【正文】 長錨固螺紋鋼錨桿。一方面， 研制具有一定延伸率的高強度錨桿材料，如澳大利亞錨桿桿體材料的屈服強度在 400~600MPa，有的甚至大于 600MPa；英國錨桿材料的屈服強度為 640~720MPa；美國錨桿材料的屈服強度為 414~689MPa； 另一方面 加大錨桿直徑，國外多數(shù)使用 υ20~22mm的錨桿，有的達到 υ24mm。 （ 5）先進的錨桿施工機具不僅保證了支護質(zhì)量，而且提高了成巷速度，促進了錨桿支護技術(shù)的發(fā)展。開發(fā)出頂板離層指示儀、聲波多點位移計、測力錨桿等監(jiān)測錨桿支護巷道圍巖變形、離層、支護體受力的儀器，及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測圍巖穩(wěn)定性與支護狀況，確保巷道的安全。 （ 3） “ 八五 ” 期間 （ 1991~1995）， 原煤炭工業(yè)部把煤巷錨桿支護技術(shù)作為重點項目進行攻關(guān)，取得了一大批水平較高的科研成果，并應(yīng)用于新汶、鐵法、兗州、峰峰、淮南等多個礦區(qū)。經(jīng)過教學(xué)、科研和生產(chǎn)單位的聯(lián)合攻關(guān)，煤巷錨桿支護技術(shù)有了很大提高，取得了很多寶貴經(jīng)驗，主要有：單體錨桿支護，錨梁網(wǎng)組合支護，桁架錨桿支護，軟巖巷道錨桿支護，深井巷道錨桿支護，沿空巷道錨桿支護，可伸長錨桿，電動、風(fēng)動和液壓錨桿鉆機，錨桿支護檢測與監(jiān)測儀器等。 ? 錨桿支護應(yīng)用初期，由于支護強度與剛度低，缺乏科學(xué)的支護理論和設(shè)計方法，支護材料、施工機具技術(shù)性能和配套性差，監(jiān)測儀器不完善，因而支護質(zhì)量不能保證，出現(xiàn)了多起冒頂死亡事故。 1 錨桿支護技術(shù)的發(fā)展 我國煤礦錨桿支護的主要新成果 （ 1）深化了對錨桿支護作用機理的認(rèn)識 ?傳統(tǒng)的錨桿支護理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護設(shè)計的關(guān)鍵。 鋼帶、金屬網(wǎng)等護表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。 ⑦ 錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。包括左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，達到高強度和超高強度級別；樹脂錨固劑及生產(chǎn)設(shè)備； 高強度 W型、 M型鋼帶；小孔徑 樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索系列等。 （ 7） 研制出了錨桿支護施工質(zhì)量檢測與礦壓 監(jiān)測成套儀器 。 （ 10） 有些礦區(qū)針對具體條件，制定了本礦區(qū)的 錨桿支護技術(shù)規(guī)范，煤炭行業(yè)錨桿支護技術(shù)規(guī)范也已發(fā)布。這些支護理論在生產(chǎn)實踐中起到了積極作用。這些認(rèn)識對提高錨桿支護效果，特別是困難條件下巷道支護提供了有效的理論指導(dǎo)。 ? 在比較 軟弱的圍巖中 ，巷道開掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動破碎區(qū)，在其 上部形成自然平衡拱，錨桿支護的作用是將下部松動破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上，這是懸吊理論的進一步發(fā)展。 (3)當(dāng)錨桿穿過破碎巖層時，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度地改善破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力。 (5) 只適用于巷道頂板，不適用于巷道兩幫和底板。這時錨桿的作用是：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，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動，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（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。 ? 組合梁理論充分考慮了錨桿對 離層及滑動 的約束作用。其實，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。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)，其圍巖強度 得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。 (2)加固拱厚度 涉及很多因素， 很難較準(zhǔn)確的估計 。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動 (見圖 )，因此，要求錨桿強度大、剛度大、抗剪能力強，才能起到上述兩方面的約束作用。現(xiàn)有支護無法有效阻止圍巖松動圈的產(chǎn)生與發(fā)展。 ② 中松動圈 (厚度在 400～ 1 500mm之間 )，支護比較容易，采用懸吊理論設(shè)計錨桿參數(shù)，懸吊點在松動圈之外。該理論的要點為： ①錨桿支護的實質(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)域巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度均能得到強化； ③錨桿支護可改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護狀況； ④圍巖錨固體強度提高后，可減小巷道周圍的破碎區(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的穩(wěn)定。