1、第四講 錨桿支護理論本講主要介紹錨桿常用支護理論（包括一些近年來比較流行和活躍的理論）、錨桿支護設計方法和國外錨桿支護主要經驗，以及巷道容易冒頂的十種情況和五種應對措施。錨桿支護的作用機理尚在探討之中。目前己提出的觀點較多，其中影響較大的有懸吊作用、組合梁(拱)作用、組合拱、減跨理論、加固(提高C、值)作用等幾種。這幾種觀點都是以圍巖狀態和利用錨桿桿體受拉(力)為前提來解釋錨桿支護作用機理的，因此，圍巖狀態及錨桿受拉力這兩個前提的客觀性是判定上述理論正確性的標準。一、錨桿支護理論支護：就是指為了地下巷道掘進、硐室開挖后的穩定及施工安全，而采取的支持、加強或改善圍巖應力狀態而打設的構件或采取的措

2、施的總稱。支護包括兩個方面，一是支，就是頂住頂板，防止頂板出現大量的下沉，使頂板下沉控制在可控、安全的狀態，二是護，就是保持頂板的完整性，防止出現漏矸、漏頂、巷道掉渣等現象。支和護是一個有機統一的整體，它們共同組成了支護系統。（一）錨桿支護理論綜述1、懸吊理論1）機理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在穩定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。圖4-1 錨桿懸吊作用原理示意圖2）缺點：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。3）適用條件：在錨桿的長度范圍內有一層堅硬而穩定的巖層，錨桿可以錨固到頂板堅硬穩定巖層。圖4-2 a拱形巷道的錨桿懸吊作用 b

3、軟弱巖層的錨桿懸吊作用2、組合梁理論1）機理：將錨固范圍內的巖層擠緊，增加巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象，提高其自撐能力。將幾層薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內的最大彎曲應變和應力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。在于通過錨桿的預拉應力將原視為疊合梁(板)的巖層擠緊，增大巖層間的摩擦力；同時，錨桿本身也提供一定的抗剪能力，阻止其層間錯動。錨桿把數層薄的巖層組合成類似鉚釘加固的組合梁，這時被錨固的巖層便可看成組合梁，全部錨固層能保持同步變形，頂板巖層抗彎剛度得以大大提高。決定組合梁穩定性的主要因素是錨桿的預拉應力及桿體強度

4、和巖層的性質。2）缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩作用分開；在頂板較破碎、連續性受到破壞時，難以形成組合梁。這一觀點有一定的影響，但是其工程實例比較少，也沒有進一步的資料供錨桿支護設計應用，尤其是組合梁的承載能力難以計算，而且組合梁在形成和承載過程中，錨桿的作用難以確定。另外，巖層沿巷道縱向有裂縫時粱的連續性問題、梁的抗彎強度等問題也難以解決。3）適用條件：層狀地層，如圖4-3中2所示；頂板在相當距離內（錨桿長度范圍內）不存在穩定巖層，懸吊作用處于次要地位。圖4-3錨桿的組合梁作用 a未打錨桿（疊合梁） b布置錨桿（組合梁）3、組合拱理論 1）機理：在破碎區安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形

5、分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。2）缺點：一般不能作為準確的定量設計。3）適用條件：頂板無穩定巖層。圖4-4 a錨桿的組合拱作用原理示意圖b錨桿的減跨作用示意圖4、減跨理論1）機理：把不穩定的頂板巖層看成是支撐在兩幫的疊合梁(板)，由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點安設了錨桿就相當于在該處打了點柱，增加了支點，減少了頂板的跨度(如圖)，從而降低了頂板巖層

6、的彎曲應力和撓度，維持了頂板與巖石的穩定性，使巖石不易變形和破壞。2）使用條件：同懸吊理論，其實質就是錨桿的“減跨”作用，它實際上來源于錨桿的懸吊作用。3）缺點：它也未能提供用于錨桿支護參數設計的方法和參數。5、圍巖松動圈巷道支護理論圍巖松動圈巷道支護理論是在對圍巖狀態進行深入研究后提出的，通過研究，發現松動圈的存在是巷道圍巖的固有特性，它的范圍大小(厚度值)目前可以用聲波儀或者多點位移計等手段進行測定。松動圈理論認為：巷道支護的主要對象是圍巖松動圈產生、發展過程中產生的碎脹變形力，錨桿受拉力的來源在于松動圈的發生、發展，并根據圍巖松動圈厚度值大小的不同將其分為小、中、大三類，松動圈的類別不同

