锚喷支护在软岩巷道中的应用研究

【摘 要】软岩锚喷支护经过不断的探索、实践和总结发展，已成为软岩巷道支护的主要支护手段。本文分析了软岩巷道围岩变形破坏力学机制，以锚喷支护原理为基础，分析了合理的锚喷支护参数，旨在为同行提供技术参考。

【关键词】软岩巷道；锚喷；巷道支护；应用研究

软岩巷道支护一直是煤炭开采中的十分重要问题，随着煤炭开采向纵深发展，软岩巷道支护问题就越来越突出。已应用于软岩巷道支护的技术措施己很多，金属支架、锚喷支护、砌谴支护、巷帮围岩卸压支护及联合支护等多种方式，但应用范围最广的仍然是锚喷支护及U型钢可缩性支架。近些年来，锚喷支护使用方便，节省钢材，价格便宜，易于机械化操作的优点得到了充分体现，特别是在软岩巷道支护中，锚喷支护越来越受到重视。本文探讨了锚喷技术在松软岩层中的应用，对锚喷技术在软岩巷道中的推广应用有着一定的积极意义。

1 软岩巷道围岩变形破坏力学机制

岩体工程与岩石工程不同，岩体不仅是一种材料，而且还是一个复杂的应力应变环境。地下工程的开挖实际上就是岩体在某一方面的应力或应变得到释放，从而破坏了原有的力学平衡状态，使岩体产生新的变形，甚至断裂破碎。巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态。开挖后变成二向受力，巷道径向应力（最小主应力）降为零，并向围岩内部逐渐增大；而巷道周边切向应力（最大主应力）达到最大值。这时围岩产生三个方面的变化：一是由三向应力变成二向应力状态，岩体强度急剧下降；二是地应力以应变能的形式一部分随开挖而释放，即围岩的卸载回弹；三是产生局部应力集中和应力的重新分布。

应力集中后，如果岩体受力超过其强度，在最小主应力降低过程中，岩体储存的能量足以使岩体屈服破坏，使应力向深部转移，直到岩体处于弹塑性变形的原岩完好状态为止。巷道的开挖相当于卸荷过程，巷道在开挖后，顶底板和两帮除发生瞬时弹性恢复外，开挖岩体的垂直方向的应变能将储存到两帮，水平方向的应变能将储到顶底板。在围岩应力调整过程中巷道围岩将出现三个区，即残余应力区（塑性软化区、塑性流动区）、塑性区（塑性硬化区）、弹性区，三区的力学行为与岩石全应力变曲线中的相应段是对应的。

2 锚喷支护原理

2.1 喷层的力学作用

（l）防护加固围岩、提高围岩强度

巷道掘进后立即喷射混凝土可及时封闭围岩暴露面，由于喷层与岩壁密贴，故能有效地隔绝水和空气，.防止围岩因潮解风化产生剥落和膨胀，避免裂隙中充填料流失，防止围岩强度降低。此外高压高速喷射混凝土时，可使一部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节理中，起到胶结和加固围岩的作用，从而提高围岩的强度。

（2）改善围岩和支架的受力状态

加有速凝剂的混凝土可在喷射后2～20min内凝固，及时向围岩提供了支护抗力只（径向力），使围岩表层岩体由未支护进的二向应力状态变为三向应力状态，提高围岩强度，喷层是一种柔性支架，它允许围岩因寻求新的平衡所产生的有限位移，并可发挥自身变形的调节作用逐渐与围岩协调，从而改善了围岩的应力状态，减低围岩应力，允许发挥围岩的自承能力。

2.2 锚杆的力学作用

锚杆对围岩引起的力学效应如下：

（1）悬吊作用：认为锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以防止围岩移动滑落。锚杆本身受拉，其应力即为所悬吊岩体的重量。在块状结构或裂隙岩体中使用锚杆可将松动圈内的松动岩块悬吊在稳固的岩体上，也可把节理弱面形成的岩块连接在一起，阻止其沿弱面滑动。

（2）减跨作用：在巷道顶板岩层中打入锚杆，相当于在巷道顶板上增加支点，从而减小顶板岩层的应力，起到维护巷道的作用。当然，要使锚杆能有效地起到悬吊和减跨的作用，锚杆顶端必须锚固于坚硬稳固的岩层中。

