煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)愛(ài)序前言第一章概述 第二章煤巷錨桿支護(hù)理論 第一節(jié)錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用 第二節(jié)錨桿支護(hù)的加固作用 第三節(jié)現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論評(píng)述 第四節(jié)錨桿支護(hù)作用機(jī)理分析 第三章巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試技術(shù) 第一節(jié)地應(yīng)力測(cè)量 第二節(jié)巷道圍巖強(qiáng)度原位測(cè)試 第三節(jié)巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察 第四節(jié)·巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 第四章煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法 第一節(jié)·錨桿支護(hù)工程類(lèi)比設(shè)計(jì)法 第二節(jié)錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法 第三節(jié)錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法 第四節(jié)錨桿支護(hù)預(yù)緊力設(shè)計(jì) 第五節(jié)錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì) 第六節(jié)煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件 第五章煤巷錨桿支護(hù)材料 第一節(jié)錨桿種類(lèi)與支護(hù)形式 第二節(jié)常用金屬錨桿型式 第三節(jié)高強(qiáng)度錨桿桿體及附件 第八節(jié)錨桿桁架 第九節(jié)錨桿與注漿聯(lián)合加固 第六章煤巷錨桿支護(hù)施工機(jī)具與工藝 第一節(jié)國(guó)內(nèi)外錨桿鉆機(jī)發(fā)展概況 第二節(jié)單體頂板錨桿鉆機(jī) 第三節(jié)單體幫錨桿鉆機(jī) 第四節(jié)錨索施工機(jī)具 第六節(jié)錨桿施工預(yù)緊機(jī)具 第七節(jié)錨桿與錨索施工工藝 第七章煤巷錨桿支護(hù)工程質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù) 第一節(jié)錨桿支護(hù)工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù) 第二節(jié)巷道表面位移監(jiān)測(cè) 第三節(jié)巷道頂板離層監(jiān)測(cè) 第四節(jié)巷道圍巖深部多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè) 第五節(jié)錨桿與錨索受力監(jiān)測(cè) 第六節(jié)煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè) 第七節(jié)巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與信息反饋 第八節(jié)巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件 第八章煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范 第一節(jié)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范編制的必要性與方法 第二節(jié)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范的內(nèi)容及實(shí)例介紹 第九章煤巷快速高效掘進(jìn)技術(shù) 第一節(jié)國(guó)內(nèi)外煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)概況 第二節(jié)普通綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù) 第三節(jié)掘錨一體化技術(shù) 第四節(jié)連續(xù)采煤機(jī)快速掘進(jìn)技術(shù) 第五節(jié)煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展 第十章煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的工程應(yīng)用 第一節(jié)煤礦巷道類(lèi)型與特點(diǎn) 第二節(jié)復(fù)雜困難巷道類(lèi)型與特點(diǎn) 第三節(jié)大巷錨桿支護(hù)與加固技術(shù) 第四節(jié)“煤層上下山與集中巷錨桿支護(hù)與加固技術(shù) 第五節(jié)回采工作面回風(fēng)與運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)技術(shù)(實(shí)體煤巷道) 第六節(jié)回采工作面回風(fēng)與運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)技術(shù)(煤柱護(hù)巷) 第七節(jié)小煤柱沿空掘巷錨桿支護(hù)技術(shù) 第入節(jié)急傾斜特厚煤層全煤巷道錨桿支護(hù)技術(shù) 第九節(jié)深部高地應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)技術(shù) 第十節(jié)極軟強(qiáng)膨脹圍巖巷道支護(hù)技術(shù) 第十一節(jié)回采工作面開(kāi)切眼錨桿支護(hù)技術(shù) 第十二節(jié)回采工作面回撤通道錨桿支護(hù)技術(shù) 第十三節(jié)大斷面交岔點(diǎn)及特殊條件巷道支護(hù)加固技術(shù) 第十四節(jié)巷道底鼓防治技術(shù) 第十五節(jié)采空區(qū)留巷與支護(hù)技術(shù) 第十一章煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析…………………344第一節(jié)煤巷錨桿支護(hù)的技術(shù)效果 344第二節(jié)煤巷錨桿支護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益 346第三節(jié)煤巷錨桿支護(hù)的社會(huì)效益 355參考文獻(xiàn)…………………………357第一章概述煤炭是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中始終占70%左右，而且煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)的主要能源。當(dāng)前，快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭工業(yè)發(fā)展提出了更高的要求，為此必須確保煤炭工業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展。我國(guó)煤礦以井工開(kāi)采為主，生產(chǎn)環(huán)境條件復(fù)雜，與其他行業(yè)相比，對(duì)煤礦開(kāi)采技術(shù)、裝備、生產(chǎn)安全要求更高。井工開(kāi)采需要在井下開(kāi)掘大量巷道，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有大中型煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長(zhǎng)度高達(dá)數(shù)千公里(2005年度原國(guó)有重點(diǎn)煤礦巷道掘進(jìn)總進(jìn)尺為7598.4km,其中開(kāi)拓巷道進(jìn)尺1153.2km),80%以上是煤巷與半煤巖巷。如此巨大規(guī)模的地下工程在其他行業(yè)是不多見(jiàn)的。因此，保持巷道暢通和圍巖穩(wěn)定對(duì)煤礦建設(shè)與生產(chǎn)具有重要意義，巷道支護(hù)成本、速度、可靠性直接影響煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與安全生產(chǎn)。一、煤礦開(kāi)采對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)的要求掘進(jìn)與回采是煤礦開(kāi)采的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。安全、有效、快速的巷道支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件。巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)滿足以下3方面的要求：1.煤礦安全生產(chǎn)的要求我國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界上其他主要采煤國(guó)家。死亡事故主要發(fā)生在技術(shù)與裝備比較落后的國(guó)有地方煤礦與鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦。我國(guó)煤礦事故類(lèi)型當(dāng)中，頂板事故非常嚴(yán)重。近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，頂板事故次數(shù)占全國(guó)煤礦事故次數(shù)的50%~55%,頂板事故死亡人數(shù)占全國(guó)煤礦死亡人數(shù)的30%~40%。頂板事故發(fā)生的頻率高，死亡總?cè)藬?shù)多，而且頂板事故主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面與巷道。因此，煤礦安全生產(chǎn)要求巷道支護(hù)必須安全、可靠，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，避免冒頂、片幫事故發(fā)生。2.提高煤炭產(chǎn)量的要求掘進(jìn)為采煤服務(wù)，巷道支護(hù)技術(shù)必須滿足高產(chǎn)高效回采工作面的要求。近年來(lái)，我國(guó)以綜采放頂煤、一次采全高為代表的采煤技術(shù)得到迅速發(fā)展，不斷刷新和保持著煤炭行業(yè)高產(chǎn)高效的全國(guó)紀(jì)錄。出現(xiàn)了億噸級(jí)礦區(qū)、千萬(wàn)噸級(jí)礦井，綜采工作面的年產(chǎn)量超過(guò)6Mt,甚至突破10Mt。如此高的工作面產(chǎn)量與推進(jìn)速度對(duì)巷道支護(hù)提出前所未有的嚴(yán)格要求：首先，成巷速度必須大幅度提高，以滿足回采工作面快速推進(jìn)的要求，否則造成嚴(yán)重的采掘接續(xù)緊張，制約工作面產(chǎn)量的提高；其次，要保證礦井的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，服務(wù)于工作面的回采巷道必須確保正常使用，在回采工作面推進(jìn)過(guò)程中，巷道基本不需要維修，支護(hù)效果能滿足運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等生產(chǎn)要求，否則巷道維修會(huì)影響回采工作面的推進(jìn)速度，降低工作面產(chǎn)量，甚至導(dǎo)致停產(chǎn)。3.提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益的要求12巷道掘進(jìn)與支護(hù)費(fèi)用是煤炭企業(yè)成本的重要組成部分。此外，巷道施工完畢后，由于地質(zhì)條件復(fù)雜或受到采動(dòng)影響，還需不斷維修。我國(guó)部分煤礦的困難巷道，經(jīng)常需要維修或翻修3~4次，巷道維修費(fèi)用大大超過(guò)成巷費(fèi)用，巷道在服務(wù)期間的總成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成巷成本。我國(guó)煤礦巷道工程規(guī)模巨大，巷道掘進(jìn)與維護(hù)成本總量很大。因此，在滿足煤礦生產(chǎn)要求，保證巷道安全的前提下，降低巷道支護(hù)、維修成本，即使降低幅度不大，也會(huì)給煤炭企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。合理的巷道支護(hù)技術(shù)是提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。二、我國(guó)煤礦巷道布置的發(fā)展趨勢(shì)隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度與范圍顯著增加，煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷進(jìn)步，巷道布置出現(xiàn)了以下發(fā)展方向。1.巖巷向煤巷發(fā)展傳統(tǒng)的巷道布置方式將大巷、采區(qū)準(zhǔn)備巷道等服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)的巷道布置在巖石中，雖然有利于巷道維護(hù)，但是帶來(lái)一系列問(wèn)題：巷道掘進(jìn)成本高，施工速度慢，增加了許多聯(lián)絡(luò)巷；掘進(jìn)出現(xiàn)大量矸石，給礦井輔助運(yùn)輸造成極大壓力。隨著巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與支護(hù)水平的提高，巖巷布置已逐步轉(zhuǎn)向煤巷布置。特別是現(xiàn)代化礦井，巖巷占的比例已經(jīng)很小。大量使用煤巷雖然增加了巷道支護(hù)難度，但帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)：顯著降低了巷道掘進(jìn)費(fèi)用，大大提高了施工速度，縮短了礦井建設(shè)周期，巷道掘進(jìn)出煤，增加經(jīng)濟(jì)效益。2.