1952~1962年路易斯 阿·帕內(nèi)科(Louis A·Panek)等發(fā)表了懸吊理論,懸吊理論認為錨桿支護的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上。 對于回采巷道揭露的層狀巖體,直接頂板均有彎曲下沉變形趨勢,如果使用錨桿及時將其擠壓,并懸吊在老頂上,直接頂板就不會與老頂離層乃至脫落。錨桿的懸吊作用主要取決于所懸吊的巖層的厚度,層數(shù)及巖層彎曲時相對的剛度與彈性模量,還受錨桿長度、密度及強度等因素的影響。這一理論提出的較早,滿足其前提條件時,有一定的實用價值。但是大量的工程實踐證明,即使巷道上部沒有穩(wěn)固的巖層,錨桿亦能發(fā)揮支護作用。例如,在全煤巷道中,錨桿就錨固在煤層中也能達到支護的目的,說明這一理論有局限性。
組合梁理論認為巷道頂板中存在著若干分層的層狀頂板,可看作是由巷道兩幫作為支點的一種梁,這種巖梁支承其上部的巖層載荷。使用錨桿將各層"裝訂"成一個整體的組合梁,防止巖石沿層
面滑動,避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。在上覆巖層荷載作用下,這
種較厚的組合梁比單純的迭加梁,其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力將大
大減小,撓度亦減小。而且各層間摩擦阻力愈大,整體強度愈大,
補強效果愈好。
但是,這種理論在處理巖層沿巷道縱向有裂縫時梁的連續(xù)
性問題和梁的抗彎強度問題時有一定的局限性。
組合拱理論是由蘭氏(T A Lang)和彭德(Pender)通過光彈試驗提出來的。組合拱原理認為,在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中,安裝預應(yīng)力錨桿時,在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力,如果沿巷道周邊布置的錨桿間距足夠小,各個錨桿的壓應(yīng)力維體相互交錯,這樣使巷道周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合帶(拱)。
這個組合拱可承受上部巖石的徑向載荷,如同碹體起到巖層補強的作用,承載外圍的壓力。組合拱理論的不足是缺乏對被加固巖體本身力學行為的進一步探討,與實際情況有一定差距,在分析過程中沒深入探索圍巖 -支護的相互作用。
澳大利亞學者蓋爾(W J Gale)在20世紀90年代初提出了最大水平應(yīng)力理論。該理論認為:礦井巖層的水平應(yīng)力一般是垂直應(yīng)力1. 3~2. 0倍。而且水平應(yīng)力具有方向性,最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1. 5~2. 5倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力影響,且有三個特點: ①與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小,頂?shù)装宸€(wěn)定性最好; ②與最大水平應(yīng)力呈銳角相交的巷道。其頂板變形破壞偏向巷道某一幫; ③與最大水平應(yīng)力垂直的巷道,頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。
最大水平應(yīng)力理論,論述了巷道圍巖水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響以及錨桿支護所起的作用。在最大水平應(yīng)力作用下,巷道頂?shù)装鍘r層發(fā)生剪切破壞,因而會出現(xiàn)錯動與松動引起層間膨脹,造成圍巖變形。錨桿所起的作用是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動,因此要求具備有強度大、剛度大、抗剪阻力大的高強錨桿支護系統(tǒng)。
