专题-平煤四矿深部软岩巷道支护技术浅析

平煤四矿深部软岩巷道支护技术浅析摘要：二十一世纪我国煤矿的开采深度正以每年812m的速度增加，东部矿井正以每年1025m的速度发展。论文应用理论分析、数值模拟和监测数据分析等方法研究了平煤四矿深部软岩巷道围岩变形力学机理和围岩控制机制，结果表明：随着开采深度的加大，巷道变形对地应力的敏感度增强，深部软岩巷道岩体强度明显降低，因此软岩巷道的稳定问题变的更为突出。本文针对平顶山煤业四矿的巷道支护问题，在了解了该矿软岩巷道变形的特征的基础上，提出三锚加强支护方案来对高地应力作用下的深部软岩巷道围岩变形进行有效控制。关键词：平煤四矿；软岩巷道；压力；三锚支护0 引言随着浅部资源储量的日益减少，国内外许多矿山进入深部开采。南非、印度金矿最深开采深度超过4000 m，俄罗斯金属矿最深开采深度超过 2000 m，我国徐州、平顶山、开滦、新汶等矿区部分煤矿开采深度已经超过 1000 m。2007年中国原煤产量25.23亿吨，居世界之首，与之配套的巷道掘进量每年达6000km，其中10%以上的巷道微软岩巷道。全国有30多个矿区存在着软岩巷道支护问题，如吉林舒兰和辽源梅河、沈阳、山东龙口、河南平顶山等等。另外，在深部高应力环境中，在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性巷道围岩长期变形不止。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一，深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。为解决或降低这一问题对煤矿生产和其他岩土工程所造成的不利影响，国内外与岩土工程相关的各个领域，都投入了大量的人力、物力和财力进行软岩巷道支护等方面的研究工作。1 国内外研究现状1.1 围岩稳定性研究现状1.1.1 国内状况在中国矿业大学，以陆士良教授为首的一批学者，将巷道围岩深处任一点径向位移与其周边位移的比称为深表比，同时认为这反映了锚杆支护的巷道周边位移和围岩深处的位移规律。之后，几位教授通过对我国的一些著名矿区各类巷道岩体的位移以及其深表比进行的测试与研究，从而得出以下两点结论：1）在原岩应力的条件下，深表比变化规律同掘巷所引起的围岩的应力分布情况基本一致，即是在巷道周边深表比最大，而在围岩的深处则按照负指数曲线来衰减。围岩的周边位移量大小、衰减的速度、深表比变化以及最终影响深度，主要决定因素是巷道岩体的性质，同时还同巷道埋深的深度、断面的大小以及支护的阻力等因素有关；2）当巷道受到采动影响后，特别是当处于邻采空区和本工作面的回采所引起的支承压力的叠加作用下，不仅仅是巷道周边，同时深部岩体都将因产生较大范围的塑性变形而引起严重的破坏，因此，不仅是巷道周边的位移量大，围岩变形规律也与单一巷道有所不同，深表比的衰减进行的十分缓慢。受到采动影响后的巷道，由于围岩的性质、开采的深度等采动状况的不同，巷道的周边位移量通常为2001000mm，而深部岩体的显著位移范围一般是516m。1.1.2 国外状况在国外，原西德认为深部巷道的稳定性状况主要在于地板上岩石的力学性质特性，从而采用底板岩性的指数来评价巷道稳定性。对于那些不受到采动影响的巷道研究，则给出了巷道极限深度的经验公式：式中：-巷道失稳时的极限深度，m； -底板岩石单轴抗压强度，MPa；另外，原苏联方面的研究结果则表明了工作面前方的支承压力和巷道内的顶底板移近量以及巷道围岩的强度同采深存在着如表1.1所示的关系。由此可见，当岩性不同时，采深对于巷道稳定性影响也会不同。在软岩层中，开采的深度对于围岩的变形影响对比于硬岩层的影响要显著的多。研究表明，起内在作用的则是围岩的应力同围岩的强度的对比关系。源于此种情况，原苏联采用了 作为指标来评价深部岩石巷道的稳定性状况。