图7-26 层状顶板锚杆组合梁
（3） 组合拱（压缩拱）理论
组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，从杆体两端起形成圆锥形分布的压应力区，如果锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即压缩拱。压缩拱内岩石径向、切向均受压，处于三向应力状态，围岩强度得到提高，支承能力相应增大（图7-27）。 （4） 最大水平应力理论
最大水平应力理论由澳大利亚学者W.J.Gale提出。该理论认为矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。且有三个特点： ① 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好。 ② 与最大水平应力成锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮。 ③ 与最大水平应力垂直的巷道受水平应力影响最大，顶底板稳定性最差。
图7-27 锚杆组合拱（压缩拱）原理 图7-28 最大水平应力原理
（5） 围岩强度强化理论
围岩强度强化理论的要点如下：
① 巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构； ② 巷道锚杆支护可以提高锚固体力学参数（E、C、φ），改善被锚固岩体的力学性能； ③ 巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区域的岩体则处于破碎区或处于上述两个或三个区域中，相应地锚固区域的岩石强度处于峰后强度或残余强度。锚杆支护使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度；
④ 煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载能力； ⑤ 巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。（6） 岩体锚固系统理论 三、锚杆
（一） 机械式锚杆
图7-29 竹、木楔缝式锚杆
a—木楔缝式锚杆 b—竹楔缝式锚杆
1—硬木内楔2—木杆体；3—木托板；4—硬木外楔；5—竹杆体
（二） 摩擦式锚杆
摩擦式锚杆是通过钢管与孔壁之间的摩擦作用达到锚固的目的，多为全长锚固式。主要包括缝管锚杆和水力膨胀锚杆。
图7-30 缝管锚杆 图7-31水力膨胀锚杆
（1） 缝管式锚杆
缝管锚杆（图7-30）的杆体是一根全长纵向开缝的长钢管，锚尾端部焊有φ6～8mm圆钢弯成的挡环。杆体直径30～45mm，开缝宽度10～15mm，壁厚度2～3mm。钢管打入比管径小1～3mm的钻孔后，钢管的弹性使其外壁与钻孔岩壁挤紧并产生沿管全长的径向应力和轴向摩擦力，阻止围岩变形。为便于冲击安装，锚头部分制成圆锥形。缝管锚杆的锚固力主要取决于开缝管的长度、开缝管与锚孔的径差、钻孔直径、开缝管材质和安装质量，锚固力一般为50～70kN。 （2） 水力膨胀锚杆
水力膨胀锚杆（图7-31）是一种壁厚为2mm，直径为41mm的钢管被折叠成直径为25～28mm的异形钢管，装入直径33～39mm的钻孔内，高压水注入钢管内，使钢管沿全长膨胀并压紧钻孔孔壁，依靠管壁与孔壁的摩擦力和挤压力实现支护巷道的目的。与此同时管体的膨胀伴随着纵向收缩，使托盘紧贴岩面产生预紧力。水力膨胀锚杆的主要特点是锚杆的锚固力随围岩性质变化不大，只要保持足够的充液压力，水力膨胀锚杆的锚固性能基本上与围岩性质无关。这是水力膨胀锚杆优于其它各种锚杆的重要特性，对于松散、破碎围岩的支护尤其重要。
（三） 粘结式锚杆
粘结式锚杆主要分为树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆和水泥砂浆钢筋锚杆，其中树脂锚杆是目前国内外使用最广泛的锚杆支护形式。 1．树脂锚杆
树脂锚杆由锚固剂（树脂胶囊）、杆体、托盘和螺母等组成。 （1） 锚固剂
表7-2 不同型号锚固剂的凝胶时间 型号 CK 特性 超快 凝胶时间/min 0.5～1.0 固化时间/min ≤5 备注 在20±1℃环境温度下K Z CM 性能 抗压强度 剪切强度 容重 弹性模量 粘结强度 快速 中速 超慢 指标 ≥60MPa ≥35MPa 1.9～2.2g/cm3 ≥1.6×104MPa 混凝土＞7MPa，螺纹圆钢＞16MPa 1.5～2.5 3.0～4.0 60～120 表 7-3 树脂锚固剂主要技术参数 ≤7 ≤12 ≤150 测定 振动疲劳寿命 泊松比 贮存期 适用环境温度 岩石 粘结强度／MPa 5～8 砂岩 ＞800万次 ≥0.3 ≥9个月 －30～60℃ 表7-4 树脂锚固剂与常见岩石间的粘结强度
页岩 3.5～5.5 煤 1～2 （2）锚杆杆体
锚杆杆体是锚杆的主体，杆体材质及表面结构直接影响锚固范围内对围岩支护阻力的大小。依照杆体屈服强度σs将锚杆分为三类：σs＜340MPa，为普通锚杆；340MPa≤σs＜600MPa，为高强度锚杆；σs≥600MPa，为超高强度锚杆。
图7-32 端头锚固式锚杆受力特征 图7-33 全长锚固锚杆锚固力分布
