深井软岩大断面硐室锚网索复合支护研究

卢荣利

神华神东煤炭集团开拓准备中心陕西神木719315

摘要：深井软岩大断面硐室的支护与维护，一直是矿业工程难点问题之一。随着矿井开采规模的加强和开采向纵深发展，软岩硐室的支护与维护问题显得越来越突出，能否解决好软岩硐室的支护等问题，是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键。而目前从理论和实践来讲，软岩硐室的支护大多采用复合支护形式，往往是支护成本极高，或者达不到预期的支护目的。而锚网索复合支护形式是一种即经济又先进的支护形式，如何在软岩硐室中应用好这种支护形式，无疑具有很大的研究价值。

基于此，本文对软岩巷道的稳定性控制理论和支护理论进行了系统的论述，对深井大断面硐室锚网索复合支护基于耦合意义上进行了详细的研究说明，并在山东里能集团有限公司的新河二号矿井-940m水平井底车场主排水泵房硐室得到很好应用，取得较好的技术与经济效果，为以后矿井其它软岩硐室的支护设计提供了很好的参考。

关键词：深井软岩；大断面硐室；锚注支护；预应力锚索；二次支护

1深井软岩大断面硐室支护存在的主要问题

深井软岩大断面硐室支护问题，是矿业工程中的一大顽疾。以往对深井软岩硐室的控制问题，在理论认识和支护方法上存在一定问题，主要表现在以下几个方面：

（1）围岩变形破坏机理。支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，才能选择适当的软岩的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数[1]。

（2）支护对策。深井软岩硐室与一般软岩硐室变形破坏特征不同，应采取适应于高应力软岩的支护对策。

（3）支护参数。支护参数选择是影响硐室稳定性的一个非常重要的因素。以往对支护参数的选取基本上采用工程类比法。当工程地质条件简单，此法基本满足要求；当地质条件复杂，是不能满足要求的，再加上目前很少有深井软岩硐室支护成功事例，无法进行工程类比。

对于深井软岩硐室，采用常规的锚喷支护、Ｕ型钢支架等难以控制深部高应力围岩软化等引起的过量变形与破坏。其问题所在主要有以下几个方面

1）围岩自承圈厚度小。常规支护多采用端锚锚杆，其所形成的围岩自承圈厚度较小，一般情况，锚固后围岩的自承圈厚度约为0.6m，远小于锚杆杆体长度，造成锚杆的浪费，同时难以抵抗较大的围岩压力。

2）初期支护刚度过大。硐室开挖后由于围岩应力重新分布和发生变形而对支护体产生较大的压力，它与支护体的刚度有较大的关系，支护体的刚度越大，其抵抗围岩压力越大。如果支护刚度偏大，则不能适应硐室开挖初期变形速度快，变形量大的特点，进而导致硐室围岩支护变形不协调而发生破坏。

3）围岩表面约束能力差。由于高应力或构造应力的影响，使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区，破碎区的发展导致围岩自承圈破坏。对于深井高应力软岩硐室，采用普通的锚网（铁丝网）喷支护时，由于喷体强度相对较低，对围岩约束能力差，不能有效地扼制围岩的局部破坏和破碎区向纵深发展，进而导致围岩破坏。

4）仅一次锚网喷作为硐室的永久支护不符合深井高应力软岩硐室地压显现规律。深部硐室开挖后，表现为地压大，变形持续时间长等特点，一次支护往往难于奏效，需要进行二次支护。

5）开放式支护结构不适应深井软岩硐室地压要求。对于深井软岩硐室，围岩变形量一般较大，由于是开放式支护，底板未加处理致使发生很大的底臌，在拉底的同时，硐室两帮发生进一步的松动，两帮底角发生破坏，导致硐室的支护状况恶化，硐室失稳。

6）锚网喷支护结构不合理。在锚网喷支护中，现场一般习惯于先安装锚杆挂网，后喷射混凝土，这样一来，金属网的位置处于混凝土的内层，不利于金属网的抗拉性能和混凝土抗压性能的发挥。

2深井软岩大断面硐室变形破坏的特点

实践和各种分析结果证实，深井软岩大断面硐室围岩变形破坏具有以下特征

（1）变形量大；

硐室的收敛变形从数厘米到数十厘米，最大可达1.0米以上，严重者可封堵整个断面。从变形破坏来看，岩体以挤出大变形为主，有硐室侧帮的张拉挤出破坏，有硐室顶部挤出下沉，也有硐室的强烈底鼓。

（2）初期变形速率大并有明显的时间效应；

硐室开挖后，主要表现为初始变形速度很大，在高应力的作用下，变形趋向稳定后仍以较大的速度产生流变，且持续时间很长，具有明显的时间效应。如果不采取有效的支护措施，围岩变形的急剧增大，势必导致围岩的失稳破坏。

