煤礦錨桿(索)支護理論

1、煤礦煤礦錨桿（索）支護錨桿（索）支護理論理論1錨桿支護構(gòu)件的作用錨桿支護構(gòu)件的作用234CONTENT錨桿支護的加固作用錨桿支護的加固作用現(xiàn)有錨桿支護理論現(xiàn)有錨桿支護理論錨桿支護作用機理錨桿支護作用機理錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨桿桿體的作用如圖所示，錨桿桿體提供兩方面的作用如圖所示，錨桿桿體提供兩方面的作用（抗拉作用和抗剪作用抗拉作用和抗剪作用）圖圖1 1 錨桿桿體的作用（以樹脂錨桿為例）錨桿桿體的作用（以樹脂錨桿為例）錨桿支護構(gòu)件的作用1錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨桿桿體的作用抗拉作用錨桿桿體所能承受的錨桿桿體所能承受的拉斷載荷：拉斷載荷：bdP42式中 P-錨桿拉斷載荷，N； d-錨桿直徑，

2、mm；b-錨桿鋼材抗拉強度，MPa?？辜糇饔缅^桿桿體所能承受的錨桿桿體所能承受的剪切載荷：剪切載荷：bd4Q2式中 Q-錨桿剪斷載荷，N； b-錨桿鋼材剪切強度，MPa。錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨桿桿體的作用牌號屈服強度/MPa抗拉強度/MPa拉斷荷載/kN16mm18mm20mm22mm25mmQ23524038076.496.7119.4144.5186.5BHRB33533549098.5124.7153.9186.3240.5BHRB400400570114.6145.0179.1216.7279.8BHRB500500670134.7170.5210.5254.7328.9BHRB6

3、00600800160.8203.6251.3304.1392.7表表1 1 常用錨桿鋼材的抗拉強度常用錨桿鋼材的抗拉強度牌號剪切強度/MPa剪斷荷載/kN16mm18mm20mm22mm25mmQ23526653.567.783.6101.1130.6BHRB33534369.087.7107.8130.4168.4BHRB40039980.2101.5125.3151.7195.9BHRB50046994.3119.3147.3178.3230.2BHRB600560112.6142.5175.9212.9274.9表表2 2 常用錨桿鋼筋的剪切強度常用錨桿鋼筋的剪切強度錨桿支護構(gòu)件的作用

4、1u 錨桿托板的作用通過給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿通過給螺母施加一定的扭矩使托板壓緊巷道表面，給錨桿提供預緊力，并使預緊力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，從提供預緊力，并使預緊力擴散到錨桿周圍的煤巖體中，從而改善圍巖應力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動和節(jié)理而改善圍巖應力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動和節(jié)理裂隙的張開，實現(xiàn)錨桿的主動、及時支護作用。裂隙的張開，實現(xiàn)錨桿的主動、及時支護作用。 圍巖變形使載荷作用于托板上，通過托板將載荷傳遞到錨圍巖變形使載荷作用于托板上，通過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)揮錨桿控制圍巖變桿桿體，增大錨桿的工作阻力，充分發(fā)揮錨桿控制

5、圍巖變形的作用。形的作用。注：注：托板力學性能應與錨桿桿體的性能相匹配，才能充分發(fā)揮錨托板力學性能應與錨桿桿體的性能相匹配，才能充分發(fā)揮錨桿的支護作用。桿的支護作用。錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨桿托板的作用無托板時錨桿軸力在巷道表無托板時錨桿軸力在巷道表面處為面處為0 0，在一定深度達到，在一定深度達到最大值，剪力在軸力最大處最大值，剪力在軸力最大處為為0 0；有托板時，由于錨桿；有托板時，由于錨桿施加的預緊力和圍巖通過托施加的預緊力和圍巖通過托板作用在錨桿桿體上的力，板作用在錨桿桿體上的力，使得錨桿軸力在巷道表面處使得錨桿軸力在巷道表面處達到一定值，而且使錨桿軸達到一定值，而且使錨桿軸力最大的

