微弧拱適用于頂板壓力相對較小，圍巖相對較穩(wěn)定，加服務(wù)年限較短的回采巷道采煤工作面上下順槽。切圓拱和圓弧拱適應(yīng)于頂板壓力相對較大，頂板圍巖相對較松軟，穩(wěn)定性較差的回采巷道。（三）馬蹄形、橢圓、半圓拱、曲墻拱型斷面直墻半圓拱形：頂板承載效果較好，由于幫部為直墻，抵抗幫部圍巖變形能力較差，在側(cè)壓較大時，不利于控制幫部變形。曲墻拱形：頂部仍為半圓拱形，幫部由過去直墻改為曲墻，圍巖自身抵抗幫部變形的能力大大增強(qiáng)，在深部頂壓和側(cè)壓都較大的情況下，是控制巷道變形、提高巷道自穩(wěn)比較理想的斷面。馬蹄形：為不規(guī)則斷面形狀，適用于服務(wù)年限比較長對巷道底板質(zhì)量要求比較高的峒室。

適用于服務(wù)年限相對較長的開拓、準(zhǔn)備巷道和永久硐室由此可見，選擇斷面形狀，要針對不同的地點，具體問題具體分析，屆時，必須綜合考慮巷道圍巖的性質(zhì)、地應(yīng)力大小和方向、巷道的服務(wù)年限、用途及位置、巷道支護(hù)形式和支護(hù)材料這三大因素有針對性的作出選擇。（充分發(fā)揮其力學(xué)性能）

三、錨桿支護(hù)經(jīng)典理論（一）懸吊理論（二）組合梁理論（三）組合拱理論（四）擠壓加固拱理論（五）巷道圍巖松動圈理論（六）高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（七）二次支護(hù)理論（一)、懸吊理論巷道開挖后，圍巖中的原始地應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，形成應(yīng)力集中區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，巖體中原有的節(jié)理、裂隙、層理、斷層等不連續(xù)面可能進(jìn)一步發(fā)展，并可能產(chǎn)生新的不連續(xù)面，各不連續(xù)面可能相交、貫通，并在自重作用下產(chǎn)生冒落。錨桿的懸吊作用就是將這些松散、破碎巖石錨固在圍巖內(nèi)部較堅硬、穩(wěn)定的巖層中。如圖1所示：該理論在淺部還具有一定的指導(dǎo)意義，在深部巷道圍巖一定范圍內(nèi)已不存在堅硬穩(wěn)定巖層，圍巖形成大松動圈，半徑在2m以上，因此該理論已不能有效指導(dǎo)錨桿支護(hù)設(shè)計。(錨桿的錨固范圍內(nèi)和錨固范圍外離層解決方法）（二)、組合梁理論該理論適用于巷道頂板為較厚的層狀巖層。當(dāng)巷道頂板出現(xiàn)下沉和離層時，沿層面將產(chǎn)生垂直位移和水平位移，錨桿所提供的軸向力將對巖層的下沉和離層產(chǎn)生約束，并且增大巖層間的摩擦力，該摩擦力與錨桿所提拱的抗剪力一同阻止巖層間產(chǎn)生相對滑動，從而將幾個薄巖層通過錨桿夾緊而形成一個巖層組合梁。根據(jù)材料力學(xué)知識，組合梁作用與組合梁前后的內(nèi)應(yīng)力對比如圖2所示：（三)、錨桿組合拱理論

對于被縱橫交錯的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時用錨桿加固，就能提高巖體結(jié)構(gòu)弱面的抗剪強(qiáng)度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成．一個不僅能維持自身穩(wěn)定，而且能防止其上部圍巖松動和變形的加固拱，從而保持巷道的穩(wěn)定。如圖4所示：（四)、擠壓加固拱理論（五)、圍巖松動圈理論 1、圍巖松動圈的概念

