【正文】 困難條件下的錨桿 錨索支護(hù)技術(shù)得到了應(yīng)用，并取得了令人滿意的支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。 ? 錨桿支護(hù)應(yīng)用初期，由于支護(hù)強(qiáng)度與剛度低，缺乏科學(xué)的支護(hù)理論和設(shè)計(jì)方法，支護(hù)材料、施工機(jī)具技術(shù)性能和配套性差，監(jiān)測儀器不完善，因而支護(hù)質(zhì)量不能保證，出現(xiàn)了多起冒頂死亡事故。為了解決這些巷道支護(hù)難題，在引進(jìn)、消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過集中攻關(guān)，提出了針對我國煤礦條件的高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論，開發(fā)了強(qiáng)力錨桿、錨索支護(hù)系統(tǒng)，提高了巷道支護(hù)效果與安全性，并有利于巷道快速掘進(jìn)，使煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展到一個新的水平。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 我國煤礦錨桿支護(hù)的主要新成果 （ 1）深化了對錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識 ?傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論有懸吊、組合梁、加固拱等理論。 ② 在錨固區(qū)形成 剛度 較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層離層，改善圍巖深部的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)巷道圍巖條件確定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 ④ 錨桿 預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散 對支護(hù)效果同樣重要。 鋼帶、金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。高預(yù)應(yīng)力要求錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的 30%~50%；強(qiáng)力錨桿要求桿體有較大的破斷強(qiáng)度。 ⑦ 錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。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。包括左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級別；樹脂錨固劑及生產(chǎn)設(shè)備； 高強(qiáng)度 W型、 M型鋼帶；小孔徑 樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索系列等。 （ 5） 研制出了適合工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì) 軟件 如北京開采所、太原理工大學(xué)、安徽理工大學(xué)等單位科研人員，均研制出了適合現(xiàn)場工程技術(shù)人員使用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、咨詢系統(tǒng)、繪圖系統(tǒng)等，顯著提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性與速度，大大減輕了工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量。 （ 7） 研制出了錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測與礦壓 監(jiān)測成套儀器 。 （ 8） 將 錨固與注漿加固技術(shù)有機(jī)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。 （ 10） 有些礦區(qū)針對具體條件，制定了本礦區(qū)的 錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，煤炭行業(yè)錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范也已發(fā)布。 1 錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展 2 錨桿支護(hù)理論 ? 為了弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，人們一直把錨桿支護(hù)作用機(jī)理作為一個重點(diǎn)，進(jìn)行了廣泛、深入的研究。這些支護(hù)理論在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極作用。 ? 近年來，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，對錨桿支護(hù)理論的研究也有了較大進(jìn)展。這些認(rèn)識對提高錨桿支護(hù)效果，特別是困難條件下巷道支護(hù)提供了有效的理論指導(dǎo)。 ? 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)。 ? 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(hù)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(jìn)一步發(fā)展。 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。 (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(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， 錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。 (5) 只適用于巷道頂板，不適用于巷道兩幫和底板。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 。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。 ? 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。 ? 組合梁理論充分考慮了錨桿對 離層及滑動 的約束作用。它涉及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒有一種方法比較可靠地估計(jì)有效組合厚度。其實(shí)，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂?shù)装迤茐?、失穩(wěn)的主要原因。 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，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力。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(qiáng)度 得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。 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。 (2)加固拱厚度 涉及很多因素， 很難較準(zhǔn)確的估計(jì) 。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(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。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(qiáng)度大、剛度大、抗剪能力強(qiáng)，才能起到上述兩方面的約束作用。 2 錨桿支護(hù)理論 圍巖松動圈支護(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?，F(xiàn)有支護(hù)無法有效阻止圍巖松動圈的產(chǎn)生與發(fā)展。圍巖松動圈越大，碎脹變形越大，圍巖變形量越大，巷道支護(hù)也越困難。 ② 中松動圈 (厚度在 400～ 1 500mm之間 )，支護(hù)比較容易，采用懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)，懸吊點(diǎn)在松動圈之外?？梢姡蓜尤χёo(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。該理論的要點(diǎn)為： ①錨桿支護(hù)的實(shí)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(hù)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(qiáng)度、峰后強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均能得到強(qiáng)化； ③錨桿支護(hù)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(hù)狀況； ④圍巖錨固體強(qiáng)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。 ? 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。 3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 ? 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。 3 錨桿支護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)作用的發(fā)揮影響很大 。 ? 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。 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(hù)作用。 3 錨桿支護(hù)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。 無托板時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，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，更接近巷道表面。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。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。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。當(dāng) τ(0)[τ]（ [τ]為黏結(jié)強(qiáng)度），錨固劑不會發(fā)生破壞。當(dāng) 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(diǎn)也逐漸向深部移動。 （ 2）錨固劑的抗拉與抗剪作用 ? 我國樹脂錨固劑的抗拉強(qiáng)度一般為 MPa。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。 ? 樹脂錨固劑的抗剪強(qiáng)度一般可取 35MPa。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％。 E/8Kdxce)x( ??3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 鋼帶（鋼筋梯子梁）的作用 ? 鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對提高錨桿支護(hù)整體支護(hù)效果、保持圍巖的完整性起著關(guān)鍵作用。 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。 鋼帶對巷道表面提供支護(hù)，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。 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。假設(shè)鋼帶受到均布載荷 q的作用，則 3 錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 網(wǎng)的作用 ? 一般認(rèn)為，網(wǎng)可以用來維護(hù)錨桿間的圍巖，防止松動小巖塊掉落。 ? 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。m2)，一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。 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，就會造成兩個極端：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)。 4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 支護(hù)設(shè)計(jì)方法分類 （ 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。這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在多個礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性、合理性和科學(xué)性得到顯著提高。 這種方法是將已開掘的、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)。 ? 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)。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。 其中 ，煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度是最常用的力學(xué)指標(biāo)。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。結(jié)構(gòu)面對裂隙巖體的強(qiáng)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。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)。在進(jìn)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(diǎn)，以及構(gòu)造對巷道的影響程度。 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