大變形軟巖巷道錨網支護失效機理研究

徐基根，田素川，孫 康，許興亮

(1．中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116;2．淮北礦業集團 朱仙莊煤礦，安徽 淮北 234111)

由于巷道開掘在煤層或軟弱巖層中，一段時間后，巷道處于巖石的峰后軟化階段，強度低、物理性質差、流變問題較嚴重。軟巖巷道錨網支護，提高了圍巖的抗壓強度及抗剪強度，約束圍巖位移，改善圍巖物理性質，使巷道得到有效維護。但是，對于錨網支護機理的研究，集中在錨網與巷道圍巖的整體作用及單方面提高支護阻力上，未將兩者作用具體化，致使一些軟巖巷道局部部位支護不耦合，錨網支護失效。本文以中國礦業大學何滿潮教授提出的軟巖巷道彈塑性狀態圈狀模型［1］為基礎，進行了分析。

1 錨網支護巷道力學分析

巷道的開挖破壞了原巖應力場中的三向應力狀態，原有平衡被打破，巷道圍巖逐漸變為平面應力狀態。圍巖表面單元切向應力達到最大值，徑向應力為零。圍巖內部，徑向應力慢慢增大，圍巖總是處在第三向應力較弱的三向應力狀態。隨著時間的推移，調整后的圍巖中部分巖體在大于其強度的載荷作用下發生破壞，并且靠近巷道表面的巖體最先破壞，最大主應力集中區向圍巖內部移動。在此過程中，巷道圍巖將出現4個力學性質有差異的區域：彈性區，塑性硬化區，塑性軟化區，塑性流動區(由內到外)。各區對應全應力—應變曲線見圖1，軟巖巷道圍巖分區見圖2。

2 巷道圍巖力學行為分析

2．1 彈性區

彈性區與未受工程擾動的巖體相接，巖體處于彈性狀態，結構面和結構體的性質共同起作用，抗壓強度較大。其基本方程：

2．2 塑性硬化區

應力應變曲線對應于圖2中塑性階段AB，在彈塑性交界處圍巖開始屈服，巖體結構面發生剪切滑移變形，擴容現象明顯。在塑性硬化區中，由摩爾—庫倫強度準則，可得：

在彈塑性區邊界r=Rs處，有σr+σθ=2P0，可得：

由上式和平衡方程可求得應力：

2．3 塑性軟化區

塑性軟化區與塑性硬化區交界處巖體所表現出的載荷應力為極限抗壓強度σc。該區域中，巖體中裂隙擴展，并產生新的裂隙。大部分裂隙貫通，巖體中產生內部空洞。內摩擦角及結構面黏結力變化與徑向位移成線性關系，即：

其中：

式中：

φ，φ*—巖體原狀態下內摩擦角及完全破壞后的殘余內摩擦角;

C，C*—巖體原狀態下內聚力及殘余內聚力。

在塑性軟化區內，由摩爾—庫倫準則的另一種形式：

假設在圓形巷道開挖時，在支護力Pi作用下，圍巖沒有出現塑性軟化區，則有邊界條件r=a，σr=Pi，由此可得塑性軟化區半徑：

2．4 塑性流動區

圍巖流動區巖體的C，φ分別為其殘余值C*，φ*，則由摩爾—庫倫準則推得巖體起塑條件：σr=Kσθ+σc，在塑性流動區有 σ*=K*σθ*+σc

*，K*=，結合平衡方程：

式中：

q0—巷道表面的支護力。

3 錨網支護軟巖巷道失效機理

錨網支護多應用于服務年限較長的巷道。錨桿形成的錨固層組合拱是支護的主要承載結構，金屬網的作用是維護該組合拱的存在，防止它因巖塊冒落而失效。軟巖巷道的錨網支護失效機理可從以下幾方面說明。

3．1 錨桿支護失效

3．1．1 支護時機

軟巖巷道中，伴隨著圍巖應力的調整，錨桿錨入巖體后受到圍巖變形應力的作用而承受力。軟巖巷道支護系統設計需要留出富余的變形空間，以釋放圍巖積聚的能量。若支護過早，長時間的圍巖松動變形將遠超過桿體所能承受的變形能量，會將錨桿“拔出”或引起錨固失效;若支護過晚，圍巖塑性流動區半徑過大，錨桿錨固作用巖體強度將大大降低，不能承受圍巖后續變形對錨桿施加的拔拉力，致使錨桿失效。

