【正文】 式中P—錨桿拉斷載荷，N；d—錨桿直徑，mm； —錨桿鋼材抗拉強(qiáng)度。錨桿的抗剪作用錨桿桿體所能承受的剪切載荷計(jì)算：式中Q—錨桿剪切載荷，N；d—錨桿直徑，mm； —錨桿鋼材剪切強(qiáng)度。二、錨桿托板的作用一是通過(guò)給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預(yù)緊力，并使預(yù)緊力擴(kuò)散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和節(jié)理裂隙的張開(kāi)，實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)作用； 二是圍巖變形使載荷作用于托板上，通過(guò)托板將載荷傳遞到錨桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制圍巖變形的作用。托板力學(xué)性能應(yīng)與錨桿桿體的性能匹配，才能充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。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。對(duì)于端部錨固錨桿，托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件，通過(guò)托板給錨桿施加預(yù)緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體，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(huì)使錨桿失去支護(hù)作用。托板對(duì)全長(zhǎng)錨固錨桿的受力分布有明顯的影響。無(wú)托板時(shí)錨桿軸力在巷道表面處為零，在一定深度達(dá)到最大值，剪力在軸力最大處為零；有托板時(shí)，由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過(guò)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(dá)到一定值，而且使錨桿軸力最大的位置向孔口移動(dòng)，更接近巷道表面。三、錨固劑的作用錨固劑的作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體粘結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護(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。錨固劑的粘結(jié)作用在拉拔作用下，桿體錨固段剪應(yīng)力分布為負(fù)指數(shù)曲線。錨固劑的抗拉與抗剪作用，抗剪強(qiáng)度一般可取35MPa。端部錨固與全長(zhǎng)錨固的區(qū)別對(duì)于端部錨固錨桿，錨固劑的作用在于提供粘結(jié)力，使錨桿能承受一定的拉力。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，錨固劑的作用比較復(fù)雜，主要有兩方面：將錨桿桿體與鉆孔孔壁粘結(jié)在一起，使錨桿隨著巖層移動(dòng)承受拉力。當(dāng)巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)于端部錨固錨桿，桿體各部位的應(yīng)力和應(yīng)變相等。在錨固范圍內(nèi)，任何部位巖層的離層都均勻地分散到整個(gè)桿體的長(zhǎng)度上，導(dǎo)致桿體受力對(duì)圍巖變形和離層不敏感，支護(hù)強(qiáng)度低。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，這種分散是不可能的，致使應(yīng)力、應(yīng)變沿錨桿長(zhǎng)度方向分布極不均勻，離層和滑動(dòng)大的部位錨桿受力很大，桿體受力對(duì)圍巖變形和離層很敏感，能及時(shí)抑制圍巖離層滑動(dòng)，支護(hù)強(qiáng)度高。這是端部錨固錨桿與全長(zhǎng)錨固錨桿的根本區(qū)別。四、鋼帶的作用鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對(duì)提高錨桿支護(hù)整體支護(hù)效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。其作用主要表現(xiàn)在以下3方面：錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散作用。支護(hù)巷道表面，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。均衡錨桿受力，提高整體支護(hù)作用。五、網(wǎng)的作用維護(hù)錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。緊貼巷道表面，提供一定的支護(hù)力，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀態(tài)。同時(shí)，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護(hù)系統(tǒng)。網(wǎng)不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形和破壞，而且對(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。