6、位置向孔口移動，力最大的位置向孔口移動，更接近巷道表面。更接近巷道表面。軸向力軸向力剪應力剪應力（a a）無托板）無托板（b b）有托板）有托板圖圖2 2 托板對全長錨固錨桿受力分布的影響托板對全長錨固錨桿受力分布的影響錨桿長度錨桿長度軸向力軸向力剪應力剪應力錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨固劑的作用黏結(jié)作用黏結(jié)作用假定錨固劑與桿體、錨固劑與鉆孔孔壁假定錨固劑與桿體、錨固劑與鉆孔孔壁之間的黏結(jié)應力沿錨固長度內(nèi)均勻分布。之間的黏結(jié)應力沿錨固長度內(nèi)均勻分布。錨桿拉拔力為：錨桿拉拔力為：孔壁之間）（破壞發(fā)生在錨固劑與錨桿之間）（破壞發(fā)生在錨固劑與 lD ld21PP式中 P-錨桿拉拔力，kN； l-錨固長

7、度，m；1-錨固劑與桿體之間的黏結(jié)強度，MPa；2-錨固劑與孔壁之間的黏結(jié)強度，MPa；d-錨桿直徑，mm； D-鉆孔直徑，mm。實際工作情況下黏結(jié)應力的分布實際工作情況下黏結(jié)應力的分布與拉拔試驗時有較大區(qū)別，其影與拉拔試驗時有較大區(qū)別，其影響因素包括錨固劑性能、圍巖性響因素包括錨固劑性能、圍巖性質(zhì)、鉆孔直徑和粗糙度、錨桿直質(zhì)、鉆孔直徑和粗糙度、錨桿直徑與粗糙度、鉆孔與錨桿直徑差徑與粗糙度、鉆孔與錨桿直徑差等。等。錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨固劑的作用黏結(jié)作用黏結(jié)作用考慮實際工作狀態(tài)，桿體錨固段剪考慮實際工作狀態(tài)，桿體錨固段剪應力分布為負指數(shù)曲線：應力分布為負指數(shù)曲線：軸向力在桿體上呈負指數(shù)分布

8、：軸向力在桿體上呈負指數(shù)分布：圖圖3 3 錨固段黏結(jié)應力的分布錨固段黏結(jié)應力的分布圖圖4 4 拉拔力在桿體上的分布拉拔力在桿體上的分布距錨固起始點距離距錨固起始點距離黏結(jié)力黏結(jié)力（x x）距錨固起始點的距離距錨固起始點的距離/mm/mm錨桿軸向力錨桿軸向力/kN/kN錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨固劑的作用黏結(jié)作用黏結(jié)作用考慮實際工作狀態(tài)，桿體錨固段考慮實際工作狀態(tài)，桿體錨固段剪應力分布用下式：剪應力分布用下式：E/K8dx-cex ）（假設錨固劑破壞到錨固長度中點，假設錨固劑破壞到錨固長度中點，拉拔力最大拉拔力最大P Pmaxmax )1 (8/EdP/822maxEKdleK-殘余黏結(jié)應力影響

9、系數(shù)；l-錨固長度，mm。式中 （x）-距錨固起始端x處錨固劑 作用于桿體表面的黏結(jié)應力，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。2121KKKKK錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨固劑的作用抗拉與抗剪作用抗拉與抗剪作用我國樹脂錨固劑的抗拉強度和抗剪強度一般分別可取我國樹脂錨固劑的抗拉強度和抗剪強度一般分別可取11.5MPa11.5MPa，35MPa35MPa。錨固劑可以提供抗拉力和一定的抗剪能力。錨固劑可以提供抗拉力和一定的抗剪能力。端部錨固與全長錨固的區(qū)別端部錨固與全長錨固的

10、區(qū)別圖圖5 5 端錨錨桿與全長錨固錨桿支護作用的區(qū)別端錨錨桿與全長錨固錨桿支護作用的區(qū)別錨桿支護構(gòu)件的作用1u 錨固劑的作用端部錨固與全長錨固的區(qū)別端部錨固與全長錨固的區(qū)別端部錨固端部錨固全長錨固全長錨固錨固劑的作用在于提供黏結(jié)力，錨固劑的作用在于提供黏結(jié)力，使錨桿承受一定的拉力，其除使錨桿承受一定的拉力，其除錨固端外，沿長度均勻分布；錨固端外，沿長度均勻分布；錨桿抗剪能力只有在巖層發(fā)生錨桿抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯動后發(fā)揮。較大錯動后發(fā)揮。錨固劑的作用在于將錨桿與孔壁錨固劑的作用在于將錨桿與孔壁黏結(jié)，使錨桿隨巖層移動承受拉黏結(jié)，使錨桿隨巖層移動承受拉力；當巖層發(fā)生錯動時，與桿體力；當巖層發(fā)

