郭樂樂

(山西焦煤霍州煤電集團公司安監(jiān)局，山西 霍州 031400)

錨桿支護是以錨桿為主體，并配合金屬網和鋼帶等護表構件共同進行的支護作用，主要包括錨網、錨梁、錨網梁等形式。錨桿支護作為一種主動支護，能及時加固圍巖，提高圍巖強度及其承載能力，具有支護效果好，支護成本低等優(yōu)點，因而得到了迅速發(fā)展和廣泛使用［1］。

錨桿支護是一項系統(tǒng)工程，它涉及到設計、施工、支護材料、實測技術手段等各個方面，這些都依賴于對錨桿支護機理有一個正確的認識。自從錨桿支護問世以來，人們一直把錨桿支護作用機理作為一個重點，進行廣泛深入的研究，目的是弄清錨桿與圍巖之間的相互作用關系，從而為錨桿支護設計提供科學的理論基礎。半個世紀以來，有關煤礦巷道應用錨桿支護技術的各種設計方法和支護理論相繼問世，并在生產實踐中發(fā)揮了積極的指導作用。然而，這些理論大都不同程度地存在某些局限性，使錨桿支護在更廣泛領域的應用尚缺乏充分而可靠的理論依據。本文將在總結現有錨桿支護理論的基礎上，從力學的角度對錨桿支護機理進行定性與定量相結合的討論和分析。

1 現有的錨桿支護理論

1．1 懸吊理論

懸吊理論認為［2］：錨桿支護的作用就是將巷道頂板較軟巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性，見圖1。

圖1 上部有穩(wěn)定巖層的懸吊作用示意圖

特別是在比較軟弱的圍巖中，巷道開掘以后引起圍巖應力重新分布，圍巖出現松動區(qū)，在其上部形成自然平衡拱，錨桿支護的作用是將下部松動破碎的圍巖懸吊在自然平衡拱上，見圖2。

圖2 上部形成自然平衡拱的懸吊作用示意圖

雖然懸吊理論直觀地揭示了錨桿的懸吊作用，但在分析過程中沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開，這與實際情況有一定差距。如果頂板中沒有堅硬穩(wěn)定巖層或如果頂板軟弱層較厚，圍巖破碎區(qū)范圍較大，無法將錨桿錨固到上面堅硬巖層或者未松動巖層上，懸吊理論便不適用。

1．2 組合梁理論

組合梁理論認為［3］：在層狀巖體中開挖巷道，當頂板在一定范圍內不存在堅硬穩(wěn)定巖層時，錨桿的懸吊作用居次要地位。如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用將表現在兩方面：一方面是依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象;另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將巷道頂板錨固范圍內的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層，即組合巖梁。

組合梁理論是對錨桿將頂板巖層鎖緊成較厚巖層的解釋。在分析中，將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開，與實際情況有一定差距，而且隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時，組合梁也就不存在了。組合梁理論只適用于層狀頂板錨桿支護的設計，對于巷道兩幫則不適用。

1．3 錨固平衡拱理論

錨固平衡拱理論認為［4］：錨桿支護對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯效果，但當圍巖產生塑性破壞后，對提高圍巖的殘余強度及承載能力有顯著效果;錨桿與其錨固范圍內的圍巖構成一種組合型錨固支護體，在錨桿的軸向與橫向約束作用下，使塑性破壞后易與松動的圍巖形成具有一定承載能力，并可適應圍巖變形的平衡拱，見圖3。

圖3 錨固平衡拱原理示意圖

1．4 圍巖強度強化理論

侯朝炯等人在已有研究的基礎上，提出巷道錨桿支護的圍巖強度強化理論［2］。該理論基本內容如下：

1)錨桿支護的實質是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結構。

2)錨桿支護可提高錨固體的力學參數，如彈性模量、粘聚力、內摩擦角等，改善被錨固巖體的力學性能。

3)巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)內巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度均能得到強化。

4)錨桿支護可以改變圍巖的應力狀態(tài)，增加圍壓，提高圍巖的承載能力，改善巷道支護狀況。

5)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，從而有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

