大变形软岩巷道锚网支护失效机理研究

徐基根，田素川，孙 康，许兴亮

(1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116;2．淮北矿业集团 朱仙庄煤矿，安徽 淮北 234111)

由于巷道开掘在煤层或软弱岩层中，一段时间后，巷道处于岩石的峰后软化阶段，强度低、物理性质差、流变问题较严重。软岩巷道锚网支护，提高了围岩的抗压强度及抗剪强度，约束围岩位移，改善围岩物理性质，使巷道得到有效维护。但是，对于锚网支护机理的研究，集中在锚网与巷道围岩的整体作用及单方面提高支护阻力上，未将两者作用具体化，致使一些软岩巷道局部部位支护不耦合，锚网支护失效。本文以中国矿业大学何满潮教授提出的软岩巷道弹塑性状态圈状模型［1］为基础，进行了分析。

1 锚网支护巷道力学分析

巷道的开挖破坏了原岩应力场中的三向应力状态，原有平衡被打破，巷道围岩逐渐变为平面应力状态。围岩表面单元切向应力达到最大值，径向应力为零。围岩内部，径向应力慢慢增大，围岩总是处在第三向应力较弱的三向应力状态。随着时间的推移，调整后的围岩中部分岩体在大于其强度的载荷作用下发生破坏，并且靠近巷道表面的岩体最先破坏，最大主应力集中区向围岩内部移动。在此过程中，巷道围岩将出现4个力学性质有差异的区域：弹性区，塑性硬化区，塑性软化区，塑性流动区(由内到外)。各区对应全应力—应变曲线见图1，软岩巷道围岩分区见图2。

2 巷道围岩力学行为分析

2．1 弹性区

弹性区与未受工程扰动的岩体相接，岩体处于弹性状态，结构面和结构体的性质共同起作用，抗压强度较大。其基本方程：

2．2 塑性硬化区

应力应变曲线对应于图2中塑性阶段AB，在弹塑性交界处围岩开始屈服，岩体结构面发生剪切滑移变形，扩容现象明显。在塑性硬化区中，由摩尔—库伦强度准则，可得：

在弹塑性区边界r=Rs处，有σr+σθ=2P0，可得：

由上式和平衡方程可求得应力：

2．3 塑性软化区

塑性软化区与塑性硬化区交界处岩体所表现出的载荷应力为极限抗压强度σc。该区域中，岩体中裂隙扩展，并产生新的裂隙。大部分裂隙贯通，岩体中产生内部空洞。内摩擦角及结构面黏结力变化与径向位移成线性关系，即：

其中：

式中：

φ，φ*—岩体原状态下内摩擦角及完全破坏后的残余内摩擦角;

C，C*—岩体原状态下内聚力及残余内聚力。

在塑性软化区内，由摩尔—库伦准则的另一种形式：

假设在圆形巷道开挖时，在支护力Pi作用下，围岩没有出现塑性软化区，则有边界条件r=a，σr=Pi，由此可得塑性软化区半径：

2．4 塑性流动区

围岩流动区岩体的C，φ分别为其残余值C*，φ*，则由摩尔—库伦准则推得岩体起塑条件：σr=Kσθ+σc，在塑性流动区有 σ*=K*σθ*+σc

*，K*=，结合平衡方程：

式中：

q0—巷道表面的支护力。

3 锚网支护软岩巷道失效机理

锚网支护多应用于服务年限较长的巷道。锚杆形成的锚固层组合拱是支护的主要承载结构，金属网的作用是维护该组合拱的存在，防止它因岩块冒落而失效。软岩巷道的锚网支护失效机理可从以下几方面说明。

3．1 锚杆支护失效

3．1．1 支护时机

软岩巷道中，伴随着围岩应力的调整，锚杆锚入岩体后受到围岩变形应力的作用而承受力。软岩巷道支护系统设计需要留出富余的变形空间，以释放围岩积聚的能量。若支护过早，长时间的围岩松动变形将远超过杆体所能承受的变形能量，会将锚杆“拔出”或引起锚固失效;若支护过晚，围岩塑性流动区半径过大，锚杆锚固作用岩体强度将大大降低，不能承受围岩后续变形对锚杆施加的拔拉力，致使锚杆失效。

