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专题三软煤巷锚杆支护技术及应用 含CAD图纸+文档 矿井 1.5 Mta 设计 专题 三软煤巷锚杆 支护 技术 应用 CAD 图纸 文档

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三软煤巷锚杆支护技术及应用1前言随着矿井开采规模的加强和开采向纵深方向发展，巷道围岩越来越多地呈现出软岩特性，软岩巷道的支护与维护问题更为突出。由于软岩概念、软岩工程设计理论多元化，研究手段简单，设计施工理论陈旧等一系列问题对软岩工程产生很大影响，因此软岩巷道支护技术仍是目前堕待解决的一个关键问题。近年来，随着煤巷锚杆支护技术日趋成熟，锚杆支护得到普遍推广应用，但是还不能很好解决大跨度、大断面、三软煤巷等困难巷道支护加固问题。能否解决好软岩巷道的支护问题，是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键。煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成部分。在我国煤矿煤系地层中，具有软岩的矿井分布十分广泛。软岩巷道具有围岩软，强度低，膨胀性，深度大，应力水平高，无可选择性，动荷载作用，时限性等特点。这些特点使得软岩巷道支护问题成为困扰中国煤矿生产建设的重大问题之一。我国从60年代开始投入大量人力财力对软岩问题进行科研攻关，到目前已经取得大量可喜成果。目前，对于软岩巷道支护问题依然存在着要么支护投入太高，要么支护达不到预期效果的问题，在软岩支护理论与设计方法上也不完善，因此，加强对软岩巷道锚固支护技术的研究有着重大实用价值。2国内外软岩巷道工程研究现状2.1软岩巷道工程支护理论的研究现状（1）国外研究现状早在19世纪，人们在解决地下巷道中的问题时就常常用试验方法来探讨，到20世纪初，人们开始用古典的材料力学和结构力学的理论来分析地下工程中的问题。以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典压力理论认为:作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量户，其不同之处在于对侧压系数认识不同。随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论有许多方面不符合实际，于是就有了以太沙基和普氏理论为代表的塌落拱理论。该理论认为塌落拱的高度与地下工程的跨度和围岩性质有关。太沙基认为塌落拱形状为矩形，而普氏认为抛物线形。塌落拱理论最大的贡献在于提出巷道围岩具有自承能力。从20世纪SO年代开始，人们又将弹塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中最著名的是芬纳和卡斯特纳公式。20世纪60年代，奥地利工程师总结前人的经验，提出了一种新的隧道施工方法，即新奥法。新奥法时目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支承隧道，使围岩成为支护结构的一部分而与支护体共同形成支承环。与此同时，日本山地宏和樱井春辅又提出了围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而允许应变则随支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在允许应变范围内。20世纪70年代，萨拉蒙等人又提出了能量支护理论。他们认为，支护与围岩的相互作用、共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因此，主张利用支护结构来使其自动调节围岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调节平衡作用。目前，随着计算机技术的发展，数值计算方法日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以此为理论基础的计算软件大量涌现，如ADINA, NOLM, FINAL, SAP, FLAC等程序为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工程中得到广泛应用。（2）国内研究现状 我国软岩巷道支护研究始于1958年，开始仅在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面取的些初步经验。到20世纪80年代以后，我国对软岩问题的理论研究进入一个新的阶段，并取得较大发展。到目前我国软岩工程支护主要有以下理论：岩性转化理论由我国著名岩土工程专家陈宗基院士在20世纪60年代从大量实践中总结出岩性转化理论。