表1-1 巷道的移近量和围岩的强度以及采深之间的关系岩石强度/Mpa巷道埋深/m移近量/mm采深每增加100m，移近量增量/mm304007502126001200800160050400250115600470800710904008035600140800220其他国家，诸如英国则提出巷道的失稳极限深度为：式中：岩石容重，kN/m；1.2 围岩控制技术研究寻求更适合于深部软岩巷道压力大、变形量大的支护方式，以及回答现有支护是否适用于深井软岩巷道矿压控制等问题，都是需要研究解决。原西德、前苏联的研究认为，顶底板移近量小于巷道高度45%时，现有的支护技术依然能管理好深井巷道。对开采深度为1600 m的巷道顶底板移近量的预计表明：在1600 m深度处，刚性支架已完全不能使用；在稳定的砂岩中，采用拱形可缩支架和碎石壁后充填可满足要求；在稳定的岩层中，必须用专门材料进行壁后充填；原西德的壁后充填技术水平较高，因此，在我国壁厚充填基本没有应用的情况下，上述支架适用范围明显偏大。1拱形刚性支架；2拱形可缩支架，碎石壁后充填；3拱形可缩支架，专用材料壁后充填；4巷道上方有回采边界；5巷道上方无回采边界图1-1 采深1600 m时岩巷支架的适用范围针对深井软岩巷道压力大、变形量大的特点，国外发展了深井软岩巷道支护技术，概括起来，主要有：采用结构复杂的全封闭支护系统；采用锚喷网联合支护系统；采用特种钢和加大型钢质量（大44 kg/m，甚至更大）；采用硬石膏、水泥砂浆、聚氨酯或其他建筑材料壁后充填；此外，国外深井软岩巷道之后都有一个共同点，即具有可缩装置或“让压结构”，允许支架或支护系统可缩，以适应深井软岩巷道压力大、变形量大的特点。同时，巷道支护设计时预留大的变形量。还有通过加固改善巷道围岩的力学性质，通过卸压改变巷道围岩的应力分布，从而达到改变深井软岩巷道围岩状态、提高深井软岩巷道稳定性的目的。国内外对巷道围岩卸压技术进行了大量理论与试验研究，已提出了多种卸压方法，在实践中取得了较好的效果。然而，有的卸压方法还处于试验研究阶段，有的卸压方法用于生产实践中还有一定难度，这些都有待于进一步研究解决。1.3 软岩巷道支护理论研究近年来，国内外一些学者根据深井软岩巷道的围岩矿压显现规律进行理论研究，其主要研究内容：陈宗基教授、孙均教授、朱维申研究员等众多学者采用物理模拟与数值模拟方法从岩石弹塑粘性角度来分析和解释巷道围岩的破坏失稳原因，认为巷道围岩应力是流变变形地压；孙广忠教授等则是研究岩体节理、裂隙的结构变形效应；王仁教授等将围岩作为粘性流体进行研究并建立了等价本构关系；谢和平院士等则是从岩石损伤角度解释、分析了巷道大变形地机理。石根华提出了在赤平投影图上判断可动块体的方法，此后他又用矢量代数做了研究，1984年他提交的“不连续变形分析”论文中进一步分析了岩体的应力应变。何满潮教授等在对软岩工程地质规律和变形力学机制研究的基础上，提出了软岩巷道支护的4条基本原则。1）对症下药。由于软岩的地质特点的差异，构成软岩巷道的复合型变形力学机制多种多样，支护必须满足其变形力学机制的要求。2）过程原则。要对软岩巷道稳定性进行有效控制，必须有一个从复合型变形力学机制向单一型变形力学机制的转化过程。3）塑性圈原则。软岩巷道必须允许出现塑性圈，是在控制的条件产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放变形能。4）优化原则。一个合理的软岩巷道支护方案要同时满足三个条件：（1）能充分释放围岩变形能；（2）能充分地保护围岩的力学强度；（3）支护造价小而巷道稳定性好。加强现场测试，根据实测现场巷道位移量随时间变化规律，进而计算岩石的力学参数与初始应力，同时利用统计的数学方法，例如采用灰色系统模型，时间序列模型，人工神经网络模型等对地下工程进行位移预测研究，取得了许多成果。由于这个方法抓住了位移这一岩体在各因素作用下的总的表现效应，并同工程经验分析，方法较简洁快速，能及时给予工程施工指导，因而在地下工程中得到了许多应用，但其应用范围一般限于位移反分析的范畴。