软岩巷道锚喷网支护单体锚杆的支护机理

1.单体锚杆的作用机理

一般认为普通锚杆没有预应力，比较好的状态下安装的初张力只有20kN左右；实测表明，由于爆破震动和锚杆杆体的变形等原因，锚杆的安装初张力在1-2d内会明显降低，直至下降到零。

普通锚杆只有当围岩变形之后才能产生支护力，围岩长期处在弹性状态下，则锚头与垫板间围岩变形量只有百分之几个毫米，尚未产生能使锚杆实际上受力的变形，围岩的变形已经完成，锚杆应力将始终为零或者很低；只有在松动圈产生，锚头与锚尾之间发生一定量的相对膨胀变形之后，锚杆的工作阻力才能达到30kN以上，使锚杆处于工作状态。围岩的这一膨胀过程，正是锚杆应力增加，进入实际工作状态的过程。如果岩层是松动圈的类围岩，锚头与锚尾之间的相对伸长量小，所安设的锚杆事实上将不会产生支护作用。

2.锚杆对松动围岩的锚固作用

光弹实验证明，单根锚杆可在弹性体内形成以锚杆两端为顶点的压缩区。在锚杆锚固力的作用下，松散地层中也会产生一个锥形压密区，压缩区内岩层的密实度和强度都有所提高。

3.松软岩层中锚杆的工作过程

在软岩巷道中，伴随着开巷后围岩松动圈的发展，锚杆锚入岩体后受到围岩碎胀变形力的作用而承受拉力。一般松软岩层往往在开巷后1-3个月时间才能形成稳定的松动圈，锚杆安装完成后，将经历剩余松动圈发展的全过程 。

1.锚固层与组合拱概念

在软岩巷道中，伴随着开巷后围岩松动圈的发展，锚杆锚入岩体后因受到围岩碎胀变形力的作用而受到拉伸，反过来，锚杆对围岩产生压应力。松动岩体中，在单根锚杆约束下可以形成一个锥形的压密区，群体锚杆若以适当的间距布置，锚杆群在围岩中形成的双锥体压缩区相互交叉重迭，则能够形成一个连续的、相互重合的层状锚固体，通常称之为“锚固层”。当巷道形状为直线时，该“锚固层”是墙；拱形断面则呈拱形，称之为破裂岩体“组合拱”。锚固层的厚度，与锚杆长度和间排距有关，其间有下列公式的对应关系。

2.锚固体的力学性能实验

松动圈内的岩块既不是连续状态，又不是松散状态，岩体虽然已出现裂缝，但是破裂岩块之间仍处于相互衔接、相互啮合的状态。为较好的模拟松动破裂围岩的这种状态特征，采取先将试块压坏，产生类似于松动圈围岩的破裂缝，尔后继续加载，研究锚固体力学性能的实验方法，从而较好的模拟既开裂又啮合的松动围岩状态。

3.锚杆的组合拱支护原理

（1）组合拱结构承载能力估算。

在松软围岩中，若按照悬吊理论确定支护参数，所定锚杆将因过长而失去普遍应用价值。基于对锚固体力学性能的认识，在大松动圈内可以用小于松动圈厚度的锚杆，将破裂围岩锚固起来，提高其残余强度，形成具有一定承载能力和可塑性的组合拱结构体，用来承受地压、维护围岩。

组合拱的承载能力与组合拱厚度、围岩强度、锚杆应力等因素有关，锚杆锚固力越大，破裂围岩残余强度的提高幅度就越大。组合拱所能承受的荷载，可根据断面形状分别按相应的结构力学原理“直墙拱形结构”或“厚壁筒”计算。

（2）锚杆支护可缩性分析。

锚杆支护可缩性表现在三个方面：实测证实，普通1.6m锚杆，在岩性比较软弱的条件下，不仅锚杆尾端随巷道表面围岩位移而位移，而且其锚固的锚头端，也随着深部岩体的位移而位移，一般如果表面位移量为100mm，围岩深处锚头的位移量常达70-85mm，锚杆杆体伸长量只有15-30mm，巷道收敛并未全部作用于锚杆之上；破碎岩石锚固体本身具有可塑性已为试验所证实；使用高延伸率材质的可塑性锚杆或者是结构可拉伸的可缩性锚杆。

