锚杆支护煤巷层状结构顶板稳定性研究现状
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发布时间：2022-05-16 14:00
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时间：2023-10-24 19:22
（1）组合梁理论。组合梁理论是锚杆支护机理的一种传统提法[44～46]。它认为无锚杆支护时，顶板岩层在竖直方向载荷作用下，各层发生挠曲下沉，层间存在错动；施加锚杆支护后，锚杆轴向拉力将岩层挤紧，增加了层间滑动摩擦力，同时锚杆杆体抗剪能力也阻止层间错动，因此叠合梁转化成为组合梁。叠合梁的强度是组合梁的1/n倍，跨中挠度是组合梁的n2倍[47]。
（2）侯朝炯教授将锚杆支护岩体强化理论应用于煤巷锚杆支护机理研究中[48]，开展了相似材料模拟试验，研究表明锚杆支护岩体的峰值强度指标c、φ和残余强度指标c*和φ*均有不同程度的提高，残余强度提高较多，此试验没有考虑原生结构面的影响，其他文献也有相近的试验结果[22,49,50]。
勾攀峰、侯朝炯教授发展了单层岩石稳定性迭代判断法，使其成为顶板锚固层稳定性的判断方法[51]。将锚固层视为一个整层，并取为隔离体，受力为自重、两侧岩层的诱导推力、摩擦力和锚杆的拉力，从而建立了有别于单层岩石的模型。在判定破坏与否时，用锚固体强度指标替代了岩石强度指标。
（3）英国D.N.贝格比和澳大利亚W.盖尔等人认为煤巷顶板破坏是由水平地应力引起的[52,53]，并由此解释了巷道走向与最大水平地应力方向关系对顶板破坏的影响规律：两者平行时巷道最为稳定，垂直时最差，斜交时居中。D.N.贝格比认为在水平应力作用下，岩层发生低角度的剪切破坏[52]，顶板锚杆作用在于提高围压，使岩层强度提高。在这种观点指导下，形成了一种锚杆参数系统设计方法，其实质内容是以地应力测量结果和岩体地质力学评估为基础，结合数值模拟分析结果进行锚杆参数初始设计，然后再根据围岩稳定性观测结果对初始设计进行修正，我国也进行了这方面的研究[54]。
（4）郭颂博士在调查了美国煤巷锚杆支护情况后，提出了刚性梁理论[55]。提出当锚杆预应力达到一定值时可以消除锚固层内的离层，这与S.S.Peng的观点一致[56]。在这种情况下，水平应力不超过岩石抗压强度时，对锚固层起到夹持作用，有利于顶板稳定，锚固层成为刚性梁。与此相似，德国近几年也提出了增大锚杆预应力促进顶板稳定的观点[57,58]。
（5）林崇德应用离散元分析软件模拟了有支护和无支护情况下水平层状结构顶板的变形和破坏过程[59,60]，模拟的边界条件是：两侧施加水平应力并固定，上边界固定，下边界开挖。模拟结果表明，无支护情况下，层状结构顶板破坏是水平应力作用的结果，而非竖直应力作用下的梁式破坏；顶板岩层承受单向切向应力作用，经历了挤压破坏和弯曲变形的过程。施加锚杆支护后，锚杆与岩体形成锚——岩支护体，锚——岩支护体是顶板的支护结构，它上部的岩体则是被支护体，是围岩。锚——岩支护体与无锚杆支护时的岩体相比，峰值强度没有显著变化，但峰值后的强度（残余强度）得到明显提高，而且锚——岩支护体可变形性好，成为柔性支护体。
（6）侯公羽用物理模拟方法研究了层状岩体施加锚拉支架支护后的力学行为[24]。试件用万能压力机施加横向载荷，没有施加纵向载荷。试验表明，岩层断裂后形成拱梁结构。用弹性系统稳定性理论[61,62]研究了断裂后拱梁的分叉行为，铰接岩块简化为弹性直杆，施加竖直方向载荷。分析表明[63,64]，拱梁结构具有分叉特性，当变形和载荷满足一定关系时，系统将发生跳跃，顶板岩层突然破坏。
（7）Sofianos A.I.应用离散元素分析软件UDEC研究了锚杆支护层状结构顶板的稳定性，重点讨论了岩层厚度对顶板稳定性的影响规律[65]。研究表明，随着岩层厚度增大，锚固顶板跨中下沉量减小，厚度较薄时（小于1m）减小速度较快，超过1m后减小速度变慢。岩层承载力随厚度增大而增大，厚度小于1m时增大较快，超过1m增大较慢。
对上述观点进行总结，可以了解目前对层状结构顶板稳定性的研究现状：
第一、组合梁理论实质上是认为锚杆消除了层理面对岩体力学性能的弱化作用，使岩体趋于完整。
第二、锚杆提高了岩体强度指标，特别是峰值后的强度和韧性得到了提高和改善，这称为岩体强化。
第三、在引起煤巷顶板破坏的载荷来源上有两种不同的观点：一是认为竖直载荷引起顶板破坏，岩层水平载荷（纵向载荷）是竖直方向载荷的诱导力；二是水平应力起顶板破坏，这种观点是20世纪80年代中期形成并引起人们重视的。
第四、锚杆预应力对顶板稳定性有重要影响，足够高的预应力可以消除锚固层内的离层，在此情况下如果水平应力小于岩层抗压强度，水平应力对锚固层起到夹持作用，有利于顶板稳定。
第五、岩层厚度是影响顶板稳定性的主要因素之一。
