我國錨噴支護研究現狀及發展

徐鵬 葉洲元

前言

我國礦山在巖巷利用錨噴支護形式已有六十年的歷史，對錨噴支護有了深入的了解：錨噴支護是錨桿和噴射混凝土面板組合的支護。其主要作用是約束圍巖變形，調節圍巖應力的分布，防止松散墜落[1]。在巖巷實施以“三小”（小直徑鉆孔、小直徑藥卷和小直徑鉆桿）為代表的錨噴支護技術，結合光面爆破技術，形成我國特色的光爆錨噴技術。從我國錨桿支護形式發展的角度來看，1956年首先采用的主要是鋼絲繩砂漿錨桿和機械錨固錨桿;1960年開始在巖巷中選用噴漿、噴射混凝土支護;1974年開始研制和試驗樹脂錨桿，1976年進行井下試驗，取得較好成效;1980年開始引進和應用了管縫式錨桿、水力膨脹式錨桿等，并自主研制了低價的快硬水泥錨桿;1996年引進高強度樹脂錨固錨桿;2005年開始提倡“三高一低”的新設計觀念。在維持巷道安全與支護效果基礎下，為巷道掘進速度與工作效率提供有利條件[2]。目前，這些技術在國內外礦山中錨噴支護技術已得到普遍應用，是礦山實現安全、高產和高效等條件的關鍵技術之一。當一些礦山進入深部采掘后，也多數采用錨噴支護，但這些支護在掘進或采礦過程中常常出現破壞。特別是在軟巖巷道中，伴隨著開巷后圍巖松動圈的發展，錨桿錨入巖體后受到圍巖碎脹變形力的作用而承受拉力。松軟巖層通常在開巷后1-3個月才能形成穩定的松動圈。這些破壞不僅給礦山開采造成巨大威脅，也給工人人身安全造成嚴重危害。為了維持圍巖穩定和巷道通暢，煤礦巷道掘進后通常都要進行支護。巷道的支護成本、快慢及質量對礦山企業的安全生產與經濟效益有很大影響。

1 錨噴支護理論研究現狀

錨桿支護理論既是錨桿支護設計的前提條件，也是研究錨噴支護的必要條件。國內外許多學者積極開展研究，并取得了卓越的成就。在錨桿支護的發展歷程中，主要出現了以下幾種錨桿支護理論：

1.1 懸吊理論[3]

該理論指出，錨桿把巷道頂板較弱巖層懸吊在其上面的穩定的巖層，增大軟弱巖層的穩定性。

該理論不考慮圍巖的自承能力，并把圍巖體與錨固體分離，這和實際情況有明顯的差異。懸吊理論不能解釋，若是在頂板中沒有較堅硬穩定巖層或較厚頂板軟弱巖層，圍巖破碎范圍較大，錨桿不能錨固到上面堅硬巖層或自然平衡拱上，這種情況下支護仍然有效的緣由。除此，該理論僅研究了錨桿的被動抗拉作用，沒有研究抗剪能力和整體強度。

1.2 組合梁理論[3]

該理論指出，若是沒有堅硬穩固巖層給軟弱巖層提供懸吊支點的薄層狀巖層，就可以利用錨桿的拉力把層狀巖層組合，變成“組合梁”。

組合梁理論只分析了錨桿對巖層間離層和滑動的限制作用，沒分析水平應力對組合梁強度、穩定性及錨桿載荷的作用和錨桿對巖體強度、變形模量及應力分布的影響，因此只適用在層狀頂板，對巷道的幫、底部不適用。

1.3 減跨理論[3]

該理論以組合梁和懸吊理論為基礎，該理論在注重錨桿懸吊作用基礎上，又注重錨桿縫合頂板層狀圍巖的作用。該理論把不穩定的頂板層狀巖層視為支撐在兩幫上的疊合梁或板，在進行支護時，錨桿穿過疊合梁，把其錨固在穩定的巖層中。

若是頂板沒有較堅硬穩定的巖層以及無法把錨桿固定到強硬穩定的巖層上或巷道兩幫不穩定、容易片幫，不能支撐頂板時，那么該理論就不適用。

1.4 最大水平應力理論[3]

大量國內外井下地應力測量結果表明，巖層中的垂直應力大多數情況下小于水平應力，且水平應力具有明顯的方向性，和最小水平主應力明顯低于最大水平應力（1.5～2.5倍），這種趨勢在淺部礦井很明顯。因為最大水平應力基本沿層理方向，巖層很容易出現水平錯動和離層，以及沿軸向的巖層膨脹或者巷道兩幫收縮。

