【正文】 ? 是 最早 的錨桿支護理論，具有直觀、易懂及使用方便等特點。 (4)當圍巖松軟，巷道寬度較大時， 錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。 ? 從巖層受力考慮，錨桿將各個巖層夾緊形成組合梁，如圖所示。 加固拱（組合拱、壓縮拱）理論 ? 加固拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，且有三個特點： 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。圍巖松動圈越大，碎脹變形越大，圍巖變形量越大，巷道支護也越困難。 ? 錨固體極限強度強化系數(shù) KJ為 ? 錨固體殘余強度強化系數(shù) KC為 ? 試驗結(jié)果表明，隨著錨桿密度增加錨固體的強化系數(shù)增加。 ? 托板力學(xué)性能應(yīng)與錨桿桿體的性能相 匹配 ，才能充分發(fā)揮錨桿的支護作用。同時錨固劑也具有一定的抗剪與抗拉能力，與錨桿共同加固圍巖。當 τ(0)= [τ]時，錨固劑發(fā)生破壞，黏結(jié)應(yīng)力逐漸從圖中曲線 1發(fā)展到曲線 2，錨固劑從錨固起始端逐漸向深部破壞，最大黏結(jié)應(yīng)力點也逐漸向深部移動。如果 υ20mm的桿體，安裝在 υ28mm的鉆孔中，則錨固劑可提供 kN的抗剪力，分別是圓鋼(Q235)、高強度螺紋鋼 (BHRB400)、超高強度螺紋鋼 BHRB600)的剪斷載荷的 12． 4％、 8． 4％、 5． 9％。 鋼帶將數(shù)根錨桿連接在一起，可均衡錨桿受力，共同形成組合支護系統(tǒng)，提高整體支護能力。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 (3) 網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對深部圍巖也有良好的支護作用。由于各種支護理論都存在著一定的局限性和適用條件，而且很難比較準確、可靠地確定計算所需的一些參數(shù)。 這種方法是將已開掘的、成功應(yīng)用錨桿支護巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開掘的巷道進行比較，在各種條件基本相同的情況下，參照已掘巷道的支護形式與參數(shù)，由設(shè)計人員根據(jù)自己的經(jīng)驗提出待掘巷道的支護設(shè)計。結(jié)構(gòu)面的幾何特征參數(shù)包括：結(jié)構(gòu)組數(shù)、密度；結(jié)構(gòu)面走向、傾角、延展長度與張開度；結(jié)構(gòu)面充填物、粗糙度及起伏度等。 地應(yīng)力與圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)一樣是影響巷道變形與破壞的關(guān)鍵因素。采動對采準巷道圍巖變形與破壞影響很大，類比時應(yīng)作為一個重要因素考慮。 ② Lang與 Bischoff認為，錨桿長度與錨桿間排距之比應(yīng)為 —，錨桿長度可作為巷道寬度的函數(shù)確定，如： L=B2/3，其中 L為錨桿長度， B為巷道寬度。 ② Lang與 Bischoff認為，錨桿間排距與錨桿長度之比為 2／ 3—5／ 6比較合理。 在圍巖分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類別的圍巖提出支護形式和參數(shù)設(shè)計的建議，這種方法已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。 4 錨桿支護設(shè)計方法 工程類比設(shè)計方法 巷道頂板錨桿基本支護形式與主要參數(shù)選擇 巷道類別 巷道圍巖穩(wěn)定狀況 基本支護形式 主要支護參數(shù) Ⅰ 非常穩(wěn)定 整體砂巖、石灰?guī)r類巖層：不支護 不支護 其它巖層：單體錨桿 端錨 :桿體直徑： 16mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計錨固力： 64~80kN Ⅱ 穩(wěn)定 頂板較完整：單體錨桿 頂板較破碎：錨桿 +網(wǎng) 端錨 :桿體直徑： 16~18mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計錨固力： 64~80kN Ⅲ 中等穩(wěn)定 頂板較完整：錨桿 +鋼筋梁，或桁架 頂板較破碎： 錨桿 +W鋼帶（或鋼筋梁） +網(wǎng)，或增加錨索 桁架 +網(wǎng)，或增加錨索 端錨 :桿體直徑： 16~18mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計錨固力： 64~80kN 全長錨固 : 桿體直徑： 18~22mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 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 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設(shè)計建議 巷道頂板錨桿基本支護形式與主要參數(shù)選擇 Ⅳ 不穩(wěn)定 錨桿 +W鋼帶 +網(wǎng)，或增加錨索 桁架 +網(wǎng)，或增加錨索 全長錨固 : 桿體直徑： 18~22mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ Ⅴ 極不穩(wěn)定 ： 錨桿 +金屬可縮支架，或增加錨索 ： 錨桿 +網(wǎng) +金屬可縮支架，或增錨索 ： 錨桿 +環(huán)形可縮支架 全長錨固 : 桿體直徑： 18~24mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 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 ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護設(shè)計建議 ? 