深部巷道支护控制技术研究

马锦辉，董叶茂

（北京矿冶研究总院，北京100160）

深部巷道支护控制技术研究

马锦辉，董叶茂

（北京矿冶研究总院，北京100160）

针对深部巷道围岩的变形破坏特点，分析了巷道围岩变形破坏机理和巷道稳定性特点，提出了巷道围岩的控制技术。利用ANSYS10.0软件对巷道开挖支护前后的围岩应力、位移及塑性区进行了数值模拟分析。模拟结果表明，锚杆锚索联合支护下，x方向两帮围岩应力集中得到有效控制，拉应力消失；y方向拱顶和底板的拉应力也明显减弱，拉裂破坏得到有效控制。锚杆锚索联合支护可有效控制巷道变形，支护效果良好。也为减少深部巷道支护成本、提高深部巷道支护效率提供了参考。

巷道；锚杆；数值模拟；协同支护；围岩控制

随着矿产资源开采深度的不断加深，高地应力成为影响井巷工程的主导因素。深部高地应力环境下，巷道变形破坏严重，易发生底鼓、塌方等严重问题，严重影响巷道稳定性和施工安全［1－2］。传统浅层巷道支护理论和控制技术很难解决深部巷道围岩支护问题。

本文分析提出锚杆、锚索强化支护技术来控制巷道变形破坏，并对此进行了研究。

1 围岩应力状态

为了研究巷道围岩的稳定性，首先对围岩的应力状态进行分析。在巷道开挖前，围岩三向受力，处于平衡状态的高地应力环境中。巷道围岩开挖之后，原始的平衡状态被打破。巷道开挖使近巷围岩的径向应力σr（＝σ3）趋于零，围岩受力变为近似的二向受力，围岩力学效应主要为：

1）随着巷道的开挖，近巷围岩发生破裂，碎胀变形使地应力得到一定程度的释放。

2）另外，另一部分没有得到释放的地应力则向深部围岩转移，在转移过程中应力得到重新调整，局部地区产生应力集中，应力重新调整是为了达到与开挖后的环境相适应的新平衡。

巷道开挖引起近巷围岩近似处于二向受力状态，围岩的切向应力σθ（＝σ1）增大。围岩压力由于破裂围岩的碎胀变形而得到一定程度的释放，这使近巷围岩处于低围压的状态。但是围岩开挖后，切向应力与径向应力的差值变大，即应力差（σ1－σ3）变大［1，3］。可见，比较围岩开挖前后的状态发现，开挖后围岩仍处于高地应力的环境中，但围岩压力的释放使开挖巷道围岩处于低围压和高应力差的状态。

2 围岩变形破坏机理

对围岩状态的分析可知，巷道围岩的变形与开挖前的地应力环境、开挖后的低围压应力状态和较高的应力差密切相关。深部围岩处于高地应力环境，所以巷道开挖，近巷围岩将产生地应力释放现象，引起巷道围岩的变形和应力重新分布。巷道开挖使近巷围岩的径向应力减小，这相当于在开挖前的原始状态下叠加反向的拉应力，这将使围岩强度降低，岩体沿破裂面发生滑移，引起围岩变形扩容［4－6］。

地应力的释放引起围岩变形和应力重新分布，岩体因变形发生破裂，裂隙扩展延伸引起围岩扩容。围岩强度明显降低，裂隙在渗流水的作用下进一步削弱了围岩强度，加剧了围岩变形破坏，使围岩产生较大的收敛位移，如拱顶下沉、巷道底板隆起等。围岩位移的不断增大最终导致巷道失稳，造成两帮张裂、拱顶围岩剪裂、底板大幅隆起。尤以顶板和底角位置的破坏最严重。

3 巷道围岩控制原则

巷道支护过程中要充分利用支护结构与围岩作用的原理，充分发挥围岩自身的承载能力［1，7］。这就要求在巷道支护过程中，支护结构和支护参数要考虑巷道围岩的变形特点，施工工艺合理规范，最大限度地发挥围岩的自身承载能力，维护巷道围岩的稳定性。针对高地应力现象，在实际施工中要注意让压卸载，释放部分应力，通过锚杆支护的变形让压，维护巷道的稳定性。