圍巖強度強化理論揭示了錨桿支護對提高圍巖峰值強度和殘余強度的作用，但是由于理論本身過于籠統(tǒng)抽象，因而很難用于現場錨桿支護設計，所以實際意義有限。

2 錨桿支護力學作用分析

錨桿支護由錨桿、金屬網及鋼帶等構件組成，錨桿支護的作用由這些構件共同完成。單體錨桿通常是由錨桿桿體、錨桿托盤和螺母組成。安設在巖體內部的錨桿，當巖體產生拉伸、壓縮或者剪切錯動等變形時，錨桿會對巖體的變形作出相應的反映，即錨桿會對巖體的變形破壞產生約束作用，具體表現為錨桿的軸向約束作用和錨桿的橫向約束作用［5］。下面從力學的角度對錨桿支護構件的作用進行分析。

2．1 錨桿的軸向約束作用

錨桿的軸向約束作用是指錨桿作用于巖體的平行于桿體長度方向的力學作用，是錨桿最主要的約束作用，它是錨桿與巖體有機結合的保證。錨桿的軸向約束作用力包括粘錨力和托錨力，見圖4(a)。

其中，粘錨力是指錨桿桿體通過錨固劑對孔壁巖石施加的用來抑制巖體膨脹變形的粘結力，這種力對穩(wěn)定圍巖起著很重要的作用;托錨力是指錨桿托盤作用于巖體的沿錨桿軸線方向的約束作用力，這種力可以阻止圍巖向巷道內位移，可使圍巖由平面應力狀態(tài)轉化為三向應力狀態(tài)，提高圍巖的強度。

1)粘錨力與錨桿軸力的關系。根據錨桿的錨固長度可將錨桿分為端部錨固錨桿和全長錨固錨桿。對于端部錨固錨桿，由于錨桿大部分桿體為自由段，其軸力只能通過錨固端與錨桿托盤施加到圍巖上，錨桿軸力沿長度方向是均勻分布的，見圖5(a)。對于全長錨固錨桿，錨桿應力應變沿錨桿長度方向分布極不均勻，見圖5(b)。

圖4 錨桿的兩種約束作用示意圖

圖5 端頭錨固錨桿與全長錨固錨桿軸向力分布示意圖

全長錨固的錨桿是靠其與孔壁之間的粘結剪應力來阻止圍巖向自由面的變形，剪應力的大小與圍巖和錨桿之間的相對位移成正比，且在靠近圍巖自由面的一段錨桿上，因錨桿阻止圍巖向巷道移動，錨桿表面產生指向圍巖自由面的剪應力，其余一段錨桿因受該段的拉拔作用，因此，錨桿表面的剪應力必然指向圍巖內部，以滿足錨桿的靜力平衡，因此，在錨桿長度內存在一個剪應力改變方向的點，該點被稱為中性點，其剪應力為零，錨桿軸向力最大，見圖6。

2)托錨力與錨桿軸力的關系。托錨力是指錨桿托盤對圍巖的最大徑向支護力。托盤是錨桿的重要構件，對全長錨固錨桿的應力分布有明顯的影響。無托盤時錨桿的軸力在巷道表面處為零，在一定深度達到最大值，剪力在軸力最大處為零，見圖7(a)。

有托盤時，通過托盤對錨桿施加的預緊力，將在錨桿表面產生預剪應力以及在錨桿體中產生軸力，見圖8。

圖6 全錨錨桿粘錨力與軸力分布示意圖

當圍巖變形時，在錨桿表面的剪應力將要與預剪應力疊加，從而使得錨桿里段的剪應力增大，外段的剪應力減小，錨桿軸力在巷道表面處達到一定值，錨桿軸力最大的位置向孔口移動，更接近巷道表面，見圖7(b)。

2．2 錨桿的橫向約束作用

錨桿的橫向約束作用是由于巖層沿層面或節(jié)理裂隙發(fā)生錯動時對錨桿桿體以及錨固劑產生剪切應力，錨桿以及錨固劑則以反作用力的形式對巖層的錯動產生約束，見圖4(b)。

錨桿中橫向作用力的分布特征受很多因素的影響，如錨桿的力學性質及幾何參數、圍巖的力學性質等。此外，不同類型的錨桿產生的橫向約束的效果也有明顯的差別：全長錨固的錨桿因錨桿孔完全充填，巖層一旦發(fā)生錯動，錨桿和錨固劑立即會產生橫向約束;相反，端錨錨桿由于自由段桿體并不與孔壁接觸，只有當錯動量達到一定程度錨桿桿體與孔壁接觸時，才開始產生橫向約束。如果在安裝錨桿時對錨桿施加一定的預緊力，此時錨桿會主動地對圍巖產生橫向的約束作用，這種橫向約束是通過增加巖層弱面上的正壓力進而增大其摩擦力來實現的。

