能够充分利用岩体自身的承载能力,改善围岩受拉、受剪的状态,借此抵抗围岩所承受的载荷。锚杆主要由杆体和托板(垫板)组成,当露头段设有螺纹时,还包括紧固螺母(图1)。
在最早使用支架维护巷道稳定的过程中,人们逐渐认识到支架被动支护的缺陷。1872年英国首先发明锚杆,将杆状物伸入到围岩内部,主动加固围岩,使维护措施发生根本的变革。19世纪90年代锚杆支护最早引入矿山,20世纪20年代在美国圣约瑟夫铅矿得以应用,在40年代晚期被应用到美国和澳大利亚巷道支护中。1956年以来,中国也开始使用锚杆支护。
锚杆支护理论主要有悬吊理论(图2a)、组合梁理论(图2b)、组合拱(压缩拱)理论(图2c)等,还有后来发展的最大水平应力理论和巷道锚杆支护围岩强度强化理论。悬吊理论认为,锚杆支护的作用是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上,以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落,锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量;组合梁理论认为,在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中,可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来,形成组合梁结构进行支护。组合拱理论认为,在沿拱形巷道周边布置锚杆后,在预紧固力的作用下,每根锚杆都有一定的应力作用范围,只要取合理的锚杆间距,其应力作用范围会互相重叠,从而形成连续的挤压加固组合拱,从而有效地抵抗围岩应力。最大水平应力理论认为,当垂直应力增大后,岩层由于泊松效应产生侧向变形,造成岩层之间沿摩擦力很低的层面出现相对滑动形成附加水平应力作用于顶板岩层。巷道锚杆支护围岩强度强化理论认为,锚杆支护的作用在于改善围岩的受力状态,沿锚轩的轴向对被锚固岩体施加围压,从而提高被锚固岩体的峰值强度和残余强度。锚杆支护设计方法主要有工程类比法、理论计算法、计算机模拟法和监测分析法等。
锚杆支护或独立使用,或与金属网、喷射混凝土等联合使用,主要形式有锚网支护、喷锚支护、喷锚网支护、锚网梁支护等。在地下岩体工程支护设计应用中,主要依据地下岩体工程特点,选取合适的支护理论、设计方法,选择锚杆支护形式,加以计算支护参数,并在工程实践中不断优化支护参数设计,进而选取合理的支护结构参数。
锚杆支护对巷道围岩强度有强化作用,可显著提高围岩的稳定性,充分发挥围岩自承能力,减少支护结构材料。另外,锚杆支护工艺简单、支护效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便、作业环境和安全生产条件好。因此,锚杆支护已成为世界各国矿井巷道及其他地下岩体工程的一种主要支护形式。
锚索支护是通过深孔将钢绞线、精轧螺纹钢等锚固在围岩深部维护其稳定而形成的加固支护结构,常与其他支护结构联合使用。锚索承载能力大,一般在300千牛以上,可以加固较大范围内的岩体。在高应力矿山、大跨度断面和对冒顶区域的支护上相对常规支护来说,锚索支护具有较大的优越性。