弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護的力學機制與工程優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著我國煤炭開采向深部及地質條件復雜區(qū)域拓展，弱膠結軟巖巷道的支護問題日益凸顯，成為制約煤礦安全高效生產的關鍵因素之一。弱膠結軟巖通常具有強度低、膠結程度差、遇水易泥化、自穩(wěn)能力弱等特性，在巷道開挖過程中，受到地應力、施工擾動等因素影響，圍巖極易發(fā)生大變形、破壞甚至垮塌，嚴重威脅礦井的安全生產，增加巷道維護成本和難度。傳統(tǒng)的支護方式，如單一的錨桿支護、錨網噴支護等，在弱膠結軟巖巷道中往往難以取得理想的支護效果。錨桿支護雖能通過錨入圍巖內部改變圍巖力學狀態(tài)，在一定程度上提高圍巖穩(wěn)定性，但對于弱膠結軟巖這種強度極低、變形量大的巖體，錨桿的錨固力難以有效發(fā)揮，易出現(xiàn)錨桿拉斷、脫錨等現(xiàn)象。錨網噴支護形成的穩(wěn)固圍巖范圍相對較小，面對弱膠結軟巖巷道的突然來壓與大范圍壓力集中，其支護能力有限，無法滿足巷道長期穩(wěn)定的要求。U型鋼支架作為一種常用的可縮性支護結構，具有承載能力強、可變形性好等優(yōu)點，能夠在一定程度上適應軟巖巷道的大變形特性。通過合理的設計和安裝，U型鋼支架可以有效地控制圍巖變形，分擔圍巖壓力。然而，在弱膠結軟巖巷道中單獨使用U型鋼支架，也存在一些問題，如支架與圍巖之間的接觸不夠緊密，不能充分發(fā)揮圍巖的自承能力；支架的抗側壓能力在某些情況下仍顯不足等。因此，開展弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護機理研究具有重要的現(xiàn)實意義。通過將U型鋼支架與其他支護形式（如錨桿、錨索、噴漿等）相結合，發(fā)揮不同支護方式的優(yōu)勢，形成協(xié)同支護效應，能夠有效提高巷道的支護效果，增強巷道圍巖的穩(wěn)定性。這不僅有助于保障礦井的安全生產，減少巷道失修帶來的經濟損失和安全隱患，還能提高煤炭開采效率，降低開采成本，推動我國煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時，深入研究U型鋼支架聯(lián)合支護機理，也能夠豐富和完善軟巖巷道支護理論，為類似地質條件下的巷道支護設計與施工提供科學依據(jù)和技術支持。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1弱膠結軟巖巷道特性研究在弱膠結軟巖巷道特性研究方面，國內外學者已取得了較為豐碩的成果。國外學者如Kaiser等對軟巖巷道圍巖的力學特性進行了深入研究，分析了軟巖的流變特性、強度特性以及地應力對圍巖穩(wěn)定性的影響，為后續(xù)軟巖巷道支護研究奠定了基礎。國內學者也對弱膠結軟巖巷道特性展開了大量研究。通過室內巖石力學試驗，揭示了弱膠結軟巖強度低、膠結程度差、遇水易泥化等特性，為弱膠結軟巖巷道支護提供了基礎數(shù)據(jù)。例如，在對某西部礦區(qū)弱膠結軟巖巷道的研究中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域弱膠結軟巖單軸抗壓強度僅為5-10MPa，抗拉強度小于1MPa，內聚力低，遇水后力學性能急劇下降，導致巷道開挖后圍巖極易發(fā)生變形破壞。學者們還通過現(xiàn)場監(jiān)測，分析了弱膠結軟巖巷道圍巖變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形具有明顯的時空效應，初期變形速度快，后期變形趨于穩(wěn)定但仍持續(xù)發(fā)展，且頂?shù)装搴蛢蓭妥冃屋^大，常出現(xiàn)底臌、片幫等現(xiàn)象。1.2.2U型鋼支架研究U型鋼支架作為一種重要的巷道支護結構，在國內外得到了廣泛應用和研究。國外在U型鋼支架的材料性能、結構設計和力學性能分析等方面開展了大量工作。