11、生錯動時，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層滑動。共同起抗剪作用，阻止巖層滑動。桿體各部位應力應變相等；在錨桿體各部位應力應變相等；在錨固范圍內(nèi)，任何部位巖層的離層固范圍內(nèi)，任何部位巖層的離層均勻的分散到整個桿體的長度上，均勻的分散到整個桿體的長度上，導致桿體受力對圍巖變形和離層導致桿體受力對圍巖變形和離層不敏感，支護剛度低。不敏感，支護剛度低。全長錨固錨桿應力應變沿錨桿長全長錨固錨桿應力應變沿錨桿長度方向分布極不均勻，桿體對度方向分布極不均勻，桿體對受受力對圍巖變形和離層很敏感，支力對圍巖變形和離層很敏感，支護剛度高。護剛度高。錨桿支護構(gòu)件的作用1u 鋼帶的作用 錨桿預緊力和工作阻力擴散作用錨桿

12、預緊力和工作阻力擴散作用 支護巷道表面和改善圍巖應力狀態(tài)作用支護巷道表面和改善圍巖應力狀態(tài)作用 均衡錨桿受力和提高整體支護作用均衡錨桿受力和提高整體支護作用錨桿支護構(gòu)件的作用1u 鋼帶的作用假設鋼帶受均布荷載假設鋼帶受均布荷載q q，受力與變，受力與變形公式如下：形公式如下：EI384qa5f8qaM42max式中 Mmax-鋼帶中點處最大彎矩，kNm； q-均布載荷，kN/m； a-錨桿間距，m； f-鋼帶撓度，mm； E-鋼帶彈性模量，MPa； I-鋼帶慣性矩，m4分析鋼帶受力的簡化模型是將兩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簡支梁。根錨桿之間的鋼帶段作為簡支梁。圖圖6 6

13、 鋼帶受力簡化模型鋼帶受力簡化模型錨桿支護構(gòu)件的作用1u 網(wǎng)的作用 維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落。塊垮落。 緊貼巷道表面，提供一定的支護力，緊貼巷道表面，提供一定的支護力，一定程度上改善巖層受力；同時，一定程度上改善巖層受力；同時，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統(tǒng)。形成整體支護系統(tǒng)。 既能有效控制巷道淺部圍巖變形與既能有效控制巷道淺部圍巖變形與破壞，又能對深部圍巖有良好的支破壞，又能對深部圍巖有良好的支護作用。護作用。圖圖7 7 金屬網(wǎng)作用示意圖金屬網(wǎng)作用示意圖錨桿支護的加固作用2u 錨桿提供的支護強度錨桿加

14、固作用引起的錨固體變形模量的增加值：錨桿加固作用引起的錨固體變形模量的增加值：21bmaa4EdE2式中 Em-錨固體變形模量的增加值，MPa； Eb -鋼材的彈性模量，MPa； a1、a2-錨桿的間、排距，m。對于變形模量大于對于變形模量大于1000MPa的巖石來說，桿體提高變形模量的效應不明顯的巖石來說，桿體提高變形模量的效應不明顯錨桿支護的加固作用2u 錨桿提供的支護強度錨桿提供的支護強度錨桿提供的支護強度m m：21bmaa4d2下下表表3 3為為錨桿間、排距錨桿間、排距0.8m0.8m0.8m0.8m條件下，不同材質(zhì)、不同直徑桿體的支條件下，不同材質(zhì)、不同直徑桿體的支護強度。護強度。

