复杂破碎巷道支护效果分析与评价*

何建元，贾 峰，程继辉，张明军

(1.金川集团有限公司龙首矿，甘肃 金昌 737100;2.金川集团有限公司二矿区，甘肃 金昌 737100)

1 引言

金川集团有限公司是我国最大的有色采、选、冶联合企业，也是我国最大的镍钴生产和铂族金属提炼中心。金川龙首矿是我国大型露天转地下开采矿山，露天坑于1990年7月闭坑后转为地下开采。由于经历了多次地质构造活动，矿区地应力较高，岩体节理裂隙发育，流变特性十分显著，具有岩体复杂破碎、岩体变形量大、变形持续时间长的特点[1－2];为有效控制巷道变形量，矿山采用了双层喷锚网支护的支护加固方式。为有效分析评价巷道支护加固效果，矿山在1460m水平回风巷道进行了锚杆应力状态和巷道收敛变形规律监测，以探究巷道围岩流变规律，判断围岩稳定性，为矿山巷道支护参数优化提供指导。

2 锚固作用机理及岩体流变特性

2.1 锚固作用机理

锚固力是指锚杆对于围岩的约束力，其是随着围岩变形而产生和发展的。根据锚杆和围岩作用力的方向可分为径向锚固力(包括托锚力和粘锚力)和切向锚固力[3]。其中，托锚力通过托盘对围岩施加径向支护力，阻止围岩径向位移;粘锚力是通过围岩与锚杆间的粘结剂的粘结作用来抑制围岩变形;切向锚固力为借助于锚杆杆体限制岩体的弱面发生切向滑移和扩展。

巷道围岩变形分为弹塑性变形和剪胀变形两个阶段[4]。一般而言，高应力构造影响下的岩体的碎胀流变现象较为明显[5]。巷道开挖完成后，锚固围岩蕴含着大量破坏弱面，且已经过弹塑性变形阶段，产生峰后剪胀变形，呈现低围压脆性应变软化现象[6]。峰后围岩变形主要是由于岩体沿着弱面错动剪胀引起的，随着剪胀变形的逐渐发展，锚杆产生的径向力切向力提高了松动破碎围岩的残余强度，以有效限制围岩变形，使其处于高应力条件下的稳定状态。一般而言，围岩剪胀变形越大，锚杆的径向和切向的锚固力越高。假设单元体膨胀率大于0.004时，进入剪胀变形区。锚杆锚固围岩的峰后剪胀变形分析如图1所示。

图1 锚固围岩峰后剪胀变形分析

这里以巷道围岩峰后剪胀变形模型为基础，将锚杆锚固作用均匀的分布到围岩中，则在支护锚固范围内，每一个微小的单元体都是通过“单位锚杆”来加固;假设锚杆间排距分别为l、s，锚杆直径为d，则单元体上的“单位锚杆”为。锚杆锚固力可用式(1)、式(2)表示。

(a)径向锚固力σbr:

式中，E为锚杆杆体的弹性模量;[σ]为锚杆杆体的抗拉强度。

式中，G，[τ]为锚杆杆体的抗剪模量和抗剪强度;ε为单元体错动程度，对于某一类岩石ε与α有函数关系，ε=f(a)，f反映了岩石本身的属性。

2.2 岩体流变特性

岩石流变特性是岩石与时间因素有关的变形、流动和破坏的规律，即岩石的时效性，包括岩石的蠕变、松弛和弹性后效等。由于岩石的流变性质，在外界载荷的长期作用下，岩石物理力学参数将产生一定程度的时间效应;其中岩石强度和弹性模量皆为随着时间的延长而呈现逐渐降低趋势，从而引起岩石强度指标如内聚力、内摩擦角等发生弱化现象，造成岩石内部微观结构的不断损伤，工程中宏观表现为围岩的变形失稳破坏。

通过岩石流变试验可以为建立流变模型、揭示流变机理提供参考依据，进而为工程围岩变形失稳控制奠定理论基础。目前岩石蠕变试验是岩石流变特性研究最常用、最广泛的方法。岩石蠕变特性与围岩大小存在直接关系，在低围压条件下，表现为衰减蠕变;在高应力条件下则为不稳定蠕变，最终产生加速蠕变导致岩石的破坏。大量试验研究表明，典型的岩石蠕变曲线可以分为过渡蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段[7]。根据新奥法现代支护理论，遵循先柔后刚、先让后抗的原则，允许围岩发生一定程度的变形，因此需要选择合理的支护时机是取得良好支护效果的关键之一，而将围岩控制在稳定蠕变状态，而不让其达到破坏过程加剧的加速蠕变是较为理想的支护时间[8]。