巷道圍巖穩(wěn)定性分類的 7個指標 ① 頂板巖石單軸抗壓強度 取巷道寬度 2倍范圍內(nèi)頂板巖石單軸抗壓強度的加權(quán)平均值。 ? 測試圍巖松動圈的方法有超聲波測井探測法、地質(zhì)雷達探測法、滲流法、地震聲學(xué)法等，其中超聲波測井探測法比較常用。自然平衡拱以上的巖體是穩(wěn)定的，錨桿的作用主要是防止破壞區(qū)圍巖垮落。 ? 頂板巖層的破壞深度 b，按相對于巖層層理的法線計： 式中 a—巷道的半跨距， m； α— 煤層傾角， 176。通過計算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護參數(shù)。考慮頂板各巖層 間摩擦作用對梁應(yīng)力和彎曲的影響， 引入隨巖層數(shù)目變化的慣性矩折減系 數(shù) η，則錨桿有效長度的表達式為 式中 σh——原巖水平應(yīng)力分量， MPa； η——巖層數(shù)為 3時， η分別為 、 ，巖層數(shù)大于 3時， η=。 包括煤層厚度、傾角、抗壓強度；頂?shù)装鍘r層分布，強度。 ⑤采動影響。通過數(shù)值模擬計算，可分析巷道圍巖位移、應(yīng)力及破壞范圍分布，支護體受力狀況；不同因素對巷道圍巖變形與破壞的影響，不同支護參數(shù)對支護效果的影響；通過方案比較，確定比較合理的支護參數(shù) (如錨桿長度、直徑、間排距等 )。 ? UDEC、 3— DEC等二維、三維離散元軟件已經(jīng)在我國得到應(yīng)用，在分析頂板垮落、頂煤冒落、節(jié)理化巷道圍巖穩(wěn)定性與支護設(shè)計等方面取得良好效果。除此之外， FLAC還有多種特殊功能： FLAC中含有界面單元，可以模擬巖層中不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理及層理等滑動和離層； FLAC中含有 4種結(jié)構(gòu)單元，分別為梁、錨桿、樁及支柱單元，可以模擬各種支護構(gòu)件。在近水平煤層條件下，如果能考慮地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護。 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： ? 確定模擬方案。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散，提高錨固體的整體剛度與完整性。 4 錨桿支護設(shè)計方法 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 ? 初始設(shè)計實施于井下后，必須進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，這也是動態(tài)信息法中的一項主要內(nèi)容。 ? 兩幫 的穩(wěn)定狀況用兩幫相對移近量作為反饋指標。 ? 對于回采巷道，圍巖變形一般可分為 3個階段：掘進影響期、掘后穩(wěn)定期和采動影響期。 4 錨桿支護設(shè)計方法 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 ⑤相互匹配原則 錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。 分析巷道圍巖變形與破壞的特征，地應(yīng)力大小與方向、煤柱尺寸對圍巖穩(wěn)定性的影響，錨桿、錨索支護密度、直徑、長度和強度等參數(shù)對支護效果的影響，通過多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟、便于施工的支護方案。 根據(jù)運輸設(shè)備、通風(fēng)、行人要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計合理的巷道斷面形狀與尺寸。運用 FISH語言，用戶可編制自己的函數(shù)、變量，甚至引人自定義力學(xué)模型，顯著擴大了 FLAC的應(yīng)用范圍和靈活性。FLAC采用顯式解法，可模擬任意非線性力學(xué)問題，而所用機時與解線性問題相差無幾。 而煤巖體形態(tài)和結(jié)構(gòu)呈強烈的非連續(xù)性，煤巖塊體的運動和受力為幾何或材料非線性，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進行求解是不適合的。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。 4 錨桿支護設(shè)計方法 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法 1） 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估 ③地應(yīng)力。 