大屯礦區(qū)深部工程錨網(wǎng)索支護(hù)理論與實(shí)踐馬小鈞1 何滿潮21.大屯煤電（集團(tuán)）公司生產(chǎn)技術(shù)部，江蘇 沛縣 221611 2. 中國礦業(yè)大學(xué)，北京 100083摘 要：文章從區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場入手，分析了大屯礦區(qū)的地應(yīng)力特點(diǎn)，通過引入三維RQD指標(biāo)測定、巖石水解弱化分析來綜合評(píng)價(jià)巖體整體裂隙的發(fā)育狀況、強(qiáng)度指標(biāo)。在深部圍巖受力特點(diǎn)分析和數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，解釋了錨網(wǎng)錨索支護(hù)圍巖頂部集中應(yīng)力區(qū)向幫部低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，并由此提出了錨網(wǎng)錨索耦合設(shè)計(jì)的理念。關(guān)鍵詞：深部工程 三維RQD 錨網(wǎng)錨索 耦合支護(hù)1 引 言大屯礦區(qū)地處江蘇省北部蘇魯交界，是我國華東地區(qū)主要產(chǎn)煤和能源供應(yīng)基地。大屯煤電（集團(tuán)）公司現(xiàn)有4對(duì)生產(chǎn)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬t，2005年核定生產(chǎn)能力770 萬t，2005年實(shí)際生產(chǎn)原煤740萬t，綜合進(jìn)尺完成712.5萬m。近年來，隨著礦井開拓水平的逐步延伸，大屯礦區(qū)除龍東礦之外，姚橋礦、孔莊礦以及徐莊礦均已陸續(xù)進(jìn)入深部開拓準(zhǔn)備階段?？浊f礦進(jìn)行-785m水平開拓準(zhǔn)備，徐莊礦-750m水平開拓大巷已經(jīng)到位，姚橋礦進(jìn)行-850m水平的延伸工程。隨著礦井開采深度的加大，傳統(tǒng)工藝施工的巷道返修率增加，許多深部工程礦壓問題，尤其是高地應(yīng)力造成的巷道失穩(wěn)破壞，沖擊地壓等問題開始出現(xiàn)。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 深部全煤巷道維護(hù)困難。全煤巷道頂板為松軟易碎的頂煤，由于錨桿支護(hù)系統(tǒng)作用機(jī)理與穩(wěn)定巖石頂板條件下的支護(hù)系統(tǒng)迥然不同，在較為復(fù)雜條件下如采動(dòng)影響強(qiáng)烈和構(gòu)造應(yīng)力顯著時(shí)，導(dǎo)致錨桿支護(hù)巷道設(shè)計(jì)不合理性增加，失效現(xiàn)象增多，局部巷道不得不改為錨網(wǎng)與架棚聯(lián)合支護(hù)。而且，巷道在回采服務(wù)期內(nèi)進(jìn)行改棚、臥底以及開幫等大范圍維修的力度較大，嚴(yán)重影響了放頂煤工作面的正常推進(jìn)。如姚橋礦7001工作面和孔莊礦7431工作面在回采期間，沿空側(cè)巷道均出現(xiàn)了嚴(yán)重的巷道底臌、大變形，工作面推進(jìn)困難。在開采深度大、圍巖軟弱，加上受上覆工作面開采擾動(dòng)的影響時(shí)，深部巖石大巷從開掘之初，底臌、兩幫移近、肩窩變形破壞較為嚴(yán)重，返修率增高。 深部大斷面硐室群、交岔點(diǎn)等工程的支護(hù)難度進(jìn)一步增大。姚橋礦和孔莊礦均已發(fā)生過沖擊礦壓。面對(duì)深部工程支護(hù)中存在的問題，我們與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）合作，對(duì)不同類型的巷道建立支護(hù)試驗(yàn)示范工程，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究、總結(jié)、推廣和應(yīng)用。通過近兩年的工作，在煤巷、巖巷以及大斷面交岔點(diǎn)的錨桿支護(hù)技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)方面開展了卓有成效的工作，有了突破性的進(jìn)展，取得了復(fù)雜地質(zhì)條件煤巷、巖巷以及大斷面交岔點(diǎn)等錨桿支護(hù)技術(shù)10多項(xiàng)創(chuàng)新成果，對(duì)深部巷道支護(hù)的規(guī)律性有了初步的認(rèn)識(shí)。