深部软岩巷道锚固结构失稳机理及支护技术研究

张汀先，姜 庆

(龙岩市永龙矿业技术服务有限公司，福建 龙岩 364000)

巷道作为井下作业的基础工程，巷道内的掘进过程易打破岩层原有的平衡状态，导致巷道周围岩体变形[1]。巷道的稳定性是安全生产需要考虑的重要方面之一，随着我国煤炭浅部资源渐少，导致深部巷道的需求日益增多，而深部巷道不仅受前期浅部已采工作面的影响，其深部地质环境也愈发复杂，故深部巷道的维护工作非常困难[2]。尤其对于深部高应力软岩巷道的维护工程而言，已经成为阻碍煤矿生产发展的重要因素之一，虽然通过锚杆对岩体产生的锚固作用可以在一定程度上承受深部岩体负荷，但是随着时间推移，锚固承载能力将不断折损，最终导致结构失稳损坏，因而急需对其围岩锚固结构失稳支护技术进行深入研究。

1 围岩失稳机理分析

1.1 巷道的围岩失稳分析

在实际生产过程中，造成围岩失稳的原因与类型有很多。主要有：

(1)由于岩体内含有大量活性矿物蒙脱石，其遇水软化导致围岩崩塌、膨胀造成破坏。

(2)由于对地质构成考虑不当，使用爆破、开挖等手段导致巷道顶板、两帮出现损坏。

(3)围岩土质抗拉强度低，内部存在碎石或软弱结构，易产生围岩侧壁拉裂或冒顶坍塌事故。

(4)在开挖过程中围岩岩体内部的弹性应变能被瞬时释放，造成拉裂，出现岩爆事故。

(5)在软岩巷道中出现巷道冒顶与片帮的剪切破坏[3]。

本文主要讨论的是在软岩深部巷道中，围岩锚固结构失稳的加固、支护技术。在软岩巷道内通过锚杆对围岩进行加固和支护可增强已破裂岩体的残余强度，在其浅部形成峰后锚固承载结构以加强对深部岩体的承载力，一定程度上扼制剪切破坏。

1.2 巷道围岩锚固结构强度弱化

峰后锚固承载结构随时间推移，其稳定性呈现非线性变化，岩体内部产生不协调变形，结构强度减弱，导致承载能力降低，最终导致围岩锚固结构失稳破坏[4]。

(1)

由于α为锚固体内摩擦角且满足等效于岩石内摩擦角，故由式(1)可得:

(2)

峰后锚固体的变形形式主要以塑性变形为主，而剪切破坏为其主要的破坏特征[5]。令塑性剪应变可由最大主塑性应变max与最小塑性应变min的差值得到，则变形破坏的塑性剪应变值为：

(3)

随着围岩围压增大，锚固体外部符合量级逐渐增加，导致岩体内部产生细微裂缝，并缓慢开始剪切岩石块，导致岩体承载力快速丧失。与此同时，岩体存在不同预紧力约束，最终导致在预紧力约束值较小时，F2与呈正相关，F2随的增大缓慢增加，而一旦预紧力约束值超过某一限度时，F2与呈负相关，且F2随的增大快速降低。

综上，由式(2)、(3)可知巷道围岩锚固结构强度弱化主要与峰后锚固体等效黏聚力F2与塑性剪应变有关。故得到巷道围岩锚固结构强度与的变化关系，如图1所示。由于巷道围岩锚固结构强度主要与F2的变化相关，故采用F2取值作为巷道围岩锚固结构强度参数，与为到的中间量，1为min到max的中间量，η为预紧力约束值变量。在=(0,min]内巷道围岩锚固结构强度逐渐升高，=[min,1]内结构强度处于稳定状态，当超过η时，结构强度开始下降，直至max。

图1 F2与的变化关系

1.3 巷道围岩锚固承载能力衰减

假设围岩锚固承载范围的岩体各个方向均为同性岩质，且都处于峰后塑性围岩，围岩与锚杆形成复合体符合莫尔-库伦强度准则，负荷均匀分布在围岩锚固承载结构外侧，巷道为直墙半圆拱形，且可近似为半圆形。由公式(1)与极限平衡条件[6]可得围岩锚固承载结构内部任意点的径向应力Fr与切向应力Fθ，令A=1+sinα，B=1-sinα，C=sinα，D=cosα，则式(2)变为：

(3)

于是有：

(4)

式中，r为围岩锚固承载结构内部到巷道中心任意点距离；R为巷道固有半径；F3为锚杆支护阻力。

由1.1节可知，当巷道围岩锚固结构损坏，将出现巷道冒顶或片帮剪切破坏，此现象首先出现在巷道围岩表面，故Fθ为最大主应力。若巷道围岩锚固与岩体所构成的结构厚度为μ，则其承载力F⊥为：

(5)

(6)

于是，可得巷道围岩锚固与岩体所构成的承载能力为：

(7)

式中，预紧力约束η代表锚杆工作阻力；L为锚杆的排距；F2()为峰后锚固体等效黏聚力F2与塑性剪应变的关系。

F2()

F2()

F2()