巖石頂板煤巷向煤層頂板巷道和全煤巷道發(fā)展綜采放頂煤工作面要求回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂板是煤層。隨著綜放開(kāi)采技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，煤頂巷道所占的比重逐年增加。一般情況下，煤層相對(duì)于巖石比較松軟、破碎，顯著增加了巷道的支護(hù)難度。此外，對(duì)于特厚煤層開(kāi)采和急傾斜厚煤層水平分層開(kāi)采等條件，不僅巷道頂板與兩幫為煤層，有時(shí)底板也是煤層，屬全煤巷道，支護(hù)難度進(jìn)一步加大。3.巷道拱形斷面向矩形斷面發(fā)展拱形斷面雖然能夠改善巷道受力狀態(tài)，有利于巷道支護(hù)，但是拱形巷道施工工藝比較復(fù)雜，成巷速度低，有時(shí)還需要破壞頂板，出現(xiàn)矸石。對(duì)于回采巷道，拱形斷面給回采工作面端頭支護(hù)造成很大困難，阻礙工作面的正常推進(jìn)。而矩形巷道，除巷道受力狀況比拱形巷道差外，拱形巷道的缺陷基本都被克服，非常有利于回采工作面的快速推進(jìn)。4.巷道從小斷面向大斷面發(fā)展隨著回采工作面設(shè)備的大型化，開(kāi)采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，為了保證正常的運(yùn)輸、通風(fēng)及行人，要求的巷道斷面越來(lái)越大。煤層大巷的跨度已經(jīng)超過(guò)6m,斷面超過(guò)20m2;回采巷道寬度也達(dá)5~6m,斷面積達(dá)15~20m2;開(kāi)切眼跨度達(dá)到10m,斷面積超過(guò)40m2。巷道斷面的增大顯著增加了支護(hù)難度。5.單巷布置向多巷發(fā)展回采工作面開(kāi)采強(qiáng)度和產(chǎn)量越來(lái)越大，要求的運(yùn)輸、通風(fēng)斷面逐年增加。特別是高瓦斯礦井，往往單巷布置不能滿足生產(chǎn)要求，出現(xiàn)了一個(gè)工作面布置3~5條，甚至更多巷道的多巷布置方式。多巷布置帶來(lái)了煤柱留設(shè)，巷道受到二次甚至多次采動(dòng)影響，巷道復(fù)用等問(wèn)題，增加了巷道維護(hù)的難度。6.巷道埋深從淺部向深部發(fā)展3我國(guó)煤礦開(kāi)采深度以8~12m/a的速度增加。新汶、淄博、開(kāi)灤、徐州等礦區(qū)的開(kāi)采深度已超過(guò)1000m,出現(xiàn)了一批千米深井。煤炭開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步和礦山的現(xiàn)代化促進(jìn)了生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，進(jìn)一步加速了礦井深度的增加。預(yù)計(jì)在未來(lái)20年我國(guó)很多煤礦將進(jìn)入到1000~1500m的開(kāi)采深度。深部開(kāi)采帶來(lái)一系列高地應(yīng)力巷道支護(hù)難題，如沖擊礦壓、圍巖大變形、強(qiáng)烈底鼓等淺部巷道沒(méi)有的支護(hù)問(wèn)題。7.簡(jiǎn)單地質(zhì)條件巷道向復(fù)雜地質(zhì)條件發(fā)展我國(guó)煤礦煤系地層中具有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井分布十分廣泛。北起黑龍江、內(nèi)蒙古，南到廣東、廣西，東起山東、浙江、西到新疆、青海廣大遼闊的幅員內(nèi)有復(fù)雜地質(zhì)條件的礦井遍布全國(guó)各主要產(chǎn)煤省區(qū)，近半數(shù)的礦區(qū)存在地質(zhì)條件復(fù)雜礦井。隨著我國(guó)新生代第三紀(jì)煤田的開(kāi)采及老礦井采深的增加，復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦的數(shù)量和分布范圍將會(huì)繼續(xù)增加和擴(kuò)大。復(fù)雜地質(zhì)條件巷道圍巖穩(wěn)定性差、圍巖變形和破壞強(qiáng)烈，巷道維護(hù)十分困難。有的復(fù)雜地質(zhì)條件礦井，每米巷道的支護(hù)費(fèi)用已高達(dá)1~2萬(wàn)元，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。三、煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了木支護(hù)、砌碹支護(hù)、型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過(guò)程。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，錨桿支護(hù)是煤巷經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)技術(shù)。與棚式支架支護(hù)相比，錨桿支護(hù)顯著提高了巷道支護(hù)效果，降低了巷道支護(hù)成本，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。更重要的是錨桿支護(hù)大大簡(jiǎn)化了采煤工作面端頭支護(hù)和超前支護(hù)工藝，改善了作業(yè)環(huán)境，保證了安全生產(chǎn)，為采煤工作面的快速推進(jìn)創(chuàng)造了良好條件。目前，錨桿支護(hù)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到普遍應(yīng)用，是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀在100多年前，國(guó)外一些礦山就開(kāi)始應(yīng)用錨桿支護(hù)。如英國(guó)在1872年就采用過(guò)金屬錨桿，美國(guó)1900年使用過(guò)木錨桿。地下工程中大量采用錨桿支護(hù)是在20世紀(jì)40年代末期。此后，錨桿支護(hù)在煤礦、非煤礦山、隧道及其他巖土工程中得到迅速發(fā)展，成為一種極具發(fā)展前景的支護(hù)方式。從錨桿支護(hù)形式的發(fā)展過(guò)程分，錨桿支護(hù)可分為以下幾個(gè)階段：(1)1950—1960年，錨桿型式主要是機(jī)械端部錨固錨桿，分楔縫式、倒楔式、漲殼式等。這類(lèi)錨桿錨固力低、在不同巖層中的錨固力變化大、支護(hù)剛度小、可靠性差，不宜在松軟破碎的巖層中使用。由于這些弊端，導(dǎo)致了英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家在使用錨桿支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)反復(fù)。如英國(guó)煤礦在1957年使用了約500000根錨桿，法國(guó)煤礦用量也較大，但到20世紀(jì)60年代初，錨桿用量大幅度降低。(2)1960—1970年，樹(shù)脂錨桿研制成功，并得到推廣應(yīng)用。1958年德國(guó)開(kāi)始研制樹(shù)脂錨桿，經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，埃森采礦研究中心制作了第一批藥卷式樹(shù)脂錨固劑于1959年在煤礦井下進(jìn)行試驗(yàn)，1961年取得成功。之后樹(shù)脂錨桿在世界主要采煤國(guó)家逐步得到應(yīng)用和發(fā)展。初期樹(shù)脂錨桿為端部樹(shù)脂錨固，錨桿孔徑較大(38～45mm)。以后發(fā)展到小孔徑(22~30mm)全長(zhǎng)錨固樹(shù)脂錨桿。這種錨桿錨固力大、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，極大地促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。(3)1970—1980年，管縫式錨桿、脹管式錨桿等全長(zhǎng)錨固錨桿研制成功，并在井下得到應(yīng)用。但是管縫式錨桿、脹管式錨桿在井下容易銹蝕，錨固力受鋼材質(zhì)量、圍巖性4質(zhì)、鉆孔直徑等因素影響較大，施工工藝比較復(fù)雜，只能在適宜的條件下使用。(4)1980—1990年，錨桿支護(hù)形式更加多樣化：出現(xiàn)了混合錨固錨桿、鋼帶式組合錨桿、桁架錨桿，可拉伸錨桿、錨注錨桿等特種錨桿和錨索加固技術(shù)也得到了應(yīng)用，樹(shù)脂錨桿材料得到了進(jìn)一步改進(jìn)與提高。(5)20世紀(jì)90年代以來(lái)，高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固錨桿以其優(yōu)越的錨固效果和簡(jiǎn)便的施工工藝，逐步取代了其他類(lèi)型的錨桿，成為錨桿支護(hù)的主導(dǎo)型式。錨索加固技術(shù)也得到了大面積的推廣應(yīng)用。澳大利亞、美國(guó)等國(guó)的煤層地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，埋藏淺，護(hù)巷煤柱寬度大，而且大力推廣應(yīng)用錨桿支護(hù)。他們的錨桿支護(hù)技術(shù)比較先進(jìn)，煤礦巷道錨桿支護(hù)所占的比重幾乎達(dá)到100%。實(shí)際上，在澳大利亞和美國(guó)，如果一個(gè)礦區(qū)煤層頂板不適合采用錨桿支護(hù)，那么便認(rèn)為開(kāi)采這樣的煤層在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)形成比較完整的體系，煤礦巷道幾乎全部采用W鋼帶樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固組合錨桿支護(hù)。盡管其巷道斷面比較大，但支護(hù)效果良好。對(duì)于復(fù)合頂板、破碎頂板，以及巷道交岔點(diǎn)、大斷面硐室等難維護(hù)的條件，還采用錨索注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，控制圍巖的強(qiáng)烈變形。美國(guó)煤礦巷道錨桿消耗量很大，錨桿種類(lèi)也比較多，有漲殼式錨桿、樹(shù)脂錨桿、混合錨固錨桿，組合構(gòu)件有鋼帶和桁架。具體應(yīng)用時(shí)，根據(jù)巖層條件選擇不同的支護(hù)方式和參數(shù)。歐洲一些主要產(chǎn)煤國(guó)家，過(guò)去一直主要采用金屬支架支護(hù)巷道。但隨著巷道支護(hù)難度加大和支護(hù)成本增高，將巷道支護(hù)方式轉(zhuǎn)向了錨桿支護(hù)，積極開(kāi)展了錨桿支護(hù)技術(shù)的研究、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用。英國(guó)曾是歐洲主要產(chǎn)煤國(guó)中采用金屬支架支護(hù)的典型代表。1987年以前，英國(guó)煤礦巷道支護(hù)90%以上采用金屬支架，導(dǎo)致巷道支護(hù)效果差、成本高，回采工作面產(chǎn)量與效益低，煤礦虧損嚴(yán)重。由于國(guó)際市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，英國(guó)煤炭工業(yè)面臨嚴(yán)重的危機(jī)。在這種情況下，英國(guó)果斷地把采用錨桿支護(hù)取代傳統(tǒng)的金屬支架支護(hù)作為提高其煤炭工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的三大策略之一，于1987年從澳大利亞引進(jìn)了先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù)，徹底扭轉(zhuǎn)了過(guò)去被動(dòng)的局面，錨桿支護(hù)技術(shù)得到迅速發(fā)展。到1990年，英國(guó)煤巷錨桿支護(hù)所占比例便從80年代中期幾乎為零增長(zhǎng)到50%,1994年達(dá)到80%,1997年達(dá)到90%。英國(guó)煤礦通過(guò)采用錨桿支護(hù)技術(shù)取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益(表1-1)。巷道支護(hù)費(fèi)用和噸煤成本顯著降低，回采工作面產(chǎn)量、全員效率大幅度提高，事故率明顯下降，巷道安全狀況得到保證。一些瀕臨倒閉的礦井也因此獲得了新生。在英國(guó)，錨桿支護(hù)技術(shù)被看成是煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的一次變革，而且還沒(méi)有那次技術(shù)變革能像錨桿支護(hù)這樣在短時(shí)間內(nèi)給煤礦帶來(lái)如此巨大的效益。表1-1英國(guó)煤巷采用錨桿支護(hù)所取得的效益1984年1994年回采工作面平均單產(chǎn)/(t·d-1)45003平均噸煤成本/(英鎊·t-1)煤巷平均成巷速度/(m·周-1)巷道支護(hù)費(fèi)用比較/%事故率比較/%5德國(guó)使用U形鋼支架最早，技術(shù)成熟、先進(jìn)，使用量大。無(wú)論是永久巷道還是回采巷道大多采用U形鋼可縮性支架。但是從20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度增加，重型采掘設(shè)備的采用，要求巷道斷面越來(lái)越大，導(dǎo)致巷道圍巖變形加劇，支護(hù)困難。為了解決巷道支護(hù)難題，不得不增加型鋼重量、減小支架棚距，致使巷道支護(hù)費(fèi)用增高，而且?guī)?lái)施工、運(yùn)輸?shù)纫幌盗袉?wèn)題。盡管如此，巷道支護(hù)狀況并沒(méi)有得到根本改觀。為此，德國(guó)煤礦開(kāi)展了錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與試驗(yàn)。錨桿支護(hù)在魯爾礦區(qū)試驗(yàn)成功后得到推廣應(yīng)用，現(xiàn)已應(yīng)用于埋深千米的深井巷道中，取得較好的支護(hù)效果。其他國(guó)家煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展也很迅速。如法國(guó)到1986年錨桿支護(hù)比重已占到50%。俄羅斯研制了多種類(lèi)型的錨桿，在俄羅斯的第一大礦區(qū)——庫(kù)茲巴斯礦區(qū)錨桿支護(hù)所占比重已達(dá)50%以上?？偨Y(jié)國(guó)外錨桿支護(hù)技術(shù)快速發(fā)展及大面積推廣應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，主要有以下特點(diǎn)：(1)十分重視巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，對(duì)支護(hù)對(duì)象有比較清楚的了解。