2 深部開采的地質(zhì)特征分析2.1 區(qū)域構(gòu)造大屯礦區(qū)位于秦嶺構(gòu)造帶東延部分的北支，新華夏系第二隆起帶的西側(cè)，第二沉降帶的東側(cè)，東鄰郯廬大斷裂，受東西向構(gòu)造和新華夏兩種構(gòu)造的作用，處于兩個(gè)構(gòu)造體系的復(fù)合部位，為地應(yīng)力較為活躍的區(qū)域之一。大屯礦區(qū)主體位于豐沛復(fù)向斜內(nèi)，由于受新華夏系強(qiáng)烈改造的影響，區(qū)域地殼經(jīng)過多次反復(fù)運(yùn)動(dòng)，使各種構(gòu)造行跡互相遷就，時(shí)而北東東向，時(shí)而東西向，時(shí)而北西向，形成了東西向成帶，近南北向切割的菱形斷塊式煤田，大屯礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造體系見圖1。礦區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜。據(jù)初步測算，所在的幾個(gè)生產(chǎn)礦井中，落差大于20m的斷層密度達(dá)到1條/km2以上，小型斷層密度更大，達(dá)到23條/ km2，中、小斷層互相交叉切割，給采掘生產(chǎn)帶來很大的難度。圖1 大屯礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造體系圖2.2 地層巖性大屯礦區(qū)煤系地層為石炭二疊系，主采7、8煤層，屬華北近海性煤系地層，為海陸交互相沉積。全區(qū)呈N4570E走向，傾向北西的單斜構(gòu)造，煤巖層傾角1027。典型煤系地層可以劃分為泥巖組、砂巖組、煤體組和灰?guī)r組。各巖組的主要力學(xué)參數(shù)見表1。表1 大屯礦區(qū)主要巖組力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目單軸壓縮試驗(yàn)飽水單軸壓縮試驗(yàn)劈裂拉伸試驗(yàn)直剪試驗(yàn)試驗(yàn)指標(biāo)單軸抗壓強(qiáng)度 sc (MPa)彈性模量E (GPa)泊松比m飽水巖石單軸抗壓強(qiáng)度 scw (MPa)軟化系數(shù)劈裂拉伸強(qiáng)度st (MPa)飽水劈裂拉伸強(qiáng)度stw (MPa)軟化系數(shù)內(nèi)聚力C(Mpa)內(nèi)摩擦角（）細(xì)紗巖69.2527.890.14367.190.97011.8710.460.88123.8633.70泥巖51.4730.590.16736.270.7057.906.420.81322.8035.33砂質(zhì)泥巖89.8229.830.22469.510.7749.851.690.17224.3737.377煤26.154.5090.35818.060.6910.8980.2110.2355.41840.07海相泥巖43.2715.010.21211.480.2652.7260.1130.04212.6030.03表2 大屯礦區(qū)深部典型巖體三維RQD指標(biāo)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)巖石質(zhì)量統(tǒng)計(jì)泥巖組煤體組砂巖組灰?guī)r組3DRQD值X向16949897.9Y向38.51009395Z向50.2557.786100量測地點(diǎn)埋深810m830m880m817m在深部開采的巖性評(píng)估過程中，由于在試驗(yàn)室測定的參數(shù)主要代表單個(gè)巖石試件，并非反映巖體具有多裂隙、非均質(zhì)和各向異性的特點(diǎn)。這里引入三維RQD指標(biāo)，通過在現(xiàn)場測定巖體不同方向的RQD指標(biāo)，來評(píng)價(jià)巖體整體裂隙的發(fā)育狀況?，F(xiàn)場測定的反應(yīng)巖石質(zhì)量指標(biāo)的典型3DRQD指標(biāo)見表2。從兩個(gè)表中可以看出，大屯礦區(qū)從砂巖到泥巖，巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度逐步降低，巖體裂隙率逐漸增加。