摘要：本文就煤巖巷道在以往挖掘過程當中容易出現(xiàn)的失穩(wěn)問題，運用力學淺析辦法，針對錨桿和錨索支護機制進行了探究，解析了錨桿(索)加固巷道圍巖的原理。經過對錨固空間的彈塑性力學淺析，確定了錨固力作用下圍巖應力的改變狀況。運用錨桿、錨索聯(lián)合對城郊煤礦西翼十六采區(qū)進行支護，錨桿和錨索的錨固力分別達到120kN和150kN。
引言
煤巖巷道支護是井工開采煤礦提升巷道邊坡和頂板穩(wěn)定性的關鍵性科技方法，當下一些錨固材料分為錨桿和錨索兩種，二者在物理力學性質上有很大的不同之處[1]，在錨固機制上也有一定的差異性。經過錨桿(索)的組合作用，實現(xiàn)了對煤巖巷道的合理支護，提升了整個礦山的安全，文章針對兩種不同錨固原料機制進行演技，淺析錨固作業(yè)改善巖體條件的基本原理，揭示錨固支護的內涵。
1、錨桿支護理論分析
錨桿是一種剛性金屬材料，通常由碳鋼制成，安裝在礦山的巷道、隧道或露天礦的邊坡，通過錨桿的張拉和抗剪作用來提高巖體的穩(wěn)定性。其主要的作用機制是通過對錨桿施加預緊力來壓緊滑動巖體與穩(wěn)定巖體之間的節(jié)理面[2]，改善節(jié)理面的粘聚力和內摩擦角等參數(shù)來提高穩(wěn)定性，同時依靠錨桿自身的剛度提供一定的支擋作用，防止巖體滑動甚至脫落。按現(xiàn)有支護理論，錨桿支護作用的基本理論有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論等。
1.1懸吊理論
錨桿支護的作用是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以增強較軟弱巖層的穩(wěn)定性。其原理如圖1所示。這種支護理論應用比較廣泛，但存在以下明顯缺陷：
(1)錨桿受力只有當松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下等于破碎巖層的重量，而這種條件在巷道中并不多見，懸吊理論則認為錨桿受力就等于其加固區(qū)圍巖的重量[3]，這與錨桿實際受力情況存在很大偏差。
(2)沒有考慮錨桿安設后對破碎巖層變形和離層的控制作用。特別是當水平應力比較大時，頂板離層很大。為了減小破碎巖層的離層，保持頂板的穩(wěn)定性，應加大錨桿的預應力。
(3)當錨桿穿過破碎巖層時，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度的提高破碎巖層的整體強度，使其具有一定的承載能力，從而減小錨桿受力。
總之，懸吊理論在分析過程中不考慮圍巖的自承能力，而是將錨固體與原巖體分開，與實際情況有一定差距。懸吊理論只適用于巷道頂板，不適用于巷道幫、底。
1.2組合梁理論
如果頂板巖層中存在若干分層，頂板錨桿的作用，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(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，防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(組合梁)。
組合梁理論充分考慮了錨桿對層狀頂板離層及滑動的約束作用，原理上對錨桿作用分析的比較全面，但它存在以下缺陷：
(1)組合梁有效厚度很難確定，它涉及到頂板的巖層分布和影響錨桿支護的眾多因素，目前還沒有比較準確的理論方法來確定有效組合梁的厚度；
(2)沒有考慮水平應力對組合梁強度、穩(wěn)定性及錨桿荷載的影響。在水平應力較大的巷道中，水平應力是頂板破壞失穩(wěn)的主要原因。
1.3組合拱(壓縮拱)理論
在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝預應力錨桿，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱[5]，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大，如圖3所示。
組合拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用，在軟弱煤層中得到廣泛應用。但也同樣存在一些缺陷：
(1)影響加固拱厚度的因素很多，很難準確估計；
(2)加固拱厚度遠小于巷道跨度時，加固拱是否發(fā)生破壞不僅與其強度有關，更主要取決于加固拱的穩(wěn)定性，在該理論中沒有考慮。
2、錨索支護機制
錨索是一種柔性的錨固材料，一般有多股鋼絞線編制在一起制成該材料在進行錨固作業(yè)時通過自身提供的拉力來保證巷道頂板和邊幫的穩(wěn)定性。錨索有不同形式，如端錨預應力錨索，全長錨固預應力錨索，以及全長錨固非預應力錨索[6]等。不同形式的錨索其支護加固機制也有所不同。
(1)端錨預應力錨索
這種錨索主要起懸吊作用，如圖4所示。錨索把下部不穩(wěn)定巖層懸吊于上部穩(wěn)定的巖層。同時，由于錨索可施加較大的預緊力，可擠緊和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。
(2)全長錨固預應力錨索
這種錨索不僅具有端部錨固預應力錨索的各種作用，而且由于錨索沿全長錨固，具有類似全長錨固錨桿的作用。索體和錨固劑共同作用，提高巖體的整體強度和剛度。
(3)全長錨固非預應力錨索
與全長錨固預應力錨索相比，這種錨索的最大特點是沒有預緊力，因而承載速度慢，支護加固不及時。只有圍巖發(fā)生一定變形后錨索才承受較大的載荷。
3、錨桿(索)支護的力學分析
3.1彈性分析
為了定性地說明問題，將錨桿(索)支護簡化為作用于巷道周圍徑向的壓應力和錨固區(qū)圍巖體力學參數(shù)(E、)的提高，運用線彈性理論的解析法[7]，分析在不均勻、連續(xù)、各向同性巖體的圓形巷道中，錨桿(索)沿圓形巷道徑向等間距布置時，在圍巖中產生的附加應力。計算巷道錨固附加應力的力學模型如圖5所示。內徑為a，外徑為b，即錨固區(qū)范圍為b-a。錨固區(qū)彈性模量為E，泊松比為；原巖區(qū)彈性模量為E’，泊松比為。
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