该理论认为:同样矿物成分、同样结构形态，在不同的工程环境工程条件下，会产生不同的应力应变，以形成不同的本构关系。轴变论理论和系统开挖理论由于学馥等人提出的轴变理论和系统开挖控制理论认为：巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍塌是改变巷道轴比，导致应力重新分布，高应力下降低应力上升，直至自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。联合支护理论冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上提出了联合支护技术，其观点认为：对于软岩巷道支护，不能一味强调支护刚度，要“先柔后刚、先抗后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术、锚喷网架支护技术、锚带网架、锚带喷架等联合支护技术。锚喷一弧板支护理论以郑雨天、孙钧和朱效嘉教授为代表的学者提出了锚喷一弧板支护理论，该理论认为：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板，坚决限制和顶住围岩向中空的位移。该理论是对联合支护理论的发展。围岩松动圈理论由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论，其主要观点为：凡是坚硬围岩裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。主次承载区支护理论由方祖烈教授提出的主次承载区理论认为：巷道开挖后，在围岩中形成拉压区域；围岩深部的压缩域，具有自撑能力，是维护巷道稳定的主承载区。张拉域形成与巷道周围，通过加固也有一定的承载能力，但与主承载区相比只能起到辅助作用，故称为次承载区。支护对象为张拉域，支护强度原则上要一次到位。应力控制理论此理论方法源于前苏联，也称为围岩弱化法、卸压法等。其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，以此来提高围岩稳定的一种方法。软岩工程力学支护理论该理论是运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论。2.2锚杆支护机理研究现状锚杆支护技术早在20世纪40年代美国、前苏联就己在井下巷道中使用。经过几十年的发展，美国、澳大利亚等国锚杆支护使用很普遍。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。在英国、德国、法国、俄罗斯锚杆支护都得到很快发展。我国在1956年开始使用锚杆支护，迄今为止，已有50年历史。锚杆支护机理研究随着锚杆支护实践在不断发展，国内外已经取得大量研究成果，其中传统的锚杆支护理论有悬吊理论、组合梁理论、拱形压缩带理论、最大水平应力理论。近年来，国内外有不少学者开始另辟研究新思路，进一步研究锚杆作用，使其更好地完善锚杆的支护效果。3三软煤层巷道特征及机理分析3.1三软煤层的概念 三软煤层是指煤层顶板软、底板软、煤质软。顶板软指直接顶的顶板岩层裂隙发育，破碎、抗压强度指数很低，属一类不稳定顶板，基本上是一旦暴露就很快冒落。底板软是指底板的抗压强度很低，容易扎底，又是遇水膨胀、变软。煤质软指煤体强度低，普氏系数f 1，节理发育，煤层不稳定、易破碎。3.2三软煤层的工程特性及力学属性由于三软煤层属于一种特殊的软岩，所以，它具有软岩所具有的力学属性，也具有一般软岩巷道的工程力学特性。3.2.1三软煤层工程力学特性软岩中泥质矿物成分、结构面和岩粒内聚力决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形。这种性质，称为可塑性。低强度软岩的可塑性是由软岩中的泥质成分的亲水性和岩粒内聚力不太强所引起的：节理化软岩是由所含的结构面扩展、扩容引起的；高应力软岩是由泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有：内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形；节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移；高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态；或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变化而降低。软岩的易扰动性指由于软岩软弱裂隙发育，吸水膨胀、内聚力弱等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。