泥巖的巖體強(qiáng)度較低，海相泥巖在自然狀態(tài)下的單軸強(qiáng)度為43.27MPa,而在飽水情況下，單軸抗壓強(qiáng)度降為11.48MPa，較自然狀態(tài)強(qiáng)度降低了73，在巷道開掘后，如不及時(shí)封閉圍巖，由于自然風(fēng)化潮解，巖體強(qiáng)度會(huì)急劇降低，給巷道支護(hù)帶來難度。3.錨網(wǎng)索支護(hù)在深部煤巷工程支護(hù)中的適應(yīng)性研究3.1 深部圍巖的受力特點(diǎn)巷道開挖后，壁面圍巖由三維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)，最大主應(yīng)力是沿巷道壁面的切線方向，巷道壁面切向應(yīng)力達(dá)到最大值。最小主應(yīng)力是沿巷道的徑向應(yīng)力，徑向應(yīng)力在巷道周邊為零，向圍巖內(nèi)部逐漸增大，這個(gè)應(yīng)力調(diào)整過程是瞬間完成的。如果巷道埋深超過軟化臨界深度，調(diào)整后的應(yīng)力高于巖體強(qiáng)度的部分巖體就發(fā)生破壞，靠近壁面的巖體最先破壞，最大主應(yīng)力集中區(qū)向圍巖內(nèi)部移動(dòng)。調(diào)整的結(jié)果，圍巖出現(xiàn)了四個(gè)區(qū)即塑性流動(dòng)區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)（見圖2）。圖2 深部煤巷支護(hù)體圍巖結(jié)構(gòu)分區(qū)研究表明，塑性硬化區(qū)是圍巖承載的主體，塑性軟化區(qū)和塑性流動(dòng)區(qū)是實(shí)施支護(hù)的主要對(duì)象，因此，研究巷道在各種支護(hù)載荷作用下的塑性軟化區(qū)和塑性流動(dòng)區(qū)的變化范圍是確定支護(hù)參數(shù)和支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)鍵。 圖3 巷道圍巖不同受力特點(diǎn) 圖4 巷道圍巖應(yīng)力圖如圖3和圖4所示，深埋巷道開掘后，周邊的切向應(yīng)力用彈性理論可以較好地解釋巷道周邊的應(yīng)力，切向應(yīng)力可以用以下公式表示： （1）式中： p0垂向應(yīng)力，MPa 側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)； m巷道軸比，；對(duì)于頂點(diǎn)A：，代入公式得：在深部條件下，如果，巷道只有滿足一定的軸比，才不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。一般情況下，由于巷道設(shè)計(jì)的需要，軸比難以滿足需要，巷道會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。對(duì)于兩幫中點(diǎn)B：，代入公式得：如果，巷道以壓應(yīng)力為主。所以在深部高自重應(yīng)力場中，應(yīng)通過合理的巷道支護(hù)，減小頂板中部的拉應(yīng)力集中。如果兩幫巖體較為軟弱，應(yīng)防止幫部的壓裂破壞和片幫。通過加強(qiáng)支護(hù)，改善周圍巖體的應(yīng)力狀況，可以保持巷道穩(wěn)定。3.2 錨網(wǎng)與圍巖耦合作用機(jī)理分析通過錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)與巷道圍巖的相互作用，可最大限度地減少周邊應(yīng)力集中，達(dá)到成功支護(hù)的目的。其中，錨網(wǎng)和圍巖的耦合作用十分重要，過強(qiáng)或過弱的錨網(wǎng)支護(hù)，都會(huì)引起局部應(yīng)力集中而造成巷道破壞。只有當(dāng)錨網(wǎng)和圍巖強(qiáng)度、剛度達(dá)到耦合時(shí)，變形才能相互協(xié)調(diào)。達(dá)到耦合的標(biāo)志是圍巖應(yīng)力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過程中，向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，從而達(dá)到最佳支護(hù)效果。