有的巷道雖然表面圍巖已破壞，但沒(méi)有松散、垮落，網(wǎng)作為傳力介質(zhì)，使巷道深部圍巖仍處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高巖體的殘余強(qiáng)度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時(shí)保證了錨桿的錨固效果。第二節(jié)錨桿支護(hù)理論錨桿支護(hù)是一種主動(dòng)支護(hù)形式，它是通過(guò)錨桿及其輔助構(gòu)件與錨固范圍的圍巖形成錨固結(jié)構(gòu)體，利用錨桿的橫向作用提高錨固范圍巖體的強(qiáng)度參數(shù)，錨桿的軸向作用改變錨固范圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到提高巷道穩(wěn)定性的目的。隨著錨桿支護(hù)工程實(shí)踐的不斷豐富，錨桿支護(hù)的理論計(jì)算模型已有許多有價(jià)值的成果。這些理論都是以一定的假說(shuō)為基礎(chǔ)的，各自從不同的角度、不同的條件闡述錨桿支護(hù)的作用機(jī)理，而且力學(xué)模型簡(jiǎn)單，計(jì)算方法簡(jiǎn)便易懂，適用于不同的圍巖條件，得到了國(guó)內(nèi)外的承認(rèn)和應(yīng)用。目前，較成熟的理論主要可歸納為三大類：一、基于錨桿的懸吊作用而提出的懸吊理論、減跨理論。懸吊理論錨桿上端錨固在圍巖內(nèi)部較堅(jiān)硬的巖石中，把一層或幾層穩(wěn)定(或不穩(wěn)定)且比較平而薄的直接頂板通過(guò)錨桿下端的托板及螺栓，錨固在比較堅(jiān)硬的巖層上，從而起到了懸吊作用。錨桿的懸吊作用理論能很好地解釋錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)存在穩(wěn)定巖層的情況，但不能說(shuō)明松軟巖層高度超出錨固范圍情況下的錨桿作用機(jī)理。只適用于巷道頂板，不適用于幫、底。且開(kāi)掘巷道的頂板在一定范圍內(nèi)，必須有堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層。當(dāng)跨度較大的軟巖巷道中普氏拱高往往超過(guò)錨桿長(zhǎng)度，或頂板軟弱巖層較厚，圍巖破碎區(qū)范圍較大時(shí)，無(wú)法將錨桿錨固到上面堅(jiān)硬巖層或者未松動(dòng)巖層上，懸吊理論就不適用了。減跨理論 包括兩方面的內(nèi)容：一是基于松散介質(zhì)的自然冒落拱理論提出的錨桿作用原理，其依據(jù)是冒落拱高度與跨度成正比關(guān)系，認(rèn)為利用錨桿的懸吊作用可增加頂板巖層的支點(diǎn)，從而減小支點(diǎn)間的跨距，進(jìn)而達(dá)到降低冒落拱高度、減小所需支護(hù)強(qiáng)度的目的；二是基于梁的理論而提出的錨桿作用原理，即當(dāng)巷道頂板為層狀巖層時(shí)，其變形特性近似于梁的性質(zhì)，此時(shí)錨桿的作用是縮短梁的跨距，以減小其中的橫向應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩及彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，尤其是彎曲拉應(yīng)力，從而提高頂板的穩(wěn)定性。從以上兩種情況可以看出，減跨理論中的錨桿作用機(jī)理以及適用條件與懸吊理論等同，即需要以穩(wěn)定巖層或穩(wěn)定巖層結(jié)構(gòu)為依托。二、基于錨桿的擠壓加固作用而提出的組合梁理論、加固拱理論以及楔固理論。組合梁理論通過(guò)錨桿的軸向作用力將頂板各分層壓緊，以增強(qiáng)各分層間的摩擦作用，并借助錨桿自身的橫向承載能力提高頂板各分層間的抗剪切強(qiáng)度以及層間粘結(jié)程度，使各分層在彎矩作用下發(fā)生整體彎曲變形，呈現(xiàn)出組合梁的彎曲變形特征，從而提高了頂板的抗彎強(qiáng)度。適用于頂板由多層厚度小的連續(xù)性巖層組成的巷道支護(hù)。巷道幫、底不能應(yīng)用。加固拱理論(擠壓加固理論)通過(guò)系統(tǒng)的布置錨桿，使巷道拱頂節(jié)理發(fā)育的巖體串聯(lián)在一起，沿巷道的斷面形成一個(gè)連續(xù)的具有自承受能力的拱形壓縮帶，使巖層得到補(bǔ)強(qiáng)，成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，支承其自身重量和上部的頂板壓力。對(duì)于平頂巷道的層狀連續(xù)性頂板而言，擠壓加固理論等同于組合梁理論，此時(shí)，錨桿的擠壓加固作用既可使層狀頂板形成組合梁結(jié)構(gòu)，從而提高了其抗彎強(qiáng)度，又可改善巖層的應(yīng)力狀態(tài)，使巖層沿平行于巖層層理方向的抗壓強(qiáng)度得到提高。本理論適用性較強(qiáng)，幾乎適用于所有的圍巖條件。楔固理論主要是針對(duì)巷道圍巖中的圍巖有時(shí)會(huì)沿其中的弱面滑移而提出的圍巖加固理論。當(dāng)巷道圍巖中的部分巖體被其中的弱面切割為塊體時(shí)，其穩(wěn)定性狀況一定程度上將取決于對(duì)關(guān)鍵塊體的維護(hù)情況，因?yàn)檫@種條件下圍巖的失穩(wěn)大多起因于關(guān)鍵塊體的失穩(wěn)。