該理論認(rèn)為，開巷以后巷道圍巖應(yīng)力將發(fā)生顯著變化，巷道周邊徑向應(yīng)力(σr)為0，圍巖強(qiáng)度明顯下降；圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖將處于彈性狀態(tài)。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度之后，巷道周邊將首先破壞，并逐漸向深部擴(kuò)展，直至在—定深度取得三向應(yīng)力平衡為止。此時，圍巖已過渡到破碎狀態(tài)。圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶被定義為圍巖松動圈(Lp)見圖5：（六)、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論巷道開挖后在圍巖變形很小（約在破壞載荷的25%以下）時，脆性特征明顯的巖體就出現(xiàn)開裂、離層、滑動、裂紋擴(kuò)展和松動等現(xiàn)象，使圍巖強(qiáng)度大大弱化，如果巷道開挖后立即安裝錨桿但未施加預(yù)拉力，由于錨桿極限變形量大于圍巖極限變形量，又由于各類錨桿都有一定的初始滑移量，因而錨桿不能阻止圍巖的開裂、滑動和弱化。只有當(dāng)圍巖的開裂位移達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭?在鋼筋混凝土中達(dá)到極限載荷的60～75％)以后，錨桿才起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用，這時圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力，加固體的抗拉和抗剪能力主要依賴于錨桿。這也就是說，這里圍巖和錨桿不同步承載，先是圍巖受力破壞，達(dá)到一定程度，錨桿才開始承載。在目前開采深度不大和非強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，這種矛盾常常不突出，支護(hù)的成功掩蓋了問題的實質(zhì)。如果在安裝錨桿的同時施加足夠的預(yù)拉力，不僅消除了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的初始滑移量，而且給圍巖一定的預(yù)壓應(yīng)力，改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境。對于受拉截面，可以抵消一部分拉應(yīng)力，從而大大提高抗拉能力；對于受剪截面，由壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力大大提高了加固體的抗剪能力。因此，及時施加預(yù)拉力直接避免巷道圍巖過早出現(xiàn)張開裂縫，可以大大減緩圍巖的弱化過程，巖體利用自身強(qiáng)度及時參與承載過程，即形成整體承載結(jié)構(gòu)，限制破碎區(qū)的發(fā)展，保證了巷道的長期穩(wěn)定。（六)、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（續(xù)）與這種主動錨桿支護(hù)相比，普通無預(yù)拉力被動錨桿支護(hù)旨在建立“鋼”性頂板，即每一排使用盡量多的錨桿，行間距和排間距都很密，有使頂板“鋼鐵化”的態(tài)勢。被動錨桿支護(hù)雖能保證在錨桿長度范圍內(nèi)的頂板巖層發(fā)生離層變形后仍產(chǎn)生很大的支護(hù)抗力，但因頂板已發(fā)生離層，這種抗力無助于恢復(fù)或提高頂板總體的抗剪強(qiáng)度。盡管錨桿長度范圍內(nèi)的頂板“鋼”性化，但避免不了在錨桿長度以外的頂板巖層發(fā)生離層，出現(xiàn)垮冒。實際上這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，我國高強(qiáng)錨桿的應(yīng)用推廣中，支護(hù)后發(fā)生冒頂?shù)南锏赖倪M(jìn)尺比重占總進(jìn)尺的萬分之五左右，支護(hù)的安全可靠性尚不能滿足煤礦生產(chǎn)的實際需要。我國現(xiàn)在錨桿間、排距普遍在600—800m之間，即使桿體強(qiáng)度再高，實踐中錨固區(qū)整體離層破壞甚至垮冒而錨桿實際受力卻很小的現(xiàn)象時有發(fā)生。這促使我們思考如何發(fā)揮錨桿的作用，并避免這類現(xiàn)象發(fā)生。（六)、高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論（續(xù)）層狀巖體在水平地應(yīng)力的作用下易于發(fā)生剪切破壞而出現(xiàn)離層現(xiàn)象。產(chǎn)生離層以后，頂板的承載能力將大幅度下降，影響到支護(hù)效果，更直接影響到安全狀況。因此，應(yīng)將巷道頂板是否離層作為巷道穩(wěn)定性判別的標(biāo)準(zhǔn)。是否離層是頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能否形成的基本要素，因而可以將二者統(tǒng)一起來，把錨桿預(yù)拉力納入錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計中，以頂板離層作為分析的原則和依據(jù)，提供一個避免或大大減少巷道冒頂?shù)脑O(shè)計方法。應(yīng)該指出，由于不同巖性、不同支護(hù)條件所允許的變形量差別很大，以巷道圍巖變形量的大小作為準(zhǔn)確判斷巷道的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是不合適的，是不能保證安全的。由于目前國內(nèi)常用的單體鉆機(jī)扭矩偏低，無法實現(xiàn)設(shè)計要求的錨桿預(yù)拉力，真正意義上的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)尚難形成。但它指出了支護(hù)技術(shù)發(fā)展的方向，如何提高錨桿的預(yù)拉力，并通過其它手段進(jìn)一步提高頂板預(yù)應(yīng)力水平是施工技術(shù)努力的目標(biāo)。比如中等穩(wěn)定的頂板條件需錨桿預(yù)拉力達(dá)到40-50kN左右，而一般只能達(dá)到20-30kN左右，所以單純采用高預(yù)拉力錨桿支護(hù)尚不能滿足要求，需進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)以確保巷道頂板局部離層或圍巖發(fā)生較大變形時支護(hù)系統(tǒng)安全可靠。在類似條件下國內(nèi)目前大都采用小孔徑預(yù)拉力錨索加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。但實驗表明，錨索在作用范圍超過6m時仍難以從根本上控制中間部分巖體的變形或離層，即使采用錨桿、錨索組合支護(hù)技術(shù)也難以在厚層復(fù)合頂板條件下取得支護(hù)的根本成功。因此，必須開發(fā)新型的預(yù)拉力支護(hù)技術(shù)，應(yīng)用新型支護(hù)結(jié)構(gòu)和手段對頂板巖層進(jìn)行有效加固。（七)、二次支護(hù)理論二次支護(hù)理論的核心是讓壓支護(hù)，即“先柔后剛”，一次支護(hù)采用全螺紋鋼錨桿延伸率大，強(qiáng)度低，可以使開挖后巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)行釋放和應(yīng)力轉(zhuǎn)移，完成應(yīng)力重新分布，緊隨其后實施二次支護(hù)。從支護(hù)效果上分析，一次支護(hù)應(yīng)盡早進(jìn)行，巷道開挖后即實施，二次支護(hù)必須在圍巖卸壓后實施。根據(jù)相關(guān)巖石力學(xué)理論和工程實踐，深部高應(yīng)力軟巖巷道的圍巖變形規(guī)律可分為四個階段，即巷道開挖后的加速變形階段、減速變形階段、近似線性的恒速度變形階段和二次加速階段。二次支護(hù)過早與過遲都將降低支護(hù)效果。因此，必須選擇合理的時間實施，理論上講應(yīng)在減速變形階段之后，二次加速變形階段之前的近似線性的恒速階段