3 现场工程监测

3.1 巷道工程监测方案

巷道监测内容为分别采用MGH型锚杆测力计和JSS30A型数显收敛计进行贫矿开采区域锚杆受力变化规律和巷道收敛变形规律监测。通过对锚杆工况的监测，及时掌握锚杆实际工作状态，了解围岩的稳定状况;同时结合位移量测，达到修正锚杆的设计参数的目的。通过巷道收敛监测，了解围岩和衬砌的变化形态，可以达到研究围岩及支护的变形发展规律、探索支护效果、评定工程稳定状态的目的。

由于受到矿山现场施工条件的限制，选取了1460m水平回风巷道作为现场监测巷道，在该巷道16行线和28行线处设置测点，在巷道断面两帮和顶板各布置一个监测点;该巷道掘进过程中采用双层喷锚网支护形式，具有较好的代表性。双层喷锚网支护参数为:锚杆为Φ18mm螺纹钢锚杆，长度2.25m，网度 1000mm ×1000mm，梅花形布置;金属网采用 φ6.5mm钢筋编制而成，网度 150mm×150mm;喷射混凝土强度等级为C20，双层总体支护厚度200mm。测点布置情况和现场监测图如图2～图4所示。

图2 1460m水平测点布置图

3.2 锚杆应力变化规律分析

各行线锚杆托锚力变化曲线如图5、图6所示，其中左帮指靠近矿体一侧的巷道壁。

由图5、图6可知，整体而言，各行线锚杆托锚力基本为先降低后逐渐增加趋势，只有16行和28行线顶板表现为一直下降状态。在锚杆应力计安装初期，通过垫板施加一定的托锚力改善了围岩的应力状态，将围岩由平面双向受压状态改变为三向受压状态，从而使围岩环向抗压强度得到提高，随后随着应力的释放和转移，应力值皆出现不同程度的降低现象;然后随着托锚力的增加，支护阻力不断增大，锚杆的支护作用得到有效发挥。

由于监测区域距离采场较远，受矿体开采影响程度有限，地压活动不太显著;锚杆当前的实际托锚力整体不足，一般为4～14kN，即锚杆锚固能力的6.67% ～23.33%，只有1460m水平16行左帮来压更为明显，最大托锚力34.96kN，达到锚杆锚固力的58.26%。锚杆基本处于被动支护状态，没有充分发挥预应力锚杆的主动加固支护作用，因此，改善锚杆安装工具、提高锚杆预应力以充分发挥锚杆的阻力作用是改善锚杆支护效果的关键。这里建议采用锚杆扭矩放大器安装锚杆，以更好地提高喷锚网支护的主动性和有效性。同时，为了提高锚杆的预应力，需要配套的锚杆杆体、托盘和螺母等满足相应的刚度要求。当前采用的HRB335的Φ18mm螺纹钢刚度有限，杆体提供的锚固力较低，建议采用刚度较高的HRB400钢作为锚杆杆体材料，并适当提高锚杆直径。

3.3 巷道围岩流变规律分析

各行线的巷道收敛曲线如图7、图8所示，其中测线1为巷道两帮的相对收敛变形量，测线2为巷道左帮与顶板之间收敛量，测线3为巷道右帮与顶板之间收敛量。

图7 16行巷道收敛曲线

图8 28行巷道收敛曲线

根据图7、图8巷道收敛曲线可知，虽然各行线各时段的收敛速率表现出一定的差异，但整体变化规律基本一致，即巷道收敛量呈现逐渐增加趋势，变形速率(曲线的斜率)有减缓的趋势，这也反映出了金川矿区岩体的明显流变特性，同时也说明了当前的支护方式对于改善围岩应力状态，进而控制围岩变形起到了较好的支护效果。各行线巷道收敛变形情况如表1所示。