如美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)前，要進(jìn)行全面、詳細(xì)的地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征的測(cè)量，分析巷道應(yīng)力場(chǎng)分布特征，巷道圍巖變形和破壞的主要影響因素。這是錨桿支護(hù)成功的必要前提。(2)根據(jù)煤礦巷道特點(diǎn)，采用比較合理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法。如澳大利亞、英國(guó)采用“地質(zhì)力學(xué)評(píng)估—初始支護(hù)設(shè)計(jì)—井下施工與監(jiān)測(cè)—信息反饋與修改設(shè)計(jì)一日常監(jiān)測(cè)”的設(shè)計(jì)方法。這種方法符合煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜性與多變性的特點(diǎn)，因此得到國(guó)際上的普遍認(rèn)可和采用。(3)根據(jù)本國(guó)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，采用適宜的錨桿型式。如澳大利亞、英國(guó)主要采用樹(shù)脂全長(zhǎng)錨固螺紋鋼錨桿。美國(guó)錨桿種類(lèi)比較多，包括樹(shù)脂錨固錨桿、漲殼式錨桿及混合錨固錨桿。德國(guó)除使用樹(shù)脂錨固錨桿外，還研制了可拉伸錨桿，使錨桿既具有足夠的支護(hù)阻力，又有一定的延伸性，適應(yīng)圍巖變形強(qiáng)烈的條件。(4)錨桿向高強(qiáng)度、高可靠性方向發(fā)展。一方面，研制具有一定延伸率的高強(qiáng)度錨桿材料，如澳大利亞錨桿桿體材料的屈服強(qiáng)度一般在400～600MPa,有的甚至大于600MPa;英國(guó)錨桿材料的屈服強(qiáng)度為640～720MPa;美國(guó)錨桿材料的屈服強(qiáng)度一般為414~689MPa。另一方面，加大錨桿直徑，國(guó)外多數(shù)使用φ20~22mm的錨桿，有的達(dá)到φ24mm。錨桿桿體的拉斷載荷一般在200kN以上，有的甚至超過(guò)300kN。英國(guó)還研制出拉斷載荷500kN的大錨桿。在提高錨桿強(qiáng)度的條件下，降低了支護(hù)密度，有利于快速掘進(jìn)。(5)先進(jìn)的錨桿施工機(jī)具不僅保證了支護(hù)質(zhì)量，而且提高了成巷速度，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展。澳大利亞、美國(guó)大量采用掘錨聯(lián)合機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)與錨桿支護(hù)一體化，大幅度提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。同時(shí)，單體錨桿鉆機(jī)、鉆頭鉆桿及快速安裝系統(tǒng)也有較快發(fā)展，基本滿足了錨桿支護(hù)施工的要求。(6)錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)儀器與技術(shù)保證了巷道安全。開(kāi)發(fā)出頂板離層指示儀、聲波多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)力錨桿等監(jiān)測(cè)錨桿支護(hù)巷道圍巖變形、離層、支護(hù)體受力的儀器，及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)狀況，確保巷道的安全程度。(7)采用科學(xué)、嚴(yán)格的管理，制訂了錨桿支護(hù)材料標(biāo)準(zhǔn)、錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)了錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展。62.我國(guó)錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)煤礦于1956年開(kāi)始在巖巷中使用錨桿支護(hù)，至今已有50多年的歷史。錨桿支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了從低強(qiáng)度、高強(qiáng)度到高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)的發(fā)展過(guò)程。從錨桿支護(hù)形式的發(fā)展過(guò)程看，我國(guó)最早采用的主要是機(jī)械錨固錨桿和鋼絲繩砂漿錨桿；1974年開(kāi)始研制和試驗(yàn)樹(shù)脂錨桿，并于1976年在淮南、雞西、徐州等礦區(qū)進(jìn)行了井下試驗(yàn)，取得較好效果；我國(guó)還引進(jìn)和應(yīng)用了管縫式錨桿、脹管式錨桿等，開(kāi)發(fā)研制了廉價(jià)的快硬水泥錨桿；1996年又從澳大利亞引進(jìn)高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固錨桿，并針對(duì)我國(guó)煤礦的條件進(jìn)行了大量二次開(kāi)發(fā)和完善提高?？梢哉f(shuō)，國(guó)外使用過(guò)的錨桿支護(hù)形式國(guó)內(nèi)基本上都用過(guò)，但是國(guó)外沒(méi)有的巷道地質(zhì)和生產(chǎn)條件國(guó)內(nèi)基本上都有。我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)首先在巖巷中應(yīng)用成功，并在巖巷中大力推廣應(yīng)用了以“三小”為代表的錨噴支護(hù)技術(shù)。20世紀(jì)60年代錨桿支護(hù)開(kāi)始應(yīng)用于采區(qū)巷道。由于煤層巷道圍巖相對(duì)比較松軟破碎，又受到采動(dòng)影響，巷道圍巖變形大，對(duì)支護(hù)技術(shù)要求高。我國(guó)早期采用的錨桿支護(hù)強(qiáng)度、剛度低，支護(hù)原理上仍屬于被動(dòng)支護(hù)，加之錨桿支護(hù)理論、設(shè)計(jì)方法、支護(hù)材料、施工機(jī)具、監(jiān)測(cè)儀器等還不成熟，導(dǎo)致煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展緩慢。1990年，我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦煤巷錨桿支護(hù)僅占3%~5%,煤巷支護(hù)主要以棚式支護(hù)為主。在“八五”期間，國(guó)家將煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，完成了一批水平較高的科研課題，并應(yīng)用于新汶、鐵法、兗州、峰峰、淮南等多個(gè)礦區(qū)，取得較好的支護(hù)效果。1995年，國(guó)有重點(diǎn)煤礦當(dāng)年新掘的巷道中，錨桿支護(hù)所占比重為28.19%,其中巖巷占57.2%,煤巷占15.15%。但是對(duì)于復(fù)雜困難條件，如復(fù)合頂板、破碎頂板、煤層頂板巷道，以及沿空掘巷等，錨桿支護(hù)的可行性和適用性還沒(méi)有得到深入細(xì)致的研究，煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的潛力還很大。在“九五”期間，原煤炭部又把煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)列為重點(diǎn)課題，展開(kāi)了更深入、細(xì)致和全面的研究試驗(yàn)工作。特別是1996—1997年我國(guó)引進(jìn)了澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)，在邢臺(tái)礦務(wù)局進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示。同時(shí)經(jīng)過(guò)科研院所、大專(zhuān)院校和煤炭企業(yè)的聯(lián)合攻關(guān)，使我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)有很大提高。高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿并進(jìn)行加長(zhǎng)或全長(zhǎng)樹(shù)脂錨固，動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)方法，小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索等新技術(shù)、新材料、新方法得到廣泛認(rèn)可，應(yīng)用于煤頂巷道、復(fù)合與破碎頂板巷道等困難條件，取得良好的支護(hù)效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著綜采放頂煤、厚煤層一次采全高開(kāi)采技術(shù)的快速發(fā)展和大面積應(yīng)用，對(duì)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)提出更高的要求。綜采放頂煤和一次采全高工作面一般要求回采巷道沿煤層底板布置，巷道頂板為比較破碎的煤層，有時(shí)甚至是全煤巷道。此外，隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅度提高，要求的巷道斷面越來(lái)越大。為了減少煤炭損失，沿空掘巷應(yīng)用得越來(lái)越廣。所有這些都使巷道支護(hù)難度顯著增加。為此，兗州、潞安、晉城、西山、淮南、淮北、新汶、龍口、開(kāi)灤、鐵法、徐州、華亭等礦區(qū)相繼開(kāi)展了本礦區(qū)煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)的研究、試驗(yàn)與推廣應(yīng)用。錨桿支護(hù)在大斷面巷道、煤頂和全煤巷道、沿空掘巷、松軟破碎圍巖巷道等困難條件得到成功應(yīng)用，顯著提高了巷道支護(hù)效果，降低了支護(hù)成本，為采煤工作面的快速推進(jìn)，礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了良好的條件。近年來(lái)，為了解決深部高地應(yīng)力巷道、特大斷面巷道、受強(qiáng)烈采動(dòng)影響巷道、沿空留巷等復(fù)雜困難條件支護(hù)難題，我國(guó)又開(kāi)發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)，充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)作用。井下應(yīng)用大幅度減少了巷道圍巖變形與破壞，巷道支護(hù)與安全狀況發(fā)生了本質(zhì)改變。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“三高一低”的現(xiàn)代錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念，在保證支護(hù)效果的前提下，顯著提高了巷道掘進(jìn)速度與工效。到2005年，國(guó)有重點(diǎn)煤礦的煤巷錨桿支護(hù)率達(dá)到60%,有些礦區(qū)超過(guò)了90%,甚至達(dá)到100%,我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐，到目前為止，可以說(shuō)我國(guó)煤礦已經(jīng)形成了有中國(guó)特色的煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系，錨桿支護(hù)已經(jīng)成為煤礦巷道首選的、安全高效的主要支護(hù)方式。它是我國(guó)繼推行綜合機(jī)械化采煤技術(shù)以來(lái)，采掘技術(shù)的又一次革命。它深刻地改變了礦井的開(kāi)拓部署與巷道布置方式，對(duì)我國(guó)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)、煤炭產(chǎn)量與效益的大幅度提高及安全狀況的改善起到不可替代的重要作用。四、煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)的研究?jī)?nèi)容煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)(圖1-1),包括錨桿支護(hù)理論、巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)材料、施工機(jī)具與工藝、支護(hù)工程質(zhì)量檢測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)、特殊地質(zhì)條件支護(hù)技術(shù)、錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范等諸多方面。1.錨桿支護(hù)理論研究錨桿支護(hù)機(jī)理的目的是了解巷道變形與破壞的特征與規(guī)律，錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用，錨桿支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系及其影響因素，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。2.巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試巷道圍巖是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體。與其他工程材料相比，它具有兩大特點(diǎn)：其一是巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙等，這些不連續(xù)面的存在顯著改變了巖體的強(qiáng)度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強(qiáng)度相差懸殊；其二是巖體含有內(nèi)應(yīng)力，地應(yīng)力場(chǎng)的大小和方向都顯著影響圍巖的變形和破壞。