錨桿支護理論研究與應用

高貞賢

【摘 要】通過錨桿技術的研究及現(xiàn)場應用表明，對不同的地質條件采取不同的錨桿支護方式對支護效果和施工進度有很大的影響，如大傾角煤層、窗煤柱護巷、復合頂板、“三軟”煤層等困難條件下的煤巷錨桿支護，文中就此提出錨桿控頂技術的研究及應用。

【關鍵詞】錨桿支護；圍巖松動圈；動壓；煤巷；頂板；回采巷道；穩(wěn)定性

錨桿支護機理日前提出的觀點很多，有懸吊作用、組合梁（拱）作用、加固（提高C，?值）作用等。這幾種觀點都是以圍巖狀態(tài)和利用錨桿桿體受拉為前提來解釋錨桿支護的作用機理。因此，圍巖狀態(tài)及錨桿受拉這兩個前提的客觀性是判定上述這些理論正確的標準。

1.錨桿的作用

1.1錨桿的懸吊作用

在緩傾斜煤層中，錨桿將下部不穩(wěn)定的巖層（直接頂或塊狀結構中不穩(wěn)定的巖塊）懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上，阻止巖層或巖塊的垮落。錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量，并據(jù)此設計描桿支護參數(shù)。

這一理論提出的較早，滿足其前提條件時，有一定的實用價值。但是大量的工程實踐證明，即使巷道上部沒有穩(wěn)固的巖層，錨桿亦能發(fā)揮支護作用。例如，在全煤巷道中，錨桿就錨固在煤層中也能達到的目的，說明這—理論有局限性。

1.2錨桿的組合梁作用

為了解決懸吊理論的局限性，在怪狀地層中提出了組合梁理論。它認為在沒有穩(wěn)固巖層捉供懸吊支點的薄層狀巖層中，可利用錨桿的拉力將層狀地層組合起來，形成組合梁結構進行支護。

組合梁作用的本質在于通過錨桿的預拉應力將原視為疊合梁（板）的巖層擠緊，增大巖層間的磨擦力。同時，錨桿本身也提供一定的抗剪能力，阻止其層間錯動。錨桿數(shù)層薄的巖層組合成類似鉚釘加固的組合粱，這時被錨固巖層便可看成組合梁，全部功固層能共同變形，頂板巖層抗彎剛度大大提高。決定紐合梁穩(wěn)定性的主要因素是錨桿的預拉應力、桿體強度和巖層性質。

1.3錨桿的減跨作用

如果把不穩(wěn)定的頂板巖層看成是支撐住兩幫的疊合梁（板），由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點，安設了錨桿相當于增加了支點，從而減小了頂板的跨度，使頂板巖層的彎曲應力利撓度得到降低，維持廠頂板穩(wěn)定。這就是錨桿的減跨作用，它實際上來源于錨桿的懸吊作用，但它同樣未能提供用于錨桿支護參數(shù)設計的方法。

1.4彈塑性理論錨桿支護作用機理

彈塑性理論在對圍巖狀態(tài)作了正確分析后，對錨桿支護的作用機理提出了兩個不同的觀點：

（1）錨桿提供足夠的支護抗力，加固圍巖提高其承載能力、減小其變形量，并且實驗室相似模擬試驗證實通過錨桿錨固可使圍巖的抗壓強度峰值提高50%～1005%相對于無錨桿情況，同時，據(jù)此用莫爾理論抗剪強度我絡線解釋，可以使圍巖不產(chǎn)生破碎帶，或者說限制圍巖彈塑性變形的發(fā)展，從而使圍巖處于穩(wěn)定的彈塑性狀態(tài)。

（2）錨桿的抗拉力主要來自支撐平衡破碎帶內巖石的重量。這兩種觀點存在著以下兩個實際問題有待闡明：對前一種觀點來講，由于現(xiàn)有支護（包括錨桿支護）的不及時性和支護手段與圍巖的不密貼程度決定了支護抗力不可能有效阻止和限制圍巖破碎帶的產(chǎn)生和發(fā)展：對后一種觀點來講，錨桿支護的主要對象不是破碎帶內巖石的重量，而是破碎帶發(fā)展、產(chǎn)生過程中的碎脹變形力。綜上所述，雖然錨桿支護經(jīng)過長時間大量的應用，但錨桿支護理論的研究還很不充分，錨桿支護參數(shù)的確定仍然采用工程類此法，上述一些觀點設計的錨桿支護參數(shù)只是作為參考。此外，近年來對錨桿的作用機理還提出了懸吊環(huán)理論、最大水平主應力理論等，但這些理論日前尚在研究和發(fā)展過程中。

2.圍巖松動圈巷道錨桿支護理論

圍巖松動圈巷道錨桿支護理論是基于煤礦生產(chǎn)中大量的地下工程都是在圍巖破壞和發(fā)展中支護的客觀實際狀況而提出的，該理論在對圍巖狀態(tài)進行深入研究后，發(fā)現(xiàn)松動圈的厚度值如是圍巖應力戶與圍巖強度R的復雜函數(shù)，即Lp=f（P，R），乙。是一個綜合性指標，它的大小反映了支護的難易程度，而且大量的相以模擬試驗及現(xiàn)場實測表明，它與煤礦巷道的跨度（一般3～5m范圍）及有無支護等關系不大，巷道支護的主要對象是圍巖松動圈產(chǎn)生、發(fā)展過程中的碎脹變形力。當采用錨桿支護時，錨桿受拉是由圍巖松動圈的發(fā)生利發(fā)展而引起的。