表1 各行线巷道收敛变形情况

根据现场加测得到的位移－时间曲线，即可以看出各个时间段的巷道总收敛变形量、收敛速度及其加速度趋势等。然而衡量巷道围岩的稳定性情况，除了监测变形量外，还需要采用变形速率或变形加速度等判别准则表示，并参考岩体工程地质条件等因素[9]。不稳定围岩的位移速率，其变化规律基本与典型的蠕变曲线一致，先缓慢减速，然后等速变化，最后加速发展而致破坏。因此，在围岩未稳定前出现等速过程，则预示围岩存在发生不稳定变形的风险，而出现显著的加速过程则表示围岩已出现明显的破坏，需要及时进行加强支护锚固工作。

我国锚喷支护规范中以收敛速率为0.1～0.2 mm/d，拱顶下沉速率为0.07～0.15mm/d作为围岩稳定的标志之一。依据金川矿山巷道前期收敛变形监测的实践，并参照国内外经验，收敛速率－时间曲线可以分为3个阶段:(1)急剧变形，收敛速率＞0.25mm/d;(2)减速变形，收敛速率≤0.25mm/d;(3)趋于稳定，收敛速率＜0.1mm/d，并最终低于0.02mm/d。见图 9。

图9 典型收敛速率－时间曲线

根据表1及图9可以看出，巷道各行线表现为全断面收敛，且以水平收敛为主，水平方向收敛大于垂直方向收敛，巷道累计变形量为3.95～8.80mm，平均收敛速率为0.09～0.19mm/d，并且巷道变形已经过剧烈变形阶段尚处于减速变形阶段，部分地段为趋于稳定阶段，巷道稳定状态良好，说明矿山采用的双层喷锚网支护的围岩变形控制效果明显。

4 结论

(1)通过锚杆应力计监测表明，锚杆的实际托锚力整体不足，一般为4～14kN，即锚杆锚固能力的6.67% ～23.33%，只有1460m水平16行左帮最大托锚力34.96kN，到达锚杆锚固力的58.26%，预应力锚杆的主动加固支护作用没有得到充分发挥。

(2)改善锚杆安装工具、提高锚杆预应力以充分发挥锚杆的阻力作用是改善锚杆支护效果的关键;建议采用锚杆扭矩放大器安装锚杆，同时，为了提高锚杆的预应力，需要配套的锚杆杆体、托盘和螺母等满足相应的刚度要求。建议采用刚度较高的HRB400钢作为锚杆杆体材料，并适当提高锚杆直径。

(3)巷道流变特性明显，且以水平收敛为主，水平方向收敛大于垂直方向收敛;巷道平均收敛速率0.09 ～0.19mm/d，处于减速变形阶段，累计收敛量仍然呈现缓慢上升状态，但变形速率有减缓趋势。综合而言，巷道整体稳定状态良好，矿山采用的双层喷锚网支护取得了较好的支护加固效果。

[1]吴爱祥，韩斌，刘同有，等.金川镍矿不良岩层巷道变形与支护研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22(S2):2595－2560.

[2]李欣，高谦，刘增辉，等.金川Ⅲ矿区硐室围岩蠕变特性与支护时机[J].北京科技大学学报，2011，33(10):1182－1189.

[3]李宏业.金川二矿区深部巷道支护机理研究以及围岩稳定性的数值模拟[D].长沙:中南大学资源与安全工程学院，2003:28－40.

[4]郭建新，高永涛.软破岩隧道围岩峰后剪胀变形及支护设计[J].西安科技大学学报，2010，30(3):291－295.

[5]余伟健，高谦，张周平，等.构造带围岩特性实验及流变规律分析[J].中南大学学报(自然科学版)，2009，40(4):1086－1091.

[6]张帆，盛谦，朱泽奇，等.三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S1):2651－2655.

[7]Zhou H.W.，Wang C.P.，Han B.B.，et al.A creep constitutive model for salt rock based on fractional derivatives[J].International Journal of Rock Mechanics＆ Mining Sciences，2011，(40):116－121.

[8]陆银龙，王连国，张蓓，等.软岩巷道锚注支护时机优化研究[J].岩土力学，2012，33(5):1395－1401.

[9]路世豹，李晓，马建青，等.金川二矿区地下巷道变形监测分析及应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(3):488－492.