巷道锚杆支护机理分析

郭乐乐

(山西焦煤霍州煤电集团公司安监局，山西 霍州 031400)

锚杆支护是以锚杆为主体，并配合金属网和钢带等护表构件共同进行的支护作用，主要包括锚网、锚梁、锚网梁等形式。锚杆支护作为一种主动支护，能及时加固围岩，提高围岩强度及其承载能力，具有支护效果好，支护成本低等优点，因而得到了迅速发展和广泛使用［1］。

锚杆支护是一项系统工程，它涉及到设计、施工、支护材料、实测技术手段等各个方面，这些都依赖于对锚杆支护机理有一个正确的认识。自从锚杆支护问世以来，人们一直把锚杆支护作用机理作为一个重点，进行广泛深入的研究，目的是弄清锚杆与围岩之间的相互作用关系，从而为锚杆支护设计提供科学的理论基础。半个世纪以来，有关煤矿巷道应用锚杆支护技术的各种设计方法和支护理论相继问世，并在生产实践中发挥了积极的指导作用。然而，这些理论大都不同程度地存在某些局限性，使锚杆支护在更广泛领域的应用尚缺乏充分而可靠的理论依据。本文将在总结现有锚杆支护理论的基础上，从力学的角度对锚杆支护机理进行定性与定量相结合的讨论和分析。

1 现有的锚杆支护理论

1．1 悬吊理论

悬吊理论认为［2］：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性，见图1。

图1 上部有稳定岩层的悬吊作用示意图

特别是在比较软弱的围岩中，巷道开掘以后引起围岩应力重新分布，围岩出现松动区，在其上部形成自然平衡拱，锚杆支护的作用是将下部松动破碎的围岩悬吊在自然平衡拱上，见图2。

图2 上部形成自然平衡拱的悬吊作用示意图

虽然悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，但在分析过程中没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开，这与实际情况有一定差距。如果顶板中没有坚硬稳定岩层或如果顶板软弱层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论便不适用。

1．2 组合梁理论

组合梁理论认为［3］：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用将表现在两方面：一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象;另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层，即组合岩梁。

组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差距，而且随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。组合梁理论只适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道两帮则不适用。

1．3 锚固平衡拱理论

锚固平衡拱理论认为［4］：锚杆支护对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显效果，但当围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著效果;锚杆与其锚固范围内的围岩构成一种组合型锚固支护体，在锚杆的轴向与横向约束作用下，使塑性破坏后易与松动的围岩形成具有一定承载能力，并可适应围岩变形的平衡拱，见图3。

图3 锚固平衡拱原理示意图

1．4 围岩强度强化理论

侯朝炯等人在已有研究的基础上，提出巷道锚杆支护的围岩强度强化理论［2］。该理论基本内容如下：

1)锚杆支护的实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体，形成统一的承载结构。

2)锚杆支护可提高锚固体的力学参数，如弹性模量、粘聚力、内摩擦角等，改善被锚固岩体的力学性能。

3)巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区内岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化。

4)锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，提高围岩的承载能力，改善巷道支护状况。

5)围岩锚固体强度提高后，可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移，从而有利于巷道围岩的稳定。

围岩强度强化理论揭示了锚杆支护对提高围岩峰值强度和残余强度的作用，但是由于理论本身过于笼统抽象，因而很难用于现场锚杆支护设计，所以实际意义有限。

2 锚杆支护力学作用分析

锚杆支护由锚杆、金属网及钢带等构件组成，锚杆支护的作用由这些构件共同完成。单体锚杆通常是由锚杆杆体、锚杆托盘和螺母组成。安设在岩体内部的锚杆，当岩体产生拉伸、压缩或者剪切错动等变形时，锚杆会对岩体的变形作出相应的反映，即锚杆会对岩体的变形破坏产生约束作用，具体表现为锚杆的轴向约束作用和锚杆的横向约束作用［5］。下面从力学的角度对锚杆支护构件的作用进行分析。

2．1 锚杆的轴向约束作用

锚杆的轴向约束作用是指锚杆作用于岩体的平行于杆体长度方向的力学作用，是锚杆最主要的约束作用，它是锚杆与岩体有机结合的保证。锚杆的轴向约束作用力包括粘锚力和托锚力，见图4(a)。

其中，粘锚力是指锚杆杆体通过锚固剂对孔壁岩石施加的用来抑制岩体膨胀变形的粘结力，这种力对稳定围岩起着很重要的作用;托锚力是指锚杆托盘作用于岩体的沿锚杆轴线方向的约束作用力，这种力可以阻止围岩向巷道内位移，可使围岩由平面应力状态转化为三向应力状态，提高围岩的强度。

1)粘锚力与锚杆轴力的关系。根据锚杆的锚固长度可将锚杆分为端部锚固锚杆和全长锚固锚杆。对于端部锚固锚杆，由于锚杆大部分杆体为自由段，其轴力只能通过锚固端与锚杆托盘施加到围岩上，锚杆轴力沿长度方向是均匀分布的，见图5(a)。对于全长锚固锚杆，锚杆应力应变沿锚杆长度方向分布极不均匀，见图5(b)。

图4 锚杆的两种约束作用示意图

图5 端头锚固锚杆与全长锚固锚杆轴向力分布示意图

全长锚固的锚杆是靠其与孔壁之间的粘结剪应力来阻止围岩向自由面的变形，剪应力的大小与围岩和锚杆之间的相对位移成正比，且在靠近围岩自由面的一段锚杆上，因锚杆阻止围岩向巷道移动，锚杆表面产生指向围岩自由面的剪应力，其余一段锚杆因受该段的拉拔作用，因此，锚杆表面的剪应力必然指向围岩内部，以满足锚杆的静力平衡，因此，在锚杆长度内存在一个剪应力改变方向的点，该点被称为中性点，其剪应力为零，锚杆轴向力最大，见图6。