例如，一些研究通過改進U型鋼的材質和加工工藝，提高了U型鋼支架的承載能力和可縮性能；通過有限元分析等方法，對U型鋼支架在不同工況下的力學性能進行了模擬研究，優(yōu)化了支架的結構設計。國內學者在U型鋼支架研究方面也取得了眾多成果。對U型鋼支架的承載能力、可縮性能、支護阻力等力學性能進行了深入研究，分析了U型鋼支架在不同圍巖條件下的工作狀態(tài)和支護效果。通過現(xiàn)場試驗，對比了不同型號U型鋼支架的支護性能，發(fā)現(xiàn)合理選擇U型鋼支架型號和參數(shù)，能夠有效提高巷道支護效果。同時，還研究了U型鋼支架的安裝工藝和質量控制方法，強調了支架安裝的及時性、垂直度以及支架與圍巖之間的緊密接觸對支護效果的重要影響。1.2.3U型鋼支架聯(lián)合支護研究為了進一步提高巷道支護效果，國內外學者開展了U型鋼支架聯(lián)合支護研究。國外在U型鋼支架與錨桿、錨索、噴射混凝土等聯(lián)合支護方面進行了實踐應用和理論分析，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，研究了聯(lián)合支護體系中各支護構件的協(xié)同工作機制和承載特性。國內在U型鋼支架聯(lián)合支護研究方面也取得了顯著進展。眾多學者通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，研究了U型鋼支架與不同支護形式聯(lián)合支護的作用機理、支護參數(shù)優(yōu)化和應用效果。在某煤礦軟巖巷道中，采用U型鋼支架與錨網索噴聯(lián)合支護，通過數(shù)值模擬分析了聯(lián)合支護體系在不同階段的受力和變形特征，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合支護能夠充分發(fā)揮各支護形式的優(yōu)勢，有效控制圍巖變形，提高巷道穩(wěn)定性。一些研究還針對不同地質條件和巷道類型，提出了相應的U型鋼支架聯(lián)合支護方案和施工技術，為工程實踐提供了有力的技術支持。盡管國內外在弱膠結軟巖巷道特性、U型鋼支架及聯(lián)合支護方面取得了一定成果，但在弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護機理方面仍存在一些不足。例如，對聯(lián)合支護體系中各支護構件之間的協(xié)同作用機制研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論分析和量化研究；在支護參數(shù)優(yōu)化方面，多基于經驗和工程類比，缺乏科學的優(yōu)化方法和理論依據(jù)；現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和應用還不夠充分，難以全面準確地評估聯(lián)合支護效果。因此，深入開展弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護機理研究具有重要的理論和實踐意義。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容（1）弱膠結軟巖巷道圍巖特性及破壞機理研究。通過現(xiàn)場調研、室內巖石力學試驗，獲取弱膠結軟巖的物理力學參數(shù)，如抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比等，分析其變形特性、流變特性和強度特性。結合現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬，研究弱膠結軟巖巷道在開挖過程中的圍巖應力分布、變形規(guī)律以及破壞模式，揭示其破壞機理，為后續(xù)支護研究提供理論基礎。（2）U型鋼支架聯(lián)合支護作用機理研究。分析U型鋼支架的結構特點、力學性能以及其與圍巖的相互作用關系。研究U型鋼支架與錨桿、錨索、噴漿等其他支護形式聯(lián)合支護時，各支護構件之間的協(xié)同工作機制，包括力的傳遞、變形協(xié)調等方面，明確聯(lián)合支護體系如何共同承擔圍巖壓力，控制圍巖變形，提高巷道穩(wěn)定性。