巷道錨桿支護(hù)機(jī)理分析

郭樂樂

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)公司安監(jiān)局，山西 霍州 031400)

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

錨桿支護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它涉及到設(shè)計(jì)、施工、支護(hù)材料、實(shí)測技術(shù)手段等各個(gè)方面，這些都依賴于對錨桿支護(hù)機(jī)理有一個(gè)正確的認(rèn)識。自從錨桿支護(hù)問世以來，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(guān)系，從而為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。半個(gè)世紀(jì)以來，有關(guān)煤礦巷道應(yīng)用錨桿支護(hù)技術(shù)的各種設(shè)計(jì)方法和支護(hù)理論相繼問世，并在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了積極的指導(dǎo)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(hù)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用尚缺乏充分而可靠的理論依據(jù)。本文將在總結(jié)現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，從力學(xué)的角度對錨桿支護(hù)機(jī)理進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的討論和分析。

1 現(xiàn)有的錨桿支護(hù)理論

1．1 懸吊理論

懸吊理論認(rèn)為［2］：錨桿支護(hù)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(qiáng)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(yīng)力重新分布，圍巖出現(xiàn)松動(dòng)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(shí)際情況有一定差距。如果頂板中沒有堅(jiān)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(jiān)硬巖層或者未松動(dòng)巖層上，懸吊理論便不適用。

1．2 組合梁理論

組合梁理論認(rèn)為［3］：在層狀巖體中開挖巷道，當(dāng)頂板在一定范圍內(nèi)不存在堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層時(shí)，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(xiàn)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(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)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(cuò)動(dòng)，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)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(shí)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(shí)，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(hù)的設(shè)計(jì)，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(rèn)為［4］：錨桿支護(hù)對于提高圍巖自身的最大承載能力沒有明顯效果，但當(dāng)圍巖產(chǎn)生塑性破壞后，對提高圍巖的殘余強(qiáng)度及承載能力有顯著效果;錨桿與其錨固范圍內(nèi)的圍巖構(gòu)成一種組合型錨固支護(hù)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(dòng)的圍巖形成具有一定承載能力，并可適應(yīng)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(qiáng)度強(qiáng)化理論

侯朝炯等人在已有研究的基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)的圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論［2］。該理論基本內(nèi)容如下：

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)，如彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等，改善被錨固巖體的力學(xué)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(nèi)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)可以改變圍巖的應(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(qiáng)度強(qiáng)化理論揭示了錨桿支護(hù)對提高圍巖峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)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(xiàn)場錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，所以實(shí)際意義有限。

2 錨桿支護(hù)力學(xué)作用分析

錨桿支護(hù)由錨桿、金屬網(wǎng)及鋼帶等構(gòu)件組成，錨桿支護(hù)的作用由這些構(gòu)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(shè)在巖體內(nèi)部的錨桿，當(dāng)巖體產(chǎn)生拉伸、壓縮或者剪切錯(cuò)動(dòng)等變形時(shí)，錨桿會(huì)對巖體的變形作出相應(yīng)的反映，即錨桿會(huì)對巖體的變形破壞產(chǎn)生約束作用，具體表現(xiàn)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(xué)的角度對錨桿支護(hù)構(gòu)件的作用進(jìn)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(xué)作用，是錨桿最主要的約束作用，它是錨桿與巖體有機(jī)結(jié)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(jié)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(nèi)位移，可使圍巖由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖的強(qiáng)度。

1)粘錨力與錨桿軸力的關(guān)系。根據(jù)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(yīng)力應(yīng)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(jié)剪應(yīng)力來阻止圍巖向自由面的變形，剪應(yīng)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(dòng)，錨桿表面產(chǎn)生指向圍巖自由面的剪應(yīng)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(yīng)力必然指向圍巖內(nèi)部，以滿足錨桿的靜力平衡，因此，在錨桿長度內(nèi)存在一個(gè)剪應(yīng)力改變方向的點(diǎn)，該點(diǎn)被稱為中性點(diǎn)，其剪應(yīng)力為零，錨桿軸向力最大，見圖6。