1.5 松動圈支護理論

該理論是由董方庭[4]提出。他指出在掘進巷道后，支護的最大荷載是圍巖松動圈形成的碎脹（剪脹）力。若是裸露的隧道，在其圍巖松動圈都接近沒有，隧道圍巖的彈塑性雖然有變形，但是不需要支護松動圈越大，收斂變形越大，支護難度系數也就越大。支護為了在松動圈發展中限制產生的不利變形。該理論多數運用在礦山體系。

1.6 巷道蝶形破壞理論

趙志強[5]等提出巷道圍巖蝶形理論，該理論建立巷道圍巖破壞形態與非等壓區域應力場的力學模型，基于孔洞圍巖破壞的平面應變模型，研究圓形巷道圍巖塑性區形態和擴展規律。其中王衛軍[6]等指出巷道圍巖失穩主要是塑性環的局部畸變導致塑性區的惡性擴展，關鍵對策是控制塑性環的局部畸變。

近些年來，伴隨錨桿支護技術發展，錨桿支護理論不斷完善。從懸吊理論到巷道蝶形破壞理論，人們逐步認識到：（1）預應力能夠決定錨桿支護;（2）錨桿能夠增加圍巖強度;（3）錨桿能夠限制滑動節理裂隙展開、圍巖結構面離層等擴容變形;（4）錨桿能夠維持圍巖完整性的重要性。這些認識提高了錨桿支護的效果，為軟巖巷道、深部巷道等復雜困難條件下的錨桿支護提供了有用的理論指導[3]。

2 錨噴支護力學計算研究現狀

本文雖然是討論錨噴支護的研究，但是相關錨桿支護、錨噴結構的研究成果仍然具有參考價值。這里主要對國內學者從力學數學計算和支護技術兩個方面對錨桿支護的研究成果進行總結：

鄭穎人[7-8]等基于（粘）彈塑性力學，推導各種側壓力系數下錨噴支護參數的解析計算式，求解隧洞粘彈一塑性圍巖中應力和位移公式，并研究錨桿和噴混凝土的設計方法。鄭穎人[9]等根據強度折減法求解圍巖穩定系數，研究錨噴的設計計算。常聚才[10]等研究深部開挖后圍巖應力演化特征和變形破壞規律。鄭強[11]等以雙剪統一強度理論基礎，推出雙向等地應力情況下無限均勻介質中錨噴支護圓形洞室圍巖的應力場、位移場及塑性區半徑解析解。吳祥云[12]等研究了平面應變條件下圓形洞室動力分析的理論解析解，并對不同結構厚度及不同堅硬程度的巖體進行了理論計算。朱萬成[13-14]等基于有限元和（回歸）正交試驗法，合理選擇錨噴參數。張偉[15]等基于地面大跨度空間殼體結構的力學原理，研究圍巖和支護結構的相似準則。陳勇軍[16]等根據大跨度殼體和網殼錨噴支護結構基礎上，研究了半剛性鋼筋網殼錨噴結構的力學特性。康紅普[17]等指出高預應力、強力支護理論。柏建彪[18]等指出深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強度、轉移圍巖高應力以及采用合理的支護技術。陳勇軍[19]等在網殼錨噴結構支護技術特點的基礎上，闡述了其支護機理，并簡述了網殼噴層支架試驗結果。何滿潮[20]等為提出切頂卸壓沿空留巷新技術，建立了不同頂板位態下“圍巖結構-巷旁支護體”力學模型，推導出巷旁支護阻力的計算方法，并提出聚能預裂爆破等圍巖控制技術。

以上成果基本以（粘）彈塑性力學角度，認為巷道圍巖穩定與巖體應力狀態、支護強度、錨噴參數、錨噴結構等密切相關。這些研究主要集中在靜載荷范疇內對錨桿群體與圍巖相互作用，而錨桿與圍巖組合體受到開挖等（準）動載荷作用的力學行為研究不多。何滿朝等雖建立了不同頂板位態下力學模型，并對聚能預裂爆破等圍巖控制技術進行研究，但沒有對圍巖和支護的相互作用和爆破作用下對支護作用的影響進行深入研究。