7、，則錨桿支護機理也就不同。本理論認為，巷道支護的對象除松動圈圍巖自重和巷道深部圍巖的部分彈塑性變形力外，還有松動圍圍巖的變形力。后者，往往占據主導地位。簡而言之，巷道支護的對象主要是圍巖松動圈在形成過程中的巖石碎脹力。在現有支護條件下，試圖用支護手段阻止圍巖松動破壞是不可能的。松動圈理論認為，支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。支護對破碎圍巖的維護作用：松動圈發展變形過程中維持破碎巖塊相互嚙合不垮落，通過提供支護阻力限制破裂縫隙過度擴張，從而減少巷道的收斂變形。1）小松動圈（<40cm） 圍巖的變形壓力可以忽略不計，巷道支護載荷只是松動圈內圍巖的自重，其數值小于0

8、.1MPa，只用單一噴混凝土支護即可達到支護的目的。2）中松動圈（40cm150cm） 圍巖碎脹變形比較明顯，變形量較大，使剛性的噴射混凝土支護產生裂縫或破壞，必須采用以錨桿為主體構件的錨噴支護方式，以錨桿為主體支護結構控制其碎脹變形，噴層將只作為錨桿間活石的支護和防止圍巖風化。 由于圍巖松動圈厚度小于常用錨桿長度，因此可采用錨桿懸吊作用機理來設計支護參數。3）大松動圈（>150cm） 圍巖表現出軟巖的工程特征，圍巖松動圈碎脹變形量大，初期圍巖收斂變形速度快，變形持續時間長，礦壓顯現大，支護難度大。支護不成功時，巷道底板出現底鼓。在這種條件下，如果用懸吊理論設計錨桿支護參數，常因設計錨桿

9、過長、過粗而失去其普遍應用的價值。在單根錨桿作用下每根錨桿因受拉應力而對圍巖產生擠壓，在錨桿兩端周圍形成一個兩端圓錐形的受壓區，合理的錨桿群可使單根錨桿形成的壓縮區彼此聯系起來，形成一個厚度為b的均勻壓縮帶。對于拱形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成拱形；對于矩形巷道，壓縮帶將在圍巖破裂處形成矩形結構，統稱之為組合拱作用機理。表4-1 松動圈分類表6、錨桿支護的“關健承載圈”及“擴容穩定”理論由煤炭科學研究總院開采所康紅普博士提出，該理論認為：巷道圍巖的變形和破壞狀態在掘進、穩定、回采等不同階段是不同的，具有顯著差別。因此主張根據圍巖的狀態特點分別按“關鍵承載圈理論”和“擴容-穩定理論”分析闡述錨

10、桿支護的作用機理。1）“關鍵承載圈”是指在巷道周圍圍巖一定深度的范圍內，存在一個能承受較大切向應力的“巖石圈”，該巖石圈處于應力平衡狀態，具有結構上的穩定性，可以用來懸吊承載圈以內的巖層。關鍵承載圈理論認為，承載圈以內的巖石重量是支護的對象即荷載高度。理論分析及工程實踐表明：承載圈厚度越大，圈內應力分布越均勻，承載能力越大；在對圍巖未采取人工支護等控制措施時，承載圈離巷道周邊越近，荷載高度越低，巷道越易維護。關鍵承載圈的位置及厚度，可以根據對圍巖狀態的分析計算得出。“關鍵承載圈理論”認為，當載荷高度不大，通常錨桿長度能夠伸入到關鍵承載圈中時，用“關鍵承載圈觀點”闡述錨桿支護機理。其主要觀點是：

11、(1)關鍵承載圈以內的巖石重量是支護的對象，荷載高度是關鍵承載圈以下的不穩定巖層的高度。(2)錨桿的支護作用主要是：將破壞區巖層與關鍵承載圈相連，阻止破碎巖層垮落；對圍巖提供徑向、切向約束力，阻止破壞區巖層的擴容、離層、滑動，提高破碎區的承載能力，如圖4-5所示。圖4-5 錨桿支護的關鍵承載圈理論示意圖2）擴容穩定理論巷道經受采動影響之后，圍巖的破壞范圍會逐漸擴大，當通常錨桿的長度不能伸入到關鍵承載圈時，依據“擴容穩定理論”闡述錨桿支護的作用，主要觀點： (1)錨桿要控制圍巖的擴容變形，阻止深部破碎巖層的進一步擴容相離層。 (2)在破壞區內形成“次生關鍵承載層”，使圍巖深部關鍵承載圈內的應力分