2.1單體錨桿作用機理

在錨桿與圍巖相互作用過程中，錨桿通過墊板與錨頭對圍巖提供支護抗力，阻止破裂巖石產(chǎn)生有害變形（影響圍巖穩(wěn)定和工程使用的變形），使圍巖保持穩(wěn)定并將其變形限定在允許的范圍內。

實際上，錨桿應力來源于圍巖松動圈的產(chǎn)生和發(fā)展過程。假如開巷后圍巖只產(chǎn)生彈塑性變形，沒有發(fā)生破壞，則圍巖松動圈厚度將為零，碎脹變形亦為零。由于彈塑性變形發(fā)生在錨桿安裝之前，錨桿的最大應力將只是安裝應力，考慮到這一應力往往較小，可認為錨桿在這種圍巖狀態(tài)下不起作用。所以，在此種圍巖狀態(tài)下，不必要采用錨桿支護。

錨桿的工作應力將取決于圍巖松動圈的穩(wěn)定位置。結合圍巖與錨桿支護的客觀實際情況，考慮到錨桿與圍巖的相以不密貼性及錨桿桿體在應力增加時的彈塑性變形，錨桿將在達到了作拉力前，即30-40kN，產(chǎn)生20-50mm的伸長（包括錨桿與圍巖的不密貼及錨頭的受力滑移等），它將使圍巖松動圈的碎脹力得到部分釋放，這就是單體錨桿的受力狀態(tài)。由此可見，松動圈厚度大小與錨桿受力及錨桿的作用機理有直接關系，松動圈厚度值類別（小、中和大3類松動圈）不同，錨桿支護作用機理不同。

2.2松動圈狀態(tài)錨桿支護探討

2.2.1小松動圈圍巖狀態(tài)

當Lp=0～40cm時為小松動圈，圍巖碎脹變形和松動圈圍巖自重均較小，不需用錨桿支護，為防止圍巖風化和局部危石掉落，只需單—噴射混凝土支護即可。

2.2.2中松動圈圍巖狀態(tài)

當Lp=40～150cm時為中松動圈，其碎脹變形比較明顯，必須進錨網(wǎng)或錨噴支護，支護的主要是錨桿，錨桿支護參數(shù)采用懸吊理論設計。

在這里需要說明幾個問題：

（1）松動圈理論所指的懸吊理論已賦予新的含義。即錨桿懸吊點為松動圈外的巖（煤）體，并不需要懸吊在堅硬的頂板巖層，懸吊對象是松動圈形成過程中的碎脹變形力，但在目前碎脹力研究不充分的情況下，可簡化為重力計算。

（2）對中松動圈圍巖狀態(tài)，從理論上講可采組合拱理論設計錨桿支護參數(shù)，但由于松動圈厚度值較小，用組合拱設計的桿長度較短，在實際地下工程支護中存在著兩方面的不安全因素：巷道壁表面施工質量問題。由于圍巖客觀情況的變化及施工管理上的難度，目前尚很難嚴格達到光面爆破標準，不可避免的存在著超（欠）挖問題：錨桿施工質量問題。由于圍巖松動圈厚度值較小，采用組合拱理論設計時，其錨桿的長度一般均小于常用錨桿的長度，即1.1～1.5m，一旦某根錨桿較短形成的組合拱太薄而導致組合拱失效。因此，在中松動圈圍巖狀態(tài)下，為達到安全、經(jīng)濟的目的，應該采用懸吊理論設計錨桿支護參數(shù)。

（3）對中松動圈一般穩(wěn)定圍巖，采用它類型普通支護形式，如砌碹或棚式支架（可縮或不或縮）等，可行但不經(jīng)濟。對于中松動圈，只要支護阻力大于松動圈圍巖破裂過程中產(chǎn)生的碎脹變形力，均可成功。但最為經(jīng)濟合理的支護形式為錨噴支護，因為錨桿支護特點是深入圍巖內部，通過其安裝方向與巖體重力方向或者位移方向一致而受拉力，以桿體的抗拉剛度與強度抑制巖體的位移，而且在同樣的支護效果下，錨桿的用鋼量只有U型鋼支架的l/12～1/15。

2.2.3大松動圈圍巖狀態(tài)

當L>150cm時為大松動圈，屬軟巖支護范疇。圍巖變形量大，變形時間長，礦壓顯現(xiàn)劇烈，支護困難。如果采用懸吊理論設計錨桿，則將會因其過長而失去普遍應用的價值。因此，重點研究了錨桿的組合拱理論。組合拱理論的實質是利用錨桿的錨固力對破裂圍巖進行錨固，提高其殘余強度，從而破裂圍巖中形成—個只有相當強和可縮性的“組合拱”結構體。相似模型試驗證實了組合拱的存在及其強度和可縮性。