3 錨噴支護數值模擬研究現狀

錨噴支護的力學機理比較復雜，實驗無法直接模擬出錨噴支護的現場地質條件，并且在現場進行大試件實驗成本代價太高。錨噴支護數值模擬既能夠合理的選擇實驗中施工參數，又能夠模擬出其他附加的邊界條件。目前大部分學者通過數值模擬對實驗進行驗證來確保其準確性。由此可見數值模擬是研究錨噴支護結構的重要手段，彌補了實驗中多方面的不足，國內學者結合數值模擬對錨噴支護進行了大量的研究：

林惠立[21]等運用FLAC3D分析了耦合支護后泵房立體交叉硐室群應力場、位移場和破壞區特征，并對硐室穩定性和支護參數的合理性做出了評價研究。高謙[22]等采用數值模擬，在考慮圍巖的碎裂形變和峰后特性的基礎上，分析高應力巷道的錨噴支護。康紅普[23]等運用有限差分數值計算軟件分析不同預應力下錨桿、錨索產生的應力場分布特征。肖明[24]等采用隱含錨桿柱單元的三維有限元和混凝土噴錨支護的三維數值計算方法，分析計算復雜的地下泄洪洞的開挖和支護。曹學興[25]等運用隱式桿單元模擬錨桿和殼單元來模擬混凝土噴層，運用三維非線性有限元技術來分析噴錨支護措施的作用。崔芳[26]等運用MIDAS/GTS軟件分析了斷層影響下的錨噴支護效果。張偉[27]等運用FLAC2D數值模擬分析軟巖巷道網殼錨噴支護和普通錨網噴支護，對巷道位移、應力分布狀態及塑性區進行了對比分析。陳勇軍[19]等利用ANSYS軟件對整架網殼噴層結構進行模擬，優化其設計。隋紅軍[28]等采用ADINA大型非線性有限元分析軟件，對隧道的錨噴襯砌支護進行受力模擬分析，與使用普通混凝土進行了比較。

以上成果主要是利用數值軟件在靜載荷范疇對錨桿支護與圍巖相互作用進行模擬研究，對深部巷道單體錨桿與圍巖組合體受到開挖等（準）動載荷作用的數值模擬基本上沒有，主要是因為動荷載的瞬時性、破壞性大、不好測量等特點，而且影響動荷載因素很許多，很難準確估計。

4 錨噴支護試驗測試研究現狀

從相似模擬實驗和試驗觀測，這兩個角度不僅可以直觀的錨噴支護在不同荷載下的實際變化，而且更是探索現場實際工程條件對錨噴支護結構最為可靠的方法，眾多學者、專家在隧道、巷道工程試驗測試實測方面取得了一系列的研究成果：

牛雙建[29]等通過模型內部切片獲得無支護條件下深巷圍巖的破壞模式和范圍，運用三維應力測試元件揭示深井巷道不同深度處圍巖真實的加卸載應力路徑與開挖前后應力狀態。張金松[30]等吸取大跨度空間網架結構和聚丙烯纖維混凝土的優點，依托典型巷道工程，提出了一種聚丙烯鋼筋網架錨噴支護結構。李永和[31]等針對地下采礦環境下重大鋼筋混凝土結構或錨噴結構的碳化腐蝕損傷、裂紋擴展、可靠性評估、剩余壽命預測及其優化維修決策等方面作為一個完整的體系，進行了系統的研究與探討。劉保民[32]等依托大巷圍巖工程，通過實測在地應力及構造應力作用下，網殼錨噴支護支架主弦桿、內骨筋的應力分布情況及支架與圍巖的接觸應力，分析了支架應力分布及其變化規律。張金松[33]等制作一種以頂底板支架和側幫支架用可縮性墊板形式的3維鋼筋支架，研究其在高應力軟巖巷道支護中的適用性。唐百曉[34]等分析動壓巷道破壞機理與支護原則，并針對下部車場受動壓影響的特點，研究和設計了巷道三維鋼筋網架錨噴支護新結構。陳勇軍[16]等對單片的鋼筋網殼及整架支護結構進行了工業性模型試驗。朱清云[35]等以軟巖巷道為例， 通過對鋼筋網殼錨噴結構在工程中的具體應用，對其結構特性、支護作用以及圍巖與支護的相互作用進行了分析。李松[36]等通過對比提出雙層鋼筋網錨噴支護，研究巷道錨噴支護網殼的受力特點和應力分布規律，并通過布置了測站在軌道大巷選取了兩個試驗段巷道進行了變形監測。何滿潮[37]等研制具有負泊松比效應的新型高恒阻大變形錨索，并在現場采用爆破形式檢驗支護效果。周紀軍[38]等選用水泥砂漿和玻璃鋼分別模擬巖石和錨桿，澆筑巖體模型，通過模型試驗研究近區錨噴結構在掏槽爆破作用下的振動特性。

