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悬吊理论
1952~1962年路易斯 阿·帕内科(Louis A·Panek)等发表了悬吊理论,悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。 对于回采巷道揭露的层状岩体,直接顶板均有弯曲下沉变形趋势,如果使用锚杆及时将其挤压,并悬吊在老顶上,直接顶板就不会与老顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度,层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量,还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响。这一理论提出的较早,满足其前提条件时,有一定的实用价值。但是大量的工程实践证明,即使巷道上部没有稳固的岩层,锚杆亦能发挥支护作用。例如,在全煤巷道中,锚杆就锚固在煤层中也能达到支护的目的,说明这一理论有局限性。
组合梁理论
组合梁理论认为巷道顶板中存在着若干分层的层状顶板,可看作是由巷道两帮作为支点的一种梁,这种岩梁支承其上部的岩层载荷。使用锚杆将各层“装订”成一个整体的组合梁,防止岩石沿层
面滑动,避免各岩层出现离层现象。在上覆岩层荷载作用下,这
种较厚的组合梁比单纯的迭加梁,其最大弯曲应变和应力将大
大减小,挠度亦减小。而且各层间摩擦阻力愈大,整体强度愈大,
补强效果愈好。
但是,这种理论在处理岩层沿巷道纵向有裂缝时梁的连续
性问题和梁的抗弯强度问题时有一定的局限性。
组合拱理论
组合拱理论是由兰氏(T A Lang)和彭德(Pender)通过光弹试验提出来的。组合拱原理认为,在拱形巷道围岩的破裂区中,安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小,各个锚杆的压应力维体相互交错,这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带(拱)。
这个组合拱可承受上部岩石的径向载荷,如同碹体起到岩层补强的作用,承载外围的压力。组合拱理论的不足是缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步探讨,与实际情况有一定差距,在分析过程中没深入探索围岩 —支护的相互作用。
水平应力理论
澳大利亚学者盖尔(W J Gale)在20世纪90年代初提出了最大水平应力理论。该理论认为:矿井岩层的水平应力一般是垂直应力1. 3～2. 0倍。而且水平应力具有方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1. 5～2. 5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力影响,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与最大水平应力呈锐角相交的巷道。其顶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,顶底板稳定性最差。
最大水平应力理论,论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。在最大水平应力作用下,巷道顶底板岩层发生剪切破坏,因而会出现错动与松动引起层间膨胀,造成围岩变形。锚杆所起的作用是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动,因此要求具备有强度大、刚度大、抗剪阻力大的高强锚杆支护系统。