3.2.1 圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象數(shù)值模擬研究結(jié)果表明（圖5），在巷道掘進(jìn)初期，巷道圍巖頂部應(yīng)力迅速集中，是巷道垮落危險(xiǎn)區(qū)域；在實(shí)施錨網(wǎng)耦合支護(hù)后，頂部應(yīng)力集中區(qū)迅速下降，而幫部低應(yīng)力區(qū)應(yīng)力狀態(tài)迅速提高，整個(gè)圍巖不同部位應(yīng)力狀態(tài)趨于均勻化。由此可見，實(shí)施錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)以后，圍巖支護(hù)狀態(tài)從開放環(huán)境到封閉力學(xué)環(huán)境，圍巖集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，整個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散均勻化過程是通過錨網(wǎng)耦合設(shè)計(jì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。1掘進(jìn)錨噴后圍巖應(yīng)力狀態(tài)；2錨網(wǎng)耦合設(shè)計(jì)作用后應(yīng)力狀態(tài)；3應(yīng)力轉(zhuǎn)化中性點(diǎn)；4應(yīng)力變化趨勢圖5 圍巖頂部集中應(yīng)力區(qū)向幫部低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化過程3.2.2 圍巖應(yīng)力場和位移場的變化隨著圍巖受力由集中應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應(yīng)力場和應(yīng)變場趨于均勻化。3.3 錨索的關(guān)鍵部位耦合機(jī)理分析錨索除具有普通錨桿的的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用、楔固作用外，與普通錨桿不同的是對(duì)頂板進(jìn)行深部錨固而產(chǎn)生強(qiáng)力懸吊作用。通過錨索支護(hù)，改善了巷道的受力條件，使相鄰的錨桿、錨索的作用力相互疊加，組合形成新的、厚度和剛度增大的巖梁，頂板壓力通過巷道煤幫向煤體深部轉(zhuǎn)移，頂板得到有效控制，有效抑制幫臌。 圖6 拱形巷道錨索關(guān)鍵部位耦合圖7 矩形巷道錨索關(guān)鍵部位耦合如圖6和圖7所示，沒有錨索支護(hù)時(shí)，直墻半圓拱巷道周圍形成“雙耳”應(yīng)力集中關(guān)鍵部位，常常造成巷道兩邊剪壞；在應(yīng)力集中關(guān)鍵點(diǎn)上施工錨索后，淺部圍巖剪應(yīng)力集中程度明顯減小，深部巖體的剪應(yīng)力水平顯著增加，表明調(diào)動(dòng)了深部巖體強(qiáng)度，控制了淺部巖體的穩(wěn)定性。4 錨網(wǎng)索支護(hù)在深部煤層巷道支護(hù)的應(yīng)用實(shí)踐大屯煤電集團(tuán)公司姚橋礦從上世紀(jì)90年代后期，率先在綜放工作面7516、7507等順槽、開切眼成功地應(yīng)用煤巷金屬樹脂錨桿（索）進(jìn)行支護(hù)。隨后，煤巷錨桿（索）支護(hù)技術(shù)在全局范圍內(nèi)普遍推廣。近年來，隨著開采深度逐年增大，我們積極探索適應(yīng)深部地質(zhì)條件的支護(hù)設(shè)計(jì)思想及巷道控制手段，對(duì)煤巷錨桿支護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)、理論研究后加以推廣，在深井煤巷錨桿支護(hù)理論中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。4.1 高強(qiáng)錨桿（索）的合理選擇大屯礦區(qū)使用的錨桿主要有直徑14mm、16mm、18mm、20mm和22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨索主要采用直徑15.24mm、17.8mm和18.9mm的鋼絞線。在深部地壓大、斷面大、受采動(dòng)影響強(qiáng)烈的巷道支護(hù)中，我們要求使用直徑22mm和18.9mm的高強(qiáng)錨桿和錨索。從技術(shù)角度考慮，錨桿和錨索的直徑越大，提供的錨固力越大，支護(hù)效果越好。但錨桿直徑增大將使錨桿支護(hù)成本增加。