【正文】 巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)不同程度地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定的承載能力。 (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。 ? 總之， 懸吊理論僅考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用 ，沒有涉及對(duì)巖體抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的改變 。 組合梁理論 ? 組合梁理論適用于 層狀巖層 。對(duì)于 全長錨固 錨桿，錨桿和錨固劑共同作用，明顯改善了錨桿受力狀況，增加了 控制頂板離層和水平錯(cuò)動(dòng)的能力 ，支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。 ? 組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。 組合梁理論存在的明顯缺陷： (1)組合梁 有效組合厚度很難確定 。 (2)沒有 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。 加固拱（巖梁）理論 試驗(yàn)表明，在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)。 ? 考慮了 錨桿支護(hù)的整體作用 ， 軟巖巷道 得到廣泛應(yīng)用。 (2)加固拱厚度 涉及很多因素， 很難較準(zhǔn)確的估計(jì) 。水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性有較大的影響。 他認(rèn)為 ， 巷道頂?shù)装?變形與穩(wěn)定性主要受 水平應(yīng)力 的影響：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；當(dāng)兩者呈一定夾角時(shí)，巷道一側(cè)會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會(huì)偏向巷道的一幫。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(cuò)動(dòng) ，因此，要求錨桿強(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)。 圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論 ? 巷道開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖強(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 。 ? 圍巖松動(dòng)圈的厚度是圍巖強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的函數(shù) ，它是一個(gè)綜合指標(biāo)。 根據(jù)松動(dòng)圈的大小， 將圍巖分為 3種類型，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)。 ③ 大松動(dòng)圈 (厚度大于 1 500mm)，錨桿的作用是給松動(dòng)圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力，使其恢復(fù)到接近原巖的強(qiáng)度并具有可縮性，采用 加固拱理論 設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)。 圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論 ? 侯朝炯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 。 3 錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件作用 ? 錨桿支護(hù)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(hù)的作用是由這些構(gòu)件共同完成的。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。 （ 1）抗拉作用 錨桿桿體所能承受的拉斷載荷為 bdP ??4 2?（ 2）抗剪作用 錨桿桿體所能承受的拉剪切載荷為 bdQ ??42? 托板的作用 ? 托板是錨桿的重要構(gòu)件，對(duì)錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮影響很大 。 ? 托板對(duì) 全長錨固錨桿 的受力分布有明顯的影響。 無托板時(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。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。國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究與試驗(yàn)，得出 黏結(jié)應(yīng)力分布的公式與曲線 。如果 φ28 mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，則錨固劑可提供 kN的抗拉力。 可見錨固劑提供的抗拉力遠(yuǎn)小于錨桿桿體 。如果 φ28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹脂錨固劑，則錨固劑可提供 的抗剪力。可見 錨固劑可提供一定的抗剪能力 。鋼帶的作用主要表現(xiàn)在以下 3方面： (1)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散作用。 (2)支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。 (3)均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用。 ? 