因此，一切與圍巖有關(guān)的工作都離不開(kāi)對(duì)圍巖地質(zhì)力學(xué)特征的充分了解。巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試通過(guò)井下實(shí)地測(cè)量，得到地應(yīng)力的大小與方向，煤巖體強(qiáng)度及圍巖結(jié)構(gòu)分布，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)參數(shù)。3.錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)在充分了解錨桿支護(hù)機(jī)理與圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)。包括確定巷道斷面、護(hù)巷煤柱尺寸、錨桿支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)等內(nèi)容。目前，錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法有多種，如工程類(lèi)比法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法。優(yōu)越的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法應(yīng)滿足兩個(gè)條件：提供的錨桿支護(hù)形式與參數(shù)有效、合理、可靠，在保證支護(hù)效果和安全程度的前提下，支護(hù)成本最低；設(shè)計(jì)方法面向煤礦工程技術(shù)人員，使這些人員能夠簡(jiǎn)單、方便地掌握，自行設(shè)計(jì)。4.錨桿支護(hù)材料錨桿支護(hù)材料包括桿體、托板、螺母、錨固劑、鋼帶(鋼筋托梁)、金屬網(wǎng)、錨索等。錨桿支護(hù)材料的力學(xué)性能必須滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，各構(gòu)件力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，最大限度發(fā)揮錨桿整體支護(hù)效果。我國(guó)煤礦巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件相差懸殊，應(yīng)根據(jù)不同條件開(kāi)發(fā)不同性能的支護(hù)構(gòu)件材料，根據(jù)不同的礦區(qū)制訂相應(yīng)的錨桿支護(hù)構(gòu)件材料系列與標(biāo)準(zhǔn)。5.錨桿支護(hù)施工機(jī)具與工藝78出組彝拼共賴(lài)驊臺(tái)帶印爾英樓快創(chuàng)R押失(版)取R恒賢超啞批標(biāo)罰斯煜HHN出姆兵根水捭失(頗)起賓+區(qū)兵怒本拼士再榆賴(lài)+再深4A物搜?；乇狙夯毓裁诵駝?chuàng)畫(huà)駛孵豪堆圖1-1煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系圖1-1煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系隔頌R我菜爽典思口買(mǎi)共押回磊理失失險(xiǎn)共曲箍段表出箍段MK冊(cè)9錨桿施工機(jī)具與工藝是保證巷道施工質(zhì)量與提高成巷速度的重要環(huán)節(jié)。施工機(jī)具包括錨桿鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、安裝器、錨桿(索)預(yù)緊設(shè)備等。施工工藝包括機(jī)具合理配置、施工工序合理安排、勞動(dòng)組織等。只有針對(duì)巷道具體的圍巖條件與生產(chǎn)條件，選擇適合的機(jī)具與相應(yīng)的施工工藝，才能在保證施工質(zhì)量的前提下提高成巷速度。6.錨桿支護(hù)工程質(zhì)量檢測(cè)錨桿支護(hù)屬隱蔽工程，施工結(jié)束后不進(jìn)行全面、系統(tǒng)的施工質(zhì)量檢測(cè)，很難發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，導(dǎo)致安全隱患。錨桿支護(hù)工程質(zhì)量檢測(cè)主要包括錨桿(索)安裝幾何參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)及各構(gòu)件的安裝質(zhì)量。幾何參數(shù)包括錨桿(索)間排距、錨桿(索)安裝角度、錨桿(索)外露長(zhǎng)度等，力學(xué)參數(shù)有錨桿錨固力、錨桿(索)預(yù)緊力等，構(gòu)件的安裝質(zhì)量包括托板、組合構(gòu)件及金屬網(wǎng)的安裝質(zhì)量。7.錨桿支護(hù)礦壓監(jiān)測(cè)礦壓監(jiān)測(cè)是錨桿支護(hù)技術(shù)的重要組成部分。錨桿支護(hù)實(shí)施于井下后，應(yīng)對(duì)圍巖變形狀況，錨桿(索)受力分布和大小進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，以獲得支護(hù)體和圍巖的位移和應(yīng)力信息，從而判斷錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，巷道圍巖的穩(wěn)定程度和安全性。進(jìn)而根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，修改初始設(shè)計(jì)，使其逐步趨于合理。礦壓監(jiān)測(cè)分為井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理、信息反饋與修正初始設(shè)計(jì)兩大部分。第一部分包括巷道表面位移、深部位移、頂板離層、錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析；第二部分包括選擇反饋指標(biāo)、確定反饋指標(biāo)值、確定修改初始設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則等。8.特殊地質(zhì)條件巷道支護(hù)技術(shù)煤礦井下經(jīng)常遇到特殊地質(zhì)條件，如斷層、褶曲、陷落柱、破碎帶、軟煤區(qū)等。在這些困難條件下，往往單獨(dú)采用錨桿支護(hù)不能有效加固圍巖，確保巷道安全，必須增加其他支護(hù)與加固措施。單體支柱、金屬支架、注漿加固是常用形式。采用聯(lián)合支護(hù)時(shí)，應(yīng)充分考慮支護(hù)形式力學(xué)性能之間的協(xié)調(diào)與匹配，以最大限度地發(fā)揮每種支護(hù)形式的支護(hù)效果。9.錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)涉及諸多內(nèi)容。在錨桿支護(hù)研究與試驗(yàn)初期，組織強(qiáng)有力的攻關(guān)隊(duì)伍和研究試驗(yàn)小組，各負(fù)其責(zé)，可保證試驗(yàn)巷道圓滿成功。一旦煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)大面積推廣應(yīng)用，并納入正常生產(chǎn)后，不可能再像課題攻關(guān)階段那樣投入很多的人力和時(shí)間，針對(duì)各礦區(qū)的具體條件制訂煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范就顯得非常必要。技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定錨桿支護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要求與指標(biāo)。工程技術(shù)人員和施工人員必須嚴(yán)格按規(guī)范要求執(zhí)行，才能保證巷道施工質(zhì)量，避免安全事故發(fā)生，才能使煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)走上規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的健康發(fā)展之路。五、我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)取得的主要成果總結(jié)概括起來(lái)，我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)取得以下主要成果：1.深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的研究表明，錨桿對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)與圍巖應(yīng)力都有不同程度的改善：煤巖體錨固后可提高圍巖的強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)；錨桿可提高圍巖不連續(xù)面的強(qiáng)度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動(dòng)與滑動(dòng)，提高節(jié)理煤巖體的整體強(qiáng)度和完整性；錨桿給圍巖施加一定的作用力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。錨桿的本質(zhì)作用在于阻止圍巖出現(xiàn)張開(kāi)裂隙和裂紋、結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)離層與滑動(dòng)，最大限度地保持圍巖的完整性，避免有害變形出現(xiàn)。高強(qiáng)度、高剛度錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)得到廣泛認(rèn)可，不僅重視錨桿的強(qiáng)度，而且強(qiáng)調(diào)支護(hù)系統(tǒng)的剛度和整體效果，特別是錨桿預(yù)緊力的決定性作用和組合構(gòu)件的重要性，使錨桿支護(hù)真正實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)。2.開(kāi)發(fā)出巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)快速測(cè)試系統(tǒng)該系統(tǒng)包括地應(yīng)力測(cè)量裝置、巷道圍巖強(qiáng)度原位測(cè)定裝置以及鉆孔窺視儀。該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了井下巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的快速、經(jīng)濟(jì)、大面積測(cè)量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室煤巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，能夠?yàn)橄锏啦贾门c支護(hù)設(shè)計(jì)提供比較全面、可靠的基礎(chǔ)參數(shù)。3.動(dòng)態(tài)性、系統(tǒng)性、信息性的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法得到普遍認(rèn)可與應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法認(rèn)為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)不是一次完成的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、系統(tǒng)的過(guò)程，設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用每個(gè)過(guò)程中提供的信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息收集、信息分析與信息反饋。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。有些單位還開(kāi)發(fā)出適用于工程技術(shù)人員使用的煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)軟件，不僅提高了設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，而且大大減輕了工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量，提高了設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量。4.開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)度樹(shù)脂錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦巷道支護(hù)材料的跨越式發(fā)展(1)研制出錨桿專(zhuān)用鋼材-左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，達(dá)到高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度級(jí)別，并形成系列，力學(xué)性能達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。(2)開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)型樹(shù)脂錨固劑成套生產(chǎn)設(shè)備，能夠生產(chǎn)超快速、快速、中速、慢速及雙速等不同類(lèi)型、不同規(guī)格的樹(shù)脂錨固劑，滿足錨桿支護(hù)的不同要求。(3)設(shè)計(jì)出W形、M形鋼帶等組合構(gòu)件，制訂了鋼帶產(chǎn)品系列與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。研制出礦用鋼帶軋制設(shè)備與生產(chǎn)工藝，使鋼帶強(qiáng)度、剛度有明顯提高，斷面形狀和尺寸進(jìn)一步(4)研制出多種形式的玻璃鋼錨桿，無(wú)論是玻璃鋼錨桿桿體加工工藝和力學(xué)性能，還是錨桿尾部結(jié)構(gòu)均有明顯改進(jìn)與提高，為煤幫提供了可切割的支護(hù)方式。