1、专题部分煤巷锚杆支护技术的探讨1 锚杆支护的基本理论随着锚杆支护工程实践的不断丰富，适用于不同条件的各种锚杆支护相继被提出并逐步得到发展和完善。目前，较成熟的锚杆支护理论主要有：基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论等；基于锚杆的挤压、加固 作用提出的组合梁理论、组合拱理论以及楔固理论等；综合锚杆的各种作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚柱理论等。1.1 悬吊理论巷道开挖以后，由于应力状态的改变，围岩中一定区域内的松软岩层可能发生松动和破裂的现象，或由于被弱面切割的岩块因失去约束而成为关键块体，即出现危石，此时锚杆的作用就是利用其抗拉能力将松软岩层或危石悬吊于上部稳定的岩层
2、之上。对于破碎顶板，可以采用普氏压力拱理论计算锚杆长度及悬吊载荷大小。锚杆的悬吊理论能很好地解释锚杆长度范围内存在稳定岩层的情况，但不能说明松软岩层高度超出锚固范围情况下的锚杆作用机理。由此也可判断，悬吊作用不是锚杆唯一的作用方式。1.2 减跨理论减跨理论硬包括两方面的内容：意识给予松散介质的自然冒落拱理论提出的锚杆作用机理，其依据石冒落拱高度与跨度成正比关系，认为利用锚杆的悬吊作用可增加顶板岩层的支点，从而减小支点间的跨距，进而达到降低冒落拱高度、减少所需支护强度的目的；二是基于梁或板的理论提出的锚杆作用原理，即当巷道顶板为层状岩层时，其变形特性似于梁或板的性质，此时锚杆的作用是缩短梁或板的
3、跨距，以减少其中因横力而产生的弯矩及因弯矩产生的弯曲应力，尤其是弯曲拉应力，从而提高顶板的稳定性。从以上两种情况可以看出，减跨理论中锚杆的作用机理以及使用条件等同于悬吊理论，即需要以稳定岩层或稳定岩层结构为依托。1.3 组合拱理论组合拱理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩层组成的巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力将顶板各分层夹紧，一增强各分层之间的摩擦作用，并借助锚杆自身的横向承载能力提高顶板各分层间的抗剪切强度以及层间粘结程度，使个分层在弯矩作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯曲变形特性，从而提高顶板的抗弯刚度及强度。未锚固的顶板岩层发生弯曲变形时，由于各分层间粘结力及摩擦系数往往较小，因
4、此在下沉变形过程中多表现为叠合梁特性，即各分层发生相对独立的弯曲变形，此时，顶板岩层中的最大拉应力较大锚固后的顶板岩层发生弯曲变形时由于各分层间抗滑动能力的提提高，顶板在下沉变形过程中呈组合梁特性，即发生整体弯曲变形，此时其中所产生的最大拉应力较小，从而使其抗弯能力得到明显的提高。1.4 挤压加固理论挤压加固理论适应性较强。对于拱顶巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力在围岩中形成拱形压缩带，即通过锚杆的轴向作用力将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度指标，使该压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷，对于平顶巷道的层状连续性顶板而言，挤压加固理论等
5、同于组合梁结构，此时，锚杆的挤压加固作用既可使层状顶板形成组合梁结构，提高其抗弯强度，又可改善岩层的应力状态，即提高围压，使岩层平行于层理方向的抗压强度得到提高。1.5 楔固理论 楔固理论主要是针对巷道围岩沿弱面产生滑移失稳现象而提出的围岩加固机理。当围岩中的部分岩石被弱面切割为块体时，其稳定性状况一定程度上将取决于对关键块体的维护情况，因为这种条件下围岩的失稳大多起因于关键块体的失稳。此时可将锚杆相交于弱面布置，通过锚杆的抗拉、抗剪以及抗弯作用防止围岩发生滑动甚至脱离岩层而冒落，从而保持巷道围岩的整体稳定性。1.6 最大水平应力理论 最大水平应力理论认为，巷道围岩的水平应力有时会大于垂直应力