分析鋼帶受力的簡化模型是將兩根錨桿之間的鋼帶段作為一簡支梁 (見圖 )，采用材料力學(xué)的相關(guān)公式計(jì)算鋼帶受力與變形。其實(shí)，網(wǎng)的作用遠(yuǎn)不止這一個(gè)，特別是在高地應(yīng)力、破碎圍巖條件下，網(wǎng)是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。 (2)緊貼巷道表面， 提供一定的支護(hù)力 (已有的研究成果表明，我國現(xiàn)用菱形金屬網(wǎng)，在保證施工質(zhì)量的條件下，可提供 MPa的支護(hù)力 )，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。 (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 。如果沒有金屬網(wǎng)或金屬網(wǎng)失效，圍巖破壞會(huì)從表面發(fā)展到深部，逐漸破碎、松散，失去強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖垮落，錨桿失效。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。 （ 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(hù)設(shè)計(jì)（ 直接類比法 ）；通過巷道 圍巖穩(wěn)定性分類 提出支護(hù)設(shè)計(jì)；采用簡單的 經(jīng)驗(yàn)公式 確定支護(hù)設(shè)計(jì)。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)。 （ 3）數(shù)值計(jì)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(jì)算為基礎(chǔ)的煤巷錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(píng)估為基礎(chǔ)， 結(jié)合數(shù)值模擬 分析進(jìn)行錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和完善。 ? 10余年來，我國在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法方面做了大量工作。 工程類比設(shè)計(jì)方法 1） 根據(jù)已有工程直接提出支護(hù)設(shè)計(jì) — 直接類比法 。因此， 已掘巷道與待掘巷道條件的比較與設(shè)計(jì) 人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是直接工程類比法應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。巷道頂?shù)装鍛?yīng)取一定范圍的巖層 (如 2倍巷道寬度 )進(jìn)行比較 。 力學(xué)性質(zhì) 包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等諸多參數(shù)。 ② 圍巖結(jié)構(gòu)特征： 指煤巖體內(nèi) 節(jié)理、層理、裂隙 等不連續(xù)面的空間分布及力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)包括：法向剛度、切向剛度；黏聚力與內(nèi)摩擦角等。在進(jìn)行工程類比時(shí)，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(diǎn)，以及構(gòu)造對(duì)巷道的影響程度。 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。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，垂直應(yīng)力與巷道埋藏深度有較強(qiáng)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(shí)測 得到地應(yīng)力的大小與方向。 ⑤巷道特征與使用條件。 ⑥ 采動(dòng)影響情況。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。 對(duì)于松軟破碎圍巖巷道，施工工藝及施工設(shè)備等對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有明顯影響，例如掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)優(yōu)于爆破掘進(jìn)，光面爆破優(yōu)于普通爆破。 2）經(jīng)驗(yàn)公式法 ? 錨桿長度的選取 : 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)的簡單公式。 ? 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(yàn)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 ]。 ③ Schach等人提出確定錨桿長度的經(jīng)驗(yàn)公式為 ④ 日本的經(jīng)驗(yàn) 表明，錨桿長度為巷道寬度或高度的 。 ⑤新奧法 對(duì)錨桿長度的選擇也提出一些準(zhǔn)則。 ⑥其他經(jīng)驗(yàn)公式 公式 1： 頂板錨桿長度 L=2+ 兩幫錨桿長度 L=2+— 與圍巖有關(guān)的系數(shù)，取 3~5。 ? 錨桿間排距選取 ① Hoek與 Brown等提出，最大錨桿間距 =min[錨桿長度之半，1． 5倍不連續(xù)間距確定的不穩(wěn)定巖塊寬度 ]。 ③ Schach等從拱形巷道頂部能夠形成有效的壓力拱出發(fā)，認(rèn)為錨桿長度與錨桿間距的比值應(yīng)接近 2。 ? 經(jīng)驗(yàn)公式最大的特點(diǎn)是使用簡單、方便， 但存在兩方面的弊端： ? 一是 經(jīng)驗(yàn)公式只能提供錨桿支護(hù)的 主要參數(shù) (錨桿長度、間排距等 )，而其他參數(shù)，如錨桿桿體結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力、錨固長度、托板結(jié)構(gòu)與尺寸、組合構(gòu)件形式與尺寸等，很難在經(jīng)驗(yàn)公式中全面反映，這些參數(shù)卻在錨桿支護(hù)中同樣起著十分重要的作用； ? 