【正文】 條件提供了有效的加固手段。 （ 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。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。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。 ④ 錨桿 預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散 對(duì)支護(hù)效果同樣重要。 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)。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。 ?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。但對(duì)于困難條件，如復(fù)合頂板、破碎頂板、煤層頂板巷道，以及沿空掘巷、沿空留巷等，錨桿支護(hù)的可行性和適用性還沒(méi)有得到深入細(xì)致的研究。 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 （ 1） 1956年在煤礦 穩(wěn)定的巖層巷道 中使用錨桿支護(hù)。同時(shí)，單體錨桿鉆機(jī)、鉆頭鉆桿及快速安裝系統(tǒng)也有較快發(fā)展，基本滿(mǎn)足了錨桿支護(hù)施工的要求。英國(guó)還研制出拉斷載荷 500kN的大錨桿。德國(guó)除使用樹(shù)脂錨固錨桿外，還研制了可拉伸錨桿，使錨桿既具有足夠的支護(hù)阻力，又有一定的延伸性，適應(yīng)圍巖變形強(qiáng)烈的條件。這種方法符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性與多變性的特點(diǎn)，因此得到國(guó)際上的普遍認(rèn)可和采用。 如美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)前，要進(jìn)行全面、詳細(xì)的地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征的測(cè)量，分析巷道應(yīng)力場(chǎng)分布特征，巷道圍巖變形破壞的主要影響因素。 （ 4） 1980~1990年，錨桿支護(hù)形式更加多樣化，出現(xiàn)了混合錨固錨桿、鋼帶式組合錨桿、桁架錨桿、可拉伸錨桿、錨注錨桿等特種錨桿，錨索加固技術(shù)也得到了應(yīng)用，樹(shù)脂錨桿材料得到了進(jìn)一步改進(jìn)與提高。初期樹(shù)脂錨桿為端部樹(shù)脂錨固，錨桿孔徑較大（ 38~45mm），以后發(fā)展到小孔徑（ 22~30mm）全長(zhǎng)錨固樹(shù)脂錨桿。如英國(guó)煤礦在 1957年使用了約 50萬(wàn)根錨桿，法國(guó)煤礦用量也較大，但到 20世紀(jì) 60年代初，錨桿用量大幅度降低。此后，錨桿支護(hù)在煤礦、非煤礦山、隧道及其他巖土工程中得到迅速發(fā)展，成為一種極具發(fā)展前景的支護(hù)方式。有的復(fù)雜地質(zhì)條件礦井，每米巷道的支護(hù)費(fèi)用已高達(dá) 1~2萬(wàn)元，并多次返修，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢(shì) ——迫切要求發(fā)展錨桿支護(hù) （ 7）簡(jiǎn)單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展 ?我國(guó)煤礦煤系地層中具有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井分布十分廣泛。新汶、淄博、開(kāi)灤、徐州等礦區(qū)的開(kāi)采深度已超過(guò) 1000m，出現(xiàn)了一批千米深井。 （ 5）由單巷布置向多巷發(fā)展 ? 回采工作面開(kāi)采強(qiáng)度和產(chǎn)量越來(lái)越大，要求的運(yùn)輸、通風(fēng)斷面逐年增加。另外，在層狀破碎頂板條件下，巷道兩拱部的巖石不僅不能起到承載作用，還會(huì)成為支護(hù)的荷載。此外對(duì)于特厚煤層開(kāi)采和急傾斜煤層水平分層開(kāi)采等條件，不僅巷道頂板與兩幫為煤層，有時(shí)底板也是煤層，屬全煤巷道，支護(hù)難度進(jìn)一步加大。特別是現(xiàn)代化礦井，巖巷占的比例已經(jīng)很少，幾乎沒(méi)有。 （ 5）提高掘進(jìn)速度 （ 6）消除安全隱患 ? 棚架與頂煤之間出現(xiàn)空隙，易造成煤自燃； ? 大斷面開(kāi)切眼中安裝、回撤棚架和工作面上下順槽回撤支架時(shí)，易發(fā)生大面積冒落或傷亡事故。 ? 錨桿支護(hù)利用錨固劑、桿體、托板及各種構(gòu)件或噴層，通過(guò)預(yù)緊力和錨桿桿體的剛度，給圍巖一定的支護(hù)強(qiáng)度，與圍巖共同組成支護(hù)體系，并且隨圍巖變形，支護(hù)力不斷增加。 ? 錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體的整體性。 巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 ? 煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過(guò)程。煤礦巷道 錨桿支護(hù)理論 與技術(shù)及安全問(wèn)題 太原理工大學(xué)采礦工藝研究所 202077 主要內(nèi)容 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 2 錨桿支護(hù)的基本理論 3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 5 錨桿與錨索施工工藝 6 影響錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵因素分析 7 錨桿支護(hù)巷道冒頂成因及其對(duì)策 8 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展（展望） 9 野川煤業(yè) 井巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè) 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 巷道支護(hù)的重要性 ? 巷道支護(hù)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，錨桿支護(hù)是經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)形式。 ? 由于預(yù)緊力的作用，形成壓縮巖梁或壓縮拱，阻止了巖體的離層作用，增大了巖層間的摩擦力，與錨桿本身的抗剪作用一起，阻止巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，提高了巖層的承載能力。 （ 3）減少巷道維修量，特別是在困難與復(fù)雜條件下 ? 錨桿支護(hù)能及時(shí)加固圍巖，減少?lài)鷰r變形，防止頂板早期離層和片幫。 （ 7）降低支護(hù)成本，特別是減少初期投資 ? 采用錨桿支護(hù)，可以大量地節(jié)約鋼材、木材等材料，降低支護(hù)成本。 （ 2）巖石頂板煤巷向煤層頂板巷道和全煤巷道發(fā)展 ? 綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，或沿厚煤層的穩(wěn)定層布置，巷道頂板是煤。 （ 3）巷道從拱形斷面向矩形斷面發(fā)展 ? 拱形斷面雖然能夠改善巷道受力狀態(tài)，有利于巷道支護(hù)，但拱形巷道施工工藝比較復(fù)雜，成巷速度低，有時(shí)還需要破壞頂板，出現(xiàn)矸石。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦巷道布置及圍巖條件的變化趨勢(shì) ——迫切要求發(fā)展錨桿支護(hù) （ 4）巷道從小斷面向大斷面發(fā)展 ? 隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開(kāi)采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運(yùn)輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來(lái)越大。