6、，此时，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响；水平应力具有明显的方向性，若巷道轴向与最大水平应力之间的夹角不同，则水平应力对顶底板稳定性的影响程度也会有所差异：巷道轴向与最大水平应力方向平行时，所受的影响最小，顶底板稳定性也最好。巷道轴向与最大水平应力方向成锐角时，巷道顶底板变性破坏现象侧重于巷道的某一帮。巷道轴向与最大水平应力方向垂直时，巷道受其影响最大，顶底板稳定性最差。基于该理论，英国学者研究发现，在深部开采的高应力环境下，最大水平应力的作用是顶底板岩层发生剪切破坏而出现错动和松动膨胀，造成围岩变形，随着变形的发展，顶板对支护载荷迅速增长，并使以承受顶板岩层重量为依据设计的支护系统发生
7、破坏。在这种情况下，锚杆的作用应当是在顶板变形的早期阶段提高其稳定性，以控制顶板后期变形的严重程度。即锚杆的加固应在顶板岩曾发生松动膨胀之前进行，而不是等顶板已经松动破坏、几乎丧失自承能力后才被动地承受围岩压力。同时，应充分重视垂直应力对两帮的影响。顶板锚固后，两帮垂直应力集中区更靠近巷帮表面，控制两帮破坏，防止顶板有效跨度超过顶板锚杆的有效支护范围，对围岩稳定极为重要。1.7 锚注支护理论通过对软岩巷道围岩控制方法的研究，陆士良教授提出了外锚内注式的支护方法。认为软岩巷道围岩的破裂范围及变形量都很大，传统的刚性支护难以适应，而单纯的锚杆支护或组合锚杆支护欲使破裂岩体处于挤紧状态从而形成平衡拱
8、也难以实现。对于节理裂隙发育的软岩，采用注浆的方法可以改变其松散结构，提高粘结性和内摩擦角，提高围岩的整体性和强度系数，从而形成一个注浆加固圈，为锚杆提供可靠的着力基础，使其能够充分的发挥悬吊、组合等基本功能，对注浆加固圈以下的松碎岩石起到支护的作用。这种支护方式的提出极大地拓宽了锚杆支护技术的应用范围。1.8 松动圈支护理论基于巷道围岩状态的研究，董方教授等提出了松动圈支护理论，并提出了关于锚杆作用机理的动态解释。认为矩形巷道围岩中，锚杆除了可以发会悬吊作用外，形成组合拱是其主要的支护作用，即破裂顶板在锚杆锚固力的作用下可以形成具有一定强度和厚度的锚固层，随顶板的下沉变形，锚固层将达到性的平
9、衡状态，形成压力拱式的平衡结构。1.9 锚杆支护围岩强度强化理论通过对处于不同物性状态岩体加锚前后的力学性质的研究，侯朝炯教授等提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论。巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域岩体相互作用，并形成统一的承载结构；锚杆支护可以提高锚固体强度破坏前、后的力学参数，改善锚固体的力学性能；锚杆作用可以提高围岩各状态下的强度值，使巷道围岩强度得到强化。通过对巷道底鼓的理论及方法，为巷道底鼓的防治提供了一条有效、实用的途径。 2 锚杆支护的优越性煤矿巷道支护经历了从棚式支护到锚杆支护的发展过程. 锚杆支护具有明显的优越性: 可显著提高支护效果, 降低成本, 减轻工人劳动强度, 改善作
10、业环境, 保证安全生产, 有利于采煤工作面快速推进.使用锚杆支护，既可发挥其加固拱作用和悬吊作用，使复合顶板内的各煤岩体与锚杆紧固成一个所谓的“组合梁”，从而提高顶板岩层的抗弯强度，减少各岩层层面滑移、离层和冒落的机率，从而保证巷道的稳定性，又能适应国家天然林保护工程实施以来所导致的木材无法采购的外部环境。直接经济效益：以6.4m2断面的每米支护费用对比，使用锚杆支护，每m巷道支护费用为186.16元，节约火工品费用25元，且巷道不需维修。而使用棚式支护，每m巷道掘进支护费用为165元，维护费用为165元。间接经济效益：使用锚杆支护，较棚式支护单进提高了10，掘进工效提高了38，提前准备出来工