3.2.2三软煤层基本力学属性（1）软岩的临界载荷软岩的蠕变试验表明，当所施加的载荷小于某一载荷水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸不再变化；当施加的载荷大于某一载荷水平时，岩石出现明显的塑性变形加强现象，即产生不稳定变形，这一载荷，称为软岩的软化临界载荷，亦即能使岩石产生明显变形的最小载荷。岩石软化临界载荷是客观存在的。软化临界载荷是判定是否为软岩的准则，当岩石所受载荷水平低于软化临界载荷时，则该岩石属于硬岩范畴：而只有当载荷水平高于软化临界载荷时，该岩石表现出了软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。（2）软化临界深度与软化临界荷载相对应，岩石亦存在着一个软化临界深度。对给定矿区，软化临界深度也是一个客观量。当巷道埋深大于某一深度时，围岩出现大变形，大地压和难支护现象；当巷道埋深小于某一深度时，则围岩的大变形，大地压现象消失，巷道支护容易。这一深度就是软化临界深度。（3）软岩两个基本属性之间的关系软化临界荷载和软化临界深度可以相互推求，在无构造残余应力的地区，其关系为 （3-1） （3-2）（3-3） （3-4）式中：软化临界深度，m；软化临界荷载，MPa；残余构造应力，MPa；上覆岩层第i岩层体积质量，KN/m3；上覆岩层总厚度，m；上覆岩层第i层厚度，m；上覆岩层层数，m。3.3三软煤巷变形破坏力学机理分析3.3.1三软煤巷失稳力学机理一般地，我们认为软岩地下工程不产生围岩破坏或过大变形而妨碍地下工程生产使用和安全，地下工程即为稳定。软岩地下工程的稳定性主要视岩体的强度及变形特征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定，前者强于后者则稳定。 软岩地下工程失稳力学机理实质上是地层压力效应结果，当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态，则围岩就发生显著的变形、破裂、松碎、破坏等现象，表现出明显的地层压力效应。地层压力效应是指地下工程开挖后重新分布的二次应力与围岩的变形及强度特性互为作用而产生的一种力学现象。地层压力可分为松动压力、形变压力、膨胀压力等。软岩地下工程失稳主要是这三种压力对围岩本身的支护结构作用的结果，当地下工程支护不及时，变形压力和膨胀压力会使围岩破坏并转变为松动压力，引起围岩失稳。（1）松动压力松动压力是松动岩体直接作用在地下工程支护上的作用力，大多出现在地下工程的顶端及侧帮。其形成原因是地下工程开挖后，围岩应力重新分布，部分围岩或其结构面失去强度，成为脱离母岩的分离块体和松散体，在重力作用下，克服较小的阻力产生冒落和塌滑运动。这种压力具有断续性和突发性，很难预见什么时间有多大范围的分离块体会突然塌滑下来，形成这种压力的关键因素是地质和岩体的结构条件。在松散地层如断裂破碎带、挤压蚀变带易于产生此种压力。（2）形变压力主要指在二次应力作用下，围岩局部进入塑性变形，缓慢的塑性变形作用在支护结构上形成压力或者是有明显流变性能的围岩弹粘性或粘弹一塑性变形形成的支护压力，这种形式压力大多是由于重新分布压力足够大，使部分围岩进入塑性或进入流变变形阶段，当岩体强度较高时，无支护时塑性区逐渐扩大，达到一定范围便停止下来，并在弹性及塑性区边界形成一切向应力较高的持力环，在软岩地下工程中，由于岩体强度较小，当软岩塑性变形过大，使塑性区进入了破裂阶段，形成较大的松动压力，导致地下工程全面失稳破坏。当有支护时，支护刚度产生抗力，此抗力就是实际的形变压力，支护越早，支护上受到压力越大，围岩塑性变形越小;支护愈晚，支护上受到压力愈小，没有支护则不产生这种形式的压力。这种压力通常可用围岩及支护特性曲线表达它们之间的关系，如图3-1。通常，软岩变形的速率开始时较大，以后逐渐放缓，支护太早可能会形成过大的形变图3-1 围岩与支护共同作用特性3.3.2三软煤巷变形的影响因素软岩巷道的稳定依生产领域及使用要求的不同，可能有完全不同的概念。如永久性公路、铁路隧道、厂房等要求隧道围岩只允许产生微小的位移，否则就影响隧道的使用功能；而矿山等临时性巷道则只需满足运行期间的安全即可。一般来讲可将软岩巷道的稳定定义为：不产生围岩破坏或过大变形而妨碍巷道生产使用和安全，巷道即为稳定。三软煤巷的稳定性主要视岩体的强度及变形特征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定，前者强于后者则稳定，否则，围岩失稳。一般情况下，三软煤巷的稳定受地质及地质结构、地应力、岩体力学性质、工程因素、地下水及时间条件等的约束。（1）岩性研究地下工程时，首先应知道围岩类型及岩性分布状况。岩性的认识可定性的判断将面临的什么类型的岩石力学问题。