2 深部软岩巷道的自承作用及支护原则2.1 围岩自承作用原理 地下巷道中向支护体加载的围岩可看作一种特殊的天然结构。在开挖巷道后形成的围岩与支护体的力学平衡系统中，围岩通常承受大部分的岩层压力，而支护体却只承担其中的一小部分。而且，在支护体和围岩分担压力的过程中，巷道支护体所承担的载荷是多变的，其分担岩层压力的比重，视围岩本身承担的载荷而定。围岩分担的载荷越大，支护体分担的载荷越小。当巷道围岩处于弹性变形阶段时，围岩将承担全部载荷，而支护体完全不承受载荷。当部分围岩进入塑性状态，则支护体将开始承担一部分载荷，但这时除了尚处于弹性状态的围岩具有较大的承载能力外，处于塑性状态的围岩也有一定的承载能力。合理的支护方式应充分利用围岩的天然承载结构，将围岩由载荷体变为承载体，使支护体与围岩在相互约束的状态下共同承载，最大限度地发挥围岩的自承载能力。增大支护阻力在一定程度上能起到减少软岩巷道围岩变形的作用，但巷道支护的效果却不仅仅取决于支护本身的支承力，而是受到围岩本身力学性质、支护体力学性质、支护时间、支护体与围岩的接触方式等因素的影响。合理的深部软岩巷道支护设计不仅要考虑支护体支承力因素，而还应同时从多方面采取措施。在巷道支护体与围岩相互作用过程中，充分利用围岩本身的自承能力，以从总体上取得最佳支护效果。 2.2 深部软岩巷道支护原则 2.2.1 主动支护原则 软岩巷道自稳时间短，主动支护就是在对围岩支护后支护体立即对围岩提供一定阻力的支护，随着围岩变形的增加，支护阻力会随之继续增加或保持恒阻发展。主动支护对控制软岩巷道围岩早期变形，缩短围岩应力调整时间，提高围岩自承能力有积极效应，预应力的锚杆和锚索以及锚注支护都属于主动支护的范畴。 2.2.2 全断面支护原则 软岩巷道支护所承受围岩的变形压力来自于包括巷道底板在内的巷道各个方向，如果底板不支护或支护强度较小，底板就成为围岩的薄弱部位，会产生强烈底臌现象，进而降低整个巷道支护体系的承载能力，因此对于软岩巷道必须加强底板支护。对此类深部软岩巷道，一面要强调全断面支护的整体性，另一方面要对薄弱的底板部位采取重点加强支护措施，从而防止巷道从薄弱的底板部位首先变形破坏而导致全断面变形破坏。采用反底拱和对底板进行锚注加固，以改善巷道底板围岩的特性，提高底板岩体的承载力，可有效控制巷道的底臌，从而保证巷道的整体稳定。 2.2.3 可缩性支护原则 软岩巷道围岩变形压力是支护的主要载荷，在大变形压力作用下普通刚性支护很快就会破坏，使围岩处于事实上的无支护状态，不利于发挥围岩的承载能力，而可缩性支护在变形压力超过围岩的承载能力后，支护体通过可缩让压，释放部分高压，使围岩发挥更大承载能力，锚网和 U 型钢可缩性支架等均属于可缩性支护范畴。 2.2.4 塑性圈原则和硬岩工程支护的指导思想不同，软岩工程支护必须允许出现塑性圈。硬岩工程支护是力求控制塑性区的产生，最大限度发挥围岩自承力，而软岩工程支护是力求有控制地产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放围岩变形能。这是软岩的成因历史、成岩环境、成分结构及其岩体力学特性所决定的。 2.3 二次支护原理 二次支护是由软岩的力学机制所决定的，软岩巷道其巨大的能量必须以某种形式释放出来，因而软岩变形有着明显的时间性，其能量的释放和围岩的变形不可能在短时间内完成，由护体与围岩相互作用原理可知，为了充分利用围岩自承力，在巷道开掘以后应使支护时间推迟，这样才能达到通过变形释放能量，从而起到适当的卸载作用和减轻支护体所承受的载荷。二次支护适应了这种软岩支护要求，其实质是开巷以后先后分二次对巷道进行支护。 一次支护后允许围岩产生有限制的受控变形以便释放部分高应力。一次支护的主要作用是加固围岩，及时限制和减少围岩变形，而不是使支护系统达到力学受载的效果。