15、表表3 3 錨桿的支護強度錨桿的支護強度牌號抗拉強度/Mpa支護強度/Mpa16mm18mm20mm22mm25mmQ2353800.120.150.190.230.29BHRB3354900.150.190.240.290.38BHRB4005700.180.230.280.340.44BHRB5006700210.270.330.400.51BHRB6008000.250.320.390.480.61錨桿支護的加固作用2u 錨桿提供的支護強度由摩爾強度理論可知，巖石強度與其所受的圍壓關系如下：由摩爾強度理論可知，巖石強度與其所受的圍壓關系如下：sin-1Ccos2sin-1sin131式中

16、 1-巖石強度，MPa； 3-圍壓，MPa； -巖石內(nèi)摩擦角，（）； c-巖石黏聚力，MPa。圍壓越高，巖石強度越大。對于中等強度巖石（單軸抗壓強度大于圍壓越高，巖石強度越大。對于中等強度巖石（單軸抗壓強度大于30MPa30MPa），），錨桿支護在巖石破壞前后對其強度影響不大；對煤體影響較明顯。錨桿支護在巖石破壞前后對其強度影響不大；對煤體影響較明顯。錨桿支護的加固作用2u 錨桿提供的支護強度如如圖圖8 8所所示，錨桿顯著增加了巖石屈服后的強度，使巖石破示，錨桿顯著增加了巖石屈服后的強度，使巖石破壞變的平緩。壞變的平緩。圖圖8 8 錨固前后巖體強度曲線錨固前后巖體強度曲線錨桿支護的加固作用2u

17、 錨桿對不連續(xù)面的加固作用如如圖圖9 9所所示，假定被平面節(jié)理切割的示，假定被平面節(jié)理切割的2 2塊分離巖塊中，安裝塊分離巖塊中，安裝1 1根根錨桿。當巖塊發(fā)生相對位移時，桿體承受載荷。錨桿。當巖塊發(fā)生相對位移時，桿體承受載荷。圖圖9 9 錨桿加固節(jié)理面模型錨桿加固節(jié)理面模型錨桿支護的加固作用2u 錨桿對不連續(xù)面的加固作用位移位移u u的分量：的分量：ucosuusinutn式中 un-法向位移量，mm； ut-切向位移量，mm； -位移向量與節(jié)理面之間的夾角（）。在桿體與節(jié)理交點，位移引起桿在桿體與節(jié)理交點，位移引起桿體所受力為體所受力為P P。桿體受力分量：桿體受力分量：PsinPPcos

18、PTN式中 PN-桿體軸向分量，kN； PT-桿體切向分量，kN。錨桿支護的加固作用2u 錨桿對不連續(xù)面的加固作用桿體提供的節(jié)理切向抗力：桿體提供的節(jié)理切向抗力：等于節(jié)理的剪脹角）（）（）（大于節(jié)理的剪脹角）（tanPcosPsinFPsinFTT式中 -桿體軸向與節(jié)理法向的夾角（）； -節(jié)理面的內(nèi)摩擦角（）。錨桿支護的加固作用2u 錨桿對不連續(xù)面的加固作用 在非常堅硬巖石中，破壞由節(jié)理、桿體相交處的剪應力和拉應力所致（圖（在非常堅硬巖石中，破壞由節(jié)理、桿體相交處的剪應力和拉應力所致（圖（a)a)）；）； 在較軟巖石中，桿體中有兩個塑性彎折對稱地出現(xiàn)在節(jié)理兩側(cè)。在彎折之間，傾在較軟巖石中，桿體

19、中有兩個塑性彎折對稱地出現(xiàn)在節(jié)理兩側(cè)。在彎折之間，傾斜度增大。破壞主要由拉應力所致（圖（斜度增大。破壞主要由拉應力所致（圖（b)b)）。此時，）。此時，由由+替代。替代。圖圖10 10 錨桿加固節(jié)理面破壞類型錨桿加固節(jié)理面破壞類型錨桿支護的加固作用2u 錨桿對不連續(xù)面的加固作用 經(jīng)理論分析，桿體作用可表示為：經(jīng)理論分析，桿體作用可表示為：btanaPF0T式中 FT-桿體提供的節(jié)理切向抗力，kN； P0-桿體的拉伸屈服力，kN； a、b-取決于、巖石抗壓強度等的系數(shù)。 根據(jù)大量實驗結(jié)果，根據(jù)大量實驗結(jié)果，F(xiàn).PelletF.Pellet得出如下經(jīng)驗公式：得出如下經(jīng)驗公式：）（）（tan15.

