石 垚

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

護(hù)表構(gòu)件是煤礦井下錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)煤礦巷道支護(hù)效果的發(fā)揮起到不可忽視的作用。目前我國(guó)煤礦錨桿支護(hù)采用的護(hù)表構(gòu)件主要有鋼筋托梁、W型鋼帶、W型鋼護(hù)板、M型鋼帶、п型鋼帶等。

在錨桿支護(hù)構(gòu)件力學(xué)性能及匹配性研究方面，康紅普等[1，2]對(duì)目前煤礦常用的錨桿、錨索組合構(gòu)件形式與力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并介紹了組合構(gòu)件在千米深井巷道、深部沿空留巷、松軟破碎圍巖巷道等復(fù)雜困難條件下的成功應(yīng)用實(shí)例；杜計(jì)平等[3]在實(shí)驗(yàn)室完成了錨桿、托板、鋼帶和螺母等支護(hù)構(gòu)件配合的力學(xué)性能試驗(yàn)，指出錨桿構(gòu)件的力學(xué)性能應(yīng)基于錨桿的破斷力合理配套。吳擁政[4]等利用落錘沖擊試驗(yàn)裝置，對(duì)煤礦常用的拱形托板及其組合構(gòu)件等進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。在錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)研究方面，已有學(xué)者采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行了大量研究工作[5-15]：基于原巖應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)，提出支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的概念；分析了不同預(yù)應(yīng)力下錨桿、錨索產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布特征，以及鋼帶對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的作用。此外，楊景森[16]指出在一定預(yù)緊力條件下，2根錨桿在錨固巖體內(nèi)的協(xié)同效應(yīng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，以及支護(hù)密度和支護(hù)構(gòu)件對(duì)協(xié)同效應(yīng)的增強(qiáng)作用。在錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)相似材料模擬研究方面，Jca B[17]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證實(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿可以改善圍巖的應(yīng)力分布。陳浩等[18]分析了圍巖體在錨桿支護(hù)后的應(yīng)力變化規(guī)律和錨桿的軸力變化規(guī)律。康紅普等[19]分析了2根錨桿形成的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)相互疊加與影響的特點(diǎn)。林健等[20]采用實(shí)驗(yàn)室相似模擬測(cè)試和分析了單根錨桿在不同工作載荷條件下圍巖橫向和縱向應(yīng)力場(chǎng)分布特征。上述研究成果主要側(cè)重錨桿護(hù)表構(gòu)件的力學(xué)性能、匹配性，以及支護(hù)應(yīng)力在圍巖內(nèi)的分布和作用等方面，在護(hù)表構(gòu)件對(duì)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布影響方面的研究主要以數(shù)值模擬為主，但均為定性研究，并未對(duì)不同護(hù)表構(gòu)件對(duì)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行詳細(xì)研究與對(duì)比，不能區(qū)分不同護(hù)表構(gòu)件之間在支護(hù)應(yīng)力擴(kuò)散方面的差異。本文以預(yù)應(yīng)力端部樹(shù)脂錨固錨桿為研究對(duì)象，通過(guò)自行制作的錨桿支護(hù)應(yīng)力分布測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試不同護(hù)表構(gòu)件條件下錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，并進(jìn)行對(duì)比分析，以期為煤礦巷道錨桿支護(hù)方案中護(hù)表構(gòu)件的合理選擇提供依據(jù)。

1 錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)所研究的問(wèn)題和煤礦井下常用的真實(shí)錨桿尺寸，自主設(shè)計(jì)了“錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)”，試驗(yàn)臺(tái)的幾何參數(shù)為長(zhǎng)×寬×高=3000 mm×2000 mm×2000 mm，在試驗(yàn)臺(tái)的中部布置4根錨桿，錨桿的間排距均為1000 mm，每根錨桿與試驗(yàn)臺(tái)相鄰最近的2個(gè)邊界的距離均為500 mm，錨固長(zhǎng)度均為500 mm，自由段長(zhǎng)度為1750 mm。建造試驗(yàn)臺(tái)所用的材料為水泥砂漿，模型材料的抗壓強(qiáng)度在40～50 MPa之間。由于試驗(yàn)不考慮原巖應(yīng)力，在試驗(yàn)臺(tái)表面沒(méi)有配備垂直和水平方向的應(yīng)力加載系統(tǒng)。