11、作面供采。社会效益：使用锚杆支护代替原来的棚式支护，取消了木材消耗，有效地保障了国家“天然林保护工程”顺利实施，有利于环境保护。同时也减轻了操作人员的体力劳动，消除了棚式支护所带来的操作不安全隐患，改善了操作人员的劳动环境，杜绝了超时劳动和超体力劳动的现象。3 国内外锚杆支护的现状锚杆作为一种行之有效的、经济优越的巷道支护技术，倍受世界岩土工程界的重视。一百多年前，锚杆支护就在矿山出现，美国和澳大利亚是应用锚杆支护较早、技术水平比较高的国家。目前，锚杆支护已成为隧道、水利、煤矿巷道及其他岩土工程的主要支护方式。我国锚杆支护技术研究与应用主要经历了三个阶段：年代中期到年代初为起步阶段；至年为攻关
12、阶段；5年至今为引进技术和提高阶段。近年来，我国锚杆支护己经有了长足的发展，锚杆支护的优越性已经得到充分的证实。在锚杆支护理论的研究方面，随着锚杆支护的推广和普及，锚杆支护理论也有很大的发展。传统经典的锚杆支护理论为：悬吊作用；组合梁作用；拱形压缩带作用；销钉作用；其主要观点认为锚杆使岩体中形成有利于围岩稳定的结构，由结构承受围岩压力。但锚杆的锚固强度、结构的承载能力、围岩压力三者的关系，以及各自的定量化都是目前的难题；在复杂的地下岩体中，锚杆并非单一的某一种作用形式，而是多种的且相互影响的作用形式，这给经典理论指导锚杆支护设计带来了困难3.1国外锚注支护理论的发展和现状世界上注浆技术最早应用
13、在建筑工程中，从年法国的查理士柏尼采用石灰、粘土浆加固迪普港的砖石砌起，至今大约有二百多年的历史了。年，阿里因普瑞贝硬煤井的一个井筒，第一次使用了水泥注浆法，以后又相继在比利时、法国和德国等国家使用这种方法年铁琴斯（）成功采用了地面预注浆法开凿井筒，获得专利权。世纪初注浆技术应用到井理巷道，以后注浆法在矿井建设中作为防治水和改善工程地质条件的重要方法，先后在英国、法国、南非、美国、日本和原苏联得到广泛应用以化学药液作为主要浆液材料的化学注浆只有多年的历史，年代后由于化学药剂的毒性污染问题，化学注浆受到限制。砂、土层的化学注浆防渗加固技术被年代开发的高压喷射注浆法逐渐取代。年代初苏联和德国提出锚
14、注加固理论，为支护问题找到了一个新的途径。3.2国内锚注支护理论的历史现状巷道的支护问题，一直是世界地下工程支护的一大难题，我国除煤炭行业多次组织专家攻关外，国家在“七五”“八五”重大科技攻关项目中，列入攻关课题。过去在处理这类深部高地应力巷道支护时，大多采用各种碹体，后来又采用型钢金属支架，当这些支护均不能保持巷道稳定时，人们又将锚喷网、暄、刚性支架进行了不同组合，但这些多层支护也未能解决高地应力巷道支护问题。国家“八五”重大科技攻关中，提出两类支护体系：一是由中国矿业大学提出的利用可伸缩锚杆、型钢金属支架，配合高水速凝材料注浆来解决深部高地应力巷道的支护；二是由山东科技大学提出的在锚喷支护
15、基础上进行锚注的支护技术。它是采用锚杆和注浆相结合的一种新型锚注联合支护体系，利用空心锚杆兼做注浆管，通过注浆将松散围岩胶成整体，改善围岩的结构及其物理力学性质，既提高围岩自身的承载能力，又为锚杆提供了可靠的着力基础，发挥锚杆的锚固作用，从而有效地控制了深部巷道的大变形。实践证明，可伸缩锚杆、金属支架、高水速凝材料注浆加固法，由于其成本高、工艺复杂，高水速凝材料生产厂家很少，质量不稳定而未能推广应用。锚注技术由于工艺简单、成本低，只要认真抓好工程质量，支护可靠性高而被广泛应用，它现在不仅用于煤巷，而且用于岩巷、铜室；不仅用于新掘巷道，而且广泛用于地下工程维修；不仅用于静压巷道，而且也用于动压巷道。锚注支护是目前处理高地应力巷道这类困难巷道支护优先选择的支护技术。近十年来，山东科技大学、中国矿业大学等院校的专家和现场人员一直在进行锚注的理论研究和技术推广。但总的来说，人们对巷道的变形破坏、锚注支护机理以及锚注支护的最佳时间等仍缺乏系统、深入的认识，这在一定程度了限制了锚注支护理论和技术的发展以及进一步的推广应用。3.3国内锚注支护理论的发展现状3.3.1注浆技术的发展简况注浆技术是用液压、气压或电化学的方法，把某些能与岩土体固结的浆液注入岩土体的空隙裂隙中去，使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性好的新结构体，从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。注浆技术的发展已有二百多年的历史。
