随着预应力锚杆支护技术的不断改进和提高,锚固理论的不断发展和完善,以及新型高强度、超高强度锚杆材料的开发与研制,预应力锚杆已经广泛应用于水利、矿山、交通、建筑等多个领域的地下工程之中。近几年,随着煤炭工业的迅速发展,矿井生产规模的不断扩大以及开采深度的逐年增加,巷道支护难题不断出现。传统的锚杆支护技术已经不能满足现代矿井“高产、高效”的发展需要。预应力锚杆支护技术能够真正实现“高强度、高刚度、高可靠性、低支护密度”(简称“三高一低”)的现代锚杆支护体系,提高煤矿巷道掘进速度和安全程度,为解决目前煤矿巷道支护难题提供了有效的解决途径。由于预应力锚杆加固围岩的作用机理比较复杂,目前对预应力锚杆的作用机理研究还处于探索阶段,没有形成统一的理论体系。预应力锚杆支护设计也主要依靠工程类比法来实现,理论研究严重滞后于实践。本论文主要对预应力锚杆支护巷道围岩的作用机理作进一步的探讨;通过实验室实验研究分析锚杆预紧扭矩与轴向预应力的对应关系;利用FLAC3D数值模拟软件对锚杆预应力在巷道围岩中的扩散状态、锚杆预应力与巷道支护效果的关系进行相关的数值模拟分析;最后,通过对试验巷道的现场监测分析,进一步说明锚杆预应力与巷道支护效果的关系。通过本文的研究,主要得到如下几方面的结论:(1)预应力锚杆支护能够及时有效地提供支护抗力,控制巷道围岩的有害变形,使围岩破碎区和塑性区的岩体整体化,形成具有较高承载能力的承载结构。同时,预应力锚杆能够控制因开挖而引起的巷道围岩力学参数的降低,改善围岩应力场和受力状态以及围岩体的变形性能。(2)预应力锚杆支护可以使顶板岩层在水平应力作用下处于横向压缩状态,形成顶板预应力承载结构,从而阻止高水平应力对巷道顶板围岩体的破坏,消除或大大减缓了弱面离层现象,同时减弱两帮围岩的应力集中程度和岩体破坏现象,使锚固区载荷趋于均匀并实现连续传递,从根本上维持了围岩的稳定。(3)实验研究发现,锚杆预紧扭矩与轴向预应力基本成线性关系,锚杆预应力随锚杆预紧扭矩的增加而增大,其对应关系可以简化为M = k?T?d(或T = M ( k ? d))。相同的锚杆预紧扭矩条件下,采取减摩措施能够将锚杆轴向预应力提高15.67%～110.47%,平均提高26.57%～77.76%,提高程度根据使用的减摩垫片材质不同而有所变化,其中1010尼龙垫片的减摩效果最为明显。(4)由于在实际工程中预应力锚杆是作用在不同围岩条件的岩体中,与实验中球垫与传力板的刚性接触有所不同,需要根据巷道围岩条件确定修正系数α的取值范围,对锚杆预紧扭矩与轴向预应力的关系进行修正。(5)通过数值模拟分析发现,巷道锚杆施加预应力之后,在巷道围岩中产生一定范围的附加预应力场。在巷道发生变形之前,巷道围岩表面就重新恢复到三向受力状态,并在围岩中形成具有一定厚度的承压拱,提高了巷道围岩的承载能力,巷道围岩的破坏范围大幅减小,有效地控制了巷道围岩的变形。(6)通过对比试验巷道在不同锚杆预应力条件下巷道支护的效果可以看出,巷道变形量随锚杆预应力的增大而减小。巷道顶板离层也可以通过增加锚杆的预应力来得到有效控制。预应力锚杆安装越及时,预应力越大,锚固范围内岩层的整体刚度越高,岩层的完整性和整体强度就能够得到保持。高预应力强力锚杆的成功应用为困难巷道支护提供了一个有效的支护手段。