1）维护和保持围岩的残余强度。开巷后应及时喷射混凝土以封闭岩面。喷射混凝土可及时封闭围岩，防止围岩风化和水的危害，避免围岩强度的损失；同时可以充填空洞、裂隙，改善围岩的松散破碎状态，提高围岩残余强度。

2）提高围岩残余强度。利用锚杆支护来提高围岩的残余强度，通过锚杆将破碎围岩挤密压实，锚固到深部稳定层；另外，通过注浆锚杆对破碎围岩范围进行注浆充填，提高破碎围岩的整体性，提高岩体强度，提高围岩的自稳能力。

3）充分发挥围岩承载能力。应采用可缩性支护，如锚网喷支护，锚杆的延伸可允许巷道发生一定的变形，充分利用围岩的自身承载能力。

4 巷道围岩控制技术

4.1 锚杆强化支护技术

锚网支护技术通过锚杆的作用把破碎的岩体组合起来形成组合拱或组合梁，提高围岩的支撑能力，达到增加稳定性的作用。

巷道开挖后，围岩发生结构变形和岩层松动扩容变形。结构变形约占30%，可通过锚杆等支护措施有效控制。而扩容变形支护较困难，易造成围岩破裂。

图1 扩容变形与初始支护强度之间的关系Fig.1 The relation between expansion deformation and initial support strength

如图1，锚杆的初始支护强度对巷道围岩的扩容变形有影响。初始支护强度越大，扩容变形越小，当预应力初值超过0.3MPa时，扩容变形基本无变化。理想的0.3MPa实现成本较大，施工复杂，一般在0.1～0.3MPa的支护强度下就可有效控制围岩的扩容变形。

图2 支护阻力与围岩变形关系Fig.2 The relation between supporting resistance and rock deformation

另外，由图2中曲线3可知，锚杆安装时间较晚时，大部分围岩破裂松动，变形压力已释放，锚杆工作荷载不会太大，支护作用不能有效发挥。曲线2，U型钢支护在围岩未充分变形前根本不起作用；曲线1锚杆支护，支护及时，有效控制了围岩变形。

4.2 锚索强化支护技术

通过锚索支护可实现悬吊和减跨的作用。

巷道的顶板来压是围岩的弹塑性变形产生的压力和破碎围岩范围内的岩层重量之和。如图3，曲线1表示顶板围岩的弹塑性变形产生的压力与顶板变形位移量之间的关系曲线。曲线2表示顶板破碎范围内围岩重量与顶板变形位移量之间的关系曲线。曲线3表示顶板围岩弹塑性变形产生的压力与顶板破碎范围内围岩重量之和与顶板变形位移量之间的关系曲线。不同刚度锚索a、b、c，其中a支护刚度最大，虽然顶板来压会减小，但在发生较小变形时，锚索易发生让压现象；c支护刚度最小，但随着顶板来压的增大，变形不断变大，锚索受力增大，支护阻力增加缓慢，易发生支护力不足而破坏；b支护刚度刚好，顶板变形增大时，锚索所受的压力减小，承载力仍较大，未发生让压现象，能有效维护顶板的稳定。

图3 锚索支护阻力与顶板岩层变形量关系曲线Fig.3 The relation curve between anchor cable supporting resistance and roof rock deformation

可见，锚索的施工时机应在顶板岩层发生离层破裂之前，尽量减少锚索承受顶板围岩弹塑性变形产生的压力。

4.3 巷道围岩支护协同作用

1）锚杆（索）系统内部的协同作用，各种构配件的协调，实现高强度、高预紧力。

2）锚杆、锚索系统之间的协同作用

锚杆主要对近巷围岩结构进行支护，支护结构靠近巷道形成一个环状的承载结构；开挖初期围岩变形快，采用锚杆及时支护可有效控制；锚杆锚固体将达到极限值时，围岩剩余变形较小，此时施工锚索来加固锚固体；锚索将锚杆作用的承载结构锚固到深部稳定岩层中，使浅部破裂松散部分与深部稳定围岩联系到一起，形成有效的支护整体［8－9］。