2 錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的支護(hù)材料主要包括錨桿、托盤、錨固劑和不同護(hù)表構(gòu)件(包括托盤、鋼筋托梁、W型鋼帶、W型鋼護(hù)板、M型鋼帶、Π型鋼帶6種類型)，其中，錨桿長(zhǎng)度為2400 mm、直徑為22 mm的HRB500號(hào)螺紋鋼錨桿，錨固劑為MSZ2335樹(shù)脂錨固劑，托盤為150 mm×150 mm×10 mm的拱形鋼托盤，不同護(hù)表構(gòu)件外形及幾何尺寸見(jiàn)表1。

表1 煤礦常用錨桿組合構(gòu)件參數(shù)

2.2 試驗(yàn)臺(tái)傳感器布置

在高度方向上設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)平面，在第1-3監(jiān)測(cè)平面上沿水平方向設(shè)置5條測(cè)線，間距均為125 mm，在第4監(jiān)測(cè)平面上由于錨桿位置的限制，共設(shè)置4條測(cè)線，測(cè)線間距同為125 mm，在沿錨桿軸線方向上每條測(cè)線上均安置9個(gè)傳感器，相鄰兩個(gè)傳感器的間距為300 mm，試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)一共安置傳感器171支XYJ-2型的振弦式傳感器，其布置方式如圖1所示。

圖1 傳感器布置方式(mm)

2.3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理

預(yù)緊力的加載主要通過(guò)扭矩扳手?jǐn)Q緊螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了更符合煤礦井下的實(shí)際條件，本次試驗(yàn)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試均在鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)的條件下進(jìn)行，即試驗(yàn)條件下的接觸關(guān)系為“護(hù)表構(gòu)件-金屬網(wǎng)-圍巖”，金屬網(wǎng)的絲徑為2.5 mm，孔邊長(zhǎng)約為55 mm。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 錨桿支護(hù)應(yīng)力測(cè)試

又因在煤礦井下護(hù)表構(gòu)件發(fā)揮作用時(shí)，一般需要至少2根錨桿共同作用時(shí)才能有所體現(xiàn)，因此將以2根錨桿共同作用時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布情況為基準(zhǔn)，以此來(lái)分析不同構(gòu)件對(duì)錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的擴(kuò)散作用。

3 錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

在本文中，壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值，圖像坐標(biāo)原點(diǎn)為錨桿1與試驗(yàn)臺(tái)表面的交點(diǎn)。還需特別說(shuō)明的是，由于第1列傳感器質(zhì)心所在的平面與試驗(yàn)臺(tái)模型表面的距離為150 mm，下文所說(shuō)的“模型表面”，實(shí)際是第1列傳感器質(zhì)心所在的平面，即Y=150 mm平面。

3.1 “托盤-2根錨桿”時(shí)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布

100 kN預(yù)緊力時(shí)“托盤-2根錨桿”支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3所示。由圖3(a)可以看出，在托盤的正下方的模型表面形成了2個(gè)明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)，錨桿中心位置應(yīng)力值最大；單根錨桿周圍壓應(yīng)力以錨桿為中心沿著錨桿徑向擴(kuò)散并迅速減小，分布形態(tài)接近似橢圓形；因?yàn)?根錨桿共同作用，在模型表面2根錨桿中間區(qū)域內(nèi)，2個(gè)獨(dú)立的壓應(yīng)力集中區(qū)有明顯的應(yīng)力疊加現(xiàn)象，即同一應(yīng)力等值面其在水平方向的擴(kuò)散范圍要顯著大于垂直方向，尤以10～30 kPa的壓應(yīng)力最為顯著；在模型側(cè)面，壓應(yīng)力可以充滿大部分模型空間，最外側(cè)應(yīng)力分布形態(tài)近似“馬蹄形”。由圖3(b)可以看出，在模型內(nèi)部，最外側(cè)的10 kPa的紅色壓應(yīng)力等值面可以在錨桿軸線方向和水平方向上連通，其分布范圍也最大；在10 kPa的紅色壓應(yīng)力等值面內(nèi)部，隨著壓應(yīng)力值的增加，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力等值面的分布范圍會(huì)顯著縮?。辉阱^桿尾部，90～700 kPa的壓應(yīng)力會(huì)形成近似圓錐形的空間分布，越靠近錨桿尾部，壓應(yīng)力值越大；在錨桿錨固段與自由段分界點(diǎn)附近，也會(huì)形成一個(gè)獨(dú)立壓應(yīng)力集中區(qū)，其空間分布形態(tài)類似一個(gè)橢球形；拉應(yīng)力主要分布在錨桿錨固段周圍，其空間分布形態(tài)類似于“花朵”形狀。