(5)開(kāi)發(fā)出小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索。采用樹(shù)脂藥卷錨固，單體錨桿鉆機(jī)施工，安裝工序簡(jiǎn)單，施工速度大幅度提高。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了不同直徑的錨索索體系列，適應(yīng)不同的巷道條件。小孔徑樹(shù)脂錨固錨索為復(fù)雜困難巷道提供了有效、快速的加固手段。5.研制出系列錨桿鉆機(jī)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)、完善和提高，單體氣動(dòng)和液壓錨桿鉆機(jī)、手持式錨桿鉆機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，并形成系列產(chǎn)品，基本滿足了錨桿支護(hù)的要求，結(jié)束了錨桿鉆機(jī)主要靠進(jìn)口的歷史。6.形成了較成熟的煤巷錨桿快速施工工藝立足我國(guó)煤礦現(xiàn)有的掘進(jìn)裝備，形成了一套綜掘機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)的煤巷快速施工工藝。以扭矩螺母為控制元件的樹(shù)脂錨桿快速安裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了攪拌樹(shù)脂藥卷、上托板、緊固螺母一體化；快速施工工藝使煤巷錨桿支護(hù)單進(jìn)水平有了較大提高；有些礦區(qū)還引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的連續(xù)采煤機(jī)配錨桿臺(tái)車(chē)的施工工藝與設(shè)備，以及掘錨聯(lián)合機(jī)組，大幅度提高了煤巷掘進(jìn)速度。7.研制出錨桿支護(hù)施工質(zhì)量檢測(cè)與礦壓監(jiān)測(cè)成套儀器頂板離層指示儀、測(cè)力錨桿、錨桿(索)測(cè)力計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器及礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在井下得到推廣應(yīng)用，在判斷支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性、圍巖的穩(wěn)定性與巷道的安全性方面起到重要作用。8.開(kāi)發(fā)出多種形式的錨注錨桿將錨固與注漿加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，開(kāi)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。它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。9.部分礦區(qū)制訂了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范有些礦區(qū)針對(duì)具體條件，制訂了本礦區(qū)的煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，促進(jìn)了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的健康發(fā)展。10.煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)已在我國(guó)煤礦得到大面積推廣應(yīng)用，解決了大量巷道支護(hù)加固難題，取得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。六、我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)存在的問(wèn)題與展望雖然我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)取得了很大進(jìn)展，但還存在很多問(wèn)題。為了將這項(xiàng)技術(shù)推廣、應(yīng)用得更好，為煤炭工業(yè)帶來(lái)更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)該總結(jié)存在的不足，為以后的發(fā)展提出建議。1.錨桿支護(hù)作用機(jī)理的研究雖然我國(guó)學(xué)者在煤巷錨桿支護(hù)作用機(jī)理方面做了大量工作，提出多種支護(hù)理論，在實(shí)際應(yīng)用中也解決了不少問(wèn)題。但是由于煤巷地質(zhì)條件的復(fù)雜性與多變性，導(dǎo)致對(duì)錨桿支護(hù)作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還缺乏全面性、系統(tǒng)性，缺乏細(xì)化的、深入的試驗(yàn)研究。對(duì)深部高地應(yīng)力巷道、極破碎圍巖巷道等困難條件的支護(hù)理論研究還很不夠。因此，針對(duì)我國(guó)煤礦巷道條件，在錨桿支護(hù)理論方面還需進(jìn)行大量細(xì)致、深入的研究與試驗(yàn)。2.巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，包括地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)參數(shù)，是保證錨桿支護(hù)合理、有效、可靠、安全的前提條件。但是，目前我國(guó)僅有少數(shù)礦區(qū)進(jìn)行了比較全面、系統(tǒng)的測(cè)試工作，大多數(shù)礦區(qū)缺乏錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)必須的基礎(chǔ)參數(shù)，設(shè)計(jì)的合理性與可靠性無(wú)法保證。今后，應(yīng)該把巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試放在十分重要的位置，并把它列為錨桿支護(hù)技術(shù)必不可少的工作。此外，目前缺乏有效的巷道地質(zhì)構(gòu)造超前預(yù)報(bào)手段。掘進(jìn)遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)只能臨時(shí)采取措施，極易導(dǎo)致冒頂、片幫事故發(fā)生。因此，急需開(kāi)發(fā)巷道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)儀器。3.煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法的研究與推廣煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)從過(guò)去簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法、理論計(jì)算法，發(fā)展到現(xiàn)在以數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法。但是，目前我國(guó)許多礦區(qū)還是以經(jīng)驗(yàn)法為主，設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，不重視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、分析與反饋。有的礦井甚至不論巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件如何，都是一種支護(hù)形式和參數(shù)，導(dǎo)致巷道冒頂事故時(shí)有發(fā)生。因此，在我國(guó)煤礦應(yīng)大力推廣先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，使現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員能夠掌握和實(shí)際應(yīng)用，并不斷改進(jìn)與提高。4.錨桿支護(hù)材料的多樣化、系列化與標(biāo)準(zhǔn)化太多，不同層次廠家的產(chǎn)品質(zhì)量相差懸殊。有必要制定錨桿支護(hù)材料系列及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)；其次，針對(duì)目前巷道多、監(jiān)測(cè)工作量盡管我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦煤及半煤巖巷錨桿支護(hù)率已達(dá)到60%左右，但是煤巷錨桿支的支護(hù)方式，許多地方煤礦錨桿支護(hù)為零，地方煤礦的錨桿支護(hù)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)有重點(diǎn)煤第二章煤巷錨桿支護(hù)理論錨桿支護(hù)理論研究的目的是弄清錨桿、錨索與圍巖之間的相互作用關(guān)系，從而為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。自從錨桿支護(hù)問(wèn)世以來(lái)，人們一直把錨桿支護(hù)作用機(jī)理作為一個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行了廣泛、深入的研究。傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論等。這些理論都是在一定假說(shuō)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同圍巖條件提出的。由于理論簡(jiǎn)明易懂、設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單，因此得到廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極作用。但是，這些理論都存在一定的片面性和局限性，不能適用于各種巷道條件。隨著我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)錨桿支護(hù)理論的研究也取得較大進(jìn)展。在大量理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬及井下試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化了對(duì)錨桿支護(hù)作用本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，并應(yīng)用于工程實(shí)踐，指導(dǎo)和促進(jìn)了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用。第一節(jié)錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用錨桿支護(hù)由錨桿桿體、托板和螺母、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。因此，有必要對(duì)錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用分別進(jìn)行分析。一、錨桿桿體的作用對(duì)于錨桿桿體本身來(lái)說(shuō)，由于桿體長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的尺寸，所以力學(xué)上屬于桿件。這種構(gòu)件主要可以提供兩方面的作用(圖2-1),第一是抗拉，其次是抗剪作用。至于桿體的抗彎能力和抗壓能力是非常小的，可以忽略不計(jì)。錨桿樹(shù)脂錨固劑巖層移動(dòng)→錨桿樹(shù)脂錨固劑巖層移動(dòng)→-巖層移動(dòng)錨桿桿體樹(shù)脂錨固劑巖層膨脹巖層膨脹錨桿張力阻止巖層移動(dòng)樹(shù)脂對(duì)錨桿桿體的作用巖層移動(dòng)對(duì)樹(shù)脂的作用圖2-1錨桿桿體的作用(以樹(shù)脂錨桿為例)1.錨桿的抗拉作用錨桿桿體所能承受的拉斷載荷可用下式計(jì)算：式中P——錨桿拉斷載荷，N;d——錨桿直徑，mm;常用錨桿鋼材的力學(xué)強(qiáng)度見(jiàn)表2-1。屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度/從表2-1中看出，對(duì)于常用直徑20mm的錨桿桿體，圓鋼(Q235)、高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB400)、超高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB600)的拉斷載荷分別約為119.4kN、179.1kN、251.3kN,后兩者分別是前者的1.5和2.1倍。2.錨桿的抗剪作用錨桿桿體所能承受的剪切載荷可用下式計(jì)算：b——錨桿鋼材剪切強(qiáng)度，MPa。根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)于塑性材料，剪切強(qiáng)度一般是拉伸強(qiáng)度的0.6~0.8倍，取平均值0.7倍，得各種錨桿鋼筋的剪切極限強(qiáng)度見(jiàn)表2-2。剪切強(qiáng)度/剪斷載荷/kN從表2-2中看出，對(duì)于常用直徑20mm的錨桿桿體，圓鋼(Q235)、高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB400)、超高強(qiáng)度螺紋鋼(BHRB600)的剪斷載荷分別約為83.6kN、125.3kN、二、錨桿托板的作用托板是錨桿的重要構(gòu)件，對(duì)錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮影響很大。托板的作用可分為兩個(gè)方面：一是通過(guò)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(yù)緊力，并使預(yù)緊力擴(kuò)散到錨桿周?chē)拿簬r體中，從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，抑制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和節(jié)理裂隙的張開(kāi)，實(shí)現(xiàn)錨桿的主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)作用；其二是圍巖變形使載荷作用于托板上，通過(guò)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)揮錨桿控制圍巖變形的托板力學(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。