高地压软岩巷道锚架组合支护机理与技术

李敬佩，经来旺，杨仁树，郝朋伟，经 纬，郭东明

(1.中国矿业大学 (北京)力学与建筑工程学院，北京100083;2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001;3.淮北矿业股份有限责任公司，安徽淮北235025)

长期以来，关于高地压软岩巷道支护技术的研究，公开发表的文献很多［1－7］，但就支护机理的研究而言，大多偏向于某种单一支护情况的机理分析，如锚网支护、架棚支护、二次支护［8－9］、注浆加固、网壳支护、底角锚杆［10］、双网双盘［11］等其他支护形式［12－13］。关于某些组合支护，虽然也有些文献涉及机理研究［14－15］，取得了很多可喜的成果，但力学机理方面尚存在需完善之处，某些文献［16］仅借助于数值模拟进行了一定程度的分析，但由于数值模拟研究在很多情况下存在较为主观的因素，因此难以准确反映问题的本质。目前我国绝大多数高地压、软岩巷道也在追求复合支护结构，如锚网+套棚支护型式、二次锚网支护等，但由于在力学机理方面缺乏较为深入地研究，不是支护效果不尽人意，就是支护成本太高。实际上，关于锚杆支护效应、棚架支护效应和网壳支护效应的研究，公开发表的文献极少，而这恰是支护设计的关键所在。现场实测表明，很多变形、破坏严重的巷道，锚杆的实际受力远小于杆体本身的强度，很多情况下，锚杆受力在50kN以下，而直径22mm锚杆的拉断力高达250.8kN(HRB500)、311.6kN(HRB600)，因此可以确定，很多情况下巷道的变形与破坏并不是因为锚杆的强度问题。对于棚架巷道，很多人一直将棚架材料的强度视为支架承载力的一个标准，于是在巷道变形严重的地段常使用大型号U型钢以提高支护强度，可以说这是一个错误的认识。实际上，棚架的承载力不仅与材料本身的强度有关，而且与结构的强度关系密切。依据棚架的实际受力情况，合理设计棚架的结构可以大幅提高棚架的承载能力，本项目正是基于锚杆的实际受力效应与棚架的结构承载效应的合理组合而进行立项研究的。

本项目的一个十分突出的亮点在于锚杆的长度小于松动圈的范围，本项目的另外一个亮点在于锚杆以金属支架作为其托盘，锚杆的承载能力得以充分发挥，本项目的第三个亮点在于金属支架有效提高了锚杆在松动围岩中的锚固力，而锚杆则大幅提升了金属支架的承载能力，从而达到一种相互促强的组合效应。由于在力学机理方面对支护机理和支护效应进行了一种全新的挖掘和确定，故研究成果对目前国内外高应力软岩巷道的支护设计具有较大的指导意义。

1 锚架组合支护机理

单纯的锚杆支护最大的问题在于锚杆锚固能力难以有效发挥。很多变形非常严重的巷道，锚杆的锚固力仅达到60～100kN，距离锚杆的极限承载力还很远，其原因主要在于巷道表面的支护强度较弱，破碎围岩在较高地压的作用下会挤出锚杆与锚杆之间的薄弱区域，同时导致托盘与围岩之间的作用力大幅下降，削弱锚杆 (索)的承载效果。而当锚杆锚固在松动圈范围内时则要求锚杆具有一定的密集度来保证承载拱的形成，此时承载拱中环向力较大，对巷道表面强度要求更高，否则破碎岩块之间容易发生相对转动或移动，咬合力大幅降低，锚杆锚固端难以生根，极易导致整体承载拱承载能力下降。锚杆支护的最大优点在于巷道表面强度能够保证的情况下，即使锚固在松动圈中也具有很高的支护能力。

单纯的U型棚架支护最大的缺陷在于侧向承载力较弱，随着巷道底鼓的发生，棚腿内收导致巷道变形破坏。但U型棚支护也有其独特的优点，即表面支护强度很高，可以有效降低破碎岩块之间的相对移动，保证岩块之间较大的咬合力的存在。

锚架支护的力学机理在于将U型棚架和锚杆支护的优点进行了有机结合，且在承载能力方面相互提高。锚固在围岩松动圈中的锚杆，借助于金属支架对围岩的整体约束作用所形成的破碎岩块之间的较大咬合力，锚杆的锚固效果得到大幅提高。锚杆一方面通过短梁给金属支架施以外向作用力，使得金属支架抗侧压能力得到较大发挥，通过对U型棚架这一曲梁增加支点使其刚度和强度均得以大幅提升，另一方面金属支架刚度和承载力的提高又反过来增大了破碎岩块之间的咬合力，促使锚杆锚固力的增大，最终达到了锚杆锚固力与金属支架承载力共同提高的目的。此外，锚杆借助于金属支架这一大托盘，有效作用范围大幅提高，锚杆的承载力能够得以充分发挥，最终获得1+1＞2的支护效果。金属支架与锚杆组合支护结构如图1所示。