岩性的种类认识可知岩石的力学性质和各向异性程度，甚至可判断出会产生一些与自然特征相关的不稳定因素。如强度较高硬岩（新鲜火成岩、厚层沉积岩等），一般变形较小，地层压力较小；而强度较低软岩（薄层沉积岩和部分变质岩），其变形量较大，地层压力较小；灰岩或盐岩可能有岩溶或地下水突涌问题。（2）岩体结构及裂隙分布在地质构造运动中形成的结构面，一般情况下，其强度远低与母岩。岩体的强度往往受结构面强度控制。裂隙的分布不同，也对围岩的稳定造成不同的影响，当节理倾角大于300，走向与巷道轴线交角小于400时，危险性较大，而当节理走向与巷道轴线大角度相交，则危险性较小。岩体在节理裂隙切割下，形成的不稳定结构块体是地下工程松动地压的主要来源。（3）特殊地质条件当巷道穿过断层破碎带、强风化带、岩溶地区时，巷道稳定难以维护。在这种地质条件下，往往地下水活动强烈，有强烈的地压现象，围岩属松软破碎的散体结构。一般来讲，强烈挤压的断层破碎带，紧密褶皱带和较宽的张性断裂带以及几条断层交会的地带，是工程的不良地质地段。（4）地应力软岩巷道的失稳是巷道开挖工作引起的应力重分布超过围岩强度或造成围岩过分变形而造成。而应力重分布是否会达到危险的程度就看初始应力场方向、量值和性质而定了。所以地应力是控制地下洞室稳定基本因素之一。地应力主要有自重应力和构造运动产生的或残留的应力两种。其对巷道的稳定主要看最大主应力与最小主应力差值；主应力大小、方向；各主应力构成特征如何以及主应力与工程相对方位、与岩层主要节理组的夹角而定。在软岩中围岩应力重分布后会产生较大的塑性区及松动区，引起围岩随时间而增长的大变形，挤压破坏。在洞顶表现为塌落，在侧帮产生挤压和溃曲性破坏，在底板产生底鼓等。（5）岩体力学性质影响工程岩体的稳定性主要视岩体的强度及变形特性与开挖后重新分布的围岩二次应力互相作用的结果如何而定。前者强于后者则稳定，后者强于前者则失稳。软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等都对围岩的稳定有重要影响。层状软岩的各向异性使围岩的变形失稳及失稳形态有很强烈的非对称性，软岩的扩容性和塑性明显时会使洞周形成松散破碎区或挤压变形区，软岩的膨胀性会产生挤坏支护或形成严重的底鼓，有明显时间效应的粘土质软岩则产生粘弹一塑性或粘塑性的变形压力。（6）工程因素影响工程因素指巷道的方位、断面尺寸、形状、开挖方法、支护形式等的影响。巷道的方位对围岩稳定影响主要表现为：当巷道的纵轴线接近正交最大主应力方向时，洞顶受到垂直压力较大，对围岩稳定是不利的；当巷道的纵轴线平行或小角度相交主应力方向则较为有利。而对大的断层或软弱地层则正好相反，巷道纵轴线与之正交较为有利。巷道跨度对围岩稳定影响：主要是其尺寸效应问题，也就是洞室临空面尺寸与结构体尺寸的相对关系B/b（B为临空面尺寸，b为结构体尺寸），跨度B越大，其切割的围岩结构面越多，形成的不稳定块体越多，围岩易失稳。巷道断面形状对其围岩稳定影响：比如矩形洞易在夹角处形成应力集中，而圆形洞则不会。巷道断面为矩形洞或椭圆形时，则还有一个长短轴应该尽量适应初应力场二个主应力值的比例关系问题。巷道开挖方法的影响：如巷道采用全断面开挖，每循环施工时间较长，围岩在支护前变形能释放较完全，巷道围岩变形较大，对于软岩大断面巷道，若采用全断面开挖，往往来不及支护，巷道即发生塌方事故，故一般情况下大断面软岩巷道开挖采用分部开挖。在软岩巷道内采用机械开挖对围岩的扰动比采用爆破方法要小，围岩的稳定性相对就好些。软岩巷道的掘进速度的影响：在巷道掘进过程中，围岩的变形自掌子面前方1.5-2倍洞径处即已开始，当采用快速掘进时，循环时间较短，往往在巷道开挖后，立即进行临时支护结构施工，这样软岩巷道围岩时间效应影响较小，在软岩巷道变形的初始阶段就提供支护力，防止了围岩形成较大的塑性区和松动区，减缓围岩松弛恶化程度，增强了围岩的自稳能力。若巷道掘进速度较慢时，围岩时间效应明显，围岩变形充分，变形的塑性体在无支护作用下，进入破裂阶段，形成松动体，对支护结构形成较大的支护压力。尤其在具有蠕变性质的软岩巷道掘进时，其掘进速度的快慢，往往直接影响围岩的稳定，掘进速度太慢，掌子面前方的岩体在掘进前即进入了松弛破坏阶段，围岩甚至随挖随塌，给支护工作带来了施工难度。支护形式的影响：一般情况下，巷道采用新奥法进行及时锚喷支护要比滞后很久的永久性衬砌支护对围岩的稳定更有利。在软岩巷道中，因在支护前，围岩己发生了变形，刚性支护往往比柔性支护更为有利，而在硬岩巷道支护中则尽量采用柔性支护。（7）地下水因素地下水对软岩巷道稳定影响分为四个方面:一是对于透水围岩来讲，洞室开挖形成的新自由面使地下水有了排泄通道，在洞周产生了渗压梯度，在围岩内产生了指向洞内的推动力。二是由于静水压力作用，饱和水部分岩体中有效压应力减小，其应力状态趋于恶化，其抗剪强度减小。三是围岩内的水降低了裂隙面摩擦系数和粘聚力。