摘 要：不同的理论有不同的适应条件，不同的条件就有不同的力学形态，不同的力学形态就应该用不同的锚杆支护理论去解释，不能一概而论。详细分析了各种锚杆支护理论的适应情况。

关键词：锚杆支护理论；适应性；围岩条件；力学形态

中图分类号：TD353+.6    文献标识码：Ａ

从１８７２年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡，发展到今天已有１３０多年的历史，在锚杆的发展过程中，建立起了许多理论，每种理论都能够在一定程度上解释锚杆支护的作用，但都有一定局限性。那么，为什么会出现各种理论都能够在一定程度上解释锚杆支护而又都存在一定的缺陷呢？众所周知，由于巷道的围岩条件不同，开掘后它的应力分布就会不同，巷道的破坏形式也就不同，也就是说它的力学形态不同。下面逐一对锚杆支护理论适应性进行分析。

１ 悬吊理论

１９５２—１９６２年，ＬｏｕｉｓＡ．ＰａｎｅＫ经过理论分析及实验室和现场测试，提出了悬吊理论，该理论认为：锚杆的作用就是将巷道顶板较弱岩层悬吊在上面稳定岩层上，以增强软弱岩层的稳定性。这一理论提出较早，只有满足其前提条件时，才有一定的实用价值。

悬吊理论适用于两种情况：

（１）对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果用锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，见图１。

（２）有一部分巷道顶板容易冒落成拱型，这是因为巷道顶板裂隙发育破碎，块状岩石相互摩擦挤压咬合，形成了冒落拱（平衡拱）。冒落拱内部的煤岩容易冒落，外部的就不容易冒落。支护时，用锚杆把冒落拱内部的煤岩吊挂在冒落拱外部稳定的煤岩上。

设计时根据被悬吊直接顶或冒落拱内部的岩石重量就可以进行锚杆支护参数的设计。因不考虑围岩的自承能力，与实际情况有一定差距，计算数据也存在一定差距。

悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬稳定或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区较大，无法将锚杆固定到上面坚硬岩层或未松动岩层上，悬吊理论就不适用。

２ 组合梁理论

为了解决悬吊理论的局限性，１９５２年德国Ｊａｃｏｂｉｏ等在层状地层中提出了组合梁理论。该理论认为：在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状岩层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是锚杆的“组合梁”作用。组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁（板）的岩层缝合在一起，增大岩层间的摩擦力，同时阻止其层间错动。

根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。

组合梁理论是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际有一定差距，并随围岩条件的变化，在顶板破碎、连续性受到破坏或巷帮不稳定、对顶板形不成支点时，组合梁就不存在了。

组合梁理论只适用于层状顶板（如煤岩复合层顶板）锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。

３ 减跨理论

减跨理论是建立在组合梁和悬吊理论基础上的，是两者的有机结合，该理论既强调锚杆的悬吊作用又强调锚杆对顶板的缝合作用。

该理论把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁（板），支护时，锚杆穿过叠合梁锚固在稳定的岩层中。紧固后，锚杆一方面把岩层缝合成组合梁，另一方面又把组合梁悬吊在稳定岩层中，在紧固端处形成了支点，就相当于在该处打了点柱而减少了顶板的跨度，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。

减跨理论与组合梁理论一样，只适应于层状顶板且在锚杆长度范围内有稳定岩层的锚杆支护设计，对于巷道的帮、底不适用。如果顶板中没有坚硬稳定岩层无法将锚杆固定到坚硬岩层上，或巷帮不稳定容易片帮，对顶板起不到支撑作用，减跨理论就不适用。

４ 组合拱理论

组合拱理论强调锚杆的群体作用，该理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区安装预应力锚杆时，在杆体两端形成了锥形体压缩区，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的锥形体压缩区彼此重叠联结，便在围岩中形成了一个厚度为ｂ的均匀连续压缩带，它不仅能保持自身的稳定，而且能承受地压，阻止上部围岩的松动和变形，这就是组合拱，见图２。