托板強(qiáng)度不足、安裝質(zhì)量差、受較大偏載都會(huì)顯著降低錨桿的作用。對(duì)于端部錨固錨桿，托板是錨桿尾部接觸圍巖的構(gòu)件，通過(guò)托板給錨桿施加預(yù)緊力，傳遞圍巖載荷至錨桿桿體，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(huì)使錨桿失去支護(hù)作用。對(duì)于加長(zhǎng)錨固錨桿，托板的作用同樣重要，通過(guò)托板壓緊巷道表面給錨桿施加預(yù)緊力，預(yù)緊力對(duì)錨桿工作阻力和受力分布又產(chǎn)生影響，提高支護(hù)效果。托板對(duì)全長(zhǎng)錨固錨桿的受力分布有明顯的影響。圖2-2所示是有、無(wú)托板時(shí)錨桿軸力與剪力分布示意圖。無(wú)托板時(shí)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(shí)，由于錨桿施加的預(yù)緊力和圍巖通過(guò)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(dòng)，更接近巷道表面。0軸向力0(a)無(wú)托板剪應(yīng)力0軸向力0剪應(yīng)力(b)有托板圖2-2托板對(duì)全長(zhǎng)錨固錨桿受力分布的影響錨固劑的主要作用是將鉆孔孔壁巖石與桿體黏結(jié)在一起，使錨桿發(fā)揮支護(hù)作用。同時(shí)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。1.錨固劑的黏結(jié)作用在工程設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算錨桿拉拔力的簡(jiǎn)化方法是假定錨固劑與桿體、錨固劑與鉆孔孔壁之間的黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度內(nèi)均勻分布，則錨桿拉拔力可用下式計(jì)算：式中P——錨桿拉拔力，kN;l——錨固長(zhǎng)度，m;t?——錨固劑與桿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度，MPa;d——錨桿直徑，mm;D——鉆孔直徑，mm。這種簡(jiǎn)化的方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但不符合錨桿拉拔時(shí)黏結(jié)應(yīng)力分布的實(shí)際情況。至于錨桿在實(shí)際工作狀態(tài)下黏結(jié)應(yīng)力的分布與拉拔試驗(yàn)時(shí)還有很大區(qū)別，影響因素更多、更復(fù)雜。這些影響因素包括錨固劑性能、圍巖性質(zhì)、鉆孔直徑和粗糙度、錨桿直徑與粗糙度、鉆孔與錨桿直徑差等。關(guān)于錨桿在拉拔狀態(tài)下和實(shí)際工作狀態(tài)下黏結(jié)應(yīng)力的分布，國(guó)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。在拉拔狀態(tài)下，桿體錨固段剪應(yīng)力分布為負(fù)指數(shù)曲線，如圖2-3所示。可用下式式中t(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;K?——錨固劑的剪切剛度，MPa;美國(guó)學(xué)者采用拉拔試驗(yàn)測(cè)定錨固在混凝土中樹(shù)脂錨桿拉拔力在桿體中的傳播規(guī)律，得出圖2-4所示的曲線，表明軸向力在桿體上呈負(fù)指數(shù)分布，與黏結(jié)應(yīng)力有同樣的趨勢(shì)。由式(2-4)可知，錨固起始段處x=0,t(0)=c。當(dāng)t(0)<[t]([t]為黏結(jié)強(qiáng)度),錨固劑不會(huì)發(fā)生破壞。隨著拉拔力增加，t(0)也逐漸增加。當(dāng)t(0)=[t],錨固劑發(fā)生破壞。黏結(jié)應(yīng)力逐漸從圖2-3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(dòng)。當(dāng)曲線下方面積最大時(shí)，錨桿拉拔力達(dá)到最大。假設(shè)錨固劑破壞到錨固長(zhǎng)度中點(diǎn)，拉拔力最大，可得出最大拉拔力Pmax的表達(dá)式：錨40距錨固起始點(diǎn)的距離/mm圖2-4拉拔力在桿體上的分布式中α——?dú)堄囵そY(jié)應(yīng)力影響系數(shù)；l——錨固長(zhǎng)度，mm。2.錨固劑的抗拉與抗剪作用我國(guó)樹(shù)脂錨固劑的抗拉強(qiáng)度一般可取11.5MPa。如果φ28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹(shù)脂錨固劑，則錨固劑可提供7.08kN的抗拉力。如果φ20mm的桿體，安裝在φ28mm的鉆孔中，則錨固劑可提供3.47kN的抗拉力?？梢?jiàn)錨固劑提供的抗拉力遠(yuǎn)小于樹(shù)脂錨固劑的抗剪強(qiáng)度一般可取35MPa。如果φ28mm的鉆孔中不安裝錨桿，只注樹(shù)脂錨固劑，則錨固劑可提供21.54kN的抗剪力。如果φ20mm的桿體，安裝在φ28mm的鉆孔中，則錨固劑可提供10.55kN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%?？梢?jiàn)錨固劑可提供一定的抗剪能力。按錨桿錨固長(zhǎng)度，可將錨固方式分為端部錨固、加長(zhǎng)錨固與全長(zhǎng)錨固。對(duì)于端部錨固錨桿，錨固劑的作用在于提供黏結(jié)力，使錨桿能承受一定的拉力。錨桿拉力除錨固端外，沿長(zhǎng)度方向是均勻分布的(圖2-5)。由于錨桿與鉆孔間有較大空隙，所以錨桿抗剪能力只有在巖層發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)后才能發(fā)揮出來(lái)。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，錨固劑的作用比較復(fù)雜，主要有兩方面：將錨桿桿體與鉆孔孔壁黏結(jié)在一起，使錨桿隨著巖層移動(dòng)承受拉力；當(dāng)巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，與桿體共同起抗剪作用，阻止巖層發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)于端部錨固錨桿，桿體各部位的應(yīng)力和應(yīng)變相等。在錨固范圍內(nèi)，任何部位巖層的離層都均勻地分散到整個(gè)桿體的長(zhǎng)度上，導(dǎo)致桿體受力對(duì)圍巖變形和離層不敏感，支護(hù)剛度低。對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，這種分散是不可能的，致使應(yīng)力、應(yīng)變沿錨桿長(zhǎng)度方向分布極不均勻，離層和滑動(dòng)大的部位錨桿受力很大，桿體受力對(duì)圍巖變形和離層很敏感，能及時(shí)抑制圍巖離層與滑動(dòng)，支護(hù)剛度高，如圖2-5所示。這是全長(zhǎng)錨固錨桿與端部錨固錨桿200kN50kN的根本區(qū)別。四、鋼帶的作用鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，對(duì)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。鋼帶的作用主要表現(xiàn)在以下3方面：(1)錨桿預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散作用。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。(2)支護(hù)巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)作用。鋼帶對(duì)巷道表面提供支護(hù)，抑制淺部巖層離層、裂隙張開(kāi)，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(dòng)巖塊掉落。(3)均衡錨桿受力和提高整體支護(hù)作用。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。分析鋼帶受力的簡(jiǎn)化模型是將兩根錨桿之間的鋼帶段作為一簡(jiǎn)支梁(圖2-6),采用材料力學(xué)的相關(guān)公式計(jì)算鋼帶受力與變形。假設(shè)鋼帶受到均布載荷q的作用，則式中Mmx——鋼帶中點(diǎn)處最大彎矩，kN·m;f-——鋼帶撓度，mm;I——鋼帶慣性矩，m?。由式(2-6)、式(2-7)可知，q、a越大，鋼帶所受的彎矩越大，撓度也越大。相反，鋼帶的抗彎剛度(EI)越大，則鋼帶撓度越小。巷道支護(hù)要求鋼帶能夠提供足夠的支護(hù)力，同時(shí)鋼帶的撓度越小越好。綜合分析鋼帶的作用，得出鋼帶的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：護(hù)表面積、抗拉強(qiáng)度和抗彎剛度。一般認(rèn)為，網(wǎng)可以用來(lái)維護(hù)錨桿間的圍巖，防止松動(dòng)小巖塊掉落。其實(shí)，網(wǎng)的作用遠(yuǎn)不止這一個(gè)，特別是在高地應(yīng)力、破碎圍巖條件下，網(wǎng)是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中不可或缺的重要網(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。(2)緊貼巷道表面，提供一定的支護(hù)力(已有的研究成果表明，我國(guó)現(xiàn)用菱形金屬網(wǎng)，在保證施工質(zhì)量的條件下，可提供0.01MPa的支護(hù)力),一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況。同時(shí)，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護(hù)系統(tǒng)。(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(duì)深部圍巖也有良好的支護(hù)作用。如圖2-7所示，有網(wǎng)的情況下，雖然巷道表面圍巖已破壞，但沒(méi)有松散、垮落，可作為傳力介質(zhì)，使巷道深部圍巖仍處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高巖體的殘余強(qiáng)度，顯著減小圍巖松散、破碎區(qū)范圍，同時(shí)也保證了錨桿的錨固效果。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用錨網(wǎng)加固的試件在受載破壞時(shí)，裂成密集的細(xì)柱狀桿系，殘?bào)w較完整，殘余強(qiáng)度為極限抗壓強(qiáng)度的1/4左右；無(wú)網(wǎng)錨桿加固試件殘?bào)w不完整，無(wú)明顯的殘余強(qiáng)度。如果沒(méi)有金屬網(wǎng)或金屬網(wǎng)失效，圍巖破壞會(huì)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。第二節(jié)錨桿支護(hù)的加固作用以上分析了錨桿支護(hù)各構(gòu)件的作用，在實(shí)際支護(hù)狀況下，錨桿支護(hù)各構(gòu)件共同發(fā)揮作用，控制圍巖變形與破壞。本節(jié)分析錨桿提供的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)煤巖體強(qiáng)度的影響，以及對(duì)煤巖體內(nèi)層理、節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面的加固作用。一、錨桿提供的支護(hù)強(qiáng)度首先將錨桿作為抗拉構(gòu)件分析其支護(hù)加固作用。將錨固巖體看成是一種復(fù)合材料，錨桿加固作用主要由桿體的拉力所致，這樣桿體的加固作用是提高復(fù)合材料在桿體方向的剛度。錨桿的加固作用引起的錨固體變形模量的增加值可用下式表示：E?——鋼材的彈性模量，MPa;若桿體直徑20mm,錨桿間排距為0.8m×0.8m,鋼材的彈性模量為210000MPa,則錨固體變形模量的增加值為103MPa。對(duì)于變形模量大于1000MPa的巖石來(lái)說(shuō)，桿體提高變形模量的效應(yīng)不明顯。表2-3列出錨桿間排距0.8m×0.8m條件下，不同材質(zhì)、不同直徑桿體的支護(hù)強(qiáng)度。表2-3錨桿的支護(hù)強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度/由摩爾強(qiáng)度理論可知，巖石強(qiáng)度與其所受的圍壓有如下關(guān)系：式中σ?——巖石強(qiáng)度，MPa;由式(2-10)可知，圍壓越高，巖石強(qiáng)度越大。在巷道頂板安裝錨桿就相當(dāng)于給頂板提供了圍壓。如表2-3所列，以直徑為22mm的高強(qiáng)度錨桿(BHRB400)為例，它可提供的最大圍壓為0.34MPa。假設(shè)巖石的內(nèi)摩擦角為35°,則σ?可提高1.26MPa。對(duì)于中等強(qiáng)度以上巖石(單軸抗壓強(qiáng)度大于30MPa),這個(gè)增加值就顯得很小，因此錨桿支護(hù)在巖石破壞前對(duì)其強(qiáng)度影響不大。對(duì)于煤體則情況有所不同。因煤層的強(qiáng)度比較低，特別是中等強(qiáng)度以下的煤層(煤層單軸抗壓強(qiáng)度小于15MPa),錨桿在煤體破壞前對(duì)其強(qiáng)度有比較明顯的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)錨桿錨固前后巖體力學(xué)性能的變化進(jìn)行了比較全面、系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，巖體錨固后可不同程度地提高其強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。而且，錨桿的主要作用是改善破碎區(qū)、塑性區(qū)內(nèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)，提高其屈服后的強(qiáng)度。