1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
锚杆支护边坡技术[1]自十八世纪中期首次在英国的一个露天矿中应用。自 1912 年，德国谢列兹矿首次在井下巷道中运用锚杆支护技术以来，土建工程中包括采矿领域开始广泛采用结构简单、施工便捷、成本低廉等特点锚杆支护系统，带来了比传统支护的更好的经济技术效益[2，3]。随着锚杆技术理念不断的成熟，被世界土木工程广泛的应用，十九世纪中期一些发达国家锚固支护理论不断完善。锚杆支护形式被矿山建设、边坡支护、隧道工程等工程领域广泛接受，通过大量的工程实践表明锚杆支护是比较经济合理的支护形式之一。
世界上煤炭开采第一大国中国，自二十世纪中期开始在煤矿巷道支护中使用锚杆支护矿山巷道。锚杆支护在我国逐渐运用到了各个领域，锚杆支护理论和应用不断的丰富，逐渐形成了自己的锚杆支护体系，又针对我国特有复杂地质条件提出了锚喷、锚网锁、桁架等各种支护技术。
目前我国多数矿区采用锚杆支护的比率达到了 60%，部分矿区的锚杆支护率高达 90%以上甚至 100%。我国矿山建设领域支护技术水平已经到了一个很高的阶段。国外发达国家对锚杆支护技术进行了全方位的深入研究，支护效果取得显著成就，锚杆支护率达90%以上[4]。锚杆根据锚固长度可以分为：端头锚杆、加长锚固锚杆和全长锚固锚杆。大多数端锚和加长锚固锚杆对煤巷初期的离层、变形的控制只能通过对锚杆施加预紧力的方式实现。对巷道围岩控制选用锚杆支护的方式显现出了锚杆支护具有用料节省、支护及时、劳动强度低、节省施工空间、经济效益高及对巷道进行支护具有强大的灵活性等许多好处，特别是对控制深部巷道变形带来了更多的经济效益。
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1.2 本课题研究领域发展现状
1.2.1 巷道围岩控制基本理论研究
煤巷随着开采深度和强度的增加，采掘接替频率增加，巷道围岩应力环境受扰动影响越来越复杂。研究表明，软岩、动压、深部巷道的围岩具有易破碎变形、稳定性差等缺陷，使得巷道使用期限降低和对人身财产安全有着重大威胁。目前动压巷道围岩控制理论研究主要的主要有： （1）古典压力理论
古典压力理论普遍认为：支护结构上承担的竖向应力为上覆岩层重量。而水平应力，瑞典的海姆在静水压力理论的基础上认为岩体受到的竖向应力和水平应力相等；郎金根据松散体理论推导出水平应力为 tan；。这些理论都在一定范围内适用。
（2）塌落拱理论
该理论认为：围岩自身在没有任何支护的情况下，具有一定的承载能力。支护结构承载的荷载为塌落拱内破碎松动的岩体重量，巷道宽度和围岩的性质决定了塌落拱的高度。普氏理论认为巷道开挖后，巷道顶板形成抛物线状的自稳拱。太沙基理论认为塌落拱为矩形。
（3）新奥法理论
奥地利学者 Rebcewciz 根据以往过去的工程经验，提出了新奥施工法新奥法主要认为地下岩体中，支护体系应该把围岩的自承载能力发挥到最大与支护结构共同发挥作用形成一个强度很大的支撑环结构，使得巷道围岩与支护体系形成一个整体。
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2 不同锚固方式对围岩控制研究
2.1 锚杆锚固方式及特点
2.1.1 锚杆的支护方式
锚杆是加固岩土体的杆件体系结构。锚杆的按锚固方式可分为机械式锚固和粘结式锚固。机械式是通过杆体前端的锚固装置或者杆体自身与围岩的摩擦力产生锚固作用；而粘结锚固是通过砂浆、树脂药卷、速凝水泥等胶结材料将锚杆杆体自身与围岩胶结在一起而产生锚固力。
锚杆的锚固长度对围岩控制起着关键作用。锚杆按锚固长度可分为：端头锚固锚杆、全长锚固锚杆、加长锚固锚杆三类。其中端头锚固的锚固长度应小于 500mm 或者小于钻孔深度的三分之一；全长锚固的锚固长度需达到钻孔深度的 90%；加长锚固的锚固长度介于以上二者之间。 2.1.2 不同锚固长度锚杆的特点
（1）全长锚固锚杆
锚杆在初始安装后，由于围岩未发生位移不能与锚固体产生摩擦作用，所以不会产生对围岩的锚固效应。当围岩开始出现变形或锚杆和围岩的之间的出现相对位移时，锚杆的产生的剪应力起到对围岩的约束作用同时也阻止围岩的横向变形。
（2）端头锚固锚杆
端头锚杆加固围岩同过对杆体施加预紧力后产生的拉伸力对围岩产生挤压作用，从而提高围岩的强度，降低围岩变形。端头锚杆对锚固点有较高的要求，需要将锚固打入岩体构造完整、稳定且开挖对巷道影响较小的巷道中。
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2.2 锚杆对围岩的控制机理
2.2.1 端头锚杆对围岩的控制机理
（1）端部锚杆对围岩的影响