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 ? 錨桿支護由錨桿桿體、托板、螺母、錨固劑、鋼帶及金屬網(wǎng)等構(gòu)件組成，錨桿支護的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 錨桿桿體的作用 （ 1）抗拉作用 錨桿桿體所能承受的拉斷載荷為 bdP ??42?3 錨桿支護構(gòu)件的作用 錨桿桿體的作用 （ 2）抗剪作用 錨桿桿體所能承受的拉剪切載荷為 bdQ ??42?3 錨桿支護構(gòu)件的作用 托板的作用 ? 托板是錨桿的重要構(gòu)件，對錨桿支護作用的發(fā)揮影響很大 。 對于端部錨固錨桿， 托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件，通過托板給錨桿施加預(yù)緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體 .如果托板本身失效，以及托板下方的圍巖松散脫落，導(dǎo)致托板與表面不緊貼，都會使錨桿失去支護作用。 無托板時錨桿軸力在巷道表面處為零， 在一定深度達到最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時，由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過托板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道表面處達到一定值， 而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動，更接近巷道表面。國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究與試驗，得出黏結(jié)應(yīng)力分布的公式與曲線。當(dāng) τ(0)[τ]（ [τ]為黏結(jié)強度），錨固劑不會發(fā)生破壞。 （ 2）錨固劑的抗拉與抗剪作用 ? 我國樹脂錨固劑的抗拉強度一般為 MPa。 ? 樹脂錨固劑的抗剪強度一般可取 35MPa。 E/8Kdxce)x( ??3 錨桿支護構(gòu)件的作用 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用 ? 鋼帶是錨桿支護系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對提高錨桿支護整體支護效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。 鋼帶對巷道表面提供支護，抑制淺部巖層離層、裂隙張開，保持圍巖的完整性，減少巖層彎曲引起的拉伸破壞，改善巖層應(yīng)力狀態(tài)，防止錨桿間松動巖塊掉落。假設(shè)鋼帶受到均布載荷 q的作用，則 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 ? 一般認(rèn)為，網(wǎng)可以用來維護錨桿間的圍巖，防止松動小巖塊掉落。m2)，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。如果沒有金屬網(wǎng)或金屬網(wǎng)失效，圍巖破壞會從表面發(fā)展到深部，逐漸破碎、松散，失去強度，導(dǎo)致圍巖垮落，錨桿失效。 （ 1）工程類比法 包括：根據(jù)已有的巷道工程，通過類比直接提出新建工程的支護設(shè)計（直接類比法）；通過巷道圍巖穩(wěn)定性分類提出支護設(shè)計；采用簡單的經(jīng)驗公式確定支護設(shè)計。 4 錨桿支護設(shè)計方法 支護設(shè)計方法分類 （ 3）數(shù)值計算法： 英國、澳大利亞等建立了以地質(zhì)力學(xué)條件和以數(shù)值計算為基礎(chǔ)的煤巷錨桿支護系統(tǒng)設(shè)計方法，其核心是首先根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，以巖體力學(xué)評估為基礎(chǔ)，結(jié)合 數(shù)值模擬分析進行錨桿支護初始設(shè)計，然后再根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對原設(shè)計進行修正和完善。這種設(shè)計方法已經(jīng)在多個礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，錨桿支護設(shè)計的可靠性、合理性和科學(xué)性得到顯著提高。 ? 直接類比的主要內(nèi)容有： ①圍巖物理力學(xué)性質(zhì)： 包括巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈锢砹W(xué)參數(shù)、煤層賦存狀態(tài)。 其中 ，煤巖體的單軸抗壓強度是最常用的力學(xué)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)面對裂隙巖體的強度、變形和破壞特征的影響非常明顯，甚至是最關(guān)鍵的因素。在進行工程類比時，必須弄清巷道附近有無較大的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造的特點，以及構(gòu)造對巷道的影響程度。實測數(shù)據(jù)表明，垂直應(yīng)力與巷道埋藏深度有較強的相關(guān)關(guān)系，而水平應(yīng)力則影響因素復(fù)雜，可靠的方法是通過井下實測得到地應(yīng)力的大小與方向。 ⑥ 采動影響情況。 對于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設(shè)備等對圍巖的穩(wěn)定性也有明顯影響，例如掘進機掘進優(yōu)于爆破掘進，光面爆破優(yōu)于普通爆破。 ? 錨桿長度選取 ① Hoek與 Brown等提出確定錨桿長度的一般經(jīng)驗準(zhǔn)則： 最小錨桿長度 =max[錨桿間距的兩倍，三倍不連續(xù)面平均間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度，巷道跨度之半 ]。