深部离层断裂型工程软岩巷道支护技术研究

张 军，段绪华

(华北科技学院，北京 101601)

1 深部巷道围岩特性及力学环境

深部围岩埋藏深度大，地质构造复杂，处于原始平衡状态的岩体已经历过复杂多变的地壳运动、岩浆活动、沉积作用、变质作用等物理化学过程。粉砂岩、砂质泥岩、砂质页岩、砂岩、石灰岩等坚硬岩石，在深部高应力地质作用过程中，由于层间填充矿物与上下层岩石组成结构差异较大，没有融合成连续介质。此类岩体层理结构明显，在深部高应力作用下，填充矿物压缩变得致密，但仍然是层间弱面，整个岩层也存储了变形能，埋藏深度越大，岩体存储的变形能越大，与软岩相比，由于体积应变及组成结构的巨大差异，存储的能量较小。

深部围岩力学环境复杂，不仅具有浅部围岩体固有的垂直应力、水平应力，还包含复杂的地质构造及其诱发的复杂应力，构造应力作用将更加明显，高地压、高地温更加突出。围岩变形结构复杂、变形能来源组合效应明显。

2 深部围岩分类及支护对策

2.1 围岩分类应遵循的主要原则

1)分类指标直观、简单、易于获取。

2)分类具有指导工程实际的应用价值。

2.2 围岩分类方案

从围岩对巷道工程支护对策选择及方案设计思路的影响出发，将深部复杂条件下的巷道围岩分为高应力完整围岩、高应力较完整层状围岩、高应力破碎围岩、高应力软弱围岩。具体分类方案如表1所示。

表1 深部复杂高应力巷道围岩支护影响分类方案

3 深部离层断裂型工程软岩巷道变形破坏机理

3.1 变形破坏特征

深部离层断裂型工程软岩巷道围岩的变形破坏特征表现如下：

1)巷道在破坏之前不发生较大变形，破坏视觉前兆不明显，具有潜在的突然性。

2)位置。拱形巷道是拱的中部，矩形巷道是顶板中部及两侧肩部。

3)形态。顶板冒落之前表现为下沉和中部受拉应力作用开裂，两帮偶有片帮，淋水大的区域有底臌现象。顶板和两帮破坏多数表现为表面破坏(skin failure)，这种破坏是导致巷道支护失效或发生垮塌事故的起因。

4)范围。冒落高度0.8～2.4m，长度为7～20m。

5)支护体形态。冒落高度<1.4m的锚杆联合支护多数表现为锚杆切断掉落、锚索拉断，冒落高度>2.2m的锚杆联合支护多数表现为锚杆整体下落切断掉落、锚索拉断或出现径缩，U形棚支护表现为严重扭曲变形、失去应有的支护作用、巷道变形到无法正常使用。

3.2 变形破坏机理

深部离层断裂型工程软岩巷道围岩的变形破坏机理[1-2]。

1)开挖卸荷弹性能释放，层间胶结物粘结力c大幅降低，存在潜在离层诱因。

2)深部复杂高应力作用下，围岩由张性裂隙变形转变为追踪张裂隙的剪切脆性破坏。

3)巷道肩部刚性剪切断裂，顶板失去横向约束，离层顶板发生中部断裂或整体冒落。

4)变形破坏的主因是深部复杂高应力环境下，围岩开挖后，在卸荷弹性能释放及不平衡力作用下，层状岩层组合强度不够而发生离层、错动，整体支护结构强度急剧瓦解破坏。

4 深部离层断裂型工程软岩巷道支护对策研究

4.1 支护原则

由以上巷道围岩破坏特征及机理分析可知，对于深部复杂高应力条件下离层断裂型工程软岩巷道而言，要保证巷道稳定，必须阻止层状岩层变形导致离层[3-5]。所以，在支护设计中必须遵循以下原则：