特別是高瓦斯礦井，往往單巷布置不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，出現(xiàn)了一個(gè)工作面布置3~5條，甚至更多巷道的多巷布置方式。煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，進(jìn)一步加速了礦井深度的增加。 北 起黑龍江、內(nèi)蒙古， 南 到廣東、廣西， 東 起山東、浙江， 西 到新疆、青海等廣大遼闊的幅員內(nèi)有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井遍布全國(guó)各主要產(chǎn)煤省區(qū)，近半數(shù)的礦區(qū)存在地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 ? 100多年前，國(guó)外一些礦山就開(kāi)始應(yīng)用錨桿支護(hù)。 從錨桿支護(hù)形式的發(fā)展過(guò)程分，可分為以下幾個(gè)階段： （ 1） 1950年 ~1960年，錨桿型式主要是機(jī)械端部錨固錨桿，分楔縫式、倒楔式、漲殼式等。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 （ 2） 1960年 ~1970年，樹(shù)脂錨桿研制成功，并得到推廣應(yīng)用。這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，極大地促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。 （ 5） 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固錨桿以其優(yōu)越的錨固效果和簡(jiǎn)便的施工工藝，逐步取代了其他類(lèi)型的錨桿，成為錨桿支護(hù)的主導(dǎo)型式。這是錨桿支護(hù)成功的必要前提。 （ 3）根據(jù)本國(guó)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，采用適宜的錨桿形式。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn) （ 4）錨桿向高強(qiáng)度、高可靠性方向發(fā)展。 在提高錨桿強(qiáng)度的條件下，降低支護(hù)密度，有利于快速掘進(jìn)。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的主要特點(diǎn) （ 6）錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)儀器與技術(shù)保證了巷道安全。 （ 2） 1960’S錨桿支護(hù) 進(jìn)入采區(qū) ，主要是采區(qū)上下山，但由于采區(qū)巷道圍巖松軟，受采動(dòng)影響后圍巖變形量大，對(duì)支護(hù)要求很高，加之錨桿支護(hù)理論、設(shè)計(jì)方法、錨桿材料、施工機(jī)具、監(jiān)測(cè)手段等還不夠完善，因而事故頻發(fā)，發(fā)展緩慢。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 （ 4） “ 九五 ” 期間， 原煤炭工業(yè)部將 “ 錨桿支護(hù) ” 列為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的 五個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目之一 ，展開(kāi)了更深入、細(xì)致的試驗(yàn)研究。 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。概括起來(lái)，有以下主要成果。 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。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。 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。 （ 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。 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。 （ 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。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。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 。 ? 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。 (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 ）。 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。 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。 ? 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。 (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。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。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 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）。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。 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 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。在錨桿強(qiáng)度一定時(shí)，錨桿對(duì)殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用大于對(duì)極限強(qiáng)度的強(qiáng)化，這對(duì)控制破碎區(qū)圍巖的變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。 至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是非常小的，可以忽略不計(jì)。托板強(qiáng)度不足、安裝質(zhì)量差、受較大偏載都會(huì)顯著降低錨桿的作用。圖示是有、無(wú)托板時(shí)錨桿軸力與剪力分布示意圖。 （ 1）錨固劑的黏結(jié)作用 ? 在工程設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算錨桿拉拔力的簡(jiǎn)化方法是假定錨固劑與桿體、錨固劑與鉆孔孔壁之間的黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度內(nèi)均勻分布，則錨桿拉拔力可用下式計(jì)算： ? 這種簡(jiǎn)化的方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但不符合錨桿拉拔時(shí)黏結(jié)應(yīng)力分布的實(shí)際情況。 E/8Kdxce)x( ??2121KKKKK??3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 錨固劑的作用 （ 1）錨固劑的黏結(jié)作用 由上式可知，錨固起始段處 x=0， τ(0)=c。當(dāng)曲線下方面積最大時(shí)，錨桿拉拔力達(dá)到最大?？梢?jiàn)錨固劑提供的抗拉力遠(yuǎn)小于錨桿桿體?？梢?jiàn)錨固劑可提供一定的抗剪能力。 (2)支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。 3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用 ? 分析鋼帶受力的簡(jiǎn)化模型是將兩根錨桿之間的鋼帶段作為一簡(jiǎn)支梁 (見(jiàn)圖 )，采用材料力學(xué)的相關(guān)公式計(jì)算鋼帶受力與變形。 (2)緊貼巷道表面，提供