二次支护的作用是进一步促进围岩的稳定，是在围岩已产生一定变形和能量得到一定释放后进行的加强支护以保证围岩强度没有明显的降低或变形破坏后再得以提高。对于适宜的二次支护时间，目前还没有一种科学的计算方法，需根据生产经验或借助于现场监测确定。3 锚杆支护理论3.1 悬吊理论巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减少和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的。如图2.1所示。巷道浅部围岩松软破碎，或者开挖巷道后应力重新分布，顶板出现破裂区，这时锚杆的悬吊作用就将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展，如图2.2所示。图2-1 锚杆的悬吊作用图 2-2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层3.2 组合梁理论在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定的岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际围岩的条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏，组合梁就不存在了。组合梁理论只适合与层状顶板锚杆支护设计，对于巷道的帮、底不适用。3.3 组合拱理论在安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱。这个承压拱处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大，如图2.3所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度。其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。组合拱的理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理，但在分析过程中没有深入考虑围岩支护之间的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力进行简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。图2-3 锚杆的组合拱原理3.4 最大水平应力理论目前，水平应力对于巷道的稳定性的影响已经引起了世界人民的关注。现在最基本认识：矿井岩层水平应力一般要大于其垂直应力，另外，水平应力也具有明显的方向性，最大水平应力一般被认为是最小水平应力的1.52.5倍。巷道的顶底板稳定性主要受到水平应力的影响：当巷道轴向与最大主应力的方向平行时，所受水平应力的影响为最小；当二者垂直时，所受到的水平应力的影响为最大；当二者呈现一定夹角时，一侧会出现水平应力集中而另一侧应力较低的情况，因此顶底板的变形就会偏向巷道的某一侧。具体情况如图3-4所示。3.5 围岩松动圈支护理论围岩松动圈理论：1）地应力与围岩之间相互作用会产生围岩松动圈；2）松动圈在形成的过程中所产生的碎胀力和它所造成的有害变形为巷道支护主要对象，当松动圈的尺寸越大时，巷道的收敛变形也就越大，支护起来也就越困难。3）根据松动圈的大小不同采用不同的原理来设计锚杆支护。小松动圈（即040 cm）采用喷射混凝土支护；中松动圈（即40150 cm）则依据悬吊理论；大松动圈（即150 cm）则要依据组合拱原理来设计。图2-4 应力场效应3.6 减跨理论当锚杆的末端能固定在稳定的岩层中时，穿过薄顶板，每根锚杆都相当于是一个铰支点，因此可以将巷道顶板分成若干小跨，从而达到降低顶板挠度的效果。