四是地下水溶解、搬运矿物颗粒或同矿物成分发生化学作用，使围岩强度进一步恶化。（8）时间因素软岩巷道围岩失稳和破坏现象往往经过一段时间后开始显现，这主要因为：岩体的流变性质：所谓流变性质指围岩变形在应力不变情况下不断增长（蠕变）或在变形约束情况下，应力随时间降低（松弛），以及围岩强度随时间降低的性质。时间的增长加剧了围岩的弱化过程，使围岩变形增加、塑性或松动区扩大。综上所述，影响软岩巷道稳定的因素很多，但其中最主要的是前三种因素。地质及岩体力学性质总括来说是整体强度问题。地应力通过围岩应力重新分布，可作为破坏力因素。如果破坏力强于整体强度，围岩失稳；反之，则围岩稳定。对于软岩巷道，其他各种因素在特定条件下可由次要因素转化为主要因素，如我国隧道施工或使用的多年经验说明，隧道塌方事故多发生在雨季地下水突涌时，此时地下水的因素成为影响隧道稳定的主要因素。4三软煤巷锚杆支护理论及对策按现有锚杆支护理论，锚杆支护作用主要有悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论等。4.1三软传统锚杆支护理论（1）悬吊理论悬吊理论认为，锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。这种支护理论应用比较广泛，但存在以下明显缺陷：锚杆受力只有当松散岩层或不稳定岩块完全与稳定岩层脱离的情况下等于破碎岩层的重量，而这种条件在巷道中并不多见。没有考虑锚杆安设后对破碎岩层变形和离层的控制作用。特别是当水平应力比较大时，顶板离层很大。为了减小破碎岩层的离层，保持顶板的稳定性，锚杆工作阻力必须增大。当锚杆穿过破碎岩层时，锚杆提供的径向和切向约束会不同程度的提高破碎岩层的整体强度，使其具有一定的承载能力，从而减小锚杆受力。 总之，悬吊理论在分析过程中不考虑围岩的自承能力，而是将锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距.悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。（2）组合梁理论组合梁理论认为，如果顶板岩层中存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，防止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板的锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁），如图4-1。组合梁理论充分考虑了锚杆对离层及滑动的约束作用，原理上对锚杆作用分析的比较全面，但它存在以下缺陷：组合梁有效厚度很难确定。它涉及到影响锚杆支护的众多因素，目前还没有办法可比较可靠的估计有效组合的厚度。没有考虑水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆荷载的作用。在水平应力较大的巷道中，水平应力是顶板破坏失稳的主要原因。图4-1 多层组合梁的应力状况（3）组合拱（压缩拱）理论组合拱理论认为，在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，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，各个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，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度的到提高，支撑能力也相应加大，如图4-2。组合拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到广泛应用。但也同样存在一些缺陷：加固拱厚度涉及的影响因素多，很难准确估计；加固拱厚度远小于巷道跨度时，加固拱是否发生破坏不仅与其强度有关，更主要取决于加固拱的稳定性，在该理论中没有考虑。图4-2 锚杆的组合拱作用4.2锚杆（索）加固围岩塑性稳定理论按现有锚杆支护理论及围岩变形、破坏的特点，根据石嘴山二矿的实际情况，我们提出了锚杆（索）加固围岩塑性稳定理论。其要点为：巷道围岩变形和破坏的规律在不同阶段具有明显差别，因此，锚杆支护的作用在巷道不同受力阶段有其特点。锚杆的早期作用主要是阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩塑性区扩大和离层，减小岩层压曲和弯曲失稳的可能性。锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好。随着时间的推移和受到采动影响，巷道围岩的破坏范围会逐渐扩大。当锚杆能伸入稳定岩层中时，其作用主要表现为，将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落。