锚杆的作用力分析

锚杆支护是通过布置在岩体内的锚杆及其辅助构件所提供的各种作用力，使岩体中的应力状态得到一定改善，并使岩体的变形模量及强度指标得到一定的提高，从而对岩体变形及破坏产生一定的控制，最终达到加固、支护的效果。概括起来，锚杆及其辅助构件对岩体的作用力包括锚杆的轴向作用力、锚杆的横(或斜)向作用力以及锚杆尾部辅助构件(如托盘、刚梁、锚网等)对岩体施加的托锚力等，如图所示。

轴向作用力的分布特征

锚杆轴向作用力的数值大小及分布特征取决于锚杆与岩体间的相对位移或相对变形量的大小以及锚杆与岩体间连接的性能特征。锚杆与围岩的变形特征差异是锚杆轴向作用力产生的前提，锚杆与岩体间的有机结合是产生锚固力的保证，而锚固方式和锚杆辅助构件的性能及其配置决定着这种结合的紧密程度，锚固方式的不同将导致锚杆与围岩间的连接刚度及强度参数的不同。围岩应力场在安设锚杆后发生一定的改变是锚固力产生的条件，因为有了应力场的改变才会产生锚杆与岩体间变形段位移的相对差异。因此，锚固方式、辅助构件、锚杆与围岩的变形特性差异以及围岩应力场的改变等是轴向锚固力分布特征的主要影响因素。

锚杆的横向作用力

       (1)横向作用力的产生机理

横向作用力产生的条件可概括为3个:①锚固范围内的围岩产生一定量的横向(斜向)剪切变形甚至相对错动。②锚杆与围岩紧密接触，以使锚杆与岩体之间具备良好的传力性能。③锚杆要具有一定的抗剪切强度及刚度，以使锚杆对岩体的横间变形产生较强的灵敏性和控制作用。

       (2)横向作用力分布特征

锚杆中横向作用力的分布特征受许多因素的影响，如锚杆的力学性质及几何参数、围岩的力学性质以及围岩中弱面的力学性质及其分布特征等。图中所示为单一弱面在锚杆中引起的横向作用力分布情况。其中(a)为岩体中的弱面与锚杆示意图，(b)为围岩沿该弱面发生相对横向位移时锚杆中的横向剪力沿锚杆长度方向的变化曲线，(c)为锚杆表面(锚杆与岩体间粘结面)上的法向应力沿杆一体长度的变化曲线。

现存的主要问题

(1) 锚杆各种作用效应的实现有赖于轴向承载能力的充分发挥,而全长锚固时锚杆中的最大轴力产生于锚杆中部区域的中性点,即最大轴力没有完全转化为对巷道围岩表面的托锚力,使围岩应力状态没有得到最大程度的改善。
      (2) 对锚固结构的变形机理及变形适应性的认识还很缺乏。对锚固体的结构特征及作用机理的认识还不够全面、准确。对锚杆支护的对象及任务的认识还不够明确与具体。
       (3) 深部围岩所受地压大,围岩条件复杂,锚杆支护难度大。
       (4) 现有锚杆支护理论存在一定的局限性,难以满足复杂条件下,尤其是全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计的要求。

锚杆支护的发展前景

（1）进一步完善锚杆支护理论和技术

现有锚杆支护理论存在一定的局限性,难以满足复杂条件下,尤其是全煤及软岩条件下巷道围岩支护设计的要求。现有的悬吊、组合梁、加固拱等理论,也均是针对一般巷道提出的;而对于回采巷道,仍沿袭传统的锚杆支护设计方法,缺乏合理性和可靠性。所以,有必要在进一步深入研究巷道围岩矿压显现规律的基础上,探索锚杆支护理论。

（2）发展组合锚杆支护技术

实践证明,对于岩体较破碎巷道或煤层巷道,单纯的锚杆支护不能满足支护要求,需根据不同的地质条件,采用适当的锚棚联合支护、锚杆金属网联合支护等等。因此,注重研究组合锚杆是锚杆技术发展的方向之一。

（3）支护材料标准化

对锚杆杆体、螺帽、木垫板、铁托盘、锚固剂等严格按照质量标准和检验标准进行检查,不合格产品严禁入井,确保锚杆支护发挥最大作用。锚杆支护能主动地加固围岩,最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,控制围岩变形、位移和裂隙的发展,充分发挥围岩自身的支承作用,变被动支护为主动支护,有效地改善矿井的支护状况,具有施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低、支护效果好,已经成为当今巷道支护改革的主要趋势。

结语

锚杆支护施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低,支护效果好,并且技术还有许多提高的空间,它在岩土工程中的应用范围和地位也会随着其技术水平的提高而不断地扩大和发展。

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