锚杆（索）对煤岩巷道的支护机理研究

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1、锚杆（索）对煤岩巷道的支护机理研究【摘　　要】针对于煤岩巷道在长期掘进的过程中易失稳的问题，采用力学分析方法，对锚杆和锚索的支护机理进行了研究，剖析了锚杆（索）加固巷道围岩的基本原理，列举了锚杆和锚索的加固理论。通过对锚固区域的弹塑性力学分析，明确了锚固力作用下围岩应力的变化情况。采用锚杆、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；机理　　引言　　煤岩巷道支护是井工开采煤矿提高巷道边坡和顶板稳定性的主要的技术手段，现有的主要锚固材料分为锚杆和锚索两种，二者在物理力学性质方面存在区别[1]，在锚固机理上也存在着

2、一定的差异。通过锚杆（索）的组合作用，实现了对煤岩巷道的有效支护，提高了整个矿山的安全性，本文针对于两种不同锚固材料的机理进行演技，分析锚固作业改善岩体条件的基本原理，揭露锚固支护的本质。　　1、锚杆支护理论分析　　锚杆是一种刚性金属材料，一般由碳钢制成，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。其主要的作用机理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

3、拱理论等。　　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

4、切向约束会不同程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[4]，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）。其原理如图2所示。　　组合梁理论充分考虑了锚杆对层状顶板离层及滑动的

5、约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但它存在以下缺陷：　　（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

6、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，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、锚索支护机理　　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【摘　　要】针对于煤岩巷道在长期掘进的过程中易失稳的问题，采用力学分析方法，对锚杆和锚索的支护机理进行了研究，剖析了锚杆（索）加固巷道围岩的基本原

7、理，列举了锚杆和锚索的加固理论。通过对锚固区域的弹塑性力学分析，明确了锚固力作用下围岩应力的变化情况。采用锚杆、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；机理　　引言　　煤岩巷道支护是井工开采煤矿提高巷道边坡和顶板稳定性的主要的技术手段，现有的主要锚固材料分为锚杆和锚索两种，二者在物理力学性质方面存在区别[1]，在锚固机理上也