在巷道的顶板上安装完锚杆以后，就可以将顶板划分成为多个小跨，进而成为多跨连续梁的结构，这样其冒落拱的高度以及顶板的下沉量都会有大幅的降低，从而起到使巷道围岩变得更加稳定的作用。图2-5 减跨作用原理3.7 围岩强度强化理论其理论要点是：1）实质是使锚杆与锚固区域岩体相互作用，组成锚固体，进而形成统一承载结构；2）可以提高锚固的力学参数，其中包括锚固破坏前、后的力学参数，进而改善岩体力学性能； 3）巷道围岩存在着塑性区、破碎区和弹性区，被锚固后的岩体峰值强度和残余强度都可以得到强化； 4）可以改变围岩应力状态及增加围压，进而能提高围岩承载能力，同时能改善巷道支护状态；5）围岩锚固体的强度提高之后，能减少巷道周围的破碎区和塑性区的范围以及巷道表面位移，进而控制围岩塑性区和破碎区的发展，从而达到保持巷道围岩稳定的效果。4 深部软岩巷道围岩控制方法4.1 锚网支护作用机理 4.1.1 锚杆作用机理 锚杆作用机理比较复杂，一方面，锚杆与岩体两者的弹性模量之间的差异使锚杆体对其围岩产生反向的约束力，进而阻止围岩向巷道内部空间发生变形，另一方面，锚杆对围岩起锚固作用，使得围岩强度得以恢复提高，进而围岩的整体性得到加强，使得围岩的锚固体能具有较高承载能力。从而增强岩体抗变形的能力。锚杆的锚固作用的体现为径向与切力锚固力。径向锚固力使围岩分别从单向受力的状态转变为双向受力的状态、双向受力的状态转化为三向受力的状态，同时切向锚固力也可改善结构层面力学性质，从而使岩体的力学参数能得到不同程度的改善。因此兼有支护和加固两种作用。径向起支护作用，切向起加固作用。组合锚杆的支护加固作用一般体现在以下三个方面： 1）悬吊作用：悬吊作用就是指通过锚杆的作用将软弱岩层吊挂于上面坚固稳定的岩层上，或者是指用锚杆将因巷道开挖所引起的松动岩体连结在深部未松动的完整的岩体上，使松动岩体不致于冒落下来，具体如图 4-1 所示。 圆形断面巷道 层状岩体 图4-1 锚杆悬吊作用2）组合梁作用：组合梁的作用即是指在层状岩层的巷道顶板中，通过锚固力作用将层状岩体紧固，将锚杆锚固长度以内的数层薄层状岩体结合成组合梁，进而提高岩体整体的抗弯能力。顶板锚杆作用一方面体现在锚杆的锚固力可增加各岩层间的接触压力，避免各岩层之间出现离层现象，另一方面也可以阻止岩层之间的水平错动。在上覆岩层载荷的作用下，使得全部锚固层发生共同变形，从而提高了顶板岩层的整体抗弯能力。但组合梁作用的发挥好与坏有赖于围岩条件，在围岩状况较差的条件下，组合梁的作用也就消失了。如图 4-2 所示图4-2 组合梁作用3）加固拱作用：对于结构面发育的破裂围岩，将预应力锚杆沿拱形巷道周边按一定间距进行径向排列，将锚杆插到松动圈的围岩内部，将松动圈内部破裂的小块体结合成为新的大块体，进而提高岩体的残余强度。在预应力的作用下，每根锚杆周围所形成的锥形体的压缩区之间彼此重叠，于是在围岩的周边一定的厚度范围内形成了一个不仅仅能保持自身的稳定，还能阻止上部围岩的松动和变形的一种连续压缩带（即挤压加固拱），从而保持巷道稳定，具体如图 4-3 所示，显然，形成加固拱的前提是对锚杆施加预应力。图4-3 锚杆加固拱原理在实际的工程应用中，上述三种锚杆作用机理并非孤立存在的，而是相互补充、相互影响的综合作用，只不过是在不同的地质条件下哪一种支护能占主导的地位而已。 4.1.2 锚网作用机理 在软岩巷道的锚网支护中，金属网的作用是托住挤入巷道的岩体防止岩块发生冒落现象而导致的锚固层的失效，另外，金属网也可以有效地控制锚杆之间的非锚固岩体变形，将锚杆之间的非锚固岩体载荷传给锚杆。金属网能托住巷道周边围岩中已碎裂的岩体。由于碎石碎胀的作用与传递力媒介的作用，巷道深部围岩仍可以维持三向应力的状态，岩体的残余强度得到提高，这就是工程实践中常见的软岩锚网的支护巷道，虽然金属网的变形很大并且网内围岩已完全碎裂，巷道仍然能长时间的维持稳定的内在原因。