20、085. 0sin0011. 055. 1PF14. 0cc0T207. 1本質(zhì)：本質(zhì)：通過錨桿提供的軸向力和切向力，提高不連續(xù)面的抗剪強度，阻通過錨桿提供的軸向力和切向力，提高不連續(xù)面的抗剪強度，阻止不連續(xù)面移動與滑動；通過提高結(jié)構(gòu)面的強度提高節(jié)理巖體的整體強止不連續(xù)面移動與滑動；通過提高結(jié)構(gòu)面的強度提高節(jié)理巖體的整體強度、完整性和穩(wěn)定性。度、完整性和穩(wěn)定性。現(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 懸吊理論錨桿支護的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)錨桿支護的作用是將頂板下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖層中，以增強軟弱巖層的穩(wěn)定性。定的巖層中，以增強軟弱巖層的穩(wěn)定性。圖圖11 11 錨桿支護的懸吊

21、作用錨桿支護的懸吊作用現(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 懸吊理論存在問題存在問題錨桿受力只有當松散巖層或不穩(wěn)定巖層完全與穩(wěn)定巖層脫離錨桿受力只有當松散巖層或不穩(wěn)定巖層完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道并不的情況下等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道并不多見。多見。錨桿安設后，由于巖層變形和離層，會使錨桿受力很大，而錨桿安設后，由于巖層變形和離層，會使錨桿受力很大，而遠非破碎巖層的重量。遠非破碎巖層的重量。未考慮圍巖的自承能力。未考慮圍巖的自承能力。當圍巖松軟，巷道寬度較大時，錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的當圍巖松軟，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

22、上，懸吊理論不適用。巖層或自然平衡拱上，懸吊理論不適用?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 組合梁理論 組合梁理論適用于層狀巖層。對于端部錨固錨桿，其提供的軸向力將對巖層離層產(chǎn)生約束，并且增大了各巖層間的摩擦力，與錨桿桿體提供的抗剪力一同阻止巖層間相對滑動；對于全長錨固錨桿，錨桿和錨固劑共同作用，明顯改善錨桿受力狀況，增加了控制頂板離層和水平錯動的能力，支護效果優(yōu)于端部錨固錨桿。圖圖12 12 錨桿支護的組合梁作用錨桿支護的組合梁作用現(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 組合梁理論組合梁所受最大拉應力與疊組合梁所受最大拉應力與疊合梁所受最大拉應力比值：合梁所受最大拉應力比值：n1hh2i2ilmaxcmax）（，式

23、中 max，c，max，l-組合梁與疊合梁所受的最大拉應力，MPa； hi-各層巖梁厚度，m； n-巖層總數(shù)。組合梁的最大彎曲應變：組合梁的最大彎曲應變：22Et2WBmax式中 W-組合梁自重，MN/m2 ; B-巷道跨度，m； t-組合梁高度，m； E-巖石彈性模量，MPa?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 組合梁理論存在問題存在問題組合梁有效組合厚度很難確定；組合梁有效組合厚度很難確定； 未考慮水平應力對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用；未考慮水平應力對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用； 只適用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對離層及滑動的約束只適用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對離層及滑動的約束

24、作用，沒有涉及錨桿對巖體強度變形模量及應力分布的影響。作用，沒有涉及錨桿對巖體強度變形模量及應力分布的影響?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 加固拱理論即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，只要間距足夠小，各根錨桿裝錨桿，只要間距足夠小，各根錨桿形成的壓應力圓錐體將相互重疊。就形成的壓應力圓錐體將相互重疊。就能產(chǎn)生一個均勻的壓縮帶，可以承受能產(chǎn)生一個均勻的壓縮帶，可以承受上部破碎巖石的載荷。錨桿支護的作上部破碎巖石的載荷。錨桿支護的作用是形成較大厚度較大強度的加固拱。用是形成較大厚度較大強度的加固拱。圖圖13 13 錨桿支護的加固拱作用錨桿支護的加固拱作用現(xiàn)有錨桿支護