以上成果基本是從相似模擬實驗和實地觀測兩方面對準靜載荷狀態下錨噴支護結構（鋼筋網架錨噴支護結構、鋼筋網殼錨噴結構）進行研究的，而對受到開挖等（準）動載荷作用下錨噴支護結構力學行為研究甚少。動載荷作用對于錨噴支護結構在實際工程支護有不可忽視的影響。何滿朝等僅采用爆破形式檢驗支護效果進行研究，沒有對圍巖和支護的相互作用進行研究。周紀軍等僅模擬在掏槽爆破作用下錨噴結構的振動特性研究，沒有考慮實際圍巖本身受到的靜應力場的影響。

5 展望

上述研究成果主要是基于靜力學范疇提出的，而從動力學方面進行的研究甚少。尤其是以上支護理論基本沒有涉及到動力學研究。但實際上中，掘進爆破等動力因素對錨桿的支護效果影響較大，因此需要發展與動力學相適應的支護理論或者是將現有的支護理論的研究范疇進一步發展。目前作者基于大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目，提出動靜載荷下錨噴結構體破壞實驗研究。研究適合于動載荷的錨桿形式，這方面主要是吳秋紅[39]等基于SHPB試驗平臺，研發了一套錨桿動力響應的試驗裝置，開展動力擾動下全長黏結錨桿的力學響應特性研究。

6 結束語

通過對我國錨噴支護研究現狀的深入分析， 概括了我國錨噴支護發展歷程，系統總結了錨噴支護理論、力學計算、錨噴支護數值模擬及錨噴支護結構試驗測試等方面的研究進展。錨噴支護的目的就是研究如何充分應用圍巖自承能力和錨桿群體支撐能力，從而限制圍巖變形[3]。但是由于礦山井下環境條件的復雜性和各種支護理論的局限性，在進行支護設計時，有可能造成兩個方面的極限問題：一是支護強度太高，不僅初期投資高，而且降低正常掘進效率;二是支護強度不夠，不能有效控制圍巖變形，妨礙正常生產活動或出現安全隱患，從而引起安全事故的發生;因此錨噴支護參數設計是巷道設計中的一項核心內容，對充分發揮錨噴支護的優越性和保證巷道安全具有重要的意義[3]。目前這些研究主要在準靜載荷范疇對錨桿體系與圍巖相互作用進行研究，而對巖爆或者是沖擊地壓下錨噴支護結構受到開挖等（準）動載荷作用的力學行為研究不多，因此爆破掘進過程中深部巷道錨噴支護的研究，仍然是今后研究的重點。

參考文獻：

[1]王煥文.錨噴支護[M].煤炭工業出版社，1989.

[2]康紅普.我國煤礦巷道錨桿支護技術發展60年及展望[J].中國礦業大學學報，2016，45（06）：1071-1081.

[3]東兆星，劉剛.井巷工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2013.

[4]董方庭，宋宏偉，郭志宏，等.巷道圍巖松動圈支護理論[J].煤炭學報，1994，19（1）：21-32.

[5]趙志強，馬念杰，劉洪濤，等.巷道蝶形破壞理論及其應用前景[J].中國礦業大學學報，2018，47（05）：969-978.

[6]王衛軍，郭罡業，朱永建，等.高應力軟巖巷道圍巖塑性區惡性擴展過程及其控制[J].煤炭學報，2015，40（12）：2747-2754.

[7]鄭穎人，劉懷恒，顧金才.均質地層中錨噴支護理論與設計[J].巖土工程學報，1981，3（1）：57-69.

[8]鄭穎人，劉懷恒.隧洞粘彈塑分析及其在錨噴支護中的應用[J].土木工程學報，1982，15（4）：73-78.

[9]鄭穎人.巖土數值極限分析方法的發展與應用[J].巖石力學與工程學報，2012，31（7）：1297-1316.

[10]常聚才，謝廣祥.深部巷道圍巖力學特征及其穩定性控制[J].煤炭學報，2009，34（07）：881-886.

