【正文】 ? 是 最早 的錨桿支護(hù)理論，具有直觀、易懂及使用方便等特點(diǎn)。 (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。 ? 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。 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。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。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。 ? 錨固體極限強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù) KJ為 ? 錨固體殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù) KC為 ? 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著錨桿密度增加錨固體的強(qiáng)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(hù)作用。同時(shí)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(dāng) τ(0)= [τ]時(shí)，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(diǎn)也逐漸向深部移動(dòng)。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(qiáng)度螺紋鋼 (BHRB400)、超高強(qiáng)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(hù)系統(tǒng)，提高整體支護(hù)能力。 3 錨桿支護(hù)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(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。由于各種支護(hù)理論都存在著一定的局限性和適用條件，而且很難比較準(zhǔn)確、可靠地確定計(jì)算所需的一些參數(shù)。 這種方法是將已開(kāi)掘的、成功應(yīng)用錨桿支護(hù)巷道的地質(zhì)與生產(chǎn)條件與待開(kāi)掘的巷道進(jìn)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(hù)形式與參數(shù)，由設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)提出待掘巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)。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(zhǎng)度與張開(kāi)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(qiáng)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(dòng)對(duì)采準(zhǔn)巷道圍巖變形與破壞影響很大，類比時(shí)應(yīng)作為一個(gè)重要因素考慮。 ② Lang與 Bischoff認(rèn)為，錨桿長(zhǎng)度與錨桿間排距之比應(yīng)為 —，錨桿長(zhǎng)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(zhǎng)度， B為巷道寬度。 ② Lang與 Bischoff認(rèn)為，錨桿間排距與錨桿長(zhǎng)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(hù)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)的建議，這種方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類比設(shè)計(jì)方法 巷道頂板錨桿基本支護(hù)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(hù)形式 主要支護(hù)參數(shù) Ⅰ 非常穩(wěn)定 整體砂巖、石灰?guī)r類巖層：不支護(hù) 不支護(hù) 其它巖層：?jiǎn)误w錨桿 端錨 :桿體直徑： 16mm 桿體長(zhǎng)度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計(jì)錨固力： 64~80kN Ⅱ 穩(wěn)定 頂板較完整：?jiǎn)误w錨桿 頂板較破碎：錨桿 +網(wǎng) 端錨 :桿體直徑： 16~18mm 桿體長(zhǎng)度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計(jì)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(zhǎng)度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計(jì)錨固力： 64~80kN 全長(zhǎng)錨固 : 桿體直徑： 18~22mm 桿體長(zhǎng)度： ~ 間排距： ~ 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 巷道頂板錨桿基本支護(hù)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(zhǎng)錨固 : 桿體直徑： 18~22mm 桿體長(zhǎng)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(zhǎng)錨固 : 桿體直徑： 18~24mm 桿體長(zhǎng)度： ~ 間排距： ~ 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 工程類比設(shè)計(jì)方法 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ②巷道圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 ? 巷道圍巖穩(wěn)定性分類的 7個(gè)指標(biāo) ① 頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度 取巷道寬度 2倍范圍內(nèi)頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。 ? 測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的方法有超聲波測(cè)井探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、滲流法、地震聲學(xué)法等，其中超聲波測(cè)井探測(cè)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(duì)于巖層層理的法線計(jì)： 式中 a—巷道的半跨距， m； α— 煤層傾角， 176。通過(guò)計(jì)算組合梁所必需的承載能力確定錨桿支護(hù)參數(shù)。考慮頂板各巖層 間摩擦作用對(duì)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(zhǎng)度的表達(dá)式為 式中 σh——原巖水平應(yīng)力分量， MPa； η——巖層數(shù)為 3時(shí)， η分別為 、 ，巖層數(shù)大于 3時(shí)， η=。 包括煤層厚度、傾角、抗壓強(qiáng)度；頂?shù)装鍘r層分布，強(qiáng)度。 ⑤采動(dòng)影響。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可分析巷道圍巖位移、應(yīng)力及破壞范圍分布，支護(hù)體受力狀況；不同因素對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響，不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響；通過(guò)方案比較，確定比較合理的支護(hù)參數(shù) (如錨桿長(zhǎng)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(guó)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(hù)設(shè)計(jì)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(dòng)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(hù)構(gòu)件。