另外，锚杆与锚索预应力协调极为重要。锚杆锚索预紧力有一个合理的匹配范围，在锚杆预紧力40kN时，锚索施加120～160kN预紧力时巷道支护效果差别不大。而锚杆预紧力/锚索预紧力在60/140kN的协同下明显优于40/140kN和20/140kN。可见，在锚索预紧力一定时，应尽量提高锚杆的预紧力，减小锚索所受的围岩变形压力。

5 巷道围岩控制技术数值模拟

本文采用ANSYS10.0进行数值计算分析，本构模型采用D－P屈服准则［10－12］，模型考虑材料屈服引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。

模拟某矿轨道大巷，巷道截面为直墙半圆拱形，净宽4.8m，墙高1.8m，拱半径2.4m。模型计算宽×高为28.8m×25.2m。巷道支护采用2.5m锚杆，预应力10MPa；7m锚索，预应力30MPa。地应力测试最大主应力σ1＝28.7MPa，与巷道轴向夹角α为71.8°，这是矿井的主要水平应力。本次计算采用平面应变模型，不考虑中间主应力σ2的影响，南翼轨道大巷埋深约500m，可得σ3＝γH＝13.5MPa。由此计算可知边界条件为，σx＝σ1sinα＝27MPa，σy＝σ3＝13.5MPa，底部为位移边界条件。

图4 开挖后未支护巷道y方向应力Fig.4 The ydirection stress distribution of roadway after mined without supporting

模拟开挖后未支护近巷围岩的位移和应力（如图4），开挖支护后近巷围岩的位移和应力（如图5），开挖支护前后巷道塑性分布区的变化。

图5 开挖支护后巷道y方向应力Fig.5 The ydirection stress distribution of roadway after mined with supporting

通过模拟可知，巷道开挖未支护情况下，水平巷道收敛值170mm左右，拱顶下沉值80mm左右；x方向应力显示巷道两帮近巷围岩应力集中现象严重，有x方向拉应力；y方向应力显示巷道拱顶和底板近巷围岩同样发生应力集中，有y方向拉应力，围岩发生拉裂破坏。而巷道开挖后在锚杆锚索的联合支护下，水平巷道收敛值为90mm左右，拱顶下沉值45mm左右；x方向应力显示两帮近巷围岩应力集中现象得到缓解，x方向拉应力现象消失；同样，y方向应力显示拱顶和底板近巷围岩的拉应力现象也明显减弱，拉裂破坏现象得到有效控制。

6 结论

1）开挖后的工程岩体则处于高地应力状态下的低围压和高应力差环境下。围岩的变形和破坏特征是围岩应力和围岩强度共同决定的。

2）锚杆强化支护技术和锚索强化支护技术可以有效控制围岩变形，防止巷道变形破坏。

3）支护系统应充分发挥协同作用，支护初期以锚杆柔性支护为主，后期以锚索悬吊作用为主，相互协调，提高支护效果。

4）通过数值模拟，验证了锚杆锚索强化支护技术的有效性。

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Study on support technology of deep roadway

MA Jinhui，DONG Yemao
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

This paper，concerning the characteristic of cracking in deep rocks，analysis the cracked mechanism of roadway，get the main roadway character，and provide supporting method of the roadway.The wall rock stress，displacement and plastic zone of rock roadway before and after supporting are studied by using the software of ANSYS10.0.The simulation result shows that combined support by anchor can control the rock stress concentration effectively in the x direction and the tensile stress disappear.In the y direction，tensile stress of vault and floor decreased，drawing breakage has been controlled effectively.Roadway is effectively controlled，and satisfactory support effect is obtained.It also can provide some references for reducing the deep roadway support cost and improving the deep roadway support efficiency.

roadway；anchor；numerical simulation；synergetic supporting；rock control

TD353

Α

1671－4172（2015）02－0079－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.018

马锦辉（1988－），男，助理工程师，硕士，岩土工程专业，主要从事井建设计与咨询工作。