3．1．2 锚杆直径对围岩变形的影响

模拟方案采用锚杆长度为2 000 mm，间排距为800 mm×800 mm。支护参数见图3，模拟结果见图4。

由图4可知，锚杆直径的大小对围岩变形产生了实际影响［2］。实际研究结果表明，随着直径数值的增加，巷道顶板和两帮位移量都有小幅度减小，顶底板相对移近量在局部阶段有小幅度增加;同时，直径过小会引起锚杆杆体抗剪能力的减弱，在塑性区中，当τ杆＜τ岩时，则围岩剪切应力将锚杆剪断，锚杆整体作用不能发挥，锚杆失效。

3．1．3 锚固组合拱

在锚杆杆体及锚固剂共同作用下，锚杆群在破碎岩体中形成“组合［3］拱”，锚固区分布示意图见图5，组合拱示意图见图6。

根据拉麦公式，组合拱支护力：

式中：

σz—破碎岩体锚固体强度，σz=0．7 ～0．8σc;

bb0

如果当 r=Rb，σr*＞Pi，即组合拱部分所在岩体径向应力大于组合拱所提供支护力，局部组合拱就会破坏失效，从而引起整个支护系统的崩溃。

3．2 锚网原理

3．2．1 网的作用

1)维护锚杆间比较破碎的岩石，防止岩块掉落。

2)提高锚杆支护的整体效果，抵抗锚杆间破碎岩块的碎胀压力，提高支护对围岩的支撑能力。

在组合拱理论中，金属网维护如图6中阴影部分岩体。该部分岩体中任意一块岩块的掉落都将危及锥形区域的锚固岩体，锚固岩体逐渐掉落，锚杆作用将会慢慢失去，组合拱厚度及承载能力都会降低，造成锚杆支护失败。

3．2．2 水风因素

软弱围岩主要含有高岭土、伊利石等黏土矿物，遇风岩体间裂隙尺寸变大，块度变小，强度降低;遇水往往会泥化、崩解，岩体强度慢慢降低至零，形成流动性泥质物。在软岩巷道中若不注意维护围岩表面岩体及防治水，则会引起表面岩体块度及强度的降低，岩石会从金属网网孔中漏出，危及锚固体。

3．3 底 鼓［4］

3．3．1 产生因素

巷道开掘引起围岩的应力状态和性质都发生变化，围岩表面的塑性流动区下部岩体在内部应力场挤压作用下向巷道空间移动，并伴随有岩体的进一步变形，一起底鼓。同时，巷道底板存有积水的情况下，其中的黏土岩成分会在水的作用下膨胀、崩解，裂隙加大，使底板鼓起。若不及时处理，则会引起更大范围的底鼓。

3．3．2 底鼓对锚网支护的影响

塑性流动区底部岩体向巷道内流动会产生一定的空间，这部分空间会由流动区其它部分的岩体填充。这样会引起巷道断面形状的变化，断面面积大大减小。

塑性流动区岩体的流动，使锚网支护系统靠近底板部分及内部组合拱同时移动。组合拱形状发生较大变化，底部承载能力大大降低，而且部分移动的锚网系统不能再按设计要求与全系统耦合。随着时间的增长，底部关键部位支护的失效会慢慢引起整个支护系统的失效。

4 结论

1)软弱围岩随时间的推移而变化，围岩各圈层半径随时间推移而增大，加强支护后，趋于稳定。

2)锚杆锚固体是锚网支护的主体，各种原因引起的锚杆锚固失效是软岩巷道锚网支护失效的关键因素。

3)模拟结果与理论推导结果一致，说明了理论分析是正确的。

［1］ 何满潮，景海河，孙晓明．软岩工程力学［M］．北京：科学出版社，2002：108－109．

［2］ 考四明，宫能平，祈建奎．不对称软岩巷道支护设计的优化分析［J］．矿业安全与环保，2010，37(2)：86－88．

［3］ 薛顺勋．软岩巷道支护技术指南［J］．煤炭工业，2002(5)：24－28．

［4］ 刘 刚，王仁庭，董方庭．井巷工程［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2005：219－228．

［5］ 许兴亮，张 农．富水条件下软岩巷道变形特征与过程控制研究［J］．中国矿业大学学报，2007，36(3)：288－302．