25、理論評述3u 加固拱理論存在問題存在問題只是將各錨桿的支護作用簡單相加，得出支護系統(tǒng)的整體承只是將各錨桿的支護作用簡單相加，得出支護系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對固巖體力學特性及影響因素的深入研究。載結(jié)構(gòu)，缺乏對固巖體力學特性及影響因素的深入研究。 加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準確估計。加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準確估計?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 最大水平應力理論 巖層中的水平應力在很多情況下大于垂直應力，而且水平應力巖層中的水平應力在很多情況下大于垂直應力，而且水平應力具有明顯的方向性，最大水平主應力明顯高于最小水平主應力。具有明顯的方向性，最大水平主應力明顯高于最小水平主應力

26、。澳大利亞學者澳大利亞學者W.J.GaleW.J.Gale提出：提出：巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應力的影響。其特點是：應力的影響。其特點是： 當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；有利于頂?shù)装宸€(wěn)定； 當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差；頂?shù)装宸€(wěn)定性最差； 當兩者呈一定夾角時，巷道一側(cè)會出現(xiàn)水平應力集中，頂?shù)装宓漠攦烧叱室欢▕A角時，巷道一側(cè)會出現(xiàn)水平應力集中，頂?shù)装宓?/p>

27、變形與破壞會偏向巷道的某一幫。變形與破壞會偏向巷道的某一幫?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 最大水平應力理論圖圖14 14 水平應力方向?qū)ο锏雷冃闻c破壞的影響水平應力方向?qū)ο锏雷冃闻c破壞的影響現(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 圍巖松動圈支護理論圍巖松動圈：巷道開挖后，當圍巖應力超過圍巖強度時將在圍巖中圍巖松動圈：巷道開挖后，當圍巖應力超過圍巖強度時將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類似圓形或橢圓形。產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類似圓形或橢圓形。根據(jù)圍巖松動圈理論，將錨噴支護機理分為：根據(jù)圍巖松動圈理論，將錨噴支護機理分為：小松動圈（松動圈厚度小于小松動圈（松動圈厚度小于400mm400mm），錨桿支護不明顯，只

28、需進），錨桿支護不明顯，只需進行噴射混凝土支護；行噴射混凝土支護；中松動圈（厚度在中松動圈（厚度在4001500mm4001500mm之間），支護比較容易，采用懸吊之間），支護比較容易，采用懸吊理論設計錨桿參數(shù)，懸吊點在松動圈之外；理論設計錨桿參數(shù)，懸吊點在松動圈之外；大松動圈（厚度大于大松動圈（厚度大于1500mm1500mm），錨桿的作用是給松動圈內(nèi)破裂圍），錨桿的作用是給松動圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力，使其恢復到接近原巖的強度并具有可縮性，采用巖提供約束力，使其恢復到接近原巖的強度并具有可縮性，采用加固拱理論設計錨桿支護參數(shù)。加固拱理論設計錨桿支護參數(shù)?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 圍巖強度強化

29、理論由我國著名礦壓專家由我國著名礦壓專家侯朝炯侯朝炯提出提出要點要點 錨桿支護的實質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成錨桿支護的實質(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)；統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)； 錨桿支護可以提高錨固體的力學參數(shù)，改善被錨固體的力學性能；錨桿支護可以提高錨固體的力學參數(shù)，改善被錨固體的力學性能； 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)域巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度均得到強化；度、峰后強度及殘余強度均得到強化； 錨桿可改變圍巖的應力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖自承能力，改善巷錨桿可改

30、變圍巖的應力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖自承能力，改善巷道支護狀態(tài)；道支護狀態(tài)； 圍巖錨固體強度提高后，可減小巷道周圍的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍和巷圍巖錨固體強度提高后，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)發(fā)展。道表面位移，控制圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)發(fā)展?，F(xiàn)有錨桿支護理論評述3u 圍巖強度強化理論為描述錨桿對巖體的強化作用，引入強化系數(shù)：錨固體的強度與未錨為描述錨桿對巖體的強化作用，引入強化系數(shù)：錨固體的強度與未錨固巖體強度的比值。固巖體強度的比值。錨固體極限強度強化系數(shù)錨固體極限強度強化系數(shù)K Kj j錨固體殘余強度強化系數(shù)錨固體殘余強度強化系數(shù)K Kc cc1jKc1

