1、锚杆(索)对煤岩巷道支护机制探究摘要：本文就煤岩巷道在以往挖掘过程当中容易出现的失稳问题，运用力学浅析办法，针对锚杆和锚索支护机制进行了探究，解析了锚杆(索)加固巷道围岩的原理。经过对锚固空间的弹塑性力学浅析，确定了锚固力作用下围岩应力的改变状况。运用锚杆、锚索联合对城郊煤矿西翼十六采区进行支护，锚杆和锚索的锚固力分别达到 120kN 和 150kN。 关键字：锚杆(索)；巷道支护；机制 中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号： 引言 煤岩巷道支护是井工开采煤矿提升巷道边坡和顶板稳定性的关键性科技方法，当下一些锚固材料分为锚杆和锚索两种，二者在物理力学性质上有很大的不同之处 1，在锚固
2、机制上也有一定的差异性。经过锚杆(索)的组合作用，实现了对煤岩巷道的合理支护，提升了整个矿山的安全，文章针对两种不同锚固原料机制进行演技，浅析锚固作业改善岩体条件的基本原理，揭示锚固支护的内涵。 1、锚杆支护理论分析 锚杆是一种刚性金属材料，通常由碳钢制成，安装在矿山的巷道、隧道或露天矿的边坡，通过锚杆的张拉和抗剪作用来提高岩体的稳定性。其主要的作用机制是通过对锚杆施加预紧力来压紧滑动岩体与稳定岩体之间的节理面2，改善节理面的粘聚力和内摩擦角等参数来提高稳定性，同时依靠锚杆自身的刚度提供一定的支挡作用，防止岩体滑动甚至脱落。按现有支护理论，锚杆支护作用的基本理论有悬吊理论、组合梁理论、加固拱理
3、论等。 1.1 悬吊理论 锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。其原理如图 1 所示。这种支护理论应用比较广泛，但存在以下明显缺陷： (1)锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下等于破碎岩层的重量，而这种条件在巷道中并不多见，悬吊理论则认为锚杆受力就等于其加固区围岩的重量3，这与锚杆实际受力情况存在很大偏差。 (2)没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较大时，顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，应加大锚杆的预应力。 (3)当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程
4、度的提高破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。 总之，悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而是将锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。 1.2 组合梁理论 如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，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，防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(组合梁)。 组合梁理论充分考虑了锚杆对层状顶板离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但它存在
5、以下缺陷： (1)组合梁有效厚度很难确定，它涉及到顶板的岩层分布和影响锚杆支护的众多因素，目前还没有比较准确的理论方法来确定有效组合梁的厚度； (2)没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的影响。在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。 1.3 组合拱(压缩拱)理论 在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱5，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，
6、其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图 3 所示。 组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软弱煤层中得到广泛应用。但也同样存在一些缺陷： (1)影响加固拱厚度的因素很多，很难准确估计； (2)加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要取决于加固拱的稳定性，在该理论中没有考虑。 2、锚索支护机制 锚索是一种柔性的锚固材料，一般有多股钢绞线编制在一起制成该材料在进行锚固作业时通过自身提供的拉力来保证巷道顶板和边帮的稳定性。锚索有不同形式，如端锚预应力锚索，全长锚固预应力锚索，以及全长锚固非预应力锚索6等。不同形式的锚索其支护加固机制也有所不同。 (1)端锚预应
7、力锚索 这种锚索主要起悬吊作用，如图 4 所示。锚索把下部不稳定岩层悬吊于上部稳定的岩层。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。 (2)全长锚固预应力锚索 这种锚索不仅具有端部锚固预应力锚索的各种作用，而且由于锚索沿全长锚固，具有类似全长锚固锚杆的作用。索体和锚固剂共同作用，提高岩体的整体强度和刚度。 (3)全长锚固非预应力锚索 与全长锚固预应力锚索相比，这种锚索的最大特点是没有预紧力，因而承载速度慢，支护加固不及时。只有围岩发生一定变形后锚索才承受较大的载荷。 3、锚杆(索)支护的力学分析 3.1 弹性分析 为了定性地说明问题，将锚杆(索)支护简化为作用于巷道周围径向的压应力和锚固区围岩体力学参数(E、)的提高，运用线弹性理论的解析法7，分析在不均匀、连续、各向同性岩体的圆形巷道中，锚杆(索)沿圆形巷道径向等间距布置时，在围岩中产生的附加应力。计算巷道锚固附加应力的力学模型如图 5 所示。内径为 a，外径为 b，即锚固区范围为b-a。锚固区弹性模量为 E，泊松比为；原岩区弹性模量为 E，泊松比为。参考文献 1 李钟. 巷道支护现状及发展趋势(一)J. 岩土工程界，2001(01). 2 李钟. 巷道坑支护现状及发展趋势(二)J. 岩土工程界，2001(02).