（3）围岩变形有明显的空间效应；

对于深井软岩硐室工程，硐室所在的深度不仅对围岩变形和稳定状态有明显的影响，而且影响程度很大。埋藏深度越大，即使围岩强度较高，其破坏程度也会很大，维护也十分困难。

（4）伴随有两帮的剧烈位移；

（5）对应力扰动和环境变化非常敏感；

主要表现为硐室受临近开掘、水的侵蚀、支架折损失效、爆破震动及采动影响时，都会引起硐室围岩变形破坏的急剧增长。

3深井软岩大断面硐室支护对策

由以上分析可知，对于深井软岩大断面硐室，常规的支护方法和单一措施都不能满足工程的实际需要，必须根据其原因采取相应的支护对策。

（1）加强网的强度和刚度，或在局部薄弱环节，增加锚梁支护，以增强围岩表面约束能力，限制破碎区向纵深发展。

（2）适时进行二次支护且二次支护适当地增加锚索的强度，如适当加长锚杆，增加托梁、钢带等，以保证初期支护具有一定的柔性，在巷道不失稳的前提下，允许围岩有较大的变形，让其充分地释放能量。同时，支护体后期要有足够的强度和刚度来有效控制围岩与支护的过量变形。

（3）实现深井软岩大断面硐室厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；二是进行锚索加固，由于锚索长度较大，能够深入到深部较稳定的岩层中，锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200KN，限制围岩有害变形的发展，改善了围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；三是改变支护结构，在硐室的两底脚增加斜拉锚杆或硐室底板开挖成反底拱形并锚喷（梁）支护，从而形成完整的、封闭的支护整体。

（4）减少围岩的破坏，增大围岩的强度，提高围岩自承能力。一是推广光面爆破，减少围岩震动，控制围岩环向裂隙，尽量保持围岩的整体强度；二是尽量保持硐室周边的光滑平整，避免产生应力集中；三是采用膨胀材料充满锚杆孔，形成全长锚固。

4锚网索耦合支护的概念

锚网索复合支护是是一种十分先进的支护方式，在深井软岩支护中具有广阔的发展前景。复合支护并非是各种支护构件的简单叠加，而是应该适应软岩硐室特别是深井软岩大断面硐室围岩非线性大变形的特点，充分发挥锚杆、锚索的支护能力，保证硐室围岩的稳定，其实质就是对软岩大断面硐室实现锚网索耦合支护。

锚网索耦合支护就是针对软岩硐室围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位，通过锚网－围岩以及锚索－关键部位支护的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、载荷均匀化，达到硐室稳定的目的。

在整个支护体系中，锚杆通过与围岩的相互作用，起着主导承载作用，同时能够防止围岩的松动破坏，并有一定的伸缩性，可随硐室的变形，而不失去支护能力。网的主要作用是防止锚杆间的松软岩石垮落，提高支护的整体性。

锚索作为一种新型的加强支护方式，由于锚固深度大，可将下部不稳定的岩层锚固在上部稳定岩层中，同时可施加预紧力，主动支护围岩，能够充分调动巷硐室深部围岩的强度。

5耦合支护的基本特征

根据软岩硐室围岩变形的破坏机理，软岩硐室实现耦合支护的基本特征是：强度耦合、刚度耦合和结构耦合。见图5.1所示。

图5.1耦合支护的基本特征

6锚网索耦合支护原理

根据软岩硐室耦合支护的特征，锚网索耦合支护的原理包括锚杆与围岩之间的耦合、锚网与围岩之间的耦合以及锚索关键部位的耦合。

6.1锚杆－围岩耦合支护原理

（1）锚杆与围岩相互作用机理

硐室开挖后，围岩的受力状态发生改变。不同部位的岩体，由于其受力状态不同，所表现出的出的强度特性也各不相同（见图6.1）。对于硐室顶板和底板的A点和C点，处于受拉状态，而岩石的抗拉强度相对较低，因此极易发生破坏。对于巷道帮部的B点，处于受压状态，因此其强度表现要比A点高。围岩内部的D点，仍处于三向状态，因此其强度表现相对最高。打入锚杆后，由于锚杆与围岩的相互作用，使巷道的围岩受力状态发生了改变。锚杆对围岩的加固作用机理比较复杂，主要表现在：①锚杆与围岩黏结在一起，提高了岩体的整体刚度，增强了岩体的抗变形能力；②由于锚杆的抗拉作用，当锚杆穿过破碎岩层深入稳定岩层时，对不稳定岩层起着悬吊作用；③对于层状岩体，由于锚杆的作用，对岩层离层的作用起着一定的阻碍作用，并增大了层间的摩擦力，与锚杆本身的抗剪作用阻止层间的相对滑动，从而将各个岩层夹紧形成组合梁，提高了岩层的承载能力；④由于锚杆的作用，从而形成；了作用面，改变了边界岩体的受力状态，使其由一维状态转化为三维受力状态，提高了岩体的承载能力。

在不同阶段，锚杆与围岩的相互作用有所不同。早期阶段，锚杆的主要作用是控制顶板下部岩体的错动和离层失稳的发生；在中期阶段，岩层产生了一定的变形，由于岩石的流变效应，随着时间的推移，岩层强度不断降低，当锚杆深入稳定岩层时，其悬吊作用处于主要地位，同时由于锚杆的径向和切向约束，阻止破坏区岩层扩容、离层和错动；在后期阶段，围岩变形增大，锚杆受力增大，设计合理的情况下，只要锚杆部产生破坏，围压的稳定层仍在锚杆的控制范围内，仍可起悬吊作用，若稳定层上移，使锚杆完全处于破坏岩层内，则锚杆和破坏岩体仍可形成承载圈，具有一定的承载能力[2]。