2)托錨力與錨桿軸力的關(guān)系。托錨力是指錨桿托盤對圍巖的最大徑向支護(hù)力。托盤是錨桿的重要構(gòu)件，對全長錨固錨桿的應(yīng)力分布有明顯的影響。無托盤時(shí)錨桿的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，見圖7(a)。

有托盤時(shí)，通過托盤對錨桿施加的預(yù)緊力，將在錨桿表面產(chǎn)生預(yù)剪應(yīng)力以及在錨桿體中產(chǎn)生軸力，見圖8。

圖6 全錨錨桿粘錨力與軸力分布示意圖

當(dāng)圍巖變形時(shí)，在錨桿表面的剪應(yīng)力將要與預(yù)剪應(yīng)力疊加，從而使得錨桿里段的剪應(yīng)力增大，外段的剪應(yīng)力減小，錨桿軸力在巷道表面處達(dá)到一定值，錨桿軸力最大的位置向孔口移動(dòng)，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(cuò)動(dòng)時(shí)對錨桿桿體以及錨固劑產(chǎn)生剪切應(yīng)力，錨桿以及錨固劑則以反作用力的形式對巖層的錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)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(xué)性質(zhì)及幾何參數(shù)、圍巖的力學(xué)性質(zhì)等。此外，不同類型的錨桿產(chǎn)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(cuò)動(dòng)，錨桿和錨固劑立即會(huì)產(chǎn)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(dāng)錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到一定程度錨桿桿體與孔壁接觸時(shí)，才開始產(chǎn)生橫向約束。如果在安裝錨桿時(shí)對錨桿施加一定的預(yù)緊力，此時(shí)錨桿會(huì)主動(dòng)地對圍巖產(chǎn)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(jìn)而增大其摩擦力來實(shí)現(xiàn)的。

圖7 托盤對全錨錨桿受力分布影響的示意圖

圖8 預(yù)剪應(yīng)力和軸力示意圖

2．3 護(hù)表構(gòu)件的作用

鋼帶是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要構(gòu)件，其作用主要有兩方面，一是護(hù)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(zhuǎn)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(gè)整體支護(hù)系統(tǒng)，提高錨桿支護(hù)的整體作用效果。目前，國內(nèi)現(xiàn)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(xué)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(hù)作用力;

b—錨標(biāo)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(hù)要求鋼帶能提供足夠的支護(hù)力，同時(shí)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(hù)效果有著直接的影響。

高質(zhì)量的金屬網(wǎng)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(hù)作用的重要措施。金屬網(wǎng)的作用主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：

1)維護(hù)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(hù)力，在一定程度上改善巷道表面巖層受力狀況，同時(shí)，將錨桿之間的巖層載荷傳遞給錨桿，形成整體支護(hù)系統(tǒng)。

3)金屬網(wǎng)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(hù)作用。

3 結(jié)論

目前，錨桿支護(hù)的理論尚不成熟，可以認(rèn)為仍處于理論探索和對支護(hù)機(jī)理的定性認(rèn)識階段。本文通過總結(jié)現(xiàn)有的錨桿支護(hù)理論，并從力學(xué)的角度分析錨桿支護(hù)系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)件的力學(xué)作用，在此基礎(chǔ)上，定性地提出了錨桿支護(hù)機(jī)理的幾點(diǎn)認(rèn)識，主要結(jié)論可歸納如下：

1)現(xiàn)有的對錨桿支護(hù)機(jī)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(shè)模型的基礎(chǔ)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(shí)踐實(shí)際情況往往有較大的出入。

2)錨桿支護(hù)系統(tǒng)對圍巖的作用主要體現(xiàn)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(chǎn)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(cuò)動(dòng)時(shí)而產(chǎn)生。

3)錨桿支護(hù)是兼有加固和支護(hù)兩種作用的圍巖控制技術(shù)。加固作用主要體現(xiàn)在錨桿支護(hù)能夠顯著提高破碎圍巖的力學(xué)參數(shù)，阻止不連續(xù)面產(chǎn)生移動(dòng)與滑動(dòng);支護(hù)作用主要體現(xiàn)在錨桿支護(hù)系統(tǒng)能夠有效地控制錨固區(qū)圍巖的離層和滑動(dòng)，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。

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［4］ 黃福昌．兗州礦區(qū)煤巷錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)［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(shù)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1998：35－39．