图1 U型棚、短梁、锚杆、混凝土喷层组合结构

2 现场工业性试验

2.1 工程概况及巷道变形因素

许疃煤矿－500m水平81采区南翼轨道大巷成巷于2003年12月，全长1538.54m，其上可采煤层3层 (综合柱状见图2)，其中71煤距巷道55m左右，72煤距巷道40m左右，82煤距巷道20～40m，工作面推进方向与巷道走向相互平行。至今为止，巷道上方的左右两侧已经开采的工作面有7118，7114， 7123， 7214， 7218， 7223， 8212，8214等，这些工作面推进方向均与－500m水平81采区南翼轨道大巷平行，其中与巷道之间水平距离最近的工作面相距只有25m左右，距离最远的也只有130m;垂直距离最近的只有20m。由于每一工作面的推进都给该巷道一次动压影响，故巷道围岩中松动圈很大 (2.6～3.0m)。另外，巷道上方左右两侧煤层开采之后，原先作用在煤层之上的竖向地应力会重新分布，重新分布的结果使得巷道所处的位置发生应力集中，而且这种应力集中随着每一工作面的推进在不断地发生变化，这种不断变化的集中应力使－500m水平81采区南翼轨道大巷始终处于一种动态的高地压作用之下，项目实施时期的地应力数值:σ1=16.403MPa(与竖直方向夹角9.35°，与岩层夹角 65.65°)，σ2=7.5747MPa(与岩层走向一致)，σ3=7.3357MPa(与σ1，σ2方向垂直)。

此外，－500m水平81采区南翼轨道大巷修复段完全处于泥岩之中，岩石的应力强度比很大，属相对强应力围岩。虽然巷道上方有一层2.88m厚的细砂岩，但底板下方是一层厚达14～15m的泥岩层，且底板松动圈中含有大量游离水。过厚的泥岩使得围岩蠕变难以自止，丰富的底板水造成底板岩石高度软化，较大的巷道断面引发围岩应力高度集中，应力集中系数高达3.1，一般的支护强度不足以使围岩质点的应力状态得以改善。

图2 采区南翼轨道大巷试验段地质柱状

基于上述分析，－500m水平81采区南翼轨道大巷的破坏有松动圈方面的问题，也有围岩质点蠕变导致的问题，而底鼓方面的因素更为突出。

2.2 治理方案及试验效果监测对比

2.2.1 治理方案

本次巷道修复中，选取破坏、底鼓严重的50m巷道 (距离81采区联巷约200m)作为试验段1，采用“U型棚+注浆+双排补强锚杆”支护技术，为了检测上述方案的支护效果，另选50m作为试验段2，采用“锚网喷+U型棚套棚+注浆”，2010年5月施工完毕。

2.2.1.1 设计参数

“U型棚+注浆+双排补强锚杆+注浆”支护参数:φ22mm×2400mm20MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强预应力锚杆，锚杆托盘为10mm×150mm×150mm的钢板冷轧碟型盘，锚杆2排，间距800mm，排距1400mm;底排锚杆距底板400mm;喷射混凝土厚度100mm，喷射混凝土配合比为1∶2∶2;3节29U钢，棚距700mm;18a槽钢，长度800mm;注浆孔全断面5孔 (见图3)，排距2000mm，采用间隔排二次注浆，孔深2000mm;5注浆孔等间距布置，1号和5号孔孔口距底板300mm，与水平呈30°角;首次注浆压力控制在2.0MPa左右，二次注浆压力控制在3.0MPa左右，达到设计注浆压力后稳压达10min以上停止注浆，浆液水灰比0.7。锚杆与支架之间的位置关系见图1。

图3 帮顶注浆孔布置

“锚网喷+U型棚套棚+注浆”支护参数:锚杆规格同上，帮部锚杆2排，间排距700mmÍ 700mm;初锚力矩200N·m;较上面方案多出1倍锚杆，金属支架参数、混凝土喷层参数、注浆等参数与上相同。

2.2.1.2 锚杆拉力测试

为了更深入地了解上述2个试验段锚杆的承载情况，特在每个试验段各选1个测试断面，该断面帮部的2排锚杆托盘下装上压力表测试锚杆拉力，具体结果见表1。

表1 不同支护方式试验段锚杆锚固力对比

表1中数值显示，套棚情况下锚杆的承载很小，绝大部分承载能力未能发挥出来，而锚架组合段锚杆的承载力约是套棚段的6倍左右。此外，锚杆初锚力也出现不同变化，试验段1锚杆锚固力逐渐升高，最终锚固力高于初锚力;试验段2锚杆锚固力呈下降趋势，最终数值低于初锚力。

2.2.2 监测效果对比

每试验段分别取3个监测断面，每断面分别监测2个数据:两帮收敛量和顶底收敛量，每10d监测1次，每次求出3个断面收敛量的平均值，而后计算出每天的收敛速度。本次监测次数共计13次，总共历时120d，监测结果见图4，图5。

监测结果表明，虽然试验段1较试验段2的锚杆用量少了1倍，但效果却好很多，历经120d后，试验段1基本稳定，但试验段2却保持一定的变形速度，难以稳定下来。究其原因，试验段1中锚杆不仅发挥了较大的承载能力，而且金属支架的承载力得以较大提高，实现了“1+1”远大于“2”的效应。试验段2虽然多用了锚杆，但由于锚杆承载力没能得到较充分地发挥，金属支架的承载力也未得到提高，不仅未能实现“1+1=2”的支护效应，实际效果是“1+1＜2”。从而论证了锚杆与金属支架之间支护能力相互增强原理的正确性与有效性。

图4 巷道顶底平均移近速度曲线

图5 巷道两帮平均移动速度曲线

3 结束语

(1)通过力学机理与现场试验两个方面分析并论证了锚架组合支护的良好效果，挖掘了一种适合软岩高地压巷道低成本、易推广的有效支护技术。

(2)介绍的锚架组合支护看似简单，实则包含很深的力学理论，即锚杆与金属支架之间支护能力相互增强原理。

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