有無(wú)錨桿約束時(shí)巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線如圖2-8所示。可見(jiàn)，錨桿顯著增加了巖石屈服后的強(qiáng)度，使巖石的破壞變得比較平緩。T屈服點(diǎn)有約束0巖石軟化(可以承載)E二、錨桿對(duì)不連續(xù)面的加固作用圍巖內(nèi)存在各種節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面，這些結(jié)構(gòu)面的分布與強(qiáng)度對(duì)巖體的整體強(qiáng)度影響很大。一般情況下，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度比較低，錨桿對(duì)其強(qiáng)度影響很大，從而明顯提高巖體的整體強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。如圖2-9所示，假定被平面節(jié)理切割的2塊分離巖塊中，安裝1根錨桿。當(dāng)2塊巖塊之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，桿體即承受載荷。位移u的分量為在桿體與節(jié)理交點(diǎn)，位移引起桿體所受的力為P。設(shè)P與桿體之間的夾角為β,則力與拉應(yīng)力所致(圖2-10a)。在比較軟的巖石，可以觀察到在桿體中有兩個(gè)塑性彎折對(duì)稱(chēng)地出現(xiàn)在節(jié)理兩側(cè)。在兩個(gè)彎折之間，桿體的傾斜度增大。破壞主要由拉應(yīng)力所致理論分析表明，影響桿體對(duì)節(jié)理抗剪強(qiáng)度作用的主要參數(shù)包括桿體的截面、鋼材的屈服強(qiáng)度、桿體的傾斜度、節(jié)理內(nèi)摩擦角、節(jié)理剪脹角及巖石強(qiáng)度等。桿體的作用可以用下式表示：式中F——桿體提供的節(jié)理切向抗力，kN;P?——桿體的拉伸屈服力，kN;根據(jù)國(guó)外學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)θ=30°,抗壓強(qiáng)度σ。=25MPa,a=0.88,b=0.39。假設(shè)φ=20°,則FT=1.02P?。對(duì)于直徑22mm的BHRB400桿體，Po=152.1kN,FT=155.1kN?？梢?jiàn)，錨桿提供的抗剪力是很大的。另外，法國(guó)學(xué)者F.Pellet,從已有大量錨桿加固節(jié)理剪切試驗(yàn)結(jié)果，得出以下經(jīng)驗(yàn)公式估算錨桿的作用。綜上所述，錨桿對(duì)不連續(xù)面的本質(zhì)作用在于：通過(guò)錨桿提供的軸向力與切向力，提高不連續(xù)面的抗剪強(qiáng)度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動(dòng)與滑動(dòng)。通過(guò)提高結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度提高節(jié)理巖體的整體強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。第三節(jié)現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論評(píng)述研究錨桿支護(hù)作用機(jī)理的目的是弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關(guān)系，從而為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。自從錨桿支護(hù)問(wèn)世以來(lái)，人們一直把錨桿支護(hù)作用機(jī)理作為一個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行了廣泛、深入的研究。到目前為止，已提出多達(dá)十幾種錨桿支護(hù)理論，如懸吊理論、組合梁理論及加固拱理論等。這些支護(hù)理論在生產(chǎn)實(shí)踐中起到了積極作用。但是，各種理論都有其適用條件，都不同程度地存在著局限性、片面性、不合理性和不可操作性。近年來(lái)，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)錨桿支護(hù)理論的研究也有了較大進(jìn)展。逐步認(rèn)識(shí)到預(yù)緊力在錨桿支護(hù)中的決定性作用，錨桿對(duì)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化作用，錨桿對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面離層、滑動(dòng)、節(jié)理裂隙張開(kāi)等擴(kuò)容變形的約束作用，以及保持圍巖完整性的重要性。這些認(rèn)識(shí)對(duì)提高錨桿支護(hù)效果，特別是困難條件巷道支護(hù)提供了有效的理論指導(dǎo)。懸吊理論認(rèn)為：錨桿支護(hù)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。懸吊理論是最早的錨桿支護(hù)理論，它具有直觀、易懂及使用方便等特點(diǎn)。特別是在頂板上部有穩(wěn)定巖層，而其下部存在松散、破碎巖層的條件下(圖2-11a),這種支護(hù)理論應(yīng)用比較廣泛。在比較軟弱的圍巖中，巷道開(kāi)掘后應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)松動(dòng)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(dòng)破碎的巖層懸吊在自然平衡拱上但是，懸吊理論存在以下明顯缺陷：(a)上部有穩(wěn)定巖層(b)上部形成自然平衡拱1—錨桿；2—松散破碎巖層；3—穩(wěn)定巖層(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(jiàn)。(2)錨桿安設(shè)后，由于巖層變形和離層，會(huì)使錨桿受力很大，而遠(yuǎn)非破碎巖層重量。(3)當(dāng)錨桿穿過(guò)破碎巖層時(shí)，錨桿提供的徑向和切向約束會(huì)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。而懸吊理論沒(méi)有考慮圍巖的自承能力。(4)當(dāng)圍巖松軟，巷道寬度較大時(shí)，錨桿很難錨固到上部穩(wěn)定的巖層或自然平衡拱上。懸吊理論無(wú)法解釋在這種條件下錨桿支護(hù)仍然有效的原因?？傊?，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，沒(méi)有涉及其抗剪能力及對(duì)破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。因此，理論計(jì)算的錨桿載荷與實(shí)際出入比較大。組合梁理論適用于層狀巖層。對(duì)于端部錨固錨桿，其提供的軸向力將對(duì)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產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于全長(zhǎng)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(cuò)動(dòng)的能力，支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。從巖層受力角度考慮，錨桿將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，如圖2-12所示。組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為：n——巖層總數(shù)。組合梁的最大彎曲應(yīng)變?yōu)槭街蠾——組合梁自重，MN/m2;B——巷道跨度，m;25(a)疊合梁(b)組合梁圖2-12錨桿支護(hù)的組合梁作用t——組合梁高度，m;組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。組合梁理論充分考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用，但是它存在以下明顯缺陷：(1)組合梁有效組合厚度很難確定。它涉及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒(méi)有一種方法比較可靠地估計(jì)有效組合厚度。(2)沒(méi)有考慮水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用。其實(shí)，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞、失穩(wěn)的主要原因。(3)只適用于層狀頂板，而且僅考慮了錨桿對(duì)離層及滑動(dòng)的約束作用，沒(méi)有涉及錨桿對(duì)巖體強(qiáng)度、變形模量及應(yīng)力分布的影響。三、加固拱理論大量的試驗(yàn)表明，即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個(gè)承載結(jié)構(gòu)。只要錨桿間距足夠小，各根錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互重疊，就能在巖體中產(chǎn)生一個(gè)均勻壓縮帶，如圖2-13所示，它可以承受破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。加固拱內(nèi)的巖體受徑向和切向約束，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，巖體承載能力得到提高。錨桿支護(hù)的作用是形成較大厚度和較大強(qiáng)度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定。1—錨桿；2—加固拱圖2-13錨桿支護(hù)的加固拱作用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。但是這種理論同樣存在一些明顯的缺陷：(1)只是將各錨桿的支護(hù)作用簡(jiǎn)單相加，得出支護(hù)系統(tǒng)的整體承載結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)錨固巖體力學(xué)特性及影響因素的深入研究。(2)加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準(zhǔn)確的估計(jì)。四、最大水平應(yīng)力理論國(guó)內(nèi)外井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，巖層中的水平應(yīng)力在很多情況下大于垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性；最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力，這種趨勢(shì)在淺部礦井尤為明顯。因此，水平應(yīng)力的作用逐步得到研究者的認(rèn)識(shí)和重視。澳大利亞學(xué)者W.J.Gale通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬分析，得出水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與穩(wěn)定性的作用(圖2-14)。他認(rèn)為，巷道頂?shù)装遄冃闻c穩(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響：當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差；當(dāng)兩者呈一定夾角時(shí)，巷道一側(cè)會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會(huì)偏向巷道的某一幫。在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形。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(cuò)動(dòng)，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。這也正是澳大利亞錨桿支護(hù)技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、全長(zhǎng)錨固的原因。五、圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論董方庭等在大量現(xiàn)場(chǎng)與試驗(yàn)研究工作的基礎(chǔ)上，提出圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論。巷道開(kāi)挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)將在圍巖中產(chǎn)生新的裂紋，其分布區(qū)域類(lèi)似圓形或橢圓27形，稱(chēng)之為圍巖松動(dòng)圈。圍巖一旦產(chǎn)生松動(dòng)圈，圍巖的最大變形載荷是松動(dòng)圈產(chǎn)生過(guò)程中的碎脹變形，圍巖破裂過(guò)程中的巖石碎脹變形是支護(hù)的對(duì)象?，F(xiàn)有支護(hù)無(wú)法有效阻止圍巖松動(dòng)圈的產(chǎn)生與發(fā)展。圍巖松動(dòng)圈的厚度主要是圍巖強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的函數(shù)，它是一個(gè)綜合指標(biāo)。圍巖松動(dòng)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。因此，可根據(jù)松動(dòng)圈的大小進(jìn)行圍巖分類(lèi)，并提出相應(yīng)的支護(hù)形式。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論，將錨噴支護(hù)按機(jī)理分3種類(lèi)型：①小松動(dòng)圈(厚度小于400mm),錨桿支護(hù)作用不明顯，只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。