圖3 100 kN預(yù)緊力時(shí)“托盤-2根錨桿”應(yīng)力場(chǎng)分布情況

3.2 不同護(hù)表構(gòu)件模型表面的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布

為了定量化地對(duì)比不同護(hù)表構(gòu)件對(duì)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)散的效果，需要對(duì)圍巖表面的支護(hù)應(yīng)力分布形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，模型表面的支護(hù)應(yīng)力分布如圖4所示。通過(guò)對(duì)比模型表面應(yīng)力分布可知，支護(hù)應(yīng)力分布形態(tài)與構(gòu)件類型密切相關(guān)，2根錨桿共同作用下，在錨桿尾部區(qū)域均會(huì)形成一個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)，此壓應(yīng)力集中區(qū)又可分為核心區(qū)和邊緣區(qū)，應(yīng)力核心區(qū)應(yīng)力值大于200 kPa，其分布面積相對(duì)固定，邊緣區(qū)應(yīng)力值介于10～200 kPa之間，且在模型表面，后者的分布面積要更大，更易受護(hù)表構(gòu)件影響。

圖4 不同護(hù)表構(gòu)件-2根錨桿100 kN預(yù)緊力時(shí)模型表面應(yīng)力分布

1)托盤時(shí)模型表面的支護(hù)應(yīng)力核心區(qū)呈正方形，然后隨著擴(kuò)散半徑的增大，應(yīng)力分布呈橢圓形，應(yīng)力值越低，橢圓圓弧越光滑，100 kPa應(yīng)力分布橢圓其長(zhǎng)短軸分別為540 mm和440 mm，20 kPa應(yīng)力分布橢圓其長(zhǎng)短軸分別為700 mm和500 mm，此種應(yīng)力分布形態(tài)與試驗(yàn)臺(tái)的傳感器布置方式有關(guān)，即傳感器在水平方向的間距為125 mm，在垂直方向的間距為166.67 mm，這就導(dǎo)致垂直方向第一點(diǎn)距離小于水平方向第二點(diǎn)距離，垂直方向第二點(diǎn)的距離小于水平方向第三點(diǎn)的距離，但應(yīng)力隨著擴(kuò)散半徑的增大衰減速率不均衡，擴(kuò)散半徑越短衰減速率越大，進(jìn)而導(dǎo)致以傳感器測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，插值法生成云圖時(shí)，垂直方向應(yīng)力要偏大些，但隨著擴(kuò)散半徑的增加，此種影響會(huì)越來(lái)越弱。此外，邊緣區(qū)的10～20 kPa應(yīng)力由于2根錨桿的應(yīng)力疊加作用，其在水平方向擴(kuò)散范圍要比垂直方向更大，10 kPa應(yīng)力在水平方向最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離約為460 mm，無(wú)法在水平方向連通，就托盤產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)而言，其表面應(yīng)力主要集中分布在直徑為660 mm的圓環(huán)內(nèi)，其面積約為托盤面積的15.2倍。

2)W鋼護(hù)板在模型表面的支護(hù)應(yīng)力核心區(qū)分布形態(tài)與托盤時(shí)相似，但是大于200 kPa的應(yīng)力等值線分布更均勻，100 kPa應(yīng)力分布橢圓其長(zhǎng)短軸分別為600 mm和440 mm，20 kPa應(yīng)力分布橢圓其長(zhǎng)短軸分別為660 mm和520 mm，而且其10 kPa應(yīng)力等值面可以在水平方向連通，形似“眼鏡”狀，分布范圍要遠(yuǎn)大于托盤時(shí)10 kPa應(yīng)力分布范圍。

