围岩控制中锚杆支护效果分析

【关键词】锚杆；围岩；作用机理

　　为了维持巷道的稳定性, 防止围岩发生垮落或过大的变形,巷道掘出后,一般都要进行支护。随着采矿深度的增加和地压理论的发展, 20世纪初,美国创造了矿山巷道的锚杆支护方法。这种支护方法经过几十年的发展,在世界普遍流行开来,并且被广泛地应用到隧道、边坡治理、地基加固等其它岩土工程领域。在实践应用中不断发展,像锚网、锚网喷、锚带网、锚注等,较为先进的支护技术已被广泛采用, 它不但克服了传统支护方式的缺点,提高了巷道的稳定性,并节约了大量的木材、钢材, 具有省时、简便、经济、安全可靠等特点。

　　1、锚杆支护作用原理

　　1.1挤压加固作用

　　将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列,在预应力作用下, 每根锚杆都形成以锚头和紧固部分为顶点的锥形体压缩区,每根锚杆周围形成的锥形体压缩区,彼此重叠联接,便在围岩中形成一个厚度为T的均匀连续压缩带,这就是挤压加固拱或称为次承载区。该压缩带厚度T随着锚杆长度L增长,锚杆间排距缩小,锚杆端部约束加强以及岩体强度的提高而变厚,同时,承载能力提高。它不仅能保持自身的稳定,而且能够承受地压,防止上部围岩的松动和变形。为了在围岩中形成一定厚度的挤压加固拱,一般情况下,锚杆长度应大于两倍锚杆间距。预应力作用在于,一方面增大了岩体的粘结力,提高了岩体强度。另一方面,通过锚头和垫板对围岩产生的压应力,改善了围岩的应力状态,从而使岩体强度提高。

　　1.2组合作用

　　锚杆支护的组合作用很好理解,平顶巷道的层状顶板,可看作是以巷道两帮为支点的叠合梁。叠合梁层间抗剪力不足,在荷载作用下, 将发生较大的弯曲变形和层间错动。若用锚杆穿过并把它们紧固, 各层之间便互相挤压,层间摩擦阻力增加,在外荷载作用下,层间不再发生离层错动, 抗弯抗剪强度增强,顶板便由叠合梁变成组合梁。这样大大提高了顶板岩层的承载能力,锚杆本身还起到抗剪作用,能更加有效地阻止岩层的层间错动

　　1.3悬吊作用

　　锚杆支护的悬吊作用,突出地表现在直接顶较薄,老顶比较坚固的情况下,用锚杆将软弱岩层或危岩悬吊于完整坚固的岩体上,由锚杆承担软岩或危岩的重量,以达到井巷稳定的目的。锚杆支护的作用并非各个独立,一般是同时并存综合作用,只是在不同的地质条件下某种作用占主导地位。

　　以上这些理论,各自在特定的岩体条件和锚固方式下反映了锚杆的加固作用。但相应的力学模型过于粗糙,都是把锚喷加固的岩体加固圈人为地从厚岩体中脱离开来,因而与实际情况出入较大。但由于其计算方法简单明了,在目前设计中仍广泛采用。

　　2、围岩松动圈巷道锚杆支护理论

　　围岩松动圈巷道锚杆支护理论是基于煤矿生产中大量的地下工程都是在围岩破坏和发展中支护的客观实际状况而提出的,该理论在对围岩状态进行深入研究后,发现松动圈的厚度值是一个综合是一个综合性指标,它的大小反映了支护的难易程度,而且大量的相似模拟试验及现场实测表明,它与煤矿巷道的跨度及有无支护等关系不大,巷道支护的主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中的碎胀变形力。当采用锚杆支护时,锚杆受拉是由围岩松动圈的发生和发展而引起的。在锚杆与围岩相互作用过程中,锚杆通过垫板与锚头对围岩提供支护抗力,阻止破裂岩石产生有害变形，使围岩保持稳定并将其变定在允许的范围内。实际上,杆应力来源于围岩松动圈的产生和发展过程。假如开巷后围岩只产生弹塑性变形,没有发生破坏,则围岩松动圈厚度将为零,碎胀变形亦为零。由于弹塑性变形发生在锚杆安装之前,锚杆的最大应力将只是安装应力,考虑到这一应力往往较小,可认为锚杆在这种围岩状态下不起作用。所以,在此种围岩状态下,不必要采用锚杆支护。松动圈厚度大小与锚杆受力及锚杆的作用机理有直接关系,松动圈厚度值类别不同,锚杆支护作用机理不同。