如果再加長錨桿，支護效果將不會明顯變化。 公式 2：錨桿長度 L=k(+B/10) 式中 k—與圍巖有關(guān)的系數(shù)，取k=~，圍巖穩(wěn)定性差時取大值。 ④ 新奧法對錨桿間距的選擇提出一些準(zhǔn)則：硬巖，錨桿間距取 1． 5~；中硬巖石，錨桿間距取 1． 5 m；松軟破碎的巖體，錨桿間距取 ~。然而，要求每一個設(shè)計人員都具有豐富的實踐經(jīng)驗是不切實際的。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護設(shè)計 ①圍巖分類方法 ? 我國學(xué)者 在巖體分類方面也做了大量工作。 煤巷圍巖的穩(wěn)定性分為 5個類別： I類非常穩(wěn)定、 Ⅱ 類穩(wěn)定、 Ⅲ 類中等穩(wěn)定、 Ⅳ 類不穩(wěn)定、 V類極不穩(wěn)定。 ③ 巷幫煤層單軸抗壓強度 為巷道高度煤和夾矸的加權(quán)平均值。 ⑦ 圍巖完整性指數(shù) 指圍巖節(jié)理、裂隙、層理的影響程度，一般可利用直接頂初步垮落步距代替。懸吊理論只考慮了錨桿的被動抗拉作用，根據(jù)不穩(wěn)定巖層厚度計算錨桿長度，根據(jù)錨桿懸吊的不穩(wěn)定巖層重量計算錨桿直徑和間排距。 ③錨桿間排距： 當(dāng)錨桿間排距相等時，即 a1=a2，間排距為 14??Qd ??2KLQa ?4 錨桿支護設(shè)計方法 2）自然平衡拱理論分析設(shè)計法 ? 自然平衡拱理論認(rèn)為，巷道開掘后，圍巖失去了層間聯(lián)系?？梢?，自然平衡拱理論對錨桿支護作用的分析實質(zhì)上是懸吊作用，并提供了計算圍巖破壞范圍的方法。 。 煤幫擠壓力： 當(dāng) C為正值時，作用在破壞煤幫上的水平擠壓力 Q/kN 4 錨桿支護設(shè)計方法 2）自然平衡拱理論分析設(shè)計方法 4 錨桿支護設(shè)計方法 錨桿支護理論分析設(shè)計法 3）組合梁理論分析設(shè)計方法 ? 組合梁理論認(rèn)為，在層狀巖層中，錨桿的作用是提供軸向和切向約束，阻止巖層產(chǎn)生離層和相對滑動，將若干薄巖層錨固成一個較厚的巖層，形成組合梁。設(shè)組合梁上部受均布載荷 q作用，在平面應(yīng)變狀態(tài)下，計算錨桿長度與錨桿間排距。 設(shè)巖石抗拉強度為 σt，則頂板穩(wěn)定時應(yīng)滿足 即 式中 K1——安全系數(shù)，一般取 3~5。該拱 (帶 )具有較大的承載能力和一定的可縮性，能夠起到有效支護巷道的作用。 1） 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估 ? 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估是在地質(zhì)力學(xué)測試基礎(chǔ)上進行的。 巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶曲等的分布，對巷道的影響程度。 ④環(huán)境影響。 ⑥ 黏結(jié)強度測試。黏結(jié)強度滿足設(shè)計要求后方可在井下施工中采用。 ①數(shù)值模擬計算方法： 數(shù)值計算常用的方法有：有限元法，離散元法、邊界元法和有限差分法。 ? 離散元法 能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個物體相互作用問題、物體斷裂問題以及大位移和大轉(zhuǎn)動問題，能夠處理范圍廣泛的材料本構(gòu)關(guān)系、相互作用準(zhǔn)則和任意幾何形狀。 ? 目前應(yīng)用比較廣泛的 FLAC軟件 (二維、三維 )，可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。因為沒有剛度矩陣不斷更新，所以大變形與小變形計算的機時消耗無明顯區(qū)別。錨固方式可以是端錨、全長錨固或任意長度錨固，這種單元還可以施加預(yù)緊力。 4 錨桿支護設(shè)計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法 （ 2） 初始設(shè)計方法 ②數(shù)值模擬步逐 ? 確定巷道的位置與布置方向。如當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。 ? 建立數(shù)值模型。一般包括無支護巷道，不同巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角、不同煤柱尺寸護巷，不同錨桿直徑、長度、強度和支護密度，以及有無錨索，錨索密度、長度、強度等支護方案。 4）錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計方法 （ 4）錨桿支護形式和參數(shù)選擇應(yīng)考慮的主要原則 ①一次支護原則 錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。在提高錨桿強度與支護整體剛度，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上的錨桿數(shù)量，提高掘進速度。 ⑦可操作性原則 提供的錨桿支護設(shè)計應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。 ①監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋指標(biāo)選擇 ? 井下監(jiān)測數(shù)據(jù)很多，必須從眾多數(shù)據(jù)中選取修改、調(diào)整初始設(shè)計的反饋信息指標(biāo)。 4 錨桿支護設(shè)計方法 4） 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法 （ 5） 井下監(jiān)測與信息反饋及修正設(shè)計 ? 根據(jù)上述反饋指標(biāo)選擇的原則，選用頂板離層值、兩幫相對移近量、錨桿與錨索受力 3個方面的 6個指標(biāo)。錨桿