對(duì)此可將錨桿沿與弱面相交的方向布置，并借助錨桿的抗拉、抗剪、抗彎等作用防止圍巖發(fā)生滑動(dòng)甚至脫離巖層而冒落，從而保持巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。三、綜合錨桿的各種作用或基于特殊條件而提出的最大水平應(yīng)力理論、圍巖松動(dòng)圈理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論、錨桿桁架支護(hù)理論、錨固平衡拱支護(hù)理論、錨注支護(hù)理論。最大水平應(yīng)力理論巷道圍巖的水平應(yīng)力有時(shí)會(huì)大于垂直應(yīng)力，此時(shí)，巷道頂、底板的穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響；水平應(yīng)力具有明顯的方向性，巷道軸向與最大水平應(yīng)力之間的夾角不同，水平應(yīng)力對(duì)頂、底板穩(wěn)定性的影響程度也會(huì)有所差異：①與最大水平應(yīng)力方向平行的巷道受其影響最小，頂、底板穩(wěn)定性最好；②與最大水平應(yīng)力方向成銳角的巷道的頂、底板變形破壞偏向巷道的某一幫； ③與最大水平應(yīng)力方向垂直的巷道受其影響最大，頂、底板穩(wěn)定性最差?；谠摾碚摚?guó)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在深部開(kāi)采的高應(yīng)力環(huán)境下，最大水平應(yīng)力的作用使頂、底板巖層發(fā)生剪切破壞而出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)和膨脹，造成圍巖變形，隨著變形的發(fā)展，頂板對(duì)支護(hù)的載荷迅速增長(zhǎng)，并使支護(hù)系統(tǒng)發(fā)生破壞。在這種作用下，錨桿的作用應(yīng)當(dāng)是在頂板變形的早期階段提高其穩(wěn)定性，以控制頂板后期變形的嚴(yán)重程度。即錨桿的加固應(yīng)在頂板巖層發(fā)生松動(dòng)膨脹變形之前進(jìn)行，而不是等頂板已經(jīng)松動(dòng)破壞、幾乎喪失自承能力后才被動(dòng)地承受圍巖壓力。同時(shí)，應(yīng)充分重視垂直應(yīng)力對(duì)兩幫的影響：頂板錨固后，兩幫垂直應(yīng)力集中區(qū)更靠近巷幫表面，控制兩幫破壞，防止頂板有效跨度超過(guò)頂板錨桿的有效支護(hù)范圍，對(duì)圍巖穩(wěn)定極為重要。圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論 基于巷道圍巖狀態(tài)特征的研究，董方庭教授等提出了松動(dòng)圈支護(hù)理淪，并提出了關(guān)于錨桿作用機(jī)理的動(dòng)態(tài)解釋。認(rèn)為在矩形巷道圍巖中，錨桿除了可以發(fā)揮懸吊作用以外，形成組合拱是其主要的支護(hù)作用，即破裂頂板在錨桿錨固力作用下可以形成具有一定強(qiáng)度和厚度的錨固層，隨著頂板的下沉變形，錨固層將達(dá)到新的平衡狀態(tài)，形成壓力拱或稱之為裂隙體梁式的平衡結(jié)構(gòu)。圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論通過(guò)對(duì)處于不同物性狀態(tài)巖體加錨前后的力學(xué)性質(zhì)的研究，侯朝炯教授等提出了巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。巷道錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)是錨桿和錨固區(qū)域巖體相互作用，并形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)；錨桿支護(hù)可以提高錨固體強(qiáng)度破壞前、后的力學(xué)參數(shù)，改善錨固體的力學(xué)性能；錨桿作用可以提高圍巖各狀態(tài)下的強(qiáng)度值，使巷道圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化。通過(guò)對(duì)巷道底臌機(jī)理的深入研究，侯朝炯教授提出了加固巷道幫、角控制底臌的理論及方法，為巷道底臌的防治提供了一條有效、實(shí)用的途徑。錨桿桁架支護(hù)理論 出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，人們通過(guò)對(duì)其支護(hù)機(jī)理的研究認(rèn)為桁架錨桿的作用原理屬于擠壓加固一類，錨桿桁架對(duì)巷道圍巖的加固作用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：①改變巷道頂板的應(yīng)力狀態(tài)。即隨著錨桿桁架預(yù)緊力的增加，頂板中部的拉應(yīng)力將減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力，使頂板不受拉應(yīng)力，從而彌補(bǔ)巖體抗拉強(qiáng)度較小的弱點(diǎn)； ②促進(jìn)頂板裂隙體梁的形成。當(dāng)巷道開(kāi)挖在層狀巖體中時(shí)，頂板的破壞和變形可以用“巖梁”理論來(lái)分析，它的穩(wěn)定性取決于裂隙體梁的成拱作用； ③提高頂板裂隙體梁拱座處的抗滑動(dòng)性能。根據(jù)靜力平衡原理，當(dāng)巖梁拱座處的抗剪切能力過(guò)低時(shí)，頂板將發(fā)生整體剪切滑動(dòng)。