二是 經(jīng)驗(yàn)公式中考慮影響錨桿支護(hù)效果的 因素很少 ，如上述的經(jīng)驗(yàn)公式中，只考慮了巷道寬度、高度，巖石軟硬程度，結(jié)構(gòu)面分布，而影響巷道圍巖變形與破壞的因素還有很多。 3）以圍巖穩(wěn)定性分類為基礎(chǔ)的支護(hù)設(shè)計(jì) ①圍巖穩(wěn)定性分類方法 ? 直接工程類比法與支護(hù)設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大，是決定支護(hù)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。為了將特定巖體條件下的設(shè)計(jì)與個(gè)別工程相應(yīng)條件下的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來進(jìn)行工程類比，作出比較合理的設(shè)計(jì)方案， 進(jìn)行圍巖分類是非常必要的。 ? 國外比較典型的巖石分類法有 普氏堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)法、巖心質(zhì)量指標(biāo) RQD分級(jí)法 (Deere， 1967)、以巖體中彈性波傳播速度為指標(biāo)的分類方法 (池田和彥， 1973)，以及巖體質(zhì)量 Q分級(jí)法(Barton， 1974)和 RMR巖體分級(jí)法 (Bieniawski， 1979)等，有些分類方法提出了相應(yīng)的錨桿支護(hù)建議。如制訂了《 工程 巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 》 (GBJ86— 1985) ，根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)對(duì)巖體進(jìn)行基本質(zhì)量分級(jí)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)及地下水等 修正 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)； ? 將圍巖變形量 這個(gè)眾多影響因素作用的綜合指標(biāo)作為分類的基礎(chǔ)，提出以圍巖變形量大小為指標(biāo)的分類方法 ； ? 圍巖松動(dòng)圈是與圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及巷道斷面形狀和尺寸等多種因素有關(guān)的綜合指標(biāo)， 提出以圍巖松動(dòng)圈為指標(biāo)的分類方法 ； ? 采用 模糊聚類分析方法 ，用模糊綜合評(píng)判預(yù)測巷道圍巖穩(wěn)定性類別，預(yù)測巷道圍巖移近量，制訂了 《 我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案 》 。 煤巷圍巖的穩(wěn)定性分為 5個(gè)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 。 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：單體錨桿 端錨 :桿體直徑： 16mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計(jì)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(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 桿體長度： ~ 間排距： ~ 設(shè)計(jì)錨固力： 64~80kN 全長錨固 : 桿體直徑： 18~22mm 桿體長度： ~ 間排距： ~ 巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)選擇 (續(xù)表 ) 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： ~ ③ 巷道圍巖松動(dòng)圈分類及支護(hù)設(shè)計(jì)建議 ? 根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，現(xiàn)場圍巖松動(dòng)圈測試，松動(dòng)圈大小與巷道支護(hù)難易程度的關(guān)系，結(jié)合錨噴支護(hù)機(jī)理，將圍巖分為小松動(dòng)圈穩(wěn)定圍巖 (厚度小于 400mm)、中松動(dòng)圈一般穩(wěn)定圍巖 (厚度在 400～ 1 500 mm之間 )及大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖 (厚度大于 1 500mm)三大類，然后提出圍巖分類及相應(yīng)的支護(hù)機(jī)理與方法，見表。 錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)方法 1）懸吊理論分析設(shè)計(jì)法 ? 懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中，阻止軟弱破碎巖層垮落。 ① 錨桿長度： 錨桿長度計(jì)算： L=L1+L2+L3 式中 L — 錨桿長度， m； L1— 錨桿外露長度，取決于錨桿類型與錨固方式，一般取 0． 15m； L2— 錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度， m； L3— 錨桿錨固長度，端部錨固一般取 ～ 。 如果錨桿錨固力與桿體的破斷力相等，則錨桿直徑為： 式中 d— 錨桿直徑， m； σ 1— 桿體材料的抗拉強(qiáng)度， MPa。在上覆巖層壓力作用下，淺部圍巖發(fā)生破壞，而在深部一定范圍內(nèi) 形成自然平衡拱 。 錨桿所需要的承載能力由破壞巖石的重量確定 ，而且與巷道斷面形狀、尺寸、埋藏深度、采動(dòng)影響程度、巖層傾角、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。 ? 圍巖破壞范圍 圖示是根