資料表明，當(dāng)鉆孔直徑為29mm、錨固長度相同的情況時(shí)，如果以直徑14mm帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿支護(hù)成本為基準(zhǔn)，錨桿直徑增大，錨固成本增加313%。錨桿直徑增大錨固力也增大，其增加幅度為31147%。兩個(gè)增加幅度相差懸殊，后者增加幅度是前者的1011倍。所以適當(dāng)加大錨桿桿體直徑在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是較為有利的。4.2 適度讓壓原則深部巷道開挖以后，原來儲(chǔ)存在巖體內(nèi)的應(yīng)力和能量會(huì)發(fā)生釋放和轉(zhuǎn)移。通過預(yù)留變形空間，在原來的金屬托盤上加設(shè)具有一定厚度的木托盤，針對(duì)鋼絞線錨索延伸率低（15.24mm的鋼絞線,延伸率為3.5）的弊端，對(duì)錨索設(shè)計(jì)了專門的讓壓托盤，可以充分釋放巷道變形能，又保護(hù)了托盤受力狀況，避免初始開挖后能量的過渡集中而對(duì)托盤的破壞。通過現(xiàn)場監(jiān)測（見圖8、圖9）發(fā)現(xiàn)，不論應(yīng)用錨桿鉆機(jī)或氣扳機(jī)對(duì)錨桿螺母實(shí)施的扭矩多大，不論錨索張拉力多大，經(jīng)過一段時(shí)間后，錨桿螺母扭矩和錨索托板的托錨力都經(jīng)過一個(gè)急速下降期、快速承載期和緩慢承載期的過程，甚至有的錨桿的托錨力、螺母扭矩會(huì)下降到零。圖8 姚橋礦7009溜子道錨桿托錨力監(jiān)測曲線圖9 姚橋礦7009溜子道錨索托錨力監(jiān)測曲線為了防止錨桿、錨索的托錨力在急速下降期帶來的被動(dòng)承載，我們在煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要求對(duì)錨桿和錨索進(jìn)行有效的二次緊固。通過采用二次緊固，改善了巷道的維護(hù)狀況，增強(qiáng)錨桿系統(tǒng)的支護(hù)能力。4.3 錨桿、錨索的三徑合理匹配樹脂錨桿支護(hù)三徑匹配是指鉆孔直徑、錨桿直徑、樹脂藥卷直徑“三徑”之間的最佳配合，從而使樹脂錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)整體達(dá)到最佳的支護(hù)狀態(tài)。錨桿（索）的三徑合理匹配問題，影響錨桿支護(hù)的質(zhì)量和效果。大屯礦區(qū)施工的錨桿和錨索鉆孔直徑為29mm、33mm、43mm等幾種。通過在300號(hào)混凝土中所作的錨桿錨固力與孔徑關(guān)系試驗(yàn)，直徑為20mm、22mm左旋無縱筋錨桿，錨固長度為100mm，錨固力隨著鉆孔直徑（孔經(jīng)為2629mm區(qū)間）的增加而增大，到29mm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)錨桿的錨固力為55kN。超過29mm后則迅速降低；直徑為18mm帶縱筋建筑螺紋鋼錨桿錨固力隨著鉆孔直徑增大（孔徑為2643）而減小，孔徑為26mm時(shí)，錨固力最大，為43kN，孔徑為28mm時(shí)錨固力次之，為35kN，孔徑為33mm時(shí)，錨固力迅速下降，為5kN，孔徑為43mm時(shí)，錨固力降低為零。從試驗(yàn)結(jié)果分析可知：直徑20mm的錨桿，鉆孔直徑為29mm時(shí)錨固力最大，宜采用直徑為29mm的鉆孔。直徑為18mm的錨桿，鉆孔直徑為26mm時(shí)錨固力最大，宜采用直徑為26mm的鉆孔。鉆孔直徑選的選取主要考慮錨固力最大、錨固成本降低、鉆孔效率高、施工和組織管理方便性等因素。鉆孔直徑越大，錨固成本越高，鉆孔時(shí)間越長。綜合考慮多種因素，對(duì)于直徑20mm、22mm的錨桿，選取的鉆孔直徑為29mm（見圖10）。 圖10 無縱筋螺紋鋼錨桿錨固力與錨桿鉆孔直徑的關(guān)系在能夠保證順利安裝的前提下，一般要求樹脂藥卷直徑盡量加大。通過試驗(yàn)室試驗(yàn)，樹脂藥卷直徑比鉆孔直徑小46mm時(shí)，錨桿所提供的錨固力達(dá)到最佳狀態(tài)。綜合分析，在29mm鉆孔中使用樹脂藥卷直徑為23 25mm是較為合適的；對(duì)直徑為33mm鉆孔，使用直徑2426mm無縱筋螺紋鋼錨桿時(shí)，使用樹脂藥卷直徑為28mm比較合適。4.4 煤巷錨固方式和長度的選擇錨桿的錨固方式有端錨、加長錨和全長錨。