在近水平煤層條件下，如果能考慮地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護(hù)。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 2） 初始設(shè)計(jì)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(guò)托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，提高錨固體的整體剛度與完整性。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4） 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 （ 5） 井下監(jiān)測(cè)與信息反饋及修正設(shè)計(jì) ? 初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下后，必須進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，這也是動(dòng)態(tài)信息法中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。 ? 兩幫 的穩(wěn)定狀況用兩幫相對(duì)移近量作為反饋指標(biāo)。 ? 對(duì)于回采巷道，圍巖變形一般可分為 3個(gè)階段：掘進(jìn)影響期、掘后穩(wěn)定期和采動(dòng)影響期。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4）錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法 （ 4）錨桿支護(hù)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(hù)的整體支護(hù)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(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，錨桿、錨索支護(hù)密度、直徑、長(zhǎng)度和強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，通過(guò)多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟(jì)、便于施工的支護(hù)方案。 根據(jù)運(yùn)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(jì)合理的巷道斷面形狀與尺寸。運(yùn)用 FISH語(yǔ)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(kuò)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(wèn)題，而所用機(jī)時(shí)與解線性問(wèn)題相差無(wú)幾。 而煤巖體形態(tài)和結(jié)構(gòu)呈強(qiáng)烈的非連續(xù)性，煤巖塊體的運(yùn)動(dòng)和受力為幾何或材料非線性，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進(jìn)行求解是不適合的。該測(cè)試工作必須在井下施工之前進(jìn)行完畢。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 1） 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估 ③地應(yīng)力。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 4）加固拱理論分析設(shè)計(jì)方法 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 ? 動(dòng)態(tài)信息法具有兩大特點(diǎn)：其一， 設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程； 其二， 設(shè)計(jì)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。 L2為錨桿有效長(zhǎng)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(qiáng)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(hù)巷煤柱的寬度 指一側(cè)煤柱的實(shí)際寬度，應(yīng)討論不同煤柱尺寸時(shí)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(dòng)圈分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì)建議在煤礦廣泛應(yīng)用。因此，經(jīng)驗(yàn)公式提供的支護(hù)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。基于錨桿支護(hù)的作用是在圍巖中形成自承拱的原理，錨桿長(zhǎng)度主要與巷道圍巖條件及跨度有關(guān)：對(duì)于比較完整的硬巖，錨桿長(zhǎng)度取 1． 0~1． 2m；對(duì)于完整性較差的中硬巖石，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的 1／ 4~1／ 3，一般為 2~3m；對(duì)于松軟破碎的巖體，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的 1／ 2~2／ 3，一般為 4~6m。 2）經(jīng)驗(yàn)公式法 ? 經(jīng)驗(yàn)公式是在大量支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單公式。 ⑤巷道特征與使用條件。當(dāng)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(lái)，我國(guó)在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法方面做了大量工作。如果支護(hù)形式和參數(shù)選擇不合理，就會(huì)造成兩個(gè)極端：其一是支護(hù)強(qiáng)度太高，不僅浪費(fèi)支護(hù)材料，而且影響掘進(jìn)速度，增加支護(hù)成本；其二是支護(hù)強(qiáng)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(hù)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(diǎn)載荷， 鋼帶可擴(kuò)大錨桿作用范圍，實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)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(jì)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(hù)構(gòu)件的作用 托板的作用 ? 托板對(duì)全長(zhǎng)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(jiàn)圖 )， 首先是抗拉，其次是抗剪?？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 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)域類似圓形或橢圓形，稱之為圍巖松動(dòng)圈。 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。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。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 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)。 ? 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。 （ 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。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。