[11]鄭強，林從謀，孟凡兵.采用統一強度理論的錨噴支護圍巖彈塑性統一解[J].華僑大學學報（自然科學版），2011，32（3）：326-331.

[12]吳祥云，李歡秋，李永池，等.巖體中噴錨支護與襯砌結構計算研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（19）：3561-3565.

[13]朱萬成，唐春安，黃明利.基于正交試驗原理的錨噴參數設計系統及其應用[J].巖土力學，1999，20（2）：87-91.

[14]朱萬成，趙文，唐春安，等.錨噴參數的回歸正交有限元試驗分析及其應用實例[J].巖石力學與工程學報，1999，18（3）：283-286.

[15]張偉.鋼筋網殼錨噴結構在軟巖巷道的支護機理與應用[D].西南交通大學，2007.

[16]陳勇軍.半剛性網殼錨噴結構力學特性研究及應用[D].安徽理工大學，2005.

[17]康紅普，王金華，林健.高預應力強力支護系統及其在深部巷道中的應用[J].煤炭學報，2007（12）：1233-1238.

[18]柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究[J].中國礦業大學學報，2006（02）：145-148.

[19]陳勇軍.網殼錨噴結構支護機理分析及試驗研究[J].山西建筑，2007（17）：121-123.

[20]何滿潮，陳上元，郭志飚，等.切頂卸壓沿空留巷圍巖結構控制及其工程應用[J].中國礦業大學學報，2017，46（05）：959-969.

[21]林惠立，石永奎.深部構造復雜區大斷面硐室群圍巖穩定性模擬分析[J].煤炭學報，2011，36（10）：1619-1623.

[22]高謙，宋建國，余偉健，等.金川深部高應力巷道錨噴支護設計與數值模擬技術[J].巖土工程學報，2007，29（2）：279-284.

[23]康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報，2007（07）：680-685.

[24]肖明，葉超，傅志浩.地下隧洞開挖和支護的三維數值分析計算[J].巖土力學，2007，28（12）：2501-2505.

[25]曹學興，何蘊龍，袁帥.噴錨支護措施對地下廠房洞室群整體穩定性影響[J].四川大學學報（工程科學版），2012，44（增1）：71-76.

[26]崔芳，高永濤，吳順川.斷層影響下隧道噴錨支護效果的數值模擬[J].金屬礦山，2011，6：25-28.

[27]張偉，漆泰岳.軟巖巷道鋼筋網殼錨噴結構的支護機理及其應用[J].建井技術，2007（05）：23-25+22.

[28]隋紅軍，賈寶新，郭永軍.聚丙烯纖維混凝土錨噴結構內力有限元分析[J].科學技術與工程，2007（15）：3796-3802.

[29]牛雙建，靖洪文，楊大方.深井巷道圍巖主應力差演化規律物理模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31（S2）：3811-3820.

[30]張金松，龐建勇，杜曉麗.高應力軟巖巷道聚丙烯鋼筋網架錨噴支護技術[J].煤礦安全，2015，46（05）：98-101.

[31]李永和.地下鋼筋混凝土與錨噴結構碳化斷裂損傷及其耐久性研究[J].巖石力學與工程學報，2000（02）：260.

[32]劉保民，李懷珍，張和.軟巖巷道中網殼錨噴結構受力監測分析[J].煤田地質與勘探，2007（05）：58-61.

[33]張金松，龐建勇，杜曉麗.3維鋼筋支架錨噴支護結構試驗研究及工程應用[J].四川大學學報（工程科學版），2014，46（06）：107-113.

[34]唐百曉.三維結構在受動壓影響巷道中的應用[J].金屬礦山，2012（09）：29-31+36.

[35]朱清云，朱獻忠.鋼筋網殼錨噴結構在軟巖巷道的支護應用分析[J].黑龍江科技信息，2015（32）：19.

[36]李松，孟凡鵬.單、雙層網錨噴支護承載機理及應用[J].四川建材，2013，39（05）：118-119+123.

[37]何滿潮，王炯，孫曉明，等.負泊松比效應錨索的力學特性及其在沖擊地壓防治中的應用研究[J].煤炭學報，2014，39（02）：214-221.

[38]周紀軍，單仁亮，賈志欣，等.近區錨噴結構的爆破振動特性研究[J].巖土力學，2013，34（08）：2225-2230.

[39]吳秋紅，趙伏軍，王世鳴，等.動力擾動下全長黏結錨桿的力學響應特性[J].巖土力學，2019，40（03）：942-950+1004.