锚杆对围岩的控制作用。掘巷开始后，围岩遭到破坏以后处于失稳状态，围岩应力重新分布后巷道表层出现破碎区和塑性区，局部会产生应力集中现象。此时巷道需要及时有效的支护，巷道围岩应力由单向、双向应力重新恢复到稳定的三向应力状态，围岩的破坏区和塑性区得到有效控制。对巷道进行锚杆支护后，锚杆与巷道围岩形成作用力与反作用力，随着围岩变形锚杆支护阻力也在增加。巷道在锚杆群的共同作用下，岩体的内摩擦角和内聚力均得到了提高使得在锚固范围内的围岩具备了一定的承载能力，同时围岩的塑性区应力相应降低，围岩变形也得到有效控制，提高了巷道的稳定性。
支护影响。巷道进行及时锚杆支护后，使得巷道处于不稳定的围岩恢复到稳定的三向应力状态，并在群锚支护范围内的围岩承载能力得到提高。端头锚杆成功控制围岩的关键因素在于锚杆锚固范围内的支护结构能否达到一定的强度和尺寸。在巷道围岩单强度一定时，沿着锚杆的轴向的挤压力越大，内部支护结构的强度就越高。
（2）端头锚杆的受力分析
通过对锚杆各部位受力情况进行研究分析，加固围岩的作用力主要是托盘对围岩产生的挤压作用，锚固剂对围岩产生拉伸力及剪切力。
打入岩体内部的锚杆受力特征为剪切应力和轴向应力的共同作用，其在岩体内部受力情况复杂多变。轴向应力和剪切应力两种受力状态是锚杆受力的主要形式，在安装过程中还会出现剪扭、弯扭、拉弯等受力形式。当围岩发生层间错动或发现剪切变形时，锚杆杆体受到剪切作用力，同时由于锚杆杆体表面与围岩产生的摩擦力也会出现轴向应力。端头锚杆的切向应力主要取决于以下条件：
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3.1 深部动压巷道围岩应力分布规律 ........................... 27
3.1.1 动压巷道围岩变形分析 ............................ 27
3.1.2 动压巷道的受力特征 ........................ 28
4 全长锚杆支护效果数值分析 ................................... 44
4.1 工程概况 ........................................... 44
4.1.1 围岩特征及地质构造 ............................ 44
4.1.2 水文地质情况 .............................. 45
5 工业实践 ............................................ 60
5.1 监测目的及内容 .............................. 60
5.2 巷道表面位移监测 ................................ 60
5 工业实践
5.1 监测目的及内容
观测百良煤矿 516 运输巷在 518 综采工作面回采前后的围岩变化情况。在 516 运输巷设置相应测站，对巷道表面位移、顶底板离层量、小煤柱位移量进行监测分析。
（1）监测目的
在煤巷现场设置监测设备，通过定期分析监测数据判断围岩状态是否稳定，其次监测数据可以给支护参数的更改提供准确的依据。
（2）监测内容
一、巷道顶底板及两帮围岩位移量； 二、巷道顶板离层量； 三、小煤柱围岩位移量。
为了能实时监测 516 运输巷在不同时期的围岩位移情况以便能够及时调整巷道支护参数，确保巷道在采掘双向扰动期间的稳定性。516 运输巷道在不同区段内布置测站，十字布点法监测巷道表面位移量、顶板离层仪监测顶板离层量。
6 结论和展望
6.1 结论
随着煤层开采逐渐转移到深部，地质条件越来越复杂多变。尤其是动压巷道常常出现变形量大、底鼓、片帮等问题，使得巷道返修不断提高，控制围岩变形提高巷道围岩稳定性成为煤矿高效、安全开采的关键因素。本文以深部动压巷道为研究对象，提出全长锚杆支护动压巷道的设想，在理论研究、数值模拟及工程应用提出了动压巷道支护技术及支护参数，得出了如下结论：
（1）对不同锚固长锚杆进行了分类，分别介绍了端头锚杆、全长锚杆的对围岩的控制机理。通过极限平衡理论计算出端头锚杆的极限抗拉强度、极限抗剪强度；运用中心点理论计算出全长锚杆的轴向应力及切向应力，通过数值模拟与理论分析得出全长锚杆较端头锚杆对围岩的横向位移有较好的抑制作用，更有有效的保持巷道的稳定性；
（2）通过理论分析动压巷道的变形机理，总结影响动压巷道稳定的因素；根据锚杆围岩耦合理论提出巷道的支护理念，在自稳隐形拱理论的基础初步设计动压巷道支护参数设计方法；
（3）采用数值模拟与工程应用相结合研究巷道在不同支护方案下的巷道围岩的力学特征，模拟结果得出设计锚杆支护参数的合理性，验证了全长锚固锚杆对动压巷道支护效果的可靠性；
（4）针对澄合百良煤矿优化 516 运输巷支护参数，对比数值模拟结果与现场监测数据，验证优化效果良好。
参考文献（略）