2)托锚力与锚杆轴力的关系。托锚力是指锚杆托盘对围岩的最大径向支护力。托盘是锚杆的重要构件，对全长锚固锚杆的应力分布有明显的影响。无托盘时锚杆的轴力在巷道表面处为零，在一定深度达到最大值，剪力在轴力最大处为零，见图7(a)。

有托盘时，通过托盘对锚杆施加的预紧力，将在锚杆表面产生预剪应力以及在锚杆体中产生轴力，见图8。

图6 全锚锚杆粘锚力与轴力分布示意图

当围岩变形时，在锚杆表面的剪应力将要与预剪应力叠加，从而使得锚杆里段的剪应力增大，外段的剪应力减小，锚杆轴力在巷道表面处达到一定值，锚杆轴力最大的位置向孔口移动，更接近巷道表面，见图7(b)。

2．2 锚杆的横向约束作用

锚杆的横向约束作用是由于岩层沿层面或节理裂隙发生错动时对锚杆杆体以及锚固剂产生剪切应力，锚杆以及锚固剂则以反作用力的形式对岩层的错动产生约束，见图4(b)。

锚杆中横向作用力的分布特征受很多因素的影响，如锚杆的力学性质及几何参数、围岩的力学性质等。此外，不同类型的锚杆产生的横向约束的效果也有明显的差别：全长锚固的锚杆因锚杆孔完全充填，岩层一旦发生错动，锚杆和锚固剂立即会产生横向约束;相反，端锚锚杆由于自由段杆体并不与孔壁接触，只有当错动量达到一定程度锚杆杆体与孔壁接触时，才开始产生横向约束。如果在安装锚杆时对锚杆施加一定的预紧力，此时锚杆会主动地对围岩产生横向的约束作用，这种横向约束是通过增加岩层弱面上的正压力进而增大其摩擦力来实现的。

图7 托盘对全锚锚杆受力分布影响的示意图

图8 预剪应力和轴力示意图

2．3 护表构件的作用

钢带是锚杆支护系统中的重要构件，其作用主要有两方面，一是护表作用，锚杆施加的力通过钢带传递到巷道围岩上，保证巷道围岩的完整性和受力状态，使围岩从单向受力或双向受力转化为双向或三向受力，提高围岩的承载能力;二是通过钢带将单根锚杆连接起来，形成一个整体支护系统，提高锚杆支护的整体作用效果。目前，国内现用的钢带主要有平钢带、π型钢带、W型钢带和M型钢带等。

为分析钢带受力，将两根锚杆之间的钢带简化为简支梁，利用材料力学简支梁的挠度公式，可得出钢带的挠度为：

式中：

q—钢带对围岩的支护作用力;

b—锚标间距;

E—钢带的弹性模量;

I—钢带的惯性矩。

由公式(1)可得：

梁的挠度与锚杆间距的4次方及顶板荷载成正比，与钢带的弹性模量及惯性矩成反比。巷道支护要求钢带能提供足够的支护力，同时钢带的挠度越小越好。

因此，锚杆间距、钢带的弹性模量及惯性矩对巷道的支护效果有着直接的影响。

高质量的金属网能有效控制锚杆之间非锚固岩层的变形，托住挤入巷道的岩石，是确保锚杆支护作用的重要措施。金属网的作用主要表现在3个方面：

1)维护锚杆之间围岩，防止岩块跨落。

2)紧贴巷道表面，提供一定的支护力，在一定程度上改善巷道表面岩层受力状况，同时，将锚杆之间的岩层载荷传递给锚杆，形成整体支护系统。

3)金属网不仅能有效控制巷道浅部围岩的变形与破坏，而且对深部围岩也有良好的支护作用。

3 结论

目前，锚杆支护的理论尚不成熟，可以认为仍处于理论探索和对支护机理的定性认识阶段。本文通过总结现有的锚杆支护理论，并从力学的角度分析锚杆支护系统中各个构件的力学作用，在此基础上，定性地提出了锚杆支护机理的几点认识，主要结论可归纳如下：

1)现有的对锚杆支护机理的解释，如悬吊理论、组合梁理论、锚固平衡拱理论等都是建立在某种简化或假设模型的基础上，因而这些理论都不同程度地存在某些片面性和局限性，与工程实践实际情况往往有较大的出入。

2)锚杆支护系统对围岩的作用主要体现为轴向约束作用和横向约束作用。轴向约束作用是由于岩层膨胀变形而产生;横向约束作用则是由于岩层沿层面或节理裂隙发生剪切错动时而产生。

3)锚杆支护是兼有加固和支护两种作用的围岩控制技术。加固作用主要体现在锚杆支护能够显著提高破碎围岩的力学参数，阻止不连续面产生移动与滑动;支护作用主要体现在锚杆支护系统能够有效地控制锚固区围岩的离层和滑动，最大限度地保持了锚固区围岩的完整性，防止岩体塌落，能够最大限度地利用围岩的自承能力，限制围岩的径向位移。

［1］ 康红普，王金华．煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］．北京：煤炭工业出版社，2007：105－121．

［2］ 侯朝炯，勾攀峰．巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究［J］．岩石力学与工程学报，2000，19(3)：342－345．

［3］ 蒋金泉，韩继胜．巷道围岩结构稳定性与控制设计［M］．北京：煤炭工业出版社，1999：130－140．

［4］ 黄福昌．兖州矿区煤巷锚网支护技术［M］．北京：煤炭工业出版社，2000：31－33．

［5］ 陆士良，汤 雷．锚杆锚固力与锚固技术［M］．北京：煤炭工业出版社，1998：35－39．