同时，锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层塑性、离层、滑动，从而提高其承载能力。锚杆不能伸入稳定岩层时，其作用主要是在破坏区内形成次生承载层，如图4-3，它可以阻止上部破坏岩层的进一步塑性和离层。同时使围岩深部的应力分布趋于均匀和内移。次生承载层厚度的影响因素很多，而且是不断变化的。当其远小于巷道尺寸时，必须考虑压曲失稳和弯曲失稳。钢带和钢筋托梁的早期作用主要是防止锚杆间的破碎岩块掉落。随着锚固区岩层扩容、离层的增大，钢带和钢筋托梁受力逐渐增加，对锚杆间的围岩施以径向约束，阻止其产生进一步的扩容和离层，从而增加次生承载层的厚度和承载能力。当次生承载层发生压曲和弯曲失稳后，钢带和倾斜锚杆形成组合支护系统，阻止破坏岩层垮落和发生较大的转动。煤巷两帮的变形破坏特征主要是塑性、松动和挤出。由于煤层强度较低，且受到采动影响，所以煤巷两帮支护显得尤为重要。打锚杆后，对煤帮的两种变形均有控制作用，加钢筋托梁后效果会更好。锚索作为加强支护方式，由于锚固深度大，可将下部不稳定岩层锚固在上部稳定岩层中，同时，可施加预应力，主动支护围岩，能够充分调动巷道深部围岩的强度。图4-3 巷道围岩承载结构4.3三软煤巷锚杆支护机理分析（1）三软煤巷顶板锚杆作用机理锚杆的早期作用此时锚杆的作用主要是控制顶板下部岩层的滑动、离层、失稳。锚杆安装越及时，预紧力越大，则效果越好。以图4-4中的hi岩层为例进行分析。图4-4 顶板打锚杆后的受力状况打锚杆后，沿h1和h2层间增加的抗剪力为： （4-1）其中：锚杆预紧力，kN；锚杆抗剪强度，MPa； 锚杆直径，m； 每排锚杆数； 锚杆排距，m； 岩层间的摩擦系数； hi岩层宽度，m。可见，锚杆预紧力越大，锚杆越粗，提供的抗剪力越大，h1和h2越不容易发生错动。即使岩层之间的粘结力丧失，在水平应力作用下发生压曲，压曲临界载荷也会得到明显提高。因为锚杆明显减小了岩层压曲的跨度和约束条件。计算表明，预应力锚杆可使岩层压曲临界载荷提高到原来的4（n-1）2多倍，显著减小了岩层失稳的可能性。相反，如果锚杆没有预紧力，则只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，显然不能控制在这以前顶板岩层的离层和失稳。预应力太小也不能起到良好效果。如果锚杆安装不及时，较大范围内的岩层己产生滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再打锚杆，不会取得良好的锚固效果。锚杆的中期作用掘进影响稳定后至受到采动影响前，我们称之为中期阶段。此阶段主要是由于岩石的流变效应，致使随着时间推移，岩层强度不断降低，顶板下沉及锚杆受力逐渐加大，最后形成一定范围的破坏区。当巷道有煤柱时，残余支承压力也影响巷道围岩变形和破坏。A.锚杆伸入稳定岩层的情况当锚杆能深入到上部稳定岩层时，会出现如图4-3所示的情况。此时锚杆的作用主要表现为：a.将破坏区内的岩层与稳定岩层相连，阻止破坏岩层垮落；b.锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层扩容、离层及滑动，提高岩层的水平承载能力，使稳定岩层内的应力分布均匀。锚杆工作阻力越大，效果越明显。有无锚杆约束时岩石应力应变曲线，如图4-6。可知锚杆能显著增加岩石屈服后的强度，使岩石的破坏变得比较平缓。B.锚杆不能伸入稳定层的情况在这种条件下，如图4-5，巷道顶板的稳定层远离周边。锚杆的作用主要为： 图4-5 顶板锚杆支护状况图4-6 锚固体岩层应力应变关系a.阻止锚固区域内的岩层扩容、离层及滑动，从而提高岩层的水平承载能力，在破坏范围内形成次生承载层，它可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层；b.次生承载层形成后，会使上部岩层内的应力分布趋于均匀和下移，利于巷道的稳定。锚杆的后期作用当巷道支护时间很长或受到回采影响，巷道围岩破坏区会进一步扩大，围岩变形急剧增加，锚杆受力增大。A.对于如图4-3所示的支护状况，有可能出现三种情况：其一是锚固端仍处于稳定的岩层中，只是由于破坏区内的岩层进一步扩容、离层而引起锚杆受力增加，顶板下沉增大。但只要保证锚杆不被拉断，巷道仍能保持稳定。其二是稳定岩层上移，锚杆完全处于破坏岩层内。此时，锚杆的作用发生了较大变化，须采用锚杆不能伸入稳定岩层的情况分析。只要锚杆参数选择比较合理，顶板仍能保持稳定。其三是情况二的继续发展。当锚杆参数不合理或次生承载层所受载荷很大时，承载层内仍会出现较大的扩容、离层，承载能力下降，厚度减小。当次生承载层厚度减小到一定程度时，必须考虑压曲稳定性问题。当次生承载层压屈失稳后会出现如图4-7所示的情况。只要满足下式(4-2)，巷道顶板仍能保持稳定。