1)支护材料必须具有足够的强度和刚度。

2)“及时抗压、一次到位”，锚杆、锚索的安装扭矩和张拉力分别达到屈服强度的60%以上。

3)实现支护体与围岩强度、刚度、变形、结构协调，形成支护体与围岩耦合。

4)高强锚杆采用端部锚固，使锚固范围内的任何部位岩层的离层都均匀地分散到整个杆体的长度上，避免杆体局部应力集中破坏。

5)实现锚杆和锚索的互补作用，锚索和锚杆支护达不到互补作用状态，则可能出现变形失控、局部冒落或大面积冒顶等事故。因此，重视各种时空条件下的预应力施加值的变化至关重要。一般地在迎头工作面实施锚索支护，预应力值应适当小一些，约是锚杆设计值的0.8～1.0倍；在掘进机后实施锚索支护时预应力水平应是锚杆设计荷载值的1.0～1.3倍比较适宜。

6)现场地质条件复杂多变，要加强锚索支护的检测，及时反馈分析、修正和完善设计。锚网索联合支护的巷道顶板离层临界值的大小，主要取决于锚索材料所允许的最大伸长量在垂直方向上的分量。和锚索的有效安装长度及其同巷道表面的安装角度也有关系。

4.2 支护技术方案

对于深部复杂高应力离层断裂型工程软岩巷道，根据上述分析的支护原则，结合当前支护理论、技术、方法，可采用高强锚网索+梁(带)联合支护技术。具体方案：锚网索配合钢带、钢筋梯子联合支护形式。

顶板锚杆间排距为800 mm×1000 mm，两帮锚杆间排距为800 mm×1000 mm。

锚索间排距为1500mm×2000 mm，长度为4.5～12 m，锚入稳定岩层中的长度≥1.5 m，锚索呈五花型沿巷中分布。

全断面挂菱形金属网，网与网压茬100 mm，每200 mm用10#铁丝联接一处。

锚固采用树脂药卷锚固，锚杆及锚索锚固剂型号顶部为K2350型，帮部为K2850型，锚杆锚固长度为(500×2)mm，锚索锚固长度为(500×3)mm。

巷道净宽4.5 m，净高4.0 m，支护布置断面如图1所示。

图1 巷道支护设计断面图

4.3 支护效果分析

4.3.1 监测内容

监测内容的选择必须充分考虑到：巷道围岩的运动状况，从监测数据直接判断围岩是否稳定；锚杆的工作状态，判断锚杆支护参数是否合理；便于观测，易于现场测取。

1)与巷道两帮围岩稳定有关的监测指标：巷道表面收敛、围岩深部位移、锚杆受力。

2)与巷道顶板稳定有关的监控内容有：顶板下沉量、锚固区内、外的离层值。围岩深部位移，锚杆受力及其分布状况。

本次矿压观测安装表面位移观测点两处；顶板离层观测点两处；端锚锚杆(锚索)工作荷载观测点三处；测力锚杆观测点两处；再生围压观测点两处。

4.3.2 监测数据

1)测站1处的表面位移监测。根据现场数据，得到测站1处顶、底板及两帮变形曲线，如图2、图3所示。

2)顶、底板离层监测。根据现场监测数据，得到顶底板变形变化监测曲线，如图4、图5所示。

3)端锚锚杆(锚索)工作荷载监测。根据现场监测数据，得到测力锚杆和锚索的工作载荷监测曲线，如图6、图7所示。

4.3.3 监测结果分析

对-750 m水平的巷道进行深部耦合支护技术工程实践表明：

1)顶、帮位移总值<600 mm，顶板离层<40mm，围岩稳定，取得良好的支护效果。

2)端锚锚杆(锚索)工作荷载的变化很小，其安全程度高。

根据上述监测数据，巷道顶板移近与两帮收敛量表明采用高强度、高刚度锚杆与高预紧力锚索的耦合支护技术取得较好效果，能保证巷道不发生离层断裂破坏。

图2 测站1顶底板变形曲线

图3 测站1两帮变形曲线

图4 测站1顶底板离层曲线

图5 测站2顶底板离层曲线

图6 端锚锚杆工作荷载曲线

图7 锚索工作荷载监测曲线

5 结论

说明本文对深部要应力离层断裂型巷道工程软岩的变形特性、变形机理分析正确，所采用的支护原则、支护方案、支护材料、施工工艺与围岩变形特性实行强度、刚度、变形、结构的基本耦合。

[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.

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