锚杆预应力的作用，一方面在锥形压缩区内产生压应力，增加节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力，防止岩块的转动和滑移，这就意味着增大了岩体的黏结力，提高了破碎岩体的强度；另一方面，锚杆对围岩产生的压应力，改善了围岩的应力状态，使压缩带内的岩石处于三向应力状态，从而使岩体强度得到提高。

组合拱理论适应拱形巷道的锚杆支护设计，它在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩与支护的相互作用，可作为锚杆加固设计和施工的重要参数。

５ 围岩松动圈理论

松动圈理论是在研究巷道周围岩石介质物理力学状态属性的过程中发展起来的。当巷道开挖后，打破了围岩原有的三向应力平衡状态，围岩中应力重新分布。一方面径向应力下降为零，围岩强度明显下降；另一方面环向应力集中，当应力集中超过围岩强度后，巷道周边岩石首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度达到新的三向应力平衡状态为止，此时，围岩中出现了一个破裂区——围岩松动圈。

该理论是以松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎胀力为支护对象的，适应于巷道顶板、底板和巷帮围岩的支护设计。

依松动圈大小将围岩松动圈分为小松动圈（Ｌｐ≤４０ ｃｍ）、中松动圈（４０ ｃｍ＜Ｌｐ＜１５０ ｃｍ）和大松动圈（Ｌｐ≥１５０ ｃｍ）三大类。

（１）小松动圈围岩，巷道变形和松动圈围岩自重都比较小，不需要锚杆支护，仅有一层喷射混凝土支护防危岩掉落和防围岩风化即可。

（２）中松动条件下，围岩碎胀变形相应增大，单一喷层将破裂或破坏，必须用锚杆控制围岩变形。

（３）大松动圈围岩属软岩范畴，用锚杆给予松动圈内破裂围岩以约束力，提高其残余强度，从而在破裂围岩中形成一个具有相当强度和可缩性的组合拱结构体。

在软岩巷道支护中，通常采用以锚杆支护为主体，再配套锚索、钢带、金属网、喷浆等多种支护的联合支护方式。大同煤矿集团公司塔山煤矿主采煤层为石炭纪Ｃ３＃～Ｃ５＃合并层，平均厚度１５．７２ ｍ。煤层裂隙发育，煤体松软破碎。采用综合机械化放顶煤采煤法开采，准备巷道和回采巷道均沿煤层底板掘进，巷道顶板煤层厚度较大，极难维护，容易发生冒顶事故。这些巷道采用了锚杆、锚索、金属网、钢带、喷浆联合支护方式后，取得了良好的支护效果。

６ 结语

煤矿巷道支护有架棚、料石砌碹、锚杆等一系列支护形式，架棚和料石砌碹等支护是被动支护，由于成本高、进度慢、消耗体力大、支护效果差等原因逐渐被淘汰。而锚杆支护在煤矿巷道支护中占主导地位，是唯一能实现安全、快速、经济的一种支护形式。现在无论在国内还是国外，煤矿巷道都优先采用锚杆支护，锚杆支护已成为巷道支护发展的方向。锚杆支护理论是锚杆支护设计的基础，不同时期产生了不同的理论，只要广大科技工作者和工程技术人员共同努力，锚杆支护理论会逐步趋于完善。

参考文献

［１］ 何满朝．中国煤矿锚杆支护理论与实践［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４．

［２］ 中国矿业大学．井巷工程［Ｍ］．第２版．北京：煤炭工业出版社，１９９１．

［３］ 袁和生．煤矿巷道锚杆支护技术［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９７．

（责任编辑：刘翠玲）

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第一作者简介：牛福龙，男，１９６９年７月生，１９９２年毕业于山西矿业学院矿井建设专业，工程师，大同煤矿集团有限责任公司生产技术部，山西省大同市新平旺，０３７００３．