3)鋼筋托梁在模型表面的支護(hù)應(yīng)力核心區(qū)分布形態(tài)與錨桿和W鋼護(hù)板時(shí)差異顯著，其應(yīng)力核心區(qū)分布形態(tài)雖然依然呈橢圓形態(tài)，但其長(zhǎng)軸在水平方向，短軸在垂直方向，隨著擴(kuò)散半徑的增加，其邊緣應(yīng)力區(qū)的分布形態(tài)與托盤時(shí)類似。其主要原因是鋼筋托梁與試驗(yàn)臺(tái)表面的接觸方式為線接觸，且其寬度僅為85 mm，遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度方向，此種受力結(jié)構(gòu)導(dǎo)致應(yīng)力在水平方向的分布范圍要大于垂直方向。100 kPa應(yīng)力分布橢圓其長(zhǎng)短軸分別為430 mm和350 mm，20 kPa應(yīng)力分布橢圓其長(zhǎng)短軸分別為620 mm和510 mm，而且其10 kPa應(yīng)力等值面不能在水平方向連通，幾乎所有大于10 kPa的應(yīng)力都分布在直徑為700 mm的圓環(huán)內(nèi)。

4)W形鋼帶在模型表面的支護(hù)應(yīng)力核心區(qū)分布形態(tài)與錨桿和W鋼護(hù)板時(shí)差異顯著，應(yīng)力核心區(qū)應(yīng)力橢圓長(zhǎng)軸在水平方向，長(zhǎng)度為380 mm，短軸長(zhǎng)度為280 mm。100 kPa應(yīng)力分布基本在直徑為530 mm的圓環(huán)中，20 kPa應(yīng)力分布區(qū)類似于兩個(gè)長(zhǎng)軸相互垂直的橢圓，其垂直方向高度為660 mm，水平方向長(zhǎng)度為900 mm，且其10 kPa應(yīng)力在水平方向形成一個(gè)寬度達(dá)到500 mm的連續(xù)條帶，顯著的將錨桿尾部的集中應(yīng)力向2根錨桿中間轉(zhuǎn)移。

5)M形鋼帶在模型表面的支護(hù)應(yīng)力核心區(qū)分布形態(tài)與W形鋼帶時(shí)類似，應(yīng)力核心區(qū)其水平方向長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為400 mm，短軸長(zhǎng)度為260 mm。但是其100 kPa應(yīng)力分布橢圓的長(zhǎng)短軸分別為480 mm和300 mm，均要比托盤和W形鋼帶時(shí)短。20 kPa應(yīng)力分布區(qū)形態(tài)和范圍與W形鋼帶類似，但其10 kPa應(yīng)力剛好可以在水平方向上連通，近似可以形成一個(gè)寬度約為160 mm的壓應(yīng)力分布帶。

6)π形鋼梁在模型表面的支護(hù)應(yīng)力核心區(qū)分布形態(tài)也與W形鋼帶時(shí)類似，應(yīng)力核心區(qū)其水平方向長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為430 mm，短軸長(zhǎng)度為310 mm。其100 kPa應(yīng)力分布橢圓的長(zhǎng)短軸分別為600 mm和480 mm，100 kPa應(yīng)力分布橢圓的長(zhǎng)短軸分別為940 mm和650 mm，其10 kPa應(yīng)力在水平方向可形成一個(gè)寬度達(dá)到650 mm的連續(xù)壓應(yīng)力分布帶，顯著高于其他護(hù)表構(gòu)件。

3.3 不同護(hù)表構(gòu)件Z=0 mm切片支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)分布

護(hù)表構(gòu)件對(duì)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，不僅體現(xiàn)在圍巖表面，其對(duì)圍巖內(nèi)部的支護(hù)應(yīng)力分布形態(tài)亦有明顯影響，圍巖內(nèi)部的支護(hù)應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 不同護(hù)表構(gòu)件-2根錨桿100 kN預(yù)緊力時(shí)模型內(nèi)部應(yīng)力分布

