图4
锚杆的组合拱原理
组合拱理论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一支护 的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单 相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺 乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨， 计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准 确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重 要参考。
一、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定岩层上，以增强较软弱岩层的 稳定性。
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，如果锚杆及时将直接 顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉 和离层，以达到支护的目的，如图1所示。
如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用， 一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防 止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方 面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的 水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁 紧成一个较厚的岩层(组合梁)。这种组合厚岩层在上覆 岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减 小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最 大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3所示。
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岩层或顶板软弱岩层较厚，围 岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或 者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。
二、组合梁理论
组合梁理论认为，在层状岩体中开挖巷道，当顶板 在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用 居次要地位。
❖ 该理论的要点是：(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而组成锚固体，形成统一的承载 结构；(2)巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数， 包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数(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、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰 后强度、残余强度均能得到强化；（4）巷道锚杆支护 可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承 载能力、改善巷道的支护状况；(5)巷道围岩锚固体强 度提高以后，可减小巷道周围破碎区、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。
巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新 分布，顶板出现松动破裂区，这时锚杆的悬吊作用就是 将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬 吊理论的进一步发展，如2所示。
图1 锚杆的悬吊作用 图2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层
根据悬吊岩层的重量就可以进行锚杆支护设计。
悬吊理论直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过 程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体 分开，与实际情况有一定差距，计算数据存在误差。
根据组合梁的强度大小，可以确定锚杆支护参数。
图3 顶板锚杆组合梁作用
(a)未打锚杆
(b)布置顶板锚杆
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 际情况有一定差距，并且随着围岩条件 的变化，在顶板较破碎、连续性受到破 坏时，组合梁也就不存在了。
四、最大水平应力理论
最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔 (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，水平应力具有明显的方向 性，最大水平应力一般为最小水平应力的L 5～2．5 倍。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 平应力呈锐角相交的巷道，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，顶底 板稳定性最差，如图5所示。
图5 应力场效应
(a)巷道平行于主应力(最佳方向)； (b)巷道与主应力呈45‘夹角； (c)巷道与主应力呈90’夹角(最劣方向)
在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪 切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚 杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向 的岩层剪切错动(图6)，因此要求锚杆必须具备强度 大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的 作用。
第一节 煤巷锚杆支护理论
传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁 理论和加固拱理论等。悬吊是最早的锚杆支 护理论，它具有直观、易懂及使用方便等特 点。特别是在顶板上部有稳定岩层，而其下 部存在松散、破碎岩层的条件下，这种支护 理论应用比较广泛。其主要缺陷是仅考虑了 锚杆的抗拉作用，没有涉及其抗剪能力及对 破碎岩层整体强度的提高。
组合梁理论只适合于层状顶板锚杆 支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。
三、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锚杆群，只要锚杆间距足够小，各 个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中 形成一个均匀的压缩带，即承压拱(亦称组合拱或压缩 拱)，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向 荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向 应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大， 如图4所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承 压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的 稳定和支承能力的提高。
组合梁理论充分考虑了锚杆对岩层离层与滑动的约 束作用，适用于层状岩层。该理论认为，锚杆提供的轴 向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间的摩 擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相 对滑动。加固拱理论认为，即使在软弱、松散、破碎的 岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构。只要锚杆 间距足够小，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，它可 以承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱理论充分考 虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到较为广泛 的应用。
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。
在设计方法上，借助于计算机数值模拟不同支护 情况下锚杆对围岩的控制效果，进行优化设计，在 使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完 善初始设计。
(a)约束岩层膨胀；
(b)约束岩层错动ຫໍສະໝຸດ 图6 锚杆加固作用示意图五、巷道锚杆支护围岩强度强化理论综述