31、cK式中 1-錨固體的極限抗壓強度，MPa； c-未錨巖體的極限抗壓強度，MPa。式中 1-錨固體的殘余抗壓強度，MPa； c-未錨巖體的殘余抗壓強度，MPa。錨固體的強度總比無錨桿時提高，而且隨錨桿密度增加錨固體的強化系數(shù)錨固體的強度總比無錨桿時提高，而且隨錨桿密度增加錨固體的強化系數(shù)也不斷增加。在錨桿強度一定時，錨桿對殘余強度的強化作用大于對極限也不斷增加。在錨桿強度一定時，錨桿對殘余強度的強化作用大于對極限強度的強化，這對控制破碎區(qū)圍巖變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。強度的強化，這對控制破碎區(qū)圍巖變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護對圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖

32、應力的作用錨桿支護對圍巖強度的影響：改善發(fā)生塑性變形和破碎煤錨桿支護對圍巖強度的影響：改善發(fā)生塑性變形和破碎煤巖的力學性質(zhì)，顯著提高屈服后的強度，改變屈服后煤巖巖的力學性質(zhì)，顯著提高屈服后的強度，改變屈服后煤巖變形特性；變形特性；錨桿支護對圍巖結(jié)構(gòu)的影響：通過錨桿提供的軸向力與切錨桿支護對圍巖結(jié)構(gòu)的影響：通過錨桿提供的軸向力與切向力，提高不連續(xù)面的抗剪強度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動向力，提高不連續(xù)面的抗剪強度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動與滑動；通過提高結(jié)構(gòu)面的強度，提高節(jié)理煤巖體的整體與滑動；通過提高結(jié)構(gòu)面的強度，提高節(jié)理煤巖體的整體強度、完整性與穩(wěn)定性；強度、完整性與穩(wěn)定性；錨桿支護對圍巖應力分布的影

33、響：通過錨桿給圍巖施加一錨桿支護對圍巖應力分布的影響：通過錨桿給圍巖施加一定的壓應力，改善圍巖受力狀態(tài)。對于受拉區(qū)域，抵消部定的壓應力，改善圍巖受力狀態(tài)。對于受拉區(qū)域，抵消部分拉應力，提高圍巖抗拉能力；對受剪區(qū)域，通過壓應力分拉應力，提高圍巖抗拉能力；對受剪區(qū)域，通過壓應力產(chǎn)生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力。產(chǎn)生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力。錨桿支護作用機理分析4u 影響錨桿支護效果的關鍵因素分析 提高支護剛度的途徑分為：提高支護剛度的途徑分為： 及時給錨桿施加較大的預緊力，并通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)及時給錨桿施加較大的預緊力，并通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)預緊力擴散；預緊力擴散； 采用加長錨固或全

34、長錨固，使桿體對圍巖離層、錯動非常敏感，采用加長錨固或全長錨固，使桿體對圍巖離層、錯動非常敏感，能及時抑制離層與錯動的產(chǎn)生。能及時抑制離層與錯動的產(chǎn)生。 提高巷道支護效果的關鍵是提高錨桿支護系統(tǒng)的剛度。提高巷道支護效果的關鍵是提高錨桿支護系統(tǒng)的剛度。錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿預緊力作用理論分析錨桿預緊力作用理論分析以層狀頂板為例，分析錨桿預緊力的作用。以層狀頂板為例，分析錨桿預緊力的作用。圖圖15 15 層狀頂板錨桿預緊力的作用層狀頂板錨桿預緊力的作用錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿預緊力作用理論分析錨桿預緊力作用理論分析錨桿給錨桿給h h1 1與與h