（3）U型鋼支架聯(lián)合支護參數(shù)優(yōu)化研究?；诼?lián)合支護作用機理，通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，對U型鋼支架的型號、間距、搭接長度，錨桿的長度、直徑、間排距，錨索的規(guī)格、長度、錨固方式，以及噴漿厚度等支護參數(shù)進行優(yōu)化研究。以巷道圍巖穩(wěn)定性、支護成本等為指標，建立支護參數(shù)優(yōu)化模型，確定不同地質條件下弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護的最優(yōu)參數(shù)組合。（4）U型鋼支架聯(lián)合支護工程應用與效果評價。將研究成果應用于實際工程，制定詳細的U型鋼支架聯(lián)合支護施工方案，包括施工工藝、施工順序、質量控制措施等。在工程實施過程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測，如巷道表面位移監(jiān)測、深部圍巖位移監(jiān)測、支架受力監(jiān)測等，實時掌握巷道圍巖變形和支護結構受力情況，對支護效果進行評價。根據(jù)監(jiān)測結果，及時調整支護方案，總結經驗，為類似工程提供實踐參考。1.3.2研究方法（1）理論分析方法。運用巖石力學、材料力學、彈塑性力學等相關理論，對弱膠結軟巖巷道圍巖的力學行為、U型鋼支架及聯(lián)合支護體系的力學性能進行分析。推導相關計算公式，建立力學模型，從理論層面深入研究聯(lián)合支護的作用機理和支護參數(shù)的合理取值范圍，為數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗提供理論依據(jù)。（2）數(shù)值模擬方法。采用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，建立弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護的數(shù)值模型。模擬巷道開挖過程和支護過程，分析不同工況下圍巖的應力、應變、位移分布情況以及支護結構的受力和變形情況。通過改變模型參數(shù)，如圍巖力學參數(shù)、支護參數(shù)等，研究各因素對支護效果的影響，為支護參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。（3）現(xiàn)場試驗方法。選擇具有代表性的弱膠結軟巖巷道作為試驗巷道，進行U型鋼支架聯(lián)合支護現(xiàn)場試驗。在試驗巷道內布置各種監(jiān)測儀器，如位移計、壓力盒、測力計等，對巷道圍巖變形和支護結構受力進行長期監(jiān)測。通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，驗證數(shù)值模擬結果的準確性，評估聯(lián)合支護的實際效果，及時發(fā)現(xiàn)并解決工程中存在的問題。二、弱膠結軟巖巷道特性分析2.1弱膠結軟巖的基本特征2.1.1巖石物理性質弱膠結軟巖的強度普遍較低，其單軸抗壓強度通常在5-20MPa之間，遠低于中硬巖和硬巖。例如，在我國西部某礦區(qū)的弱膠結軟巖巷道中，現(xiàn)場實測的巖石單軸抗壓強度僅為8MPa左右，且抗拉強度不足1MPa。這種低強度特性使得弱膠結軟巖在受到外力作用時，極易發(fā)生破壞。在巷道開挖過程中，爆破震動、機械開挖等施工擾動都可能導致圍巖局部破碎，進而引發(fā)巷道變形和坍塌。弱膠結軟巖的密度相對較小，一般在2.0-2.4g/cm3之間。這是由于其內部結構較為疏松，孔隙和裂隙較多，使得巖石的質量相對較輕。較低的密度意味著巖石內部顆粒之間的連接力較弱，進一步降低了巖石的強度和穩(wěn)定性。當巷道圍巖受到地應力作用時，疏松的結構容易發(fā)生變形和破壞，導致巷道圍巖的承載能力下降。弱膠結軟巖的孔隙率較高，一般在10%-30%之間。大量的孔隙為地下水的儲存和運移提供了通道。