（3）组合作用：在层状岩层中打入锚杆把薄层岩层锚固在一起，类似于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自承能力，起到了维护巷道的作用。

（4）挤压加固作用：预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成锥形压缩区。按一定间隔距离排列的锚杆，在预应力的作用下构成一个均匀压缩带（承载环），承载环中的岩石由于预应力的作用处于三向应力状态，显著地提高了围岩的强度。

3 支护设计

在锚喷组合拱支护中，锚杆是支护的主体，它将松动圈内的破碎围岩重新组合起来形成组合拱，喷层起封闭围岩及锚杆之间围岩的支护作用。由于软岩巷道围岩变形明显，通常刚性的喷层不适应较大变形要求。因此，金属网在锚喷网组合拱支护中显得尤为重要。金属网的主要作用是：（1）金属网同喷层结合在一起，提高了喷层纯度和抗变形能力；（2）金属网同锚杆组成一体维护组合拱的稳定，可调节锚杆的受力状态；（3）金属网同喷层一起防止锚杆之间破碎岩块的冒落（尤其是煤巷中作用更明显）。

3.1 设计条件

主要包括：围岩松动圈大小，围岩单向抗压强度，岩石的吸水膨胀性，水文条件，地层应力环境（包括埋藏深度、构造、采动情况、煤岩柱留设情况等），巷道服务年限等。

3.2 巷道断面形状

巷道断面形状设计，一般应与围岩松动圈的形状相对应，以增强断面的抗变形能力，要考虑施工难易程度及围岩受力特点，通常选用圆形（或椭圆形）。在松动圈L=1500～2000mm的IV类围岩中，可选用直墙半圆拱形。

3.3 锚杆参数选择

（1）锚杆形式选择：组合拱设计时一，对锚杆形式无特殊要求，通常只要求有足够的锚固力即可。一般要求岩巷不小于3吨/根，煤巷不小于2吨/根。当端锚不能提供足够的锚固力条件下，就考虑选用长锚固式锚杆。

（2）锚杆长度、间排距及布置

1）组合拱厚度b：同样岩性条件下，组合拱厚度越大，支护能力就越大，可依据不同围岩松动圈大小，选择组合拱厚度b值，一般取b=0.8～1.5m，特殊工程条件下可适当增大b的取值范围。目前由于对岩体碎胀力研究的还不够，一般依据同类巷道U型钢支护的能力进行验证，通常选用的支护能力是U型钢支护能力的2～3倍。

2）锚杆长度及间排距：选择合理的b值后，可用b=l-a确定锚杆的有效长度及间排距，l=a+b。l=l0-0.1（m），l是锚杆有效锚固长度，一般考虑现场施工难度，锚杆不易过大，取l0=1.5～2.0m，a=l-b一般取a=0.5～0.8m，较小的a值对控制变形有利。

3）锚杆的布置：为了获得全方位的组合拱结构体，通常要求全断面封闭布置，锚杆安设方向要求垂直于巷道轮廓线。

4）喷层和金属网设计：喷层起封闭围岩和支护锚杆之间的围岩及平衡围岩应力，喷层厚度初喷和复喷总厚度达到100mm左右即可。金属网选用10#～12#镀锌铁丝编织的菱形网，网孔为46×56mm左右。

5）支护能力估算：可以用拉麦公式近似计算组合拱单位面积的承载能力。

P0=2r0pt，式中：P0—轴线长度在t范围内的巷道支护能力；t—巷道轴线长度；r0—巷道净半径；p—单位面积组合拱承载能力。

4 结论

软岩巷道采用锚喷支护结构，改变了围岩内部应力，变被动支护为主动承载，原来需要一定强度的支架支撑的岩体变成了支护结构的主体，充分地利用了岩体的自身强度。锚喷支护是一种主动支护形式，可以有效地保证巷道的使用断面。锚喷支护是未来软岩巷道支护的重要发展方向之一。

参考文献：

[1]张开智，夏均民，蒋金泉.软岩锚杆强壳体支护结构及合理参数研究[J].岩石力学与工程学报，2004.23（04）.