通過(guò)對(duì)比模型內(nèi)部應(yīng)力分布云圖可知，支護(hù)應(yīng)力分布形態(tài)與護(hù)表構(gòu)件類型也直接相關(guān)，但亦有相似性。相似性主要體現(xiàn)在：2根錨桿共同作用下，在圍巖內(nèi)部均會(huì)形成2個(gè)軸向應(yīng)力集中區(qū)，以及橫向應(yīng)力擴(kuò)散疊加區(qū)；在錨桿軸向應(yīng)力集中區(qū)，錨桿自由段兩端附近各形成1個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)，錨桿錨固段附近形成了1個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)；軸向應(yīng)力集中區(qū)以錨桿軸線為中心，若以大于80 kPa的壓應(yīng)力分布范圍為參考，其擴(kuò)散半徑約為250 mm，但護(hù)表構(gòu)件不同，該擴(kuò)散半徑會(huì)有所增減；不同護(hù)表構(gòu)件產(chǎn)生的拉應(yīng)力集中區(qū)的分布形態(tài)、數(shù)值、范圍等基本一致，內(nèi)部壓應(yīng)力集中區(qū)的峰值應(yīng)力均為200 kPa左右；橫向應(yīng)力擴(kuò)散疊加區(qū)，由于2根錨桿的應(yīng)力疊加作用，在水平方向上支護(hù)應(yīng)力布滿整個(gè)模型，其中小于50 kPa的壓應(yīng)力可以在水平方向上連通。特異性主要體現(xiàn)在：不同護(hù)表構(gòu)件產(chǎn)生的壓應(yīng)力，在圍巖內(nèi)部的分布范圍具有明顯差異，尤其是10～200 kPa的壓應(yīng)力最為敏感。

為了便于比較，以100 kPa、80 kPa、60 kPa、40 kPa、30 kPa、20 kPa的應(yīng)力分布等值線為參考，分別比較同一應(yīng)力時(shí)，各護(hù)表構(gòu)件的應(yīng)力等值線的分布特征，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同護(hù)表構(gòu)件-2根錨桿100 kN預(yù)緊力時(shí)同一應(yīng)力等值線分布

以托盤時(shí)各應(yīng)力的等值線為參考，可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力為100 kPa、80 kPa、40 kPa、30 kPa、20 kPa時(shí)，在錨桿內(nèi)部的壓應(yīng)力集中區(qū)，即Y>1000 mm區(qū)域內(nèi)，托盤所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力等值線分布范圍基本為最大，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力為60 kPa時(shí)，只有π形鋼梁的應(yīng)力等值線分布范圍比托盤時(shí)要有所增大。但是在錨桿外部的應(yīng)力集中區(qū)，即Y<1000 mm區(qū)域內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力值大于60 kPa時(shí)，W形鋼帶、M形鋼帶、π形鋼梁應(yīng)力等值線的分布范圍在水平方向上要比托盤時(shí)大，而在錨桿軸線方向，分布范圍要比托盤時(shí)小，W鋼護(hù)板、鋼筋托梁的應(yīng)力分布范圍無(wú)論在水平方向還是錨桿軸線方向均要比托盤時(shí)低；當(dāng)應(yīng)力值介于20～40 kPa之間時(shí)，應(yīng)力等值線均可以在水平方向上連通，其中W形鋼帶、M形鋼帶、π形鋼梁應(yīng)力等值線要比托盤時(shí)更靠近圍巖表面，而W鋼護(hù)板、鋼筋托梁的應(yīng)力等值線位置基本與托盤時(shí)相近。

在Z=0 mm切片上，由各護(hù)表構(gòu)件的應(yīng)力等值線分布面積相對(duì)于托盤時(shí)的增量面積與切片面積之比可以看出，就總面積增量占比而言，W形鋼帶、M形鋼帶、π形鋼梁僅在30～60 kPa的應(yīng)力分布面積上比托盤更大，增量面積占比介于0%～6%之間；在淺部圍巖(Y<1000 mm)內(nèi)，各構(gòu)件的應(yīng)力分布面積增量占比均有不同程度的增加。

通過(guò)上述對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，同托盤相比，對(duì)于靠近錨桿錨固段附近的壓應(yīng)力，護(hù)表構(gòu)件總體是對(duì)其應(yīng)力分布范圍有減弱作用。但對(duì)于淺部圍巖內(nèi)的壓應(yīng)力，同托盤相比，其應(yīng)力分布范圍與護(hù)表構(gòu)件種類關(guān)系密切，其中W形鋼帶、M形鋼帶、π形鋼梁對(duì)淺部圍巖內(nèi)應(yīng)力分布具有明顯改善作用，尤其是可以增加20～60 kPa的應(yīng)力在淺部圍巖內(nèi)的分布面積。護(hù)表構(gòu)件對(duì)支護(hù)應(yīng)力的影響，具有明顯的分區(qū)效應(yīng)，由表及里近似于“彼長(zhǎng)此消”關(guān)系。