同时又可将单个锚杆连接成一个整体锚杆群。金属网在锚网支护中的作用，除了通过钢筋承受围岩的压力，更重要的是通过钢筋来改善围岩受力状态，提高岩体的强度来承受围岩的压力来充分发挥岩体自承能力，巷道的围岩稳定性越差，网的作用越加重要。 4.2 锚索支护作用机理 预应力锚索支护实际上就是一种传递支护力到松动圈外深部稳定岩体中的支护方式。锚索除了具有锚杆的作用之外，还具有其无法比拟的诸多优点。锚索长度要根据实际的需要来确定，使其能够锚入坚固稳定的岩层中，从而进行深部锚固，这样能够传递比锚杆大几倍的拉应力，另外也能调动深部岩体支护作用，最大限度的防止围岩的松弛。除此之外，锚索也能够施加非常大的预应力，进而限制岩体的有害变形方面的发展，从而保持了岩体稳定。锚索一般是与锚网支护之间配合来使用的，形成锚网索的加固群，相邻锚杆与锚索作用力能相互重叠，更大限度的发挥围岩承载作用。用锚索对顶板进行加固，可以将上位顶板加固成一个具有很强承载能力的上位压力拱，其不仅能够保持自身的稳定性，还能对锚网层起到根基与补强作用，继而成为下位由常规的锚网支护所形成的平衡拱的赖以保持其稳定的基础，通过适当排距，锚索将使得沿巷道的走向外拱相互重叠，改善围岩的应力状态，缩小拉应力区，进而保持外拱范围内岩体的整体稳定性。尤其是对于那些跨中弯矩较大的大跨度巷道，通过增设锚索减小跨度，避免造成锚杆组合拱的剪切破坏，提高巷道围岩强度及保持巷道稳定性。 4.3 锚注支护作用机理 锚注支护就是一种利用特种中空锚杆来兼作注浆管，实现锚注一体化的巷道加固方式，是兼有锚杆支护和注浆加固支护共同优点的一种围岩的控制方法。 4.3.1 锚注作用机理 1）软岩巷道围岩进行注浆操作以后，可以改善围岩的赋存环境，充分利用浆液固结体的封闭围岩裂隙来隔绝水气进入其内部的岩体，进而防止了因围岩浸湿与风化作用而降低的围岩本身强度，同时抑制了围岩流变现象。 2）注浆锚杆注浆以后，充填与固结其因松动圈内岩体所破坏了的或着原有的结构面，以改善弱面力学性能（即提高岩体内聚力、内摩擦角的强度指标以及弹性模量），同时能提高围岩整体的抗变形刚度，从而提高整体的稳定性。根据前苏联与法国等国的有关资料的报道，注浆加固可以使砂岩的强度增加 50%70%，粉砂岩与泥质岩的强度增加3 倍，同时粘聚力增加40%70%，岩体的静弹模量也增加22%375%，而动弹模量增加4.5%175%。 3）另外，通过注浆也可以为锚杆支护提供可靠的着力基础，使锚杆与围岩形成一个整体，进而充分发挥锚杆的锚固作用。利用注浆锚杆的注浆和常规锚网支护相互结合，能够形成一个可靠的并有效的双层组合拱（即锚杆的压缩组合拱及浆液的扩散加固拱），进而提高支护系统整体性与承载能力。 4）由于围岩的变形破坏为持续发展的，当在破碎松散的岩体中注浆之后，可以使破碎的岩块重新胶成一个整体，形成一个承载结构。并参与围岩应力平衡过程和巷道围岩的稳定过程，充分发挥围岩的自稳能力，从而在高应力作用下能保持巷道的稳定；通过对围岩的注浆加固，使得围岩和支护体共同作用，从而减轻支护体所承受的载荷，改善支护体受力情况，大大缩小围岩的变形。相关实验结果表明，围岩的注浆加固可使巷道支护体的载荷降低2/34/5左右，而围岩与支护体一起变形时支护体支护体载荷则可降低 3/45/6 。 4.3.2 注浆加固作用 为了便于对加固作用进行详细的描述，岩体强度的曲线采用了直线形包络线，即： t = 式中：t抗剪强度(MPa); s正应力(MPa); 内聚力(MPa); 内摩擦角（）。 由上式可知岩体的强度是由和两个参数来确定的。巷道开挖以后，围岩应力的重新调整使得巷道周边围岩首先发生破裂，以致岩体的内聚力 和内摩擦角均减小，从而形成在一定范围内的围岩松动圈。实际上，注浆加固就要是提高其围岩松动圈内部的岩体破裂强度，即提高了内聚力与内摩擦角，使其莫尔圆远离其强度包络线，如图 4-4 所示，以此来增强围岩稳定性。