软岩巷道锚网喷支护工业试验证明，当巷道均匀收敛400mm时，仍处于良好的维护状态，锚杆支护具有良好的可缩性 。

软岩锚杆支护，锚杆形成的锚固层组合拱是支护的主要承载结构，喷层和金属网的作用是维护该组合拱的存在，防止它因岩块冒落而失效。

锚杆对松动围岩的控制范围是有限的，因此在相邻的4根锚杆之间，存在一个四角锥形体的非锚固松弛带，其间任意一块破裂岩块的掉落，都将危及锚杆控制范围内的锚固岩块；一旦锚杆锚固体内的破碎岩块也掉落，锚杆将会因松弛而失去锚固力，原来均匀封闭的组合拱就会变薄或失效，造成锚杆支护失败。

对于锚杆间的松弛区内的岩石，必须用喷层和金属网予以支护。软岩巷道围岩变形量大，脆性的喷层很快会开裂破坏，金属网或钢筋网的敷设，不仅可以支护锚杆间的碎石，提高喷层的抗变形能力，而且又将单个锚杆连接成为一个整体的锚杆群，增强了锚杆支护的总体稳定性，同时也可以使锚杆间的松弛围岩部分地进入支护状态。

软岩巷道喷层支护的首要作用是及时封闭围岩，防止围岩风化潮解；同时作为临时支护，在其保护下进行锚杆安装的施工作业。对锚杆间松弛围岩的支护，主要依靠金属网，因为在大变形挤压作用下，喷层的支护能力较弱 。

这两种类型的软岩有别于单纯碎胀型软岩，这里特别强调对地层水、工程水、空气中水分的处理。作好治理与转化工作。

支护的首要任务是防水、治水，将潮湿空气与围岩隔离开来，防止围岩风化、潮解，减少岩体强度的降低。对于这类软岩，如若制水得当，膨胀性软岩可以转化为较易支护的碎胀型软岩；经转化后的膨胀性软岩，如果松动圈不大，支护的阻力并不是一定要很大。

复合型软岩，既有围岩的吸水膨胀性变形，又产生了较大的松动圈，剪胀变形和岩石的吸水膨胀性变形都比较大，须采用防水和支护阻力较强的可塑性支护措施；复合型软岩巷道施工之后一定要加强维护，因为在剪胀变形力作用下，一般用来防水的喷层很快就会开裂破坏，必须及时补喷，这与碎胀型软岩的要求略有不同 。2100433B

这种类型的软岩有别于单纯碎胀型软岩，这里特别强调对地层水、工程水、空气中水分的处理。作好治理与转化工作。

支护的首要任务是防水、治水，将潮湿空气与围岩隔离开来，防止围岩风化、潮解，减少岩体强度的降低。对于这类软岩，如若制水得当，膨胀性软岩可以转化为较易支护的碎胀型软岩；经转化后的膨胀性软岩，如果松动圈不大，支护的阻力并不是一定要很大。

复合型软岩，既有围岩的吸水膨胀性变形，又产生了较大的松动圈，剪胀变形和岩石的吸水膨胀性变形都比较大，须采用防水和支护阻力较强的可塑性支护措施；复合型软岩巷道施工之后一定要加强维护，因为在剪胀变形力作用下，一般用来防水的喷层很快就会开裂破坏，必须及时补喷，这与碎胀型软岩的要求略有不同。

总之，在支护设计和施工之前，必须首先准确判定巷道的主要支护对象和把握围岩支护难度，以便对症下药，采取相应的技术措施 。

内容提要

本书详细分析软岩的物理力学性质；软岩巷道底臌的各种研究方法；

全面论述引起软岩巷道底臌的诸因素及其关系，提出估算底臌量的数学表

达式；列举防治软岩巷道底臌的各种措施，阐述它们控制底臌的机理、合

理参数及适用范围。

本书可供从事地下工程的科技工作者，工程技术人员及矿业院校师生

参考。

《中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南》是在10多年来软岩工程力学理论与工程实践研究的基础上，汇集了煤炭、冶金系统软岩巷道工程支护研究理论和实践经验的最新成就编撰而成的。《中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南》从现场软岩巷道工程设计施工的实用性出发，明确阐述了软岩的概念及分类，系统介绍了软岩矿井巷道工程支护理论及设计方法，集中体现了中国矿业软岩巷道工程施工的新技术、新方法、新工艺。《中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南》理论依据系统、设计方法可靠、施工技术全面、监测手段完备。　《中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南》可作为从事软岩巷道工程设计与施工的现场工程技术人员和工程管理人员的培训教材，特别是《中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南》中的智能设计系统，既有分析设计的功能，又有自动编写报告的功能，把基层工程技术人员从繁琐的劳动中解放出来，大大提高工作效率。2100433B