　　3、效果分析

　　软岩及破碎围岩存在着三种不同的围岩压力类型, 即松动压力、变形压力和膨胀压力。松动压力可以采用刚性支护来支撑围岩,而变形压力和膨胀压力则是巷道主要压力显现形式,它要求合理设计支护刚度,控制支护时间和支护施工顺序,即允许围岩有适当的变形,以利于能量释放,又能将变形控制在一定范围之内,使之不发展松动压力。锚杆支护的发展和实践应用,充分显示了它的实用性与优越性,结合以上实例,具体分析其支护技术效果如下:(1)普通锚杆支护施工方便,使用设备简单,易操作。(2)锚杆能把各种断裂面所切割的岩块联合成整体,提高抗剪强度,又可给围岩表面施加正应力和围岩内部造成承载层,这是与其它形式支护的本质区别。(3)松软岩层中采用一次成巷,围筑永久支护,往往收不到应有效果,而锚杆支护先柔后刚的特性,具有第二次支护的特点,一次支护可收到良好效果。

　　4、锚杆支护研究存在的问题及发展方向

　　在大量的工程实践中,早期沿用结构工程概念,对作用机理提出诸如悬吊理论、组合梁理论、成拱理论等简单的模型。岩体工程概念促使岩土锚固理论上了一个新台阶。通过大量的物理模型试验、数值仿真模拟、现场观测等手段,深入探讨了锚杆加固机理。虽然锚固理论研究工作取得了一定进展,但也存在不少问题。结合以上锚杆的研究现状,对锚杆的支护机理提出以下几点研究展望:

　　（1）对锚杆的横向作用进行深入研究:在工程设计中和锚杆支护机理研究中,强调锚杆的轴向作用,忽略横向效应的现象十分明显,应加强锚杆横向作用研究,以引起学者和工程技术人员的重视。目前提出的抗剪锚杆的“导轨作用”观点,认为抗剪强度存在不足和锚固力偏低的不安全因素,给锚固工程带来危险,并对传统的锚杆支护机理提出质疑。因此,必须对非连续岩体锚杆抗剪作用机理进一步加以研究。

　　（2）基于岩体锚固系统的锚固作用机理的研究。目前,对锚固作用机理已做了大量深入和拓宽延展研究工作,但大都是以锚杆为主体来解释其作用机制。这种重在研究锚杆本身行为的思路一方面难以解释为什么锚杆有别于其它支护形式而能有效地控制围岩大变形,且用料极省;另一方面对为什么同一锚杆形式,不同岩性、不同锚固方式、不同粘结剂以及不同托盘其锚固效果却相差很大也很难解释。针对目前以锚杆为主体来解释其作用机制存在的弊端,提出了岩体锚固系统的概念。无论全锚或端锚系统都可视为由围岩体单元、锚杆单元、围岩体内部固定物单元、围岩体表面联接固定物单元四大要素构成。这四个要素之间互相作用,共同完成加固围岩的功能并与周围如外部或深部围岩体环境进行力传递作用,这四个要素构成岩体锚固系统的结构,随系统结构的不同匹配组合,系统相应产生不同的功能如串联或并联功能。系统的功能体现是四个要素之间相互作用匹配耦合的结果,任何一个要素的功能体现都是在规定其它要素功能的基础之上,它不可能超越系统的功能。由岩体锚固系统很容易解释单一锚杆支护系统所不能解释的一些问题。因此从岩体锚固系统出发,以岩体结构为研究中心,是岩体锚固作用机理的研究方向。

　　5、结论

　　在大量的工程实践中,早期沿用结构工程概念,对作用机理提出诸如悬吊理论、组合梁理论、成拱理论等简单的模型。岩体工程概念促使岩土锚固理论上了一个新台阶。但这些理论只反映了在特定条件和锚固方式下锚杆的加固作用,而且相应的力学模型还显粗糙,与实际情况出入较大。而且都是以锚杆为主体来解释其作用机制,存在不少弊端。就目前,从总体上看来,锚固技术的研究仍滞留在以锚杆为主体的研究水平上,尚没有上升到把锚固技术看作一个系统来整体研究。

　　参考文献

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