3．1．2 錨桿直徑對圍巖變形的影響

模擬方案采用錨桿長度為2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm。支護參數見圖3，模擬結果見圖4。

由圖4可知，錨桿直徑的大小對圍巖變形產生了實際影響［2］。實際研究結果表明，隨著直徑數值的增加，巷道頂板和兩幫位移量都有小幅度減小，頂底板相對移近量在局部階段有小幅度增加;同時，直徑過小會引起錨桿桿體抗剪能力的減弱，在塑性區中，當τ桿＜τ巖時，則圍巖剪切應力將錨桿剪斷，錨桿整體作用不能發揮，錨桿失效。

3．1．3 錨固組合拱

在錨桿桿體及錨固劑共同作用下，錨桿群在破碎巖體中形成“組合［3］拱”，錨固區分布示意圖見圖5，組合拱示意圖見圖6。

根據拉麥公式，組合拱支護力：

式中：

σz—破碎巖體錨固體強度，σz=0．7 ～0．8σc;

bb0

如果當 r=Rb，σr*＞Pi，即組合拱部分所在巖體徑向應力大于組合拱所提供支護力，局部組合拱就會破壞失效，從而引起整個支護系統的崩潰。

3．2 錨網原理

3．2．1 網的作用

1)維護錨桿間比較破碎的巖石，防止巖塊掉落。

2)提高錨桿支護的整體效果，抵抗錨桿間破碎巖塊的碎脹壓力，提高支護對圍巖的支撐能力。

在組合拱理論中，金屬網維護如圖6中陰影部分巖體。該部分巖體中任意一塊巖塊的掉落都將危及錐形區域的錨固巖體，錨固巖體逐漸掉落，錨桿作用將會慢慢失去，組合拱厚度及承載能力都會降低，造成錨桿支護失敗。

3．2．2 水風因素

軟弱圍巖主要含有高嶺土、伊利石等黏土礦物，遇風巖體間裂隙尺寸變大，塊度變小，強度降低;遇水往往會泥化、崩解，巖體強度慢慢降低至零，形成流動性泥質物。在軟巖巷道中若不注意維護圍巖表面巖體及防治水，則會引起表面巖體塊度及強度的降低，巖石會從金屬網網孔中漏出，危及錨固體。

3．3 底 鼓［4］

3．3．1 產生因素

巷道開掘引起圍巖的應力狀態和性質都發生變化，圍巖表面的塑性流動區下部巖體在內部應力場擠壓作用下向巷道空間移動，并伴隨有巖體的進一步變形，一起底鼓。同時，巷道底板存有積水的情況下，其中的黏土巖成分會在水的作用下膨脹、崩解，裂隙加大，使底板鼓起。若不及時處理，則會引起更大范圍的底鼓。

3．3．2 底鼓對錨網支護的影響

塑性流動區底部巖體向巷道內流動會產生一定的空間，這部分空間會由流動區其它部分的巖體填充。這樣會引起巷道斷面形狀的變化，斷面面積大大減小。

塑性流動區巖體的流動，使錨網支護系統靠近底板部分及內部組合拱同時移動。組合拱形狀發生較大變化，底部承載能力大大降低，而且部分移動的錨網系統不能再按設計要求與全系統耦合。隨著時間的增長，底部關鍵部位支護的失效會慢慢引起整個支護系統的失效。

4 結論

1)軟弱圍巖隨時間的推移而變化，圍巖各圈層半徑隨時間推移而增大，加強支護后，趨于穩定。

2)錨桿錨固體是錨網支護的主體，各種原因引起的錨桿錨固失效是軟巖巷道錨網支護失效的關鍵因素。

3)模擬結果與理論推導結果一致，說明了理論分析是正確的。

［1］ 何滿潮，景海河，孫曉明．軟巖工程力學［M］．北京：科學出版社，2002：108－109．

［2］ 考四明，宮能平，祈建奎．不對稱軟巖巷道支護設計的優化分析［J］．礦業安全與環保，2010，37(2)：86－88．

［3］ 薛順勛．軟巖巷道支護技術指南［J］．煤炭工業，2002(5)：24－28．

［4］ 劉 剛，王仁庭，董方庭．井巷工程［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2005：219－228．

［5］ 許興亮，張 農．富水條件下軟巖巷道變形特征與過程控制研究［J］．中國礦業大學學報，2007，36(3)：288－302．