几年来我们在巷道支护中取得了一些成果,目前我们公司三个生产矿井在巷道支护中已全面使用锚杆支护,为软岩巷道应用锚杆支护提供了可借鉴的经验,这里就煤巷锚杆支护原理进行一下分析,仅供同行在煤巷锚杆支护设计中参考。
1、巷道锚杆支护作用机理
锚杆支护的作用机理有悬吊作用、组合梁作用、加固拱作用和楔固作用等。
悬吊作用:悬吊作用是指锚杆把将要冒落的松软弱岩层或危岩悬吊于上部坚固稳定的岩体上,由锚杆来承担危岩或松软弱岩层的重量,如图1所示。
（a） （b）
图1 层状岩体顶板锚杆悬吊作用
组合梁作用:在层状岩层的巷道顶板中,通过锚入一系列的锚杆,将锚杆锚固长度以内的薄层岩石组成岩石组合梁,从而提高其承载能力。可以把平顶巷道的层状岩石顶板看作是以巷道两帮为支点的叠合梁。在载荷作用下,各层岩石（板）都有各自的单独弯距,每层岩石（板）的上下边缘分别处在受压和受拉状态。但用锚杆将各层岩石锚固在一起后,在载荷作用下,各层岩石之间基本上不会发生离层、错动,就如同一块板的弯曲一样,大大提高了组合梁的抗弯强度和承载能力,如图2所示。
图2 顶板锚杆组合梁作用
加固拱作用:对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩,如果及时用锚杆加固,就能提高岩体结构弱面的抗剪强度,在围岩周边一定厚度的范围内形成一个不仅能维持自身稳定,而且能防止其上部围岩松动和变形的加固拱,从而保持巷道的稳定,如图3所示。
图3 锚杆加固拱原理
楔固作用:锚杆的楔固作用是在围岩中存在一组或几组不同产状的不连续面的情况下,由于锚杆穿过了这些不连续面,防止或减少了沿不连续面的移动,但是,锚杆架设的时机是非常重要的。如果在开挖引起的剪应力产生前就架设了全长粘结式锚杆,则在不连续面处锚杆较高的剪切刚度将迫使锚杆完全承受开挖二次应力的作用,而难于发挥不连续面自身抗剪能力,如图4所示。
图4 锚杆的楔固作用
2、锚索支护作用机理
锚索支护是一种主动支护,是一种传递主体结构的支护应力至深部稳定岩层的主动支护方式。它可以传递较大的拉应力,这是其它措施无法比拟的最大优点。
锚索长度,一般是锚杆长度的3～5倍（根据工程需要还可以更长）,除具有普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外,与普通锚杆不同的是对巷道顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用,并沿巷道纵轴线形成连续强支撑点,以大预应力减缓顶板岩石扩容。
在巷道中,锚杆、锚索配合使用。当锚杆、锚索及时支护之后,形成锚杆、预应力锚索的加固群体。这样,相邻的锚杆、锚索的作用力相互叠加,组合成一个承载拱,这个新的承载拱厚度比单用锚杆成倍增加,能使围岩发挥出更大的承载作用,如（图2）所示。
图5 锚索锚杆群联合加固作用原理
3、金属网的支护作用
高质量的金属网和钢带能有效地控制锚杆之间非锚固岩层的变形,托住挤入巷道的岩石,是确保锚杆加固作用的重要措施。其主要作用有:(1)防止碎裂岩块垮落;(2)将锚杆之间非锚固岩层载荷传给锚杆;(3)对于巷道周边围岩已破裂来说,由于碎石的碎胀作用和传递力的媒介作用,使巷道深部围岩仍保持三向应力状态,大大提高岩体的残余强度。
4、钢带和托梁的支护作用
钢带支护为将锚杆加固与托梁、钢带的支托融为一体的支护形式。托梁和钢带起顶托作用。
(1)锚杆之间的围岩是支护的薄弱区域。利用钢带和托梁的高抗拉强度,将锚杆的托锚力转化为钢带和托梁对围岩的顶托力,使围岩表面受到压缩,使锚杆托锚力更合理地分布于围岩。
(2)协调锚杆受力。锚杆的受力往往差别较大,通过托梁和钢带使受力过大的锚杆将部分载荷转移给受力较小的锚杆。
(3)整体支护效应。钢带支护充分利用钢带和托梁的高抗拉强度,将锚杆彼此相联系,若干根锚杆共用一条钢带或托梁作为托锚力施加构件,使它们相联系,构成一个整体支护结构,增强了整体支护能力;由于托梁和钢带顶托作用和有一定预紧力的锚杆对围岩的及时主动支护,最大限度地保持了围岩的完整性,使支架与围岩共同承载,充分利用围岩的自身承载能力。
5、软岩巷道锚杆支护应注意的几个问题
(1)巷道造型是锚杆支护的首要条件,特别是软岩巷道造型更是支护的关键。
(2)锚杆支护质量包括锚杆角度、间排距、外露长度、安装质量等。
(3)锚喷支护的喷浆时间的掌握,能有效释放围岩变形压力。
上面提出的几个问题是锚杆支护的共性问题,但在软岩巷道锚杆支护中确是更应关注的问题,这是软岩易破碎、易风化、遇水易膨胀的特性所需注意的。