12、布趨于均勻和內移，提高關鍵承載圈的承載能力。 (3)錨桿對煤幫的控制效果尤為明顯，由于煤層強度較低且受到采動影響程度較為嚴重，所以回采巷道兩幫支護顯得尤為重要，安裝錨桿后，對煤幫的擴容、松動和擠出均有控制作用，加鋼帶后效果會更好。 “擴容一穩定理論”的核心思想就是控制圍巖的擴容變形，形成次生關鍵承載層，提高承載圈的承載能力使圍巖趨于穩定。次生關鍵承載層厚度的影響因素很多，當其厚度較薄且遠小于巷道尺寸時，在水平應力的作用下，次生關鍵層很容易發生“壓曲失穩、彎曲失穩”破壞，造成巷道支護失敗。因此，合理確定次生關鍵承載層的厚度至關重要，錨桿的存在，減小了巖層壓曲或者彎曲失穩的可能性，錨桿預緊力越大，

13、支護效果越好。（二）錨桿（索）支護作用機理分析1、錨桿支護主要作用在于控制錨固區圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現，最大限度地保持錨固區圍巖的完整性，提高錨固區圍巖的整體性和穩固性。2、在錨固區內形成剛度較大的次生承載結構，阻止錨固區外巖層離層，改善圍巖深部的應力狀態。3、錨桿支護系統的剛度十分重要，特別是錨桿預應力起著決定性作用。根據巷道圍巖條件確定合理的錨桿預應力是支護設計的關鍵。較高的預應力要求錨桿具有較高的強度。4、錨桿預應力的擴散對支護效果同樣重要。單根錨桿預應力的作用范圍有限，必須通過托板、鋼帶和金

14、屬網等構件，將預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中。鋼帶、金屬網等護表構件在預應力支護系統中發揮重要的作用。5、錨索的作用主要有兩個方面：一是將錨桿形成的次生承載結構與深部圍巖相連，提高次生承載結構的穩定性。二是錨索施加較大的預緊力，擠緊和壓密巖石中的層理、節理裂隙等不連續面，增加不連續面之間的抗剪力，從而提高圍巖的整體強度。二、錨桿的三徑匹配1、鉆孔直徑比錨桿直徑大610mm。2、鉆孔直徑比樹脂藥卷大6mm左右。3、一般鉆孔直徑29mm，錨桿直徑20、22mm，樹脂藥卷直徑23mm。圖4-6 錨固力與鉆孔直徑、錨桿直徑的關系三、錨桿支護設計錨桿支護設計可歸納為三大類，分別是工程類比法、理論計算法、

15、以計算機數值模擬為基礎的動態系統設計方法。我們今天主要講理論計算法,其他方法簡單介紹一些。（一）工程類比法：是一種實用的方法，在我國錨桿支護設計中占主導地位。這種方法是在已有的大量、成功實踐的基礎上，根據巷道的生產地質條件確定支護參數。 主要有以回采巷道圍巖穩定性分類為基礎的工程類比法；巷道圍巖松動圈分類為基礎的工程類比法。采用我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道穩定性分類方案，將巷道分為5類。制訂相應的煤巷錨桿支護技術規范。 （二）動態系統設計方法：首先進行地質力學評估（含地應力測試），將地質力學參數、錨桿參數等輸入計算機數值模擬軟件，以圍巖強度強化理論為依據，按控制圍巖變形效果和經濟合理的原則選擇

16、最優方案，組織施工，并對巷道圍巖穩定狀況和錨桿載荷監測，根據監測反饋信息確定是否調整錨桿支護參數，經反復實踐，在動態中修改完善設計。（三）理論計算方法（k的取值）1、按加固拱原理確定錨桿參數：1）頂錨桿(1)錨桿長度：= N（1.1+B/10）=1.0×(1.1+4.2/10)=1.52m；根據我礦支護經驗，錨桿長度取=2.0-2.2m。式中：L錨桿長度；N圍巖穩定影響系數，取1.0m；B巷道跨度。(2)錨桿直徑：=L/110=（2.0-2.2）/110=0.018-0.02m，取D=18-20mm。(3)錨桿間距：d0.5L=0.5×2.2=1.1m，取間排距為900&#