桁架預(yù)緊力引起的主動(dòng)作用將與拱座處的水平推力疊加，增大了該危險(xiǎn)部位巖石或不連續(xù)面的摩擦阻力，從而提高頂板裂隙體梁在拱座處的剪切強(qiáng)度。錨固平衡拱支護(hù)理論根據(jù)困難條件下錨桿支護(hù)成拱的重要作用，煤炭科學(xué)院北京開(kāi)采研究所的林崇德高工提出了錨固平衡拱支護(hù)理論。其主要內(nèi)容包括：①煤巷軟弱頂板巖層在礦山壓力作用下經(jīng)歷壓縮變形的過(guò)程；②錨固巖層沒(méi)有整體達(dá)到塑性破壞之前，頂板巖層仍可視為巖梁；③錨固巖層整體進(jìn)入破壞階段后，巖層已經(jīng)不是一個(gè)連續(xù)體；④錨固支架是否具有較大的承載能力和變形能力，取決于頂板巖層的力學(xué)性質(zhì)和錨桿的成拱作用大小；⑤錨固支架形成錨固平衡拱的關(guān)鍵是通過(guò)錨桿的作用保持錨固巖層的整體性。錨注支護(hù)理論通過(guò)對(duì)軟巖巷道圍巖控制方法的研究，陸士良教授提出了外錨內(nèi)注式的支護(hù)方法。認(rèn)為軟巖巷道圍巖的破裂范圍及變形量都很大，傳統(tǒng)的剛性支護(hù)難以適應(yīng)，而單純的錨桿支護(hù)或組合錨桿支護(hù)欲使破裂巖體處于擠緊狀態(tài)，從而形成平衡拱也難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的軟巖，采用注漿的方法可以改變其松散結(jié)構(gòu)，提高粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，提高圍巖的整體性和強(qiáng)度系數(shù)，從而形成一個(gè)注漿加固圈，為錨桿提供可靠的著力基礎(chǔ)，使其能夠充分發(fā)揮懸吊、組合等基本功能，對(duì)注漿加固圈以下的松碎巖石起到支護(hù)的作用。這種支護(hù)方式的提出極大地拓寬了錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用范圍。第三節(jié)錨桿支護(hù)機(jī)理要點(diǎn)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)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、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，減小錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度的降低，使圍巖成為承載的主體。在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，同時(shí)改變圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。錨桿支護(hù)對(duì)巖石的彈性變形、峰值強(qiáng)度之前的塑性變形控制作用不明顯，要求支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有一定的延伸性，使圍巖的彈性變形、產(chǎn)生明顯擴(kuò)容變形之前的塑性變形得以釋放。錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度十分重要，錨桿預(yù)緊力及其擴(kuò)散起著決定性作用。根據(jù)巷道條件確定合理的預(yù)緊力，并使預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。單根錨索預(yù)緊力的作用范圍是很有限的，必須通過(guò)托板、剛度和金屬網(wǎng)等構(gòu)件將錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。特別是對(duì)于巷道表面，即使施加很小的支護(hù)力，也會(huì)明顯抑制圍巖的變形與破壞，保持頂板的完整。護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮極其重要的作用。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)剛度，即使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)所需要支護(hù)系統(tǒng)提供的剛度。支護(hù)系統(tǒng)剛度小于臨界支護(hù)剛度，圍巖將長(zhǎng)期處于變形和不穩(wěn)定狀態(tài)；相反，支護(hù)系統(tǒng)的剛度達(dá)到或超過(guò)臨界支護(hù)剛度，圍巖變形得到有效抑制，巷道處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。支護(hù)剛度的關(guān)鍵影響因素是錨桿錨桿預(yù)緊力，因此存在錨桿臨界預(yù)緊力值。當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到一定數(shù)值后，可以有效控制圍巖變形和離層，而且錨桿受力變化不大。錨索的作用主要有兩方面：其一是將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)深部圍巖的承載能力，使更大范圍內(nèi)的巖體共同承載；其二是錨索施加較大的預(yù)緊力，給圍巖提供壓力，使錨桿形成才壓力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主動(dòng)支護(hù)圍巖，保持其完整性。