1—内锚头；2—托板 1—托锚力作用区；2—剪锚力作用区
锚杆杆体表面粗糙程度直接影响锚杆与围岩之间的剪切特征和相互作用力的传递。螺纹钢杆体表面有波纹节，杆体表面凸纹与粘结体间发生相对变形产生剪切力；粘结体楔块的变形产生膨胀作用，使垂直于杆体的约束力增大，也导致锚杆剪锚力增大。试验表明：螺纹钢锚杆的拉拔力达到圆钢锚杆的4～5倍。单向无纵筋左旋螺纹钢杆体搅拌树脂时左旋螺纹推动树脂挤向孔内，增加树脂的密实程度，增大锚杆锚固能力。全长锚固锚杆杆体一般选用
左旋无纵筋螺旋钢筋。无纵筋左旋螺纹钢杆体、普通螺纹钢杆体、无纵筋右旋螺 纹钢杆体锚固力试验结果见图7-49。杆体直径均为20mm，锚固段长度300mm。
（3） 锚杆托板与螺母
① 托板通过挤压围岩表面提供托锚力，使围岩处于三向受力状态，明显改善巷道围岩受力环境。尤其是托锚力在锚杆施加预紧力后立即发挥作用，约束围岩变形。
② 托板受载后将力传递给锚杆杆体，增大锚杆剪锚力，限制围岩节理面的相对错动，充分发挥锚杆对围岩节理面的加固作用。
第五节 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术
一、软岩的基本属性
1．软岩的概念
软岩定义分为地质软岩和工程软岩。 （1） 地质软岩
地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层的总称。 （2） 工程软岩
工程软岩是指在巷道工程力作用下，能够产生显著变形的工程岩体。巷道工程力是指作用在巷道工程岩体上的力的总和，工程软岩的定义揭示了软岩的相对性实质。 2．软岩的基本属性 （1）软化临界荷载 （2）软化临界深度
二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律 （一）软岩巷道围岩变形力学机制
表7-5 软岩类型及变形特性 单轴抗压强度软岩类型 膨胀性软岩（低强度＞25% 软岩） 高应力软岩 节理化软岩 复合型软岩 ≤25% 少含 含 ≥25 低～中等 低～高 ＜25 土矿物产生滑移，遇水显著膨胀 遇水发生少许膨胀，在高应力状态下，沿片架状粘土矿物发生滑移 沿节理等结构面产生滑移、扩容等塑性变形 具有上述某种组合的复合机制 泥质含量 σc/MPa 结构松散软弱，胶结程度差，在工程力作用下，沿片架状硅酸盐粘塑性变形特点 (1) 膨胀变形机制 (2) 应力扩容变形机制 (3) 结构变形机制
（二） 软岩巷道围岩变形规律
软岩巷道围岩变形规律
① 软岩巷道围岩变形具有明显的时间效应。表现为初始变形速度很大，变形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，持续时间很长。如不采取有效的支护措施，由于围岩变形急剧增大，势必导致巷道失稳破坏。
② 软岩巷道多表现为环向受压，且为非对称性。软岩巷道不仅顶板变形易冒落，底板也产生强烈底臌，并引发两帮破坏顶板坍塌。
③ 软岩巷道围岩变形随埋深增加而增大，存在一个软化临界深度，超过临界深度变形量急剧增加。
④ 软岩巷道围岩变形在不同的应力作用下，具有明显的方向性。巷道自稳能力差，自稳时间短。
三、软岩巷道支护技术
（二） 软岩巷道支护原理 （1）巷道支护原理
软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免，应以达到其最大塑性承载能力为最佳；同时其巨大的塑性能（如膨胀变形能）必须以某种形式释放出来。软岩支护设计的关键之一是选择变形能释放时间和支护时间。 （2）最佳支护时间和时段
岩石力学理论和工程实际表明，硐室开挖之后，围岩变形逐渐增加。以变形速度区分，可划分三个阶段；即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。最佳支护时间是以变形的形式转化的工程力PR和围岩自撑力PD最大，工程支护力最小的支护时间
图7-34 最佳支护时间T （三） 软岩巷道常用支护形式 （1） 锚喷网支护
锚喷网支护系列是目前软岩巷道有效、实用的支护形式。喷射混凝土能及时封闭围岩和隔离水。网不仅可以支承锚杆之间的围岩，并将单个锚杆连结成整个锚杆群，和混凝土形成有一定柔性的薄壁钢筋混凝土支护圈。锚喷网支护允许围岩有一定的变形，支护性能符合对软岩一次支护的要求。根据围岩条件，也可以不喷射混凝土，仅选用锚网、桁架锚网、钢筋梯锚网、钢带锚网支护，也可以二次喷射混凝土支护。 （2） 可缩性金属支架
U型钢可缩性金属支架具有可缩量和承载能力在结构上的可调性，通过构件间可缩和弹性变形调节围岩应力。在支架变形和收缩过程中，保持对围岩的支护阻力，促进围岩应力趋于平衡状态。我国在U型钢可缩性金属支架架后充填、架间支护、支护材料调质处理、支护工艺规范化等方面进行大量的研究工作，U型钢可缩性金属支架已获得较广泛的应用。 （3） 弧板支护
在软岩中可使用断面为圆形且可缩的碹体支护，能防止水的浸蚀及风化，可有效地控制底臌。使碹体可缩的措施有“木砖夹缝料石圆碹”和条带碹法。弧板支架利用高强度混凝土施工技术，组成全断面封闭、密集连续式的高强钢筋混凝土板块结构巷道支架。
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