17、215;1000mm。(4)錨桿型號：選用（18-20）×（2000-2200）mm的左旋無縱筋錨桿，其錨固力100KN/根；配用W鋼帶及4mm的鋼網聯合支護頂板。2）巷幫錨桿：巷幫支護錨桿選用20×2200mm的左旋無縱筋錨桿，并配合14mm的鋼筋梯形梁和4mm的鋼網聯合支護。2、按懸吊理論確定錨桿參數：1）錨桿長度L，L=L1+L2+L3 =50+1200+300=1550mm 設計錨桿長度L=2200mm 式中：L1錨桿外露長度L2軟弱巖層厚度，可根據柱狀圖確定 mmL3錨桿伸入穩定巖層深度 一般不小于300mm2）錨固力N：可按錨桿桿體的屈服載荷計算N=/4(d2屈

18、) = 0.25×3.14×（0.02）2×335×106=105KN式中：屈桿體材料的屈服極限Mpa；d桿體直徑3）錨桿間排距錨桿間距D1/2LD0.5×2200=1100mm錨桿排距L0=Nn/2kra L2=105×103×13/2×3×24×103×2.1×1.2=3.76m設計錨桿間排距為900×1000mm式中：n每排錨桿根數N設計錨固力，KN/根K安全系數，取2-3r 上覆巖層平均容重，取24KN/ m3a1/2巷道掘進寬度 m3、按組合梁原理計算(1

19、) 錨桿長度LL=L1+L2+L3式中：L1錨桿外露長度 mL3錨固端長度 mL2組合梁自撐厚度 mL2=0.612BK1P/1x/2 K1與施工方法有關的安全系數。掘進機掘進2-3；爆破法掘進3-5；巷道受動壓影響5-6P組合梁自重均布載荷 MPa與組合梁層數有關的系數表4-2 組合層數與值關系表組合層數1234 值：10.750.70.65B巷道跨度， m；1最上一層巖層抗拉計算強度，可取試驗強度的0.3-0.4倍，單位為MPa；x原巖水平應力，x=rz MPa，Z巷道埋深，m。(2)錨桿間距以上所選錨桿長度，還需驗算組合梁各層間不發生相對滑動，并保證最下面一層巖層的穩定性。D1.63m1

20、(1/KP)/2 式中：m1最下面一層巖層的厚度 mK安全系數，取8-10P本層自重均布荷載 P=r1m1MPa ；r1最下面一層巖層的容重，KN/m3四、國外錨桿支護主要經驗：1、美國錨桿支護技術的精髓是 “兩高一大” 。高強度（螺紋鋼）；高預拉力（漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯合使用，使得錨桿具有很高的預拉力，錨桿的預拉力可以達到桿體本身強度的50%75%）；大排間距。2、澳大利亞主要推廣全長樹脂錨固錨桿，強調錨桿強度要高。其錨桿設計方法是將地質調研、設計、施工、監測、信息反饋等相互關聯、相互制約的各個部分作為一個系統工程進行考察，使它們形成一個有機的整體，形成了錨桿支護系統的設計方法。3、波蘭

21、主要推廣及時支護技術，在巷道開挖后，及時進行支護，以適應圍巖應力重新分布的要求，及時控制圍巖變形。4、國外錨桿支護的發展現狀，即成功經驗（1）采用高強度、超高強度材料制造錨桿，加工精細，將錨桿作為產品、實現了產業化、商品化，而不是簡單的支護材料，并形成適用于不同條件的系列化產品。（2）形成一整套比較科學的設計方法，以巷道圍巖地質力學評估及井下實測數據為基礎，強調最大水平應力在巷道布置與支護參數設計上的應用。（3）采用可靠的監測手段，大力推廣應用頂板光纖窺視儀、頂板離層指示儀、圍巖深部多點位移計、測力錨桿等監測儀器。（4）堅持科學管理，嚴格質量監測，形成了從理論到實踐的完善的錨桿支護技術體系。（5）有比較可靠的配套機具，采用掘錨一體化聯合掘進機或性能良好的單體錨桿鉆機，滿足施工要求，并能實現快速掘進。五、掘進巷道容易冒頂的十種