（4-2）其中：为锚固体的转动角，； 为倾斜锚杆孔口至帮的距离，m； 为锚固体所受水平力，kN/m；为巷道宽度，m；倾斜锚杆与垂线的夹角，； 锚杆有效长度，m； 倾斜锚杆锚固力，kN/m；岩石重力，kN/m3； 巷道顶板破坏高度， m。从上式(4-2)可以看出，两角倾斜的锚杆的作用是明显的，它不仅可以阻止破坏岩层滑落，同时有一定的控制转动的作用。但是，当较大时，要求的将很大，上式不满足，因此，锚杆群支护在图4-7的状态下很容易失稳、垮落，而且倾斜锚杆端部的岩层因受力过大也会发生破坏。B.对于如图4-5的支护状况，可能出现两种情况，其一是次生承载层虽然发生了进一步的扩容及离层，但仍具有较大的承载能力，巷道顶板仍能保持稳定。其二是次生承载层的承载能力下降过大，造成失稳、垮落。（2）三软煤巷顶板钢带或托梁作用机理钢带和钢筋托梁的早期作用由于钢带和钢筋托梁没有施加预紧力，所以当钢带和钢筋托梁刚刚安装以后，其受力很小。只有当顶板产生一定变形之后，钢带和钢筋托梁承受的拉力才逐渐增大。可见，钢带和钢筋托梁的早期作用主要表现在防止顶板破碎的小岩块掉落，与网的作用相差无几。钢带和钢筋托梁的中期作用钢带的中期作用主要表现在以下几方面：A.阻止锚杆间的危岩垮落；B.对锚杆间的破碎岩层施以径向约束，阻止其产生较大的扩容和离层，提高岩层的承载能力，从而增加次生承载层厚度和承载能力，有利于巷道顶板围岩的稳定；C.使锚杆受力趋于均匀，有利于发挥锚杆支护的整体作用。钢带和钢筋托梁的后期作用巷道围岩变形增加后，锚杆间围岩扩容和离层逐渐增大;钢带和钢筋托梁受力增加。对于锚杆锚固端仍处于稳定岩层的情况，只要钢带承受的拉力小于其破断载荷，顶板仍能保持稳定，下沉得到有效的控制。对于锚杆全部处于破坏岩层范围内的情况，可能出现两种状态。其一是次生承载层虽然产生较大的扩容和离层，但仍有足够的承载能力，保持顶板稳定，不至于失稳垮落。其二是次生承载层承载能力丧失过大，出现失稳现象。如果仅采用锚杆群支护，则有可能顶板垮落。加钢带后，不仅增大了次生承载层的厚度，显著增加了其承载能力及压曲失稳临界载荷，而且，即使在压曲失稳后，次生承载层的受力状态也得到明显改善，如图4-7。只要满足下列两个条件，顶板就能保持稳定。图4-7 锚杆支护顶板断裂后的受力状态（3）三软煤巷煤帮锚杆作用机理巷道侧帮变形与破坏规律很多方面同顶板类似。但是，对于煤巷，由于煤帮的强度一般比顶板强度小，而且顶板与煤层层面的强度更小，因此与岩石巷道相比，煤巷变形和破坏有其特点。帮锚杆的早期作用巷道开掘初期，煤帮变形和破坏范围都较小。锚杆的作用在于控制浅部煤层的扩容和松动。显然，同顶板锚杆一样，帮锚杆安装越及时，预紧力越大，效果越好。帮锚杆的中期作用在这个阶段，由于煤层的流变效应，导致破坏范围逐渐扩大。如果不采取支护，煤层导致片帮，巷道跨度增大。采用锚杆支护后会出现两种情况：A. 锚杆伸入稳定煤层在这种状态下，帮锚杆的作用主要表现为：a.将破坏煤层与稳定煤层相连，阻止破坏煤层向巷道内移动；b.锚杆给破坏区煤层提供径向和切向约束，从而减小煤层扩容、松动和滑移，增大其承载能力；c.破坏区内煤层的切向承载能力增大后，会增加岩层与煤层交界面的摩擦力，有利于阻止煤帮的整体移动。B. 锚杆处于破坏煤层在这种状态下，锚杆主要起以下作用：a.在破坏煤层内形成次生承载层，它具有较大的垂直承载能力，并能阻止内部煤层的进一步扩容、松动；b.次生承载层形成后，会使煤层深部应力分布趋于均匀，有利于煤帮稳定；c.次生承载层的垂直承载能力大，从而作用在其上的垂直应力大，增大了岩层与煤层交界面上的摩擦力，有利于减小锚固区域内煤层的整体移动。帮锚杆的后期作用巷道支护时间加长或受到采动影响后，煤帮破坏范围及移动量都会明显增加。有可能出现三种情况：A.锚杆锚固端仍处在稳定煤层内，只是锚杆受力增大。若锚杆参数设计合理，能够保证煤帮的稳定性。B.锚杆己全部处于破坏煤层中，若次生承载层具有较大的承载能力，仍可保持煤帮的稳定性，阻止煤帮整体移动。C.若次生承载层承载能力丧失过大，则煤帮将失稳、片落，向巷道内移动。（4）三软煤巷顶板支护与两帮支护作用关系以上分别分析了顶板及两帮锚杆的受力特征。在实际巷道中，两者是相互影响，共同作为一个支护系统维护巷道。保持煤帮的稳定性，给顶板支护系统提供了强有力的支点，不会出现煤层片帮而引起巷道跨度增大，导致顶板下沉剧烈、失稳、垮落等现象。同样，顶板保持稳定、完整也有利于煤帮的稳定性和减小变形，两者是相辅相成的，任何一个环节出现问题，都会影响巷道围岩的整体稳定性。在回采巷道中，由于煤层相对较软，是易破坏的部位。因此，回采巷道两帮的支护显得尤为重要。（5）三软煤巷锚索作用机理与锚杆相比，锚索具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大的预紧力等诸多优点，是困难巷道工程支护加固不可缺少的重要手段。