破裂岩体引起的剪切破坏会导致锚杆支护阻力增大，进而切向应力Fθ增大，锚杆难以完全扼制岩块滑动，使得已破裂岩体继续破裂，最终损坏围岩锚固承载结构。

2 锚固承载结构失稳后补偿方法

通过上述围岩失稳机理分析及锚固承载能力弱化过程，可以分析巷道围岩锚固结构失稳过程，提出几种不同的支护技术以研究承载结构失稳后的补偿策略。

2.1 巷道围岩锚固结构失稳过程分析

在深部软岩巷道围岩锚固结构建成初期，其承载结构较强，稳定性好、周期长，随着时间的推移，顶板逐渐下沉，两肩产生内凸，导致巷道两帮内移，容易使直墙与拱部连接部分出现剪切，底板中部易出现拉应变形[8]。

在锚固结构稳定周期中后期，岩体滑移与外边界内移逐渐增多，结构趋于不稳，巷道拱部结构稳定性明显降低，易导致结构整体失稳。

通过已有研究可知[7-8]，锚杆之间的距离与预紧力皆对岩体滑移与外边界内移有明显影响，适当调整可有效增强围岩锚固结构稳定性，锚杆长度对结构外边界内移也有一定影响效果，若只增加锚杆长度，对内部岩体滑移效果不佳，只能部分提高深部岩体的稳定性。

2.2 巷道围岩锚固结构补偿原理与控制机理

在巷道围岩结构稳定性弱化失稳支护加固过程中，首先需要确定结构弱化关键点，其弱化失稳约束条件不仅与锚固自身结构有关，还与岩体结构、组成有关，需要针对软岩自身强度与结构、巷道围岩锚固结构的弱化机理，采用补偿方法为锚固结构提供加固补偿力，提高承载结构强度与承载能力，增强其阻止岩体滑移与外边界内移的能力，从而提高整体稳定性[9]。

以福建省新罗区翠屏山煤矿某巷道为例，实际埋深750m左右，巷道距上2煤层40～80m左右，距上1煤层20～50m左右，其轴向与上覆工作面的推进方向近平行。

根据巷道围岩锚固结构失稳过程分析与补偿原理，采用更合理的护表构件和锚杆支护之间的距离、长度，建立强度更高的锚固承载结构，并针对两帮、拱部等稳定性易弱化部分，给予一定补偿力[2]。补偿措施方案如表1所示。补偿结构锚索与基础支护锚杆间有互相保护的能力，且锚索为周围承载结构提供更大的补偿力，能更好控制巷道围岩结构变形与外边界内移。

表1 补偿措施方案

2.3 支护技术方案

根据上述结构承载能力弱化机理与结构补偿原理，针对围岩锚固结构失稳点，提出试验巷道围岩锚固支护技术方案。

在采用合理的锚杆支护间距和长度等参数后，使用高强度的护表构件，并对破裂岩体注浆加固，通过锚杆、注浆作用形成强度较高的结构补偿基本支护承载体。根据2.2节外边界内移量与结构内部岩体滑移量的对比，采用有针对性的自身补强，限制巷道内部岩体破裂与剪切滑移导致整体变形。着眼于关键失稳点与整体岩体结构补偿支护相协调，使锚杆支护对承载结构承载力的增强得到充分利用。

在现场试验时，采用的支护参数如表2所示，使用φ6mm钢筋焊接的钢筋网，并在巷道断面使用φ12mm钢筋焊接的钢筋托梁。在完成支护工作后，即喷浆固定碎岩，并及时注浆稳定基础结构。

根据翠屏山煤矿某巷道围岩锚固结构失稳点现场测量的数据，对比采用补偿策略与自身基础结构对巷道围岩稳定性的影响，以分析补偿策略的效果。图2、图3分别为巷道围岩锚固结构外边界内移量对比与结构内部岩体滑移量对比，其中监测点1～3为左帮部分，3～7为拱部部分，7～9为右帮部分。可以看出，采用补偿策略后，岩体外边界内移量减小60mm左右，结构内部岩体滑移量在两帮部分减小了近110mm左右。

表2 锚杆支护参数

图2 结构外边界内移量对比

图3 结构内部岩体滑移量对比

采用合理的结构失稳支护补偿策略后，巷道两帮、拱部稳定性弱化部位能得到较好的结构补偿，能有效增强结构承载能力。

锚杆使用高强度树脂材料，在锚杆锚固作用与螺母预紧力前提下，加注浆体可有效加固围岩，使碎岩胶结为一体，固定围岩结构，团结分散物理力量，提高围岩承载能力，同时使锚固有一个着力基

础点，可改善锚固性能。

当基础支护与锚索补偿措施完成后，围岩外部已有一定的自承载能力，但深部岩体受到自身强度与结构的约束可能使软岩巷道围岩变形，故需要采用锚杆作用于结构补偿。补偿作用于帮中、起拱线与拱部等稳定性较弱部位，补偿体既可承载自身结构强度，也可对周围岩体结构稳定性进行补偿，能有效限制破碎岩体与内部岩体滑移变形。通过锚杆支护、注浆加固与锚杆结构补偿作用，可实现对失稳巷道围岩锚固结构的协调支护、维稳作用。

3 结束语

围绕深部软岩巷道围岩锚固结构失稳支护技术，分析了巷道的围岩失稳原因，研究了巷道围岩锚固结构强度弱化与承载能力衰减机理，分析了其结构失稳过程，提出了锚固结构补偿原理和支护技术方案，并在福建省新罗区翠屏山煤矿某巷道围岩锚固结构失稳点现场进行试验，结果表明本方案能有效控制软岩巷道围岩变形。

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