【正文】 桿支護(hù)技術(shù)有了較大的提高。 ?同時(shí)，困難條件下的錨桿 錨索支護(hù)技術(shù)得到了應(yīng)用，并取得了令人滿(mǎn)意的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 ? 我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了低強(qiáng)度錨桿 —高強(qiáng)度錨桿 —高預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)力錨桿支護(hù)的發(fā)展階段。 ? 錨桿支護(hù)應(yīng)用初期，由于支護(hù)強(qiáng)度與剛度低，缺乏科學(xué)的支護(hù)理論和設(shè)計(jì)方法，支護(hù)材料、施工機(jī)具技術(shù)性能和配套性差，監(jiān)測(cè)儀器不完善，因而支護(hù)質(zhì)量不能保證，出現(xiàn)了多起冒頂死亡事故。隨著綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)的廣泛應(yīng)用和礦井向深部延伸，出現(xiàn)了一系列復(fù)雜困難條件，包括全煤巷道、沿空掘巷、極破碎圍巖巷道等，而且隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增大，要求的巷道斷面越來(lái)越大。為了解決這些巷道支護(hù)難題，在引進(jìn)、消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)集中攻關(guān)，提出了針對(duì)我國(guó)煤礦條件的高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，開(kāi)發(fā)了強(qiáng)力錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)，提高了巷道支護(hù)效果與安全性，并有利于巷道快速掘進(jìn)，使煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。概括起來(lái)，有以下主要成果。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 （ 1）深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí) ?傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)測(cè)和計(jì)算，有了新的認(rèn)識(shí)： ①錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂隙產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態(tài)，以防止圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性，提高錨固區(qū)圍巖的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 ② 在錨固區(qū)形成 剛度 較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。 ③ 錨桿支護(hù)的剛度十分重要，其中錨桿 預(yù)應(yīng)力 起著決定性作用。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)然，較高的預(yù)應(yīng)力要求錨桿具有較高的強(qiáng)度。 ④ 錨桿 預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散 對(duì)支護(hù)效果同樣重要。單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍很有限，必須通過(guò)托板、鋼帶（鋼筋梯子梁）和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。 鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 （ 1）深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí) ⑤ 在復(fù)雜與困難條件下，采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)要求支護(hù)系統(tǒng)有一定的延伸量。高預(yù)應(yīng)力要求錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的 30%~50%；強(qiáng)力錨桿要求桿體有較大的破斷強(qiáng)度。 ⑥ 錨索的作用主要有兩個(gè)方面： 一是 將錨桿形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是 錨索施加較大預(yù)緊力，擠壓和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強(qiáng)度。 ⑦ 錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 （ 2）動(dòng)態(tài)性、系統(tǒng)性、信息性的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法得到普遍認(rèn)可與應(yīng)用 ? 認(rèn)為錨桿支護(hù) 設(shè)計(jì) 不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、系統(tǒng)的過(guò)程，設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用每個(gè)過(guò)程中提供的信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息收集、信息分析與信息反饋。有限差分（ FLAC）、有限元（ ANSYS、 ADINA等）、離散元（ UDEC）等數(shù)值計(jì)算軟件已廣泛應(yīng)用于錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性與可靠性。 （ 3） 開(kāi)發(fā)出了高強(qiáng)度、高剛度樹(shù)脂錨固錨桿支護(hù) 材料 ，實(shí)現(xiàn)了煤礦巷道支護(hù)材料的跨越式發(fā)展。包括左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級(jí)別；樹(shù)脂錨固劑及生產(chǎn)設(shè)備； 高強(qiáng)度 W型、 M型鋼帶；小孔徑 樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索系列等。 （ 4） 單體風(fēng)動(dòng)和液壓錨桿 鉆機(jī) 、手持式錨桿鉆機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，并形成了系列產(chǎn)品，基本滿(mǎn)足了錨桿支護(hù)的要求，結(jié)束了錨桿鉆機(jī)主要靠進(jìn)口的歷史。 （ 5） 研制出了適合工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì) 軟件 如北京開(kāi)采所、太原理工大學(xué)、安徽理工大學(xué)等單位科研人員，均研制出了適合現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、咨詢(xún)系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)等，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性與速度，大大減輕了工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 （ 6） 立足我國(guó)煤礦現(xiàn)有的掘進(jìn)裝備，形成了一套綜掘機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)的 煤巷快速掘進(jìn)施工工藝 ，使煤巷錨桿支護(hù)單進(jìn)水平有了較大提高。 （ 7） 研制出了錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測(cè)與礦壓 監(jiān)測(cè)成套儀器 。頂板離層指示儀、測(cè)力錨桿、錨桿（索）測(cè)力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器得到推廣應(yīng)用，在判斷支護(hù)設(shè)計(jì)合理性、圍巖穩(wěn)定性與巷道安全性方面起到了重要作用。 （ 8） 將 錨固與注漿加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起 ，開(kāi)發(fā)出多種形式的注漿錨桿、注漿錨索及鉆錨注一體化錨桿，兼有錨固與注漿加固功能，為破碎煤巖體等復(fù)雜困難條件提供了有效的加固手段。 （ 9） 開(kāi)發(fā)出了 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速原位測(cè)試系統(tǒng) ，包括地應(yīng)力（水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試）、圍巖強(qiáng)度（根據(jù)頂針壓破鉆孔孔壁的臨界壓力計(jì)算）及圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)定裝置（電子鉆孔窺視儀），實(shí)現(xiàn)了井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的快速、經(jīng)濟(jì)、大面積測(cè)量。 （ 10） 有些礦區(qū)針對(duì)具體條件，制定了本礦區(qū)的 錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，煤炭行業(yè)錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范也已發(fā)布。 促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 2 錨桿支護(hù)理論 ? 為了弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，人們一直把錨桿支護(hù)作用機(jī)理作為一個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行了廣泛、深入的研究。到目前為止，已提出了多達(dá) 十幾種 錨桿支護(hù)理論，如 懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論 等等。這些支護(hù)理論在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極作用。但是，各種理論都有其適用條件，都不同程度地存在著局限性、片面性，甚至有不合理性或不可操作性。 ? 近年來(lái)，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)錨桿支護(hù)理論的研究也有了較大進(jìn)展。逐步認(rèn)識(shí)到 預(yù)緊力在錨桿支護(hù)中的決定性作用，錨桿對(duì)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化作用，錨桿對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、節(jié)理裂隙張開(kāi)等擴(kuò)容變形的約束作用，以及保持圍巖完整性的重要作用 。這些認(rèn)識(shí)對(duì)提高錨桿支護(hù)效果，特別是困難條件下巷道支護(hù)提供了有效的理論指導(dǎo)。 2 錨桿支護(hù)理論 懸吊理論 錨桿支護(hù)的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層 懸吊 在上部穩(wěn)定的巖層上。 ? 是 最早 的錨桿支護(hù)理論，具有直觀(guān)、易懂及使用方便等特點(diǎn)。 ? 在頂 板 上部有穩(wěn)定巖層 ，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下 (圖 a)，這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。 ? 在比較 軟弱的圍巖中 ，巷道開(kāi)掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動(dòng)破碎區(qū)，在其 上部形成自然平衡拱，錨桿支護(hù)的作用是將下部松動(dòng)破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上，這是懸吊理論的進(jìn)一步發(fā)展。 (圖 b)。 2 錨桿支護(hù)理論 懸吊理論 ? 懸吊理論存在的明顯缺陷： (1)錨桿受力 只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下才等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道中并不多見(jiàn)。 (2)錨桿安設(shè)后，由于 巖層變形、離層和破碎 ，會(huì)使 錨桿受力很大 ，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量（ 碎脹力 ）。 (3)當(dāng)錨桿穿過(guò)破碎巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)不同程度地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定的承載能力。而懸吊理論 沒(méi)有考慮錨固圍巖的自承能力 。 (4)當(dāng)圍巖松軟，巷道寬度較大時(shí)， 錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。 懸吊理論無(wú)法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的原因。 (5) 只適用于巷道頂板，不適用于巷道兩幫和底板。 ? 總之，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，沒(méi)有涉及對(duì)巖體抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。因此，理論計(jì)算的錨桿載荷與實(shí)際出入比較大， 一般計(jì)算的錨桿受力偏小 。 2 錨桿支護(hù)理論 組合梁理論 ? 組合梁理論認(rèn)為：在層狀巖體中開(kāi)挖巷道，當(dāng)頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層時(shí)，錨桿的懸吊作用居次要地位。這時(shí)錨桿的作用是：一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層的摩擦力，防止巖層沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）這種組合厚巖層在上覆巖層荷載的作用下，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小。 ? 組合梁理論適用于層狀巖層。 ? 從巖層受力考慮，錨桿將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，如圖所示。 ? 組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為： ? 組合梁的最大彎曲應(yīng)變?yōu)? ? 組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。 ? 組合梁理論充分考慮了錨桿對(duì) 離層及滑動(dòng) 的約束作用。 2 錨桿支護(hù)理論 組合梁理論 ? 組合梁理論存在的明顯缺陷： (1)組合梁 有效組合厚度很難確定 。它涉及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒(méi)有一種方法比較可靠地估計(jì)有效組合厚度。 (2)沒(méi)有 考慮水平應(yīng)力 對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實(shí)，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂?shù)装迤茐摹⑹Х€(wěn)的主要原因。 (3)只適用于層狀頂板，而且 僅考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用 ，沒(méi)有涉及錨桿對(duì)巖體強(qiáng)度、變形模量及應(yīng)力分布的影響。 加固拱（組合拱、壓縮拱）理論 ? 加固拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力。如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮拱，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部 破碎巖石施加的徑向載荷。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向 及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度 得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。錨桿支護(hù)的 作用是形成較大厚度和較大強(qiáng)度的加固拱， 拱的厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定。 2 錨桿支護(hù)理論 加固拱（組合拱）理論 ? 加固拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在 軟巖巷道 中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷： (1)只是將各錨桿的支護(hù)作用 簡(jiǎn)單相加 ，得出支護(hù)系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)錨固巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究。 (2)加固拱厚度 涉及很多因素， 很難較準(zhǔn)確的估計(jì) 。 最大水平應(yīng)力理論 ? 最大水平應(yīng)力理論認(rèn)為：礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，且水平應(yīng)力（構(gòu)造應(yīng)力）具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的~。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，且有三個(gè)特點(diǎn)： ①與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好； ②與最大水平應(yīng)力呈銳角 相交的巷道，其頂?shù)装遄? 形破壞偏向巷道某一幫； ③與最大水平應(yīng)力垂直的 巷道，頂?shù)装宸€(wěn)定性最 差。 2 錨桿支護(hù)理論 最大水平應(yīng)力理論 2 錨桿支護(hù)理論 最大水平應(yīng)力理論 ? 在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形（頂板下沉與底臌）。錨桿的作用是抑制巖層沿錨桿軸向的膨脹和垂直于軸向的剪切錯(cuò)動(dòng) (見(jiàn)圖 )，因此，要求錨桿強(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)，才能起到上述兩方面的約束作用。這也正是錨桿支護(hù)技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、全長(zhǎng)錨固的原因。 2 錨桿支護(hù)理論 圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論 ? 巷道開(kāi)挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類(lèi)似圓形或橢圓形，稱(chēng)之為圍巖松動(dòng)圈。圍巖一旦產(chǎn)生松動(dòng)圈，圍巖的最大變形載荷是松動(dòng)圈產(chǎn)生過(guò)程中的碎脹變形，圍巖破裂過(guò)程中的巖石碎脹變形是支護(hù)的對(duì)象?，F(xiàn)有支護(hù)無(wú)法有效阻止圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生與發(fā)展。 ? 圍巖松動(dòng)圈的厚度是圍巖強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的函數(shù)，它是一個(gè)綜合指標(biāo)。圍巖松動(dòng)圈越大，碎脹變形越大，圍巖變形量越大，巷道支護(hù)也越困難。 根據(jù)松動(dòng)圈的大小，將圍巖分為 3種類(lèi)型，并給出了相應(yīng)的支護(hù)方式： ① 小松動(dòng)圈 (厚度小于 400mm)，錨桿支護(hù)作用不明顯，只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。 ② 中松動(dòng)圈 (厚度在 400～ 1 500mm之間 )，支護(hù)比較容易，采用懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)，懸吊點(diǎn)在松動(dòng)圈之外。 ③ 大松動(dòng)圈 (厚度大于 1 500mm)，錨桿的作用是給松動(dòng)圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力，使其恢復(fù)到接近原巖的強(qiáng)度并具有可縮性，采用加固拱理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)?？梢?jiàn)，松動(dòng)圈支護(hù)理論確定了使用各種經(jīng)典錨桿支護(hù)理論的適用條件和范圍。 2 錨桿支護(hù)理論述評(píng) 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 ? 侯朝炯教授等在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。該理論的要點(diǎn)為： ①錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)； ②錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)，包括錨固體破壞前與破壞后的力學(xué)參數(shù) (彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等 )，改善被錨巖體的力學(xué)性能；巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)域巖體的峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化； ③錨桿支護(hù)可改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護(hù)狀況； ④?chē)鷰r錨固體強(qiáng)度提高后，可減小巷道周?chē)钠扑閰^(qū)、塑性區(qū)范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于巷道圍巖