4 錨桿支護設(shè)計方法 4）加固拱理論分析設(shè)計方法 4 錨桿支護設(shè)計方法 錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法 ? 動態(tài)信息法具有兩大特點：其一， 設(shè)計不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程； 其二， 設(shè)計充分利用每個過程中提供的信息，實時進行信息收集、信息分析與信息反饋。 L2為錨桿有效長度， 即組合巖梁厚度，根據(jù)滿足頂板最下一層巖石外表面抗拉強度條件確定。m3。 巷幫破壞深度 C(m)由下式確定： 式中 Kcx——巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)，按巷道斷面形狀與寬高比確定； γ——巷道上方至地表間地層的平均重力密度， kN ②錨桿錨固力與直徑 ：錨桿錨固力應(yīng)不小于 被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量： Q=KL2a1a2γ 式中 Q—錨桿錨固力， MN； K—安全系數(shù)，一般取 —2； a1， a2—錨桿間排距， m； γ—巖層平均重力密度， MN／ m3。 ⑤ 護巷煤柱的寬度 指一側(cè)煤柱的實際寬度，應(yīng)討論不同煤柱尺寸時的圍巖類別。 其中以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類和圍巖松動圈分類為基礎(chǔ)的支護設(shè)計建議在煤礦廣泛應(yīng)用。因此，經(jīng)驗公式提供的支護參數(shù)只能作為參考，不能不顧巷道的具體條件而照搬套用?；阱^桿支護的作用是在圍巖中形成自承拱的原理，錨桿長度主要與巷道圍巖條件及跨度有關(guān)：對于比較完整的硬巖，錨桿長度取 1． 0~1． 2m；對于完整性較差的中硬巖石，錨桿長度取巷道寬度的 1／ 4~1／ 3，一般為 2~3m；對于松軟破碎的巖體，錨桿長度取巷道寬度的 1／ 2~2／ 3，一般為 4~6m。 2）經(jīng)驗公式法 ? 經(jīng)驗公式是在大量支護設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，得出的指導(dǎo)支護設(shè)計的簡單公式。 ⑤巷道特征與使用條件。當然，完全了解結(jié)構(gòu)面的各種參數(shù)是十分困難的，但不能忽略主要參數(shù)。物理性質(zhì) 包括巖性、礦物成分、密度、孔隙率、水理性質(zhì)等內(nèi)容。 ? 10余年來，我國在錨桿支護設(shè)計方法方面做了大量工作。如果支護形式和參數(shù)選擇不合理，就會造成兩個極端：其一是支護強度太高，不僅浪費支護材料，而且影響掘進速度，增加支護成本；其二是支護強度不夠，不能有效控制圍巖變形，出現(xiàn)冒頂事故。 ? 網(wǎng)的作用主要表現(xiàn)在以下 3方面： (1)維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。 單根錨桿作用于巷道表面可近似看成點載荷， 鋼帶可擴大錨桿作用范圍，實現(xiàn)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴散，使載荷趨于均勻。如果 υ20 mm的桿體安裝在 υ28 mm的鉆孔中，則錨固劑可提供 kN的抗拉力。其計算式為 式中 τ(x)—距錨固起始端 x處錨固劑作用于桿體表面的黏結(jié)應(yīng)力 ，MPa； d—桿體直徑 ， mm； E—桿體彈性模量 ， MPa； c —積分常數(shù)； K—剪切剛度 ， MPa； K1—錨固劑的剪切剛度 ， MPa； K2—圍巖的剪切剛度 ， MPa。 3 錨桿支護構(gòu)件的作用 托板的作用 ? 托板對全長錨固錨桿的受力分布有明顯的影響。這種構(gòu)件主要可以提供 兩方面的作用 (見圖 )， 首先是抗拉，其次是抗剪?？梢?，松動圈支護理論確定了使用各種經(jīng)典錨桿支護理論的適用條件和范圍。 2 錨桿支護理論 圍巖松動圈支護理論 ? 巷道開挖后，當圍巖應(yīng)力超過圍巖強度時將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類似圓形或橢圓形，稱之為圍巖松動圈。 2 錨桿支護理論 加固拱（組合拱）理論 ? 加固拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用，在 軟巖巷道 中得到較為廣泛的應(yīng)用。它涉及影響錨桿支護的眾多因素，目前還沒有一種方法比較可靠地估計有效組合厚度。因此，理論計算的錨桿載荷與實際出入比較大， 一般計算的錨桿受力偏小 。 2 錨桿支護理論 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。 ? 近年來，隨著錨桿支護技術(shù)的快速發(fā)展，對錨桿支護理論的研究也有了較大進展。 （ 8） 將 錨固與注漿加固技術(shù)有機結(jié)合在一起 ，開發(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。有限差分（ FLAC）、有限元（ ANSYS、 ADINA等）、離散元（ UDEC）等數(shù)值計算軟件已廣泛應(yīng)用于錨桿支護設(shè)計，提高了設(shè)計的科學(xué)性、合理性與可靠性。