采用全長錨固，可以避免集中受力點(diǎn)，增強(qiáng)層面間的抗剪能力，減輕巖層間的錯(cuò)動(dòng)，有效提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的剛度，限制圍巖變形，具有諸多的優(yōu)越性。但全長錨固適用于圍巖變形量小且支護(hù)強(qiáng)度大的巷道。由于全長錨固具有錨桿安裝困難，裝藥數(shù)量多、占用時(shí)間長、錨桿起始安裝外露長度大、錨桿鉆機(jī)扭矩小，攪拌困難、錨固費(fèi)用高等不足，在深部煤層巷道變形量大，服務(wù)期短，支護(hù)強(qiáng)度要求相對(duì)較小，全長錨固高額的費(fèi)用一般難以承受，如果支護(hù)密度不足，全長錨固可能要起反作用，造成樹脂錨固體被破壞，反而降低錨固力，甚至錨桿失效。大屯礦區(qū)在深部頂板較完整、穩(wěn)定并且應(yīng)力不大的類回采巷道和部分類巷道中使用端頭錨固；在部分類和、類不穩(wěn)定圍巖巷道中采用加長錨固，給錨桿留一定的自由段，既能有效地對(duì)圍巖進(jìn)行加固，減少圍巖變形，保持巷道穩(wěn)定，又能滿足現(xiàn)場工藝操作簡單方便的要求?？傊?，深部困難條件下，通過應(yīng)用性能優(yōu)越、質(zhì)量可靠的支護(hù)材料；選擇合理的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)強(qiáng)度，預(yù)留變形空間，適度讓壓，特殊情況輔以錨注工藝和卸壓技術(shù)，錨網(wǎng)索支護(hù)在深部煤巷支護(hù)中的應(yīng)用是完全可行的。5.錨網(wǎng)噴在深部巖石大巷和大斷面交岔點(diǎn)支護(hù)中的應(yīng)用大屯礦區(qū)深部巖巷應(yīng)用十多年來，總結(jié)出很多有益的經(jīng)驗(yàn)，施工技術(shù)得到了不斷的改進(jìn)和完善。近年來，由于深部地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道在受高地應(yīng)力和采動(dòng)影響強(qiáng)烈時(shí)，錨網(wǎng)索支護(hù)的巖石大巷出現(xiàn)了不少問題。一是巷道受高水平應(yīng)力作用時(shí)，變形加劇，表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性(見圖11)。二是隨深度的增加，巷道底臌量增大（見圖12）。如孔莊785西翼軌道大巷在巷道開掘后大約一年左右的時(shí)間內(nèi)，上幫側(cè)最大底臌量達(dá)600700mm，最大底臌速率達(dá)到7.5mm/d。占頂?shù)滓平康?63%左右。底臌導(dǎo)致水溝嚴(yán)重?fù)p壞，軌道擠壓變形，由于巷道斷面不能滿足安全生產(chǎn)的要求，不得不進(jìn)行了3 次大的巷道返修。圖13 給出785大巷底臌嚴(yán)重地段底臌量與時(shí)間關(guān)系曲線。圖11 徐莊750大巷不對(duì)稱變形圖12孔莊785西翼軌道大巷上幫底板臌出變形圖13 孔莊785西翼軌道大巷底臌量時(shí)間變化曲線深部巖石大巷支護(hù)中存在的上述問題，有其復(fù)雜的變形機(jī)理，通過研究，我們總結(jié)出以下四種變形力學(xué)機(jī)制，即剪切滑移型變形力學(xué)機(jī)制、塑性擠出型變形力學(xué)機(jī)制、結(jié)構(gòu)變形型力學(xué)機(jī)制和物化膨脹型變形力學(xué)機(jī)制。通過錨索網(wǎng)支護(hù)，對(duì)不同的變形力學(xué)機(jī)制加以有效轉(zhuǎn)化，使巷道的變形力學(xué)機(jī)制由復(fù)合型向單一型轉(zhuǎn)化，是實(shí)現(xiàn)深部錨索網(wǎng)噴支護(hù)成功的關(guān)鍵。5.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)的強(qiáng)度問題深部巖石大巷錨網(wǎng)噴支護(hù)的難點(diǎn)主要是軟弱巖層、地質(zhì)構(gòu)造帶和受采動(dòng)影響強(qiáng)烈以及地應(yīng)力水平較高區(qū)域，在這些區(qū)域進(jìn)行巷道支護(hù)，除進(jìn)行有效的卸壓和二次支護(hù)外，提高錨網(wǎng)噴支護(hù)的強(qiáng)度是十分必要的。