②中松動(dòng)圈(厚度在400~1500mm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(dòng)圈之外。③大松動(dòng)圈(厚度大于1500mm),錨桿的作用是給松動(dòng)圈內(nèi)破裂圍巖提供約束力，使其恢復(fù)到接近原巖的強(qiáng)度并具有可縮性，采用加固拱理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)?？梢?jiàn)，松動(dòng)圈支護(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。六、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論侯朝炯等在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。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；③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；④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；⑤圍巖錨固體強(qiáng)度提高后，可減小巷道周?chē)钠扑閰^(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。為全面了解巖體錨固前后力學(xué)參數(shù)的變化，進(jìn)行了相似材料模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：巖體錨固后，彈性模量有較大提高，且隨著錨桿密度增加而增大；錨桿對(duì)錨固體破壞前的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有影響，但程度不一樣(對(duì)錨固體黏聚力變化不大，最大可將巖體的黏聚力提高10%左右，但對(duì)錨固體的內(nèi)摩擦角影響較大);錨固體破壞后的黏聚力和內(nèi)摩擦角與無(wú)錨桿時(shí)相比均有不同程度的提高，錨桿密度越大，錨固體殘余階段的黏聚力越大，最大可提高50%以上。為描述錨桿對(duì)巖體的強(qiáng)化作用，引入強(qiáng)化系數(shù)，即錨固體的強(qiáng)度與未錨固巖體強(qiáng)度的比值。錨固體極限強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)K,為式中σ?——錨固體的殘余抗壓強(qiáng)度，MPa;σ*——未錨巖體的殘余抗壓強(qiáng)度，MPa。28試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，錨固體的強(qiáng)度總比無(wú)錨桿時(shí)提高，而且隨著錨桿密度增加錨固體的強(qiáng)化系數(shù)也不斷增加。在錨桿強(qiáng)度一定時(shí)，錨桿對(duì)殘余強(qiáng)度的強(qiáng)化作用大于對(duì)極限強(qiáng)度的強(qiáng)化，這對(duì)控制破碎區(qū)圍巖的變形，保持其穩(wěn)定性具有重要作用。第四節(jié)錨桿支護(hù)作用機(jī)理分析一、錨桿支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力的作用通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)構(gòu)件作用的分析，錨桿支護(hù)加固作用的研究，以及現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論的評(píng)述，結(jié)合巷道圍巖性質(zhì)的三要素(圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力),根據(jù)我國(guó)煤礦巷道圍巖變形、破壞的特點(diǎn)，歸納錨桿支護(hù)的作用如下：(1)錨桿支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，煤巖體錨固后可不同程度地提高其強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。但對(duì)于中等強(qiáng)度以上巖石(單軸抗壓強(qiáng)度大于30MPa,變形模量大于1000MPa),錨桿支護(hù)對(duì)巖石破壞前的強(qiáng)度和變形影響不明顯。而對(duì)于強(qiáng)度比較低的煤巖體，錨桿在煤巖體破壞前對(duì)其強(qiáng)度有比較明顯的影響。錨桿的主要作用是改善發(fā)生塑性變形和破碎煤巖的力學(xué)性質(zhì)，顯著提高其屈服后的強(qiáng)度，改變屈服后煤巖變形特性。(2)錨桿支護(hù)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的影響。圍巖內(nèi)存在各種節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)面，這些結(jié)構(gòu)面的分布與強(qiáng)度對(duì)煤巖體的整體強(qiáng)度影響很大。一般情況下，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度比較低，錨桿對(duì)其強(qiáng)度影響很大。錨桿對(duì)不連續(xù)面的本質(zhì)作用在于：通過(guò)錨桿提供的軸向力與切向力，提高不連續(xù)面的抗剪強(qiáng)度，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動(dòng)與滑動(dòng)。通過(guò)提高結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，提高節(jié)理煤巖體的整體強(qiáng)度、完整性與穩(wěn)定性。(3)錨桿支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響。巷道開(kāi)挖以后，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大變化，出現(xiàn)受拉與受剪的區(qū)域。通過(guò)錨桿給圍巖施加一定的壓應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于受拉區(qū)域，可抵消部分拉應(yīng)力，提高圍巖抗拉能力；對(duì)于受剪區(qū)域，通過(guò)壓應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力。二、影響錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵因素分析錨桿支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)及圍巖應(yīng)力都有不同程度的影響，究竟什么是影響錨桿支護(hù)作用的關(guān)鍵因素，怎樣才能充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)、及時(shí)支護(hù)的能力，提高巷道支護(hù)效果。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬與井下試驗(yàn)得出，提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度非常重要。提高支護(hù)剛度的途徑主要有兩方面：一是及時(shí)給錨桿施加較大的預(yù)緊力，并通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力有效擴(kuò)散；二是采用加長(zhǎng)錨固或全長(zhǎng)錨固，使桿體對(duì)圍巖離層、錯(cuò)動(dòng)非常敏感，能及時(shí)抑制離層與錯(cuò)動(dòng)的產(chǎn)生。特別是錨桿的預(yù)緊力在支護(hù)系統(tǒng)中起決定性作用。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)中有以下幾個(gè)術(shù)語(yǔ)：(1)錨桿預(yù)緊力：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿桿體施加的軸向拉力；(2)錨桿預(yù)緊力矩：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿螺母施加的力矩；(3)錨桿預(yù)應(yīng)力：在錨桿安裝過(guò)程中，對(duì)錨桿桿體施加的軸向拉應(yīng)力，等于錨桿預(yù)緊力與桿體橫截面積的比值。關(guān)于錨桿(索)預(yù)緊力的重要性，在巖土加固工程中已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可與重視。在交通、水利、水電及城市巖土邊坡工程中，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)和全長(zhǎng)錨固錨桿相結(jié)合的加固方式最為普遍。如三峽永久船閘長(zhǎng)1607m、高170m的邊坡，采用4000余根長(zhǎng)25~61m的3000kN預(yù)應(yīng)力錨桿(索)和100000余根高強(qiáng)度錨桿加固，保持了邊坡的穩(wěn)定。在隧道和地下硐室工程中，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)也是有效的加固手段。在城市基坑工程中，預(yù)應(yīng)力錨桿(索)背拉樁墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用十分普遍。數(shù)值計(jì)算表明，錨桿預(yù)緊力對(duì)基坑潛在滑移場(chǎng)產(chǎn)生很大影響。隨著錨桿預(yù)緊力的增加，基坑塑性區(qū)不斷縮小，當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，塑性區(qū)變得很小。在壩體工程中，采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)可將壩體與基巖緊固起來(lái)。我國(guó)已有的十幾座混凝土重力壩，采用拉力值2400~8000kN的預(yù)應(yīng)力錨桿(索)進(jìn)行加固。在上述巖土工程中，把錨桿(索)預(yù)緊力的作用放在十分重要的地位，進(jìn)行錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)緊力是關(guān)鍵參數(shù)。在國(guó)外，美國(guó)的礦井十分重視錨桿預(yù)緊力的作用。在20世紀(jì)70年代末，美國(guó)首次將漲殼式錨頭與樹(shù)脂錨固劑聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)了錨桿的高預(yù)緊力。此外，采用抗摩擦塑料墊圈也是提高錨桿預(yù)緊力的重要手段。目前，美國(guó)礦山巷道的錨桿預(yù)緊力一般為100kN,可以達(dá)到錨桿桿體屈服載荷的50%~75%。美國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，高預(yù)應(yīng)力錨桿顯著提高了復(fù)雜條件頂板的穩(wěn)定性，大大降低了冒頂事故。美國(guó)礦山之所以取得如此支護(hù)效果，源于兩方面的原因：其一是從機(jī)理上認(rèn)識(shí)到錨桿預(yù)緊力的重要作用。如美國(guó)J.Stankus和SongGuo研究了水平地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響，認(rèn)為水平地應(yīng)力是引起頂板離層、底鼓的主要原因，但可以通過(guò)提高頂板錨桿的預(yù)緊力，將水平地應(yīng)力的消極影響變?yōu)榉e極作用，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。其二是采用性能優(yōu)越的錨桿施工機(jī)具，在錨桿安裝過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)高預(yù)緊力。受美國(guó)巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理念的影響，我國(guó)學(xué)者對(duì)錨桿預(yù)緊力的作用也有一定的研究。朱浮聲、鄭雨天的研究結(jié)果表明，當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)60~70kN時(shí)，就可有效控制巷道頂板下沉，并可加大錨桿間排距，減小錨桿支護(hù)密度。陳慶敏等提出基于水平地應(yīng)力的“剛性”梁結(jié)構(gòu)，認(rèn)為當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到一定程度時(shí)，錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)和長(zhǎng)度以上的頂板離層得以消除，使巷道頂板形成“剛性”梁，從而保證頂板的穩(wěn)定。自1996年我國(guó)煤礦推廣應(yīng)用小孔徑預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨固錨索以來(lái)，錨桿支護(hù)的應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大，取得良好支護(hù)效果。不僅因?yàn)殄^索錨固深度大，更主要的是錨索可以施加較大的預(yù)緊力，抑制了圍巖的離層、滑動(dòng)等有害變形。小孔徑預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨固錨索是煤礦采用預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的典型例子?；诟哳A(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)思想，煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所在新汶深部高地應(yīng)力巷道(埋深1300m)、金川鎳礦高地應(yīng)力、破碎蠕變圍巖巷道等困難條件，采用高預(yù)應(yīng)力(80～100kN)、強(qiáng)力錨桿(拉斷力400kN)和錨索支護(hù)，有效控制了圍巖的