35、 h2 2層之間提供的層之間提供的約束離層的約束離層的抗力抗力為：為：Banpr00錨桿給錨桿給h h1 1與與h h2 2層之間增加的層之間增加的抗抗剪力剪力為：為：）（4dfPBan20r0式中 P0-錨桿預緊力，MN； ar -錨桿排距，m； d-錨桿直徑，m； f-巖層間的摩擦系數(shù)； -錨桿抗剪強度，MPa； B-巷道寬度。 n-每排錨桿數(shù)；錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿預緊力作用理論分析錨桿預緊力作用理論分析錨桿預緊力越大，錨桿越粗，提供的約束離層的抗力和抗剪力錨桿預緊力越大，錨桿越粗，提供的約束離層的抗力和抗剪力越大，巖層間越不容易發(fā)生離層與錯動；越大，巖層間越

36、不容易發(fā)生離層與錯動；相反，如果沒有預緊力，則只有當巖層產(chǎn)生一定變形時錨桿才相反，如果沒有預緊力，則只有當巖層產(chǎn)生一定變形時錨桿才有載荷，不能控制在此之前頂板巖層的離層和錯動，導致頂板有載荷，不能控制在此之前頂板巖層的離層和錯動，導致頂板從淺部向深部逐漸離層、破壞，失去完整性與穩(wěn)定性；從淺部向深部逐漸離層、破壞，失去完整性與穩(wěn)定性；預緊力太小也不能起到有效約束頂板離層的作用；預緊力太小也不能起到有效約束頂板離層的作用；如果錨桿安裝不及時，較大范圍內(nèi)的巖層已產(chǎn)生離層、滑動，如果錨桿安裝不及時，較大范圍內(nèi)的巖層已產(chǎn)生離層、滑動，巖層承載能力喪失很大，再安裝錨桿，支護效果不明顯。巖層承載能力喪失很大

37、，再安裝錨桿，支護效果不明顯。錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿支護預應力場分布錨桿支護預應力場分布錨桿預緊力的作用錨桿預緊力的作用（a a）預緊力）預緊力20kN20kN（b b）預緊力）預緊力100kN100kN圖圖16 16 不同錨桿預緊力形成的預應力場分布不同錨桿預緊力形成的預應力場分布錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿支護預應力場分布錨桿支護預應力場分布錨桿預緊力的作用錨桿預緊力的作用錨桿預緊力為錨桿預緊力為20kN20kN錨桿預緊力為錨桿預緊力為100kN100kN錨桿預應力低，導致錨桿支護產(chǎn)生錨桿預應力低，導致錨桿支護產(chǎn)生的預應力場應力值小，形成的

38、有效的預應力場應力值小，形成的有效壓應力區(qū)范圍小，孤立分布，沒有壓應力區(qū)范圍小，孤立分布，沒有連成整體。連成整體。近零應力區(qū)范圍大，錨桿支護在近近零應力區(qū)范圍大，錨桿支護在近零應力區(qū)幾乎沒有加固圍巖的作用。零應力區(qū)幾乎沒有加固圍巖的作用。錨桿之間形成了連成一片的、整體錨桿之間形成了連成一片的、整體的有效壓應力區(qū)，近零應力區(qū)基本的有效壓應力區(qū)，近零應力區(qū)基本消失，錨桿對錨桿之間的圍巖起到消失，錨桿對錨桿之間的圍巖起到有效支護作用。有效支護作用。錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿支護預應力場分布錨桿支護預應力場分布 鋼帶的作用鋼帶的作用（a a）無鋼帶）無鋼帶（b b）有鋼帶）有鋼帶圖圖17 17 有無鋼帶錨桿預緊力形成的預應力場分布有無鋼帶錨桿預緊力形成的預應力場分布錨桿支護作用機理分析4u 錨桿支護作用機理分析錨桿支護預應力場分布錨桿支護預應力場分布 錨帶的作用錨帶的作用無鋼帶無鋼帶有鋼帶有鋼帶錨桿形成的有效壓應力區(qū)無論在錨錨桿形成的有效壓應力區(qū)無論在錨桿尾部還是中部，都是彼此獨立的。桿尾部還是中部，都是彼此獨立的。錨桿形成的有效壓應力區(qū)在沿鋼帶錨桿形成的有效壓應力區(qū)在沿鋼帶長度方向上顯著擴大。長度方向上顯著擴大。鋼帶實現(xiàn)了錨桿預緊力的有效擴散，顯著提高了對錨