圖7 托盤對全錨錨桿受力分布影響的示意圖

圖8 預剪應力和軸力示意圖

2．3 護表構件的作用

鋼帶是錨桿支護系統(tǒng)中的重要構件，其作用主要有兩方面，一是護表作用，錨桿施加的力通過鋼帶傳遞到巷道圍巖上，保證巷道圍巖的完整性和受力狀態(tài)，使圍巖從單向受力或雙向受力轉化為雙向或三向受力，提高圍巖的承載能力;二是通過鋼帶將單根錨桿連接起來，形成一個整體支護系統(tǒng)，提高錨桿支護的整體作用效果。目前，國內現用的鋼帶主要有平鋼帶、π型鋼帶、W型鋼帶和M型鋼帶等。

為分析鋼帶受力，將兩根錨桿之間的鋼帶簡化為簡支梁，利用材料力學簡支梁的撓度公式，可得出鋼帶的撓度為：

式中：

q—鋼帶對圍巖的支護作用力;

b—錨標間距;

E—鋼帶的彈性模量;

I—鋼帶的慣性矩。

由公式(1)可得：

梁的撓度與錨桿間距的4次方及頂板荷載成正比，與鋼帶的彈性模量及慣性矩成反比。巷道支護要求鋼帶能提供足夠的支護力，同時鋼帶的撓度越小越好。

因此，錨桿間距、鋼帶的彈性模量及慣性矩對巷道的支護效果有著直接的影響。

高質量的金屬網能有效控制錨桿之間非錨固巖層的變形，托住擠入巷道的巖石，是確保錨桿支護作用的重要措施。金屬網的作用主要表現在3個方面：

1)維護錨桿之間圍巖，防止巖塊跨落。

2)緊貼巷道表面，提供一定的支護力，在一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況，同時，將錨桿之間的巖層載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統(tǒng)。

3)金屬網不僅能有效控制巷道淺部圍巖的變形與破壞，而且對深部圍巖也有良好的支護作用。

3 結論

目前，錨桿支護的理論尚不成熟，可以認為仍處于理論探索和對支護機理的定性認識階段。本文通過總結現有的錨桿支護理論，并從力學的角度分析錨桿支護系統(tǒng)中各個構件的力學作用，在此基礎上，定性地提出了錨桿支護機理的幾點認識，主要結論可歸納如下：

1)現有的對錨桿支護機理的解釋，如懸吊理論、組合梁理論、錨固平衡拱理論等都是建立在某種簡化或假設模型的基礎上，因而這些理論都不同程度地存在某些片面性和局限性，與工程實踐實際情況往往有較大的出入。

2)錨桿支護系統(tǒng)對圍巖的作用主要體現為軸向約束作用和橫向約束作用。軸向約束作用是由于巖層膨脹變形而產生;橫向約束作用則是由于巖層沿層面或節(jié)理裂隙發(fā)生剪切錯動時而產生。

3)錨桿支護是兼有加固和支護兩種作用的圍巖控制技術。加固作用主要體現在錨桿支護能夠顯著提高破碎圍巖的力學參數，阻止不連續(xù)面產生移動與滑動;支護作用主要體現在錨桿支護系統(tǒng)能夠有效地控制錨固區(qū)圍巖的離層和滑動，最大限度地保持了錨固區(qū)圍巖的完整性，防止巖體塌落，能夠最大限度地利用圍巖的自承能力，限制圍巖的徑向位移。

［1］ 康紅普，王金華．煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2007：105－121．

［2］ 侯朝炯，勾攀峰．巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究［J］．巖石力學與工程學報，2000，19(3)：342－345．

［3］ 蔣金泉，韓繼勝．巷道圍巖結構穩(wěn)定性與控制設計［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1999：130－140．

［4］ 黃福昌．兗州礦區(qū)煤巷錨網支護技術［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：31－33．

［5］ 陸士良，湯 雷．錨桿錨固力與錨固技術［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1998：35－39．