图4-4 莫尔强度包络线岩体的 和的值的增加幅度的大小，与注浆材料的材料性能及工艺相关。一般情况下，注浆材料的本身固结强度相对较高且稳定性较好的，和的值提高幅度也比较大，反之亦然。注浆的工艺是否合理也会直接影响其 与值的提高幅度4.3.3 注浆围岩应力状态及承载性能 图 4-5 注浆固结区承载模型图 注浆加固的作用主要是通过固结松动圈来实现的，而松动圈又可视之为残余的强度区，因此可以从残余强度区的应力状态以及它的承载性能的角度来研究围岩松动圈的应力状态及其承载性能。圆形巷道注浆固结区的承载能力计算模型如图 4-5 所示。 残余强度区岩体强度方程可表示为：(其中残余强度 侧向应力系数 且残余强度区满足以下方程该区边界条件为：处 (普通支护) 处 (注浆加固) 式中：普通支护的支护阻力 注浆加固圈的抗力 注浆加固圈半径 进而可以推导出残余强度区的应力表达式为： 注浆加固：普通支护：巷道开挖之后围岩的切向应力升高，要保持巷道的受力平衡状态就必然要有下式成立。由此可见巷道围岩的切向应力具有承载力的特性，注浆加固后的残余强度区承载力可用下式来表示：普通支护承载能力用下式表示： 以上公式叙述了残余强度区的围岩承载性能，其取决于岩石力学特性、巷道的半径以及支护的阻力；而注浆加固后则是取决于岩石的力学特性与注浆加固圈的半径和加固圈抗力。其中圆形注浆加固圈的抗力可由下式表示： 其中注浆固结体的有效强度，K岩体的固结系数，高水速凝材料注浆时为 1.5 由上式可以得出结论：注浆加固后围岩承载能力得到显著加强。4.4 效果分析 4.4.1 支护效果分析根据以上分析，采取如下验证：巷道按照设计方案施工，延着己三胶带下的巷道布置3 个监测断面，病采用了数显收敛仪对巷道的两帮的收敛变形量及顶底顶的移近量进行了监测，结果如下图 4-41 所示。监测结果表明，在采用了三锚加强支护的方案后，底板和两帮的变形量均得到有效的控制，顶底板的最大移近量为115 mm，而两帮的最大收敛量为82 mm，且巷道的后期变形都比较小，巷道围岩处于较稳定状态，巷道整体变形率控制在了3.2%以内，这样就保证了设计断面的使用功能。以上足以表明三锚加强支护技术完全能够满足软岩巷道的围岩的控制要求。1 号测试断面 2 号测试断面3 号测试断面图 4-41 各测试断面巷道表面变形位移4.4.2 经济效益分析采用三锚加强支护（即三锚+半封闭U 型钢+反底拱）的工程造价为 12900元/m；，采用半封闭 U 型钢支护的工程造价为 6841元/m，采用半封闭 U 型钢支护的工程造价为 9420 元/m。表 4-42为两种不同支护方式的成本预算对比表4-42 不同支护方式的成本预算表预算内容支护方式项目单位三锚加强支护U型钢支护U型钢支护=初次支护+维护支护（3次）人工费元/m25001700+1300 3=5600材料费元/m45303637+1936 3=9445机械费元/m18901063+745 3=3298辅助费元/m39803020+2860 3=11600总造价元/m129009420+6841 3=29943根据已测出的己三胶带下山巷道 U 型钢的实际支护情况，己三胶带下的支护方式若采用半封闭 U 型钢的支护方式，则在该种支护服务年限内将进行不少于 3 次的维修。依据上表的预算，巷道在服务年限内的造价为：64813+9420=29943 元/m，而采用三锚加强支护方式的工程造价为 12900 元/m，因此就节省了29943-12900=17043 元/m。 所以在深部高地应力软岩巷道内应用三锚加强支护的支护方案不仅仅具有较好的技术效果，而且还具有明显的经济效益。即不但节约了支护成本，而且使采区下部的优质煤炭资源能得以顺利的开发，对缓和矿井的接替紧张的局面与可持续发展均具有重要的意义。5 结论通过上述理论及在工程实践中的应用，我们可以发现：（1）地应力的大小是决定深部软岩巷道围岩的变形量大小的最重要因素之一，随着开采深度的不断加大，围岩变形对