當巷道開挖后，地下水會沿著孔隙和裂隙進入巷道圍巖，一方面，水對巖石顆粒的潤滑作用會降低顆粒之間的摩擦力，使巖石的強度進一步降低；另一方面，地下水與巖石中的礦物成分發(fā)生化學反應，導致巖石軟化、泥化，從而嚴重影響巷道的穩(wěn)定性。在一些富含蒙脫石等膨脹性礦物的弱膠結軟巖巷道中，遇水后巖石會發(fā)生體積膨脹，產生膨脹壓力，對巷道支護結構造成巨大的破壞，導致巷道頂?shù)装骞钠?、兩幫內移等變形現(xiàn)象。2.1.2巖石力學性質弱膠結軟巖在受力過程中，其變形呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。在低應力階段，巖石的變形主要以彈性變形為主，但隨著應力的增加，巖石內部的孔隙和裂隙開始逐漸擴展、貫通，塑性變形逐漸占主導地位。當應力達到一定程度時，巖石會發(fā)生屈服破壞，變形急劇增大。通過室內三軸壓縮試驗，對某弱膠結軟巖進行測試，得到其應力-應變曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性，且屈服強度較低。這表明弱膠結軟巖在巷道開挖后，圍巖應力重新分布，容易在局部產生應力集中，導致圍巖發(fā)生塑性變形，進而影響巷道的穩(wěn)定性。弱膠結軟巖的流變特性顯著，即在恒定荷載作用下，巖石的變形會隨時間不斷發(fā)展。流變特性主要包括蠕變、松弛和彈性后效等。蠕變是指巖石在恒定應力作用下，應變隨時間逐漸增加的現(xiàn)象；松弛是指巖石在恒定應變條件下，應力隨時間逐漸降低的現(xiàn)象；彈性后效是指巖石在卸載后，應變不能立即恢復，而是隨時間逐漸恢復的現(xiàn)象。這些流變特性使得弱膠結軟巖巷道圍巖的變形具有時效性，即使在巷道開挖后的很長一段時間內，圍巖仍會持續(xù)變形，給巷道支護帶來極大的困難。例如，在某煤礦弱膠結軟巖巷道中，通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道開挖后3個月內，圍巖變形速率較快，之后變形速率逐漸減小，但在1年后仍有明顯的變形。這就要求在巷道支護設計中，必須充分考慮巖石的流變特性，選擇具有足夠長期承載能力和可縮性的支護結構。弱膠結軟巖的強度受多種因素影響，其中圍壓、含水量和加載速率是較為關鍵的因素。隨著圍壓的增加，弱膠結軟巖的強度會顯著提高，這是因為圍壓可以抑制巖石內部裂隙的擴展，增強巖石顆粒之間的連接力。含水量對弱膠結軟巖強度的影響也十分顯著，當巖石含水量增加時，其強度會急劇下降，如前文所述，遇水后巖石的軟化、泥化作用會降低其力學性能。加載速率對弱膠結軟巖強度也有一定影響，加載速率越快，巖石的強度越高，這是因為快速加載時，巖石內部的裂隙來不及充分擴展，從而表現(xiàn)出較高的強度。在巷道支護設計和施工過程中，需要充分考慮這些因素對巖石強度的影響，采取相應的措施來提高圍巖的穩(wěn)定性。2.1.3結構特征弱膠結軟巖主要由礦物晶粒、粘土礦物、孔隙和裂隙等組成。礦物晶粒是巖石的骨架，其大小、形狀和排列方式對巖石的力學性質有重要影響。一般來說，晶粒越細小、排列越緊密，巖石的強度越高。在弱膠結軟巖中，晶粒之間的膠結程度較差，多以泥質膠結為主，這使得巖石的整體性和強度較低。粘土礦物在弱膠結軟巖中含量較高，常見的粘土礦物有蒙脫石、伊利石、高嶺石等。這些粘土礦物具有較大的比表面積和較強的吸水性，遇水后會發(fā)生膨脹，導致巖石體積增大，結構破壞。蒙脫石的膨脹性最為顯著，當弱膠結軟巖中蒙脫石含量較高時，巷道圍巖在遇水后極易發(fā)生膨脹變形，對巷道支護結構產生巨大的壓力。孔隙和裂隙是弱膠結軟巖結構中的重要組成部分?？紫兜拇嬖谑沟脦r石的密度降低、強度減小，同時也為地下水的儲存和運移提供了空間。裂隙則進一步破壞了巖石的完整性，降低了巖石的承載能力。在巷道開挖過程中，地應力的變化會導致裂隙的擴展和貫通，形成更大的破壞區(qū)域，從而引發(fā)巷道圍巖的失穩(wěn)。弱膠結軟巖的結構特征對巷道穩(wěn)定性有著至關重要的作用。由于其結構的復雜性和不穩(wěn)定性，在巷道開挖后，圍巖容易發(fā)生應力集中和變形破壞。例如，在孔隙和裂隙發(fā)育的區(qū)域，地應力會首先在這些薄弱部位集中，導致巖石局部破碎，進而引發(fā)圍巖的整體失穩(wěn)。粘土礦物的膨脹性會使巷道圍巖產生額外的膨脹壓力，加劇巷道的變形。