锚索有不同形式，如端锚预应力锚索，全长锚固预应力锚索，以及全长锚固非预应力锚索等。不同形式的锚索其支护加固机理也有所不同。端锚预应力锚索一般认为这种锚索主要起悬吊作用。锚索把下部不稳定岩层悬吊于上部稳定的岩层。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤紧和压密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。全长锚固预应力锚索这种锚索不仅具有端部锚固预应力锚索的各种作用，而且由于锚索沿全长锚固，具有类似全长锚固锚杆的作用。索体和锚固剂共同作用，提高岩体的整体强度和刚度。全长锚固非预应力锚索与全长锚固预应力锚索相比，这种锚索的最大特点是没有预紧力，因而承载速度慢，支护加固不及时，只有围岩发生一定变形后锚索才承受较大的载荷。一般来讲，锚索支护设计主要是对关键部位进行加强支护。当锚杆支护形成承载层，充分发挥了围岩的自承作用时，锚索支护可以不用；反之，应该通过锚索加强支护，主要通过锚索的悬吊作用来承载，使支护达到稳定。4.4三软煤巷锚杆支护设计方法目前的巷道锚杆支护设计方法基本上可归纳为四大类：第一类是工程类比法，它是建立在一定量工程实际经验的基础上包含简单的经验公式进行设计；第二类是理论计算法，它是建立在材料力学、结构力学、弹塑性理论和岩石力学的基础上运用理论化方法进行设计；第三类是考虑煤岩介质的复杂性和材料的各向异性特点，以计算机数值模拟为基础的设计方法；第四类是利用工程监测进行信息化设计方法。工程类比法简单、易用，在我国巷道锚杆支护设计中应用非常广泛，但科学依据不足。理论计算的方法很多，主要有悬吊理论法、组合梁理论法、组合拱理论法等。由于各种理论计算方法所依据的理论基础不同，加以计算中的一些参数难于确定，因此计算结果存在局限性，在某些条件下能够应用，在某些条件下则难以应用。实测法比较实用，具有可靠性和合理性，但实测费用高。中国煤炭系统的许多专家、学者、工程技术人员在巷道锚杆支护研究、设计与施工中做了大量工作，积累了丰富的经验，提出了极限平衡区理论锚杆支护设计方法、预应力锚杆（索）支护设计方法、围岩松动圈设计方法、软岩巷道非线性力学设计方法等，并在现场进行了成功的应用。常见的支护设计方法有煤巷支护设计工程类比法、煤巷锚杆支护理论设计方法、煤巷支护围岩松动圈设计方法、煤巷支护围岩大变形设计方法。5工程应用石嘴山二矿三煤层属三软煤层，该煤层采用传统支护方式都未能成功，由于其软弱、破碎，支护困难，几十年来一直未能得到解决，严重影响到该矿的生产效益。2336工作面回顺巷道属三软煤层巷道，巷道埋深约450m，巷道长度1730m。巷道顶板、两帮煤层松软，支护难度较大。回顺断面形式为直墙圆拱形，墙高1.3m，拱高1.5m，宽3m，沿底掘进49。由2336回顺埋深为450m左右可推知，该巷道开挖部位所受的垂直自重应力约为10.6Mpa。根据现场工程地质调查及理论分析，本区水平应力不大，且未进行地应力测试工作，因此主要考虑自重应力的影响。同时，该煤层巷道含泥质成分很少，节理发育很好，岩体强度较低，松散，破碎。该区煤层巷道沿底掘进极易塌方、冒顶，支护掘进十分困难。综合分析，可以确定该工程岩体为极软岩。通过现场工程地质调查研究和室内物理力学试验研究并根据软岩力学理论分析确定，2336回风顺槽巷道围岩复合型软岩的变形力学机制应属于具有微裂隙膨胀、重力和工程偏应力扩容变形和层理倾向型的复合型变形机制。其软岩巷道支护对策为：锚网索隅合支护。根据理论计算的结果，对回顺无支护和锚杆支护开挖两种情况分别进行模拟分析，其中对五种支护方案分别进行数值模拟分析。根据模拟计算结果，对巷道锚杆支护参数进行了选取。方案一：顶部3根锚杆，锚杆直径18毫米，长度2.2米；方案二：顶部5根锚杆，锚杆直径18毫米，长度2.2米；方案三：顶部7根锚杆，锚杆直径18毫米，长度2.0米；方案四：顶部5根锚杆，锚杆直径18毫米，长度2.0米；方案五：顶部5根锚杆，锚杆直径20毫米，长度2.2米。回顺不同支护方案下顶板下沉量结果比较：方案一、方案二、方案三、方案四、方案五、模拟的顶板下沉位移依次分别为164mm，112mm，90mm，162mm，197mm。根据结果的比较，选择方案二的组合是合理的，所以，该三软煤巷支护方案设计为：（1）初次支护参数根据理论计算及数值模拟分析，确定2336回风顺槽初次支护参数如下：巷道断面形式为直墙圆拱形，墙高1.3m，拱高1.5m，宽3m.支护方式：锚杆+金属网+钢筋梯梁顶锚杆为18mm螺纹钢筋，长度2.2m；帮锚杆为16圆钢，长度1.8m；间距为650mm，排距为800mm 。使用K2350型树脂锚固剂，长度600mm，每根锚杆1节药卷。锚杆托盘为金属托盘，尺寸为： 120mmx 120mmx 15mm。采用铁丝网，由10号铁丝加工成菱形网，网孔尺寸为50mmx50mm，金属网规格为：长x宽=