20世纪70年代,M.D.Salamon等人提出了能量支护理论[12-13]。该理论认为,支护结构与围岩相互作用、共同变形,在变形过程中,围岩释放一部分能量,支护结构吸收一部分能量,但总的能量没有变化。因而,主张利用支护结构的特点,使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量,支护结构具有自动释放多余能量的功能。该理论主要是把岩体视为均质线弹性体进行分析,具有一定的局限性。
孙均院士、朱效嘉教授、郑雨天教授等提出的锚喷-大弧板支护理论[14],通过壁后软性固化充填及接头处可压缩垫板而使支架具有一定的可缩让压特性,让压到一定程度,要坚决顶住,以满足软岩支护“边支边让,先柔后刚,柔让适度,刚强足够”的特点。
董方庭教授提出的围岩松动圈支护理论[15],认为巷道在开挖前后,岩体由三向应力状态转变为二向应力状态,岩体强度急剧下降,由于应力的转移,巷道周边出现应力集中,使周边岩体受力增加,如应力超过岩体强度,岩体发生破坏,使其承载能力变低,应力向深部转移,直到应力低于岩体的塑性屈服应力为止。在巷道周边依次形成破裂区、塑性区和弹性区。通过现场实测围岩松动圈的大小
来选择合理的支护参数。
方祖烈教授提出了主次承载区支护理论[16-17],该理论认为:巷道开挖后,在围岩中形成拉压域,压缩域在围岩深部,处于三向应力状态,围岩强度高,是维护巷道稳定的主承载区。张拉域在巷道周围,围岩强度相对较低,通过支护加固,也有一定的承载力,称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。
侯朝炯等通过深入研究得到了煤巷锚杆支护的关键理论和技术,特别是提出了围岩强度强化理论[18-27],主要内容:①锚杆支护实质是锚杆与锚固区域的岩体相互作用组成锚固体,形成统一的承载结构;②锚杆支护可提高锚固体的力学参数,包括锚固体破坏前与破坏后的力学参数,改善被锚岩体力学性能;③巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区,锚杆锚固区域岩体的峰值强度、峰后强度及残余强度均能得到强化;④锚杆支护可改变围岩的应力状态,增加围压,提高围岩的承载能力,改善巷道支护状况;⑤围岩锚固体强度提高后,可减小巷道周围的破碎区、塑性区范围和巷道表面位移,控制围岩破碎区、塑性区的发展,从而有利于巷道围岩的稳定。
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层面出现相对滑动形成附加水平应力作用于顶板岩层[28-30]。澳大利亚学者W.J.Gale通过现场观测与数值模拟分析,得出水平应力对巷道围岩变形与稳定性的作用,认为巷道顶底板变形与稳定主要受水平应力的影响,如图2.1所示。