a090101-深部软岩巷道耦合支护关键技术研究

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1、深部软岩巷道耦合支护关键技术研究孙晓明1，2杨军1郭志飚1【1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院；2.深部岩石力学与地下工程国家重点实验室，北京100083】摘要深部“三高一扰动”(即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)的复杂地质力学环境，使得深部岩体表现出明显的软岩非线性大变形力学特性，从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性，严重影响了深部煤炭资源的安全开采。“耦合支护”作为一种全新的支护理念，已成功解决了大量的软岩巷道支护问题。研究表明，在深部开采条件下，软岩巷道锚、网、索耦合支护成功的关键在于：在锚杆支护提高围岩强度

2、的基础上，通过锚网—围岩耦合效应、锚杆—网—托盘耦合效应、锚索预应力耦合效应，实现耦合支护下的高应力转化效应，从而达到对深部巷道围岩的稳定性控制目标。关键词深部软岩巷道锚、网、索支护耦合效应关键技术-----------------------------------------------------------------------1引言随着开采深度的增加，巷道支护技术已从被动支护(以钢架、木支架支护为代表)发展到主动支护(以锚网、锚索支护为代表)[1]。然而，深部“三高一扰动”(即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)的复杂地质力学

3、环境，使得深部岩体表现出明显的软岩非线性大变形力学特性[2]，从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性，严重影响了深部煤炭资源的安全、高效开采[3]。为此，国内外学者对深部开采巷道围岩力学特性及其稳定性控制技术进行了大量研究。近年来，锚网索支护技术的研究与应用，对于解决深部采准巷道围岩稳定性控制问题具有明显的效果[4～7]。然而，由于在深部巷道围岩支护中不能实现锚、网、索支护与围岩之间的耦合力学效应，往往会造成锚、网支护变形，锚索拉断失效，无法有效控制巷道围岩的稳定性，严重的还会造成巷道顶板大面积垮落等安全事故。因此，只有掌握锚、网、索支

4、护与围岩耦合支护作用规律，才能实现锚索与锚网、围岩在结构、强度上的耦合，才能实现对深部巷道围岩变形的有效控制[8～11]。2深部巷道耦合支护技术何满潮教授于1997年提出了软岩巷道耦合支护理论[12]，通过多年的理论与工程实践研究，形成了系统的软岩工程力学及其支护技术体系[13～14]，解决了大量的软岩巷道大变形控制问题。在此基础上，针对深部岩体表现出的非线性大变形力学特性，研究提出了深部巷道锚、网、索耦合支护技术[10]。深部巷道锚、网、索耦合支护就是针对深部巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位，通过锚、网、索支护之间的耦合以及支护体与

5、围岩之间的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，同时最大限度地发挥围岩的自承能力，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。锚、网、索耦合支护成功的关键在于，在锚杆支护提高围岩强度的基础上，通过锚网—围岩耦合效应、锚杆—网—托盘耦合效应、锚索预应力耦合效应，从而实现耦合支护下的高应力转化效应，达到对围岩的稳定性控制目标。3锚网—围岩耦合效应巷道开挖后，围岩的受力状态发生改变。巷道不同部位的岩体，由于其受力状态不同，所表现出的强度特性也各不相同（图1）。当打入锚杆后，由于锚杆与围岩的相互作用，形成了σ3作用面，改变了边界岩体的受

6、力状态，使其由一维应力状态转化为三维受力状态，从而提高了岩体的强度及其承载能力。图1巷道围岩受力状态分析传统的组合拱设计观点认为，巷道围岩注入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间排距、锚杆对岩体的控制角α有关，一般α取45°。然而，研究表明，锚、网与围岩初次支护，在刚度上实现耦合，锚、网支护调动围岩强度超出锚杆端头范围，远远超过传统界限，从而最大限度地发挥刚性锚杆的支护能力。4锚杆—网—托盘耦合效应锚杆—网—托盘的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚、网支护，都会引起局部应力集中而造成巷道破坏。同时，由于深部巷道围岩积聚了大量的变形能，必须在锚、网与围

7、岩之间提供一定的变形空间，使其在释放一定的变形能后，再发挥锚网的支护能力。研究表明，采用刚度较大的钢筋网以及复合托盘，可以实现锚杆—网—托盘和围岩强度、刚度达到耦合，使变形相互协调（图2），从而能够充分转化围岩中膨胀性塑性能并能最大限度地利用围岩的自承能力。在耦合作用状态下，围岩应力分布由集中应力区向低应力区转化，锚杆受力趋于均匀化，围岩应力场和应变场趋于均匀化（图3）。（a）刚度较高的钢筋网代替刚度低的菱形网（b）复合托盘代替单一铁托盘图2适合深部巷道围岩特点的锚杆—网—托盘系统（a）不耦合支护下（b）锚网耦合支护下图3不同支护状态下sy应力图

8、5锚索预应力耦合效应5.1锚索关键部位支护调动深部围岩强度深部巷道围岩变形破坏总是从某一部位先开始破坏，此部位即关键部位[13]。研究表