（2）杆与围岩耦合作用分析

传统的组合拱设计观点认为，硐室围岩打入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间排距、锚杆对岩体的控制角α有关（图6.2），一般α取45°。

根据数值模拟的研究结果，α的取值及锚杆调动岩体的范围应根据锚杆与围岩的耦合程度来确定。

图6.1硐室围岩受力分析

由于岩体的开挖，顶部岩体要向下移动、变形，上部岩体和上部岩体的变形大小是不同的。锚杆的存在，增大了岩体的整体刚度，使岩体的变形更加协调，下部岩体的变形比上部岩体的变形要大的多，此时锚杆就处于一种受拉状态，当锚杆顶端深入稳定岩体中时，锚杆对下部岩体起着悬吊作用。

6.2锚网－围岩耦合支护原理

锚网与围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚网支护，都会引起局部应力集中而造成硐室的破坏。只有锚网与围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能相互协调[3]。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散，从而达到最佳支护效果。

图6.2锚杆对岩体控制角及调动岩体范围

6.3锚索关键部位耦合支护原理

锚索支护是把组合梁悬吊在巷道上部稳定岩层中，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤压和严密岩石中的层理，节理，裂隙等不连续面，增加不连续间的磨擦力，从而提高围岩的整体强度，进一步强化了锚网锚杆对围岩的支护作用。

锚索关键部位耦合支护是根据位移反分析原理，确定支护系统二次组合支护的最佳时间，在关键部位实施支护体和围岩的再次耦合，最大限度的发挥围岩的自承能力，从而使支护体的支护抗力降到最低[4]。

通过数值模拟比较可以知道，施加锚索支护后与施加前巷道围岩应力分布具有明显的不同，主要表现在施加锚索支护后，剪应力明显向硐室深部围岩延伸、扩张，应力集中程度相对减小，在硐室围岩深部锚索顶端出现拉应力集中区。这说明锚索的作用，促使硐室深部岩体也承担了潜部围岩的支护荷载，从而减小了硐室的变形量。另外，硐室开挖后，围岩的应力由空区向深部逐渐增大到原岩应力，正是由于锚索的作用，调动了硐室深部围岩强度，从而达到对硐室潜部围岩的支护效果。

7通过专题研究，获得以下主要结论

（1）优化意义上的硐室支护是充分利用围岩的自承能力。根据软岩硐室围岩变形三个阶段的划分及其软岩硐室支护原理，软岩硐室实现优化意义上的支护关键是最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定。最佳支护时间实质意义是使硐室围岩弹性能的释放和硐室围岩自承能力同时达到最大的时间。超前和滞后支护都不利于围岩的控制，超前支护围岩自承能力没有得到充分的利用，滞后支护可能造成塑性区的进一步扩展而导致围岩的松动破坏，造成硐室的破坏[17]。

（2）耦合支护是实现软岩硐室成功支护的有效措施。软岩巷道围岩变形破坏特点，决定了软岩巷道支护不是一蹴而就的，一般必须经历二次支护，其目的是实现关键部位的二次耦合支护。同时二次耦合支护时间的选择也是非常重要的，其关系到二次支护及其整个支护过程的成败与否。

（3）锚网索耦合支护中，锚网初次耦合支护的作用是围岩应力集中区在协调变形过程中，实现应力的转移和扩散，从而在硐室周边形成一定厚度的承压拱。锚索的作用是二次关键部位的加强支护，实质是在充分发挥锚网支护强度的同时，调动深部岩体的强度，抑制关键部位的出现，最终达到支护的目的。

（4）针对深井软岩大断面硐室变形破坏特点，提出深井软岩大断面硐室的支护对策：1）加强网的强度和刚度，或在局部薄弱环节，增加锚梁支护，以增强围岩表面约束能力，限制破碎区向纵深发展；2）适时进行二次支护且二次支护适当地增加锚索的支护强度；3）实现深井软岩大断面硐室厚壁支护；4）减少围岩的破坏，增大围岩的强度，提高围岩自承能力。

（5）通过对山东里能集团有限公司的新河二号矿井-940m水平井底车场主排水泵房硐室支护现场监测结果表明，由初次锚网喷与锚索和二次锚注组成的复合支护结构满足了深井软岩地层中大断面硐室的支护要求，并取得较好的技术与经济效果，可以为以后类似工程提供很好的参考。

参考文献：

[1]何满潮，孙小明，中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M]，科学出版社，2004.4.

[2]何满潮，袁和生等，中国煤矿锚杆支护理论与实践，科学出版社，2004.4.

[3]董方庭等，巷道围岩松动圈支护理论及应用技术，煤炭工业出版社，2001.10.

[4]李希勇，孙庆国，深部巷道围岩工程控制理论及支护实践[M].中国矿业大学出版社，2001.11.