深部巷道圍巖松軟破碎，且大多數(shù)為層狀結(jié)構(gòu)，在其中開挖巷道，通過高強(qiáng)的錨桿和錨索支護(hù)，一方面，可以依靠錨桿的錨固力增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面，錨桿桿體可增加巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)，從而將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）。這種組合厚巖層在上覆巖層載荷作用下，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小，而且組合梁越厚，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的撓度也就越小，巷道的有害變形可以得到控制。所以，通過適當(dāng)增加錨桿（索）的強(qiáng)度，可以有效地改善圍巖的應(yīng)力條件，有利于表層巖石的成拱效應(yīng)，是深部困難條件下的錨網(wǎng)索成功支護(hù)的必要前提。深部軟巖巷道噴層的作用主要體現(xiàn)在其護(hù)表能力上。在強(qiáng)調(diào)錨網(wǎng)索支護(hù)的同時(shí)，在深部大巷的支護(hù)中，必須研究噴層和金屬網(wǎng)在巷道支護(hù)中的作用。深部軟巖巷道，由于地應(yīng)力水平較高，巷道初始變形量較大，當(dāng)巷道的噴層厚度較大，由于較厚噴體不可塑，加之網(wǎng)鋪設(shè)的位置不當(dāng)，發(fā)生噴體開裂進(jìn)而導(dǎo)致掉落，造成巷道破壞。因此，在增加襯砌強(qiáng)度時(shí)，不增加噴層厚度，而通過增加鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)度和剛度和網(wǎng)在噴層中的位置來改善噴體的整體功能。通過使用直徑6mm的金屬網(wǎng)，初噴厚度為30mm50mm，復(fù)噴厚度為2040，將網(wǎng)置于噴體的中外層，保證網(wǎng)外噴體開裂時(shí)，因噴層薄，且噴層與金屬網(wǎng)有一定的粘結(jié)作用，不會(huì)產(chǎn)生大的裂隙以至冒落，影響巷道的穩(wěn)定。5.2 二次支護(hù)的問題深部巷道的變形量大，在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行巷道的二次支護(hù)是十分必要的。二次支護(hù)主要包括對(duì)錨桿的二次緊固，和巷道的復(fù)噴。深部巷道支護(hù)需要強(qiáng)調(diào)初噴和復(fù)噴的時(shí)間間隔，復(fù)噴時(shí)間距離掘進(jìn)迎頭必須超過58m的距離，保證巷道充分變形后，進(jìn)行復(fù)噴作業(yè)，從而保證成形質(zhì)量和復(fù)噴效果。5.3 錨索關(guān)鍵部位的支護(hù)作用現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，對(duì)于深部軟巖巷道，無論是新開巷道、還是實(shí)施了多次支護(hù)的翻修巷道，其破壞是一個(gè)漸進(jìn)的力學(xué)過程，是從某一個(gè)或幾個(gè)部位開始變形、損傷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。具體表現(xiàn)特征是：沿巷道斷面各個(gè)方向的位移速度各不相同，從劇烈變形的部位發(fā)生裂紋，鱗狀剝落，變形破壞區(qū)域逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。這些首先破壞的部位，稱之為關(guān)鍵部位。深部軟巖巷道通過在關(guān)鍵部位施加錨索，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的二次耦合，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，從而使支護(hù)體對(duì)圍巖的支護(hù)力降到最小，使支護(hù)系統(tǒng)達(dá)到相互耦合的最佳支護(hù)狀態(tài)。5.4 深部巷道對(duì)底板的控制問題深部巷道為“四面來壓”，對(duì)底板的開放式支護(hù)只能導(dǎo)致巷道底臌加劇。針對(duì)泥巖底板的巖石大巷巷道底臌