4 護(hù)表構(gòu)件對(duì)支護(hù)應(yīng)力擴(kuò)散效果的討論

從上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，無(wú)論是在圍巖表面還內(nèi)部，護(hù)表構(gòu)件可以明顯改變錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)中0～200 kPa的壓應(yīng)力分布情況，尤其是在圍巖表面，相比于托盤，W鋼護(hù)板、W形鋼帶和π形鋼梁可以明顯地改善2根錨桿之間薄弱區(qū)內(nèi)的圍巖受力情況，進(jìn)而大大提供錨桿支護(hù)的整體效果，形成群錨效應(yīng)。此外，本次試驗(yàn)是以一個(gè)2 m×2 m的平面代替巷道圍巖表面，是一種理想化的受力模型。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)圍巖與護(hù)表構(gòu)件的接觸更加充分，當(dāng)煤礦井下巷道圍巖表面一次支護(hù)時(shí)成形差，或者是補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圍巖表面凹凸不平時(shí)，鋼筋托梁、W型鋼帶、M型鋼帶、π型鋼梁因其結(jié)構(gòu)原因，導(dǎo)致構(gòu)件與圍巖的接觸關(guān)系發(fā)生改變，應(yīng)力的擴(kuò)散效果在類似條件下可能會(huì)與實(shí)驗(yàn)室條件有較大差別。因此，如果僅從預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散角度來(lái)講，當(dāng)巷道圍巖表面平整時(shí)，護(hù)表構(gòu)件的應(yīng)力擴(kuò)散效果從優(yōu)到劣的順序依次為π型鋼梁、W型鋼帶、M型鋼帶、W鋼護(hù)板、鋼筋托梁；當(dāng)巷道圍巖表面不平整時(shí)，綜合分析實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，W鋼護(hù)板因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在兼顧便于施工和應(yīng)力擴(kuò)散效果的條件下，其應(yīng)用效果可能優(yōu)于其他構(gòu)件。后期針對(duì)護(hù)表構(gòu)件對(duì)錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)影響的研究可圍繞護(hù)表構(gòu)件在不同圍巖表面特征條件下開(kāi)展，通過(guò)還原圍巖與護(hù)表構(gòu)件的多種接觸關(guān)系，以此補(bǔ)充完善護(hù)表構(gòu)件方面的系統(tǒng)研究。

5 結(jié) 論

1)2根錨桿共同作用下，在圍巖表面，錨桿尾部區(qū)域均會(huì)形成一個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)，此壓應(yīng)力集中區(qū)又可分為核心區(qū)和邊緣區(qū)，壓應(yīng)力核心區(qū)應(yīng)力值大于200 kPa，邊緣區(qū)壓應(yīng)力值介于10～200 kPa之間，應(yīng)力核心區(qū)分布面積相對(duì)固定，邊緣區(qū)應(yīng)力分布范圍與構(gòu)件類型關(guān)系密切。

2)在圍巖表面，W鋼護(hù)板、W形鋼帶、M形鋼帶和π形鋼梁的10 kPa應(yīng)力可以在水平方向上連通，可以將錨桿尾部的2個(gè)獨(dú)立應(yīng)力集中區(qū)連接起來(lái)，形成群錨效應(yīng)，尤其是W形鋼帶和π形鋼梁，其10 kPa應(yīng)力在水平方向可分別形成一個(gè)寬度達(dá)500 mm和650 mm的連續(xù)條帶，顯著地改變支護(hù)應(yīng)力在圍巖表面的分布情況。

3)護(hù)表構(gòu)件對(duì)圍巖內(nèi)部的支護(hù)應(yīng)力分布形態(tài)亦有明顯影響，尤其是10～200 kPa的壓應(yīng)力對(duì)構(gòu)件類型最為敏感，大于200 kPa的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的分布范圍受構(gòu)件類型影響較小。

4)同托盤相比，在圍巖內(nèi)部，護(hù)表構(gòu)件對(duì)支護(hù)應(yīng)力的重新分布具有明顯的分區(qū)效應(yīng)，由表及里近似于“彼長(zhǎng)此消”關(guān)系，W形鋼帶、M形鋼帶、π形鋼梁可以明顯增加20～60 kPa的應(yīng)力在淺部圍巖內(nèi)的分布面積。