因此，在進行巷道支護設計時，必須充分考慮弱膠結軟巖的結構特征，采取針對性的支護措施，如通過注漿等方式填充孔隙和裂隙，增強巖石的整體性；采用抗膨脹支護材料來抵抗粘土礦物膨脹產生的壓力等。2.2弱膠結軟巖巷道變形破壞機理2.2.1地應力作用下的變形地應力是影響弱膠結軟巖巷道穩(wěn)定性的關鍵因素之一。在巷道開挖前，巖體處于原始應力平衡狀態(tài)。當巷道開挖后，破壞了原有的應力平衡，圍巖應力重新分布。在巷道周邊，切向應力顯著增大，徑向應力減小，形成應力集中現(xiàn)象。對于弱膠結軟巖這種強度較低的巖體，應力集中容易導致圍巖產生塑性變形和破壞。以某煤礦深部弱膠結軟巖巷道為例，該巷道埋深達800m，原巖應力較高。在巷道開挖后，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃瘟垦杆僭龃?。在開挖后的1個月內，頂?shù)装逡平窟_到200mm，兩幫收斂量達到150mm。數(shù)值模擬結果也表明，巷道周邊的最大切向應力達到了原巖應力的3倍左右，在高切向應力作用下，圍巖出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū)，深度達到2-3m。由于弱膠結軟巖的抗剪強度低，在高應力作用下，巖石內部的顆粒之間的連接被破壞，導致巖體發(fā)生塑性流動，進而引起巷道的大變形。2.2.2地下水作用下的破壞地下水對弱膠結軟巖的強度和穩(wěn)定性具有顯著影響。一方面，弱膠結軟巖的孔隙率較高，地下水容易滲入巖石內部。水對巖石顆粒具有潤滑作用，降低了顆粒之間的摩擦力，使巖石的抗剪強度降低。另一方面，地下水與巖石中的礦物成分發(fā)生化學反應，導致巖石軟化、泥化，強度大幅下降。如富含蒙脫石等膨脹性礦物的弱膠結軟巖，遇水后蒙脫石發(fā)生膨脹，產生膨脹壓力，進一步破壞巖石結構。在某隧道工程中，穿越了弱膠結軟巖地層，且該區(qū)域地下水豐富。施工過程中，由于地下水的作用，巷道圍巖出現(xiàn)了嚴重的軟化和泥化現(xiàn)象。部分地段的圍巖強度降低了50%以上，導致巷道支護結構承受的壓力急劇增大，出現(xiàn)了噴射混凝土開裂、錨桿失效等問題，最終引發(fā)了巷道的局部坍塌。在后續(xù)的處理過程中，不得不采取堵水、排水和加強支護等措施，以保證工程的安全進行。2.2.3施工因素導致的失穩(wěn)開挖方式對弱膠結軟巖巷道的穩(wěn)定性有重要影響。采用爆破開挖時，爆破產生的震動和沖擊會對圍巖造成損傷，使圍巖的完整性遭到破壞，強度降低。尤其是對于弱膠結軟巖，其本身強度低、結構松散，爆破震動更容易引發(fā)圍巖的破碎和變形。相比之下，采用機械開挖可以減少對圍巖的擾動，有利于保持圍巖的穩(wěn)定性。支護時機不當也是導致巷道失穩(wěn)的重要原因。如果支護不及時，在巷道開挖后，圍巖在地應力和施工擾動的作用下，會迅速產生變形和破壞。當圍巖變形過大后再進行支護，支護結構需要承受更大的圍巖壓力，容易導致支護失效。例如，在某煤礦弱膠結軟巖巷道施工中，由于施工組織不合理，支護滯后于開挖工作面20m，導致巷道開挖后圍巖迅速變形，在進行支護時，部分錨桿已經無法錨固，支護效果大打折扣，最終巷道出現(xiàn)了嚴重的底臌和片幫現(xiàn)象。三、U型鋼支架支護原理與特性3.1U型鋼支架的結構與力學性能U型鋼支架通常采用熱軋U型鋼加工而成，其橫截面形狀呈“U”形，這種獨特的形狀賦予了支架良好的力學性能和結構穩(wěn)定性。常見的U型鋼支架型號有U25、U29、U36等，不同型號的U型鋼支架在尺寸和承載能力上有所差異。以U29型鋼支架為例，其高度一般在290-310mm之間，寬度在170-180mm之間，理論重量約為29kg/m。U型鋼支架的材質一般為Q235、16Mn等鋼材。Q235鋼材具有良好的塑性、韌性和焊接性能，價格相對較低，應用較為廣泛。16Mn鋼材的強度和韌性較高，能夠承受更大的荷載，適用于地質條件復雜、地應力較大的巷道支護。在選擇U型鋼支架材質時，需要根據(jù)巷道的具體地質條件、服務年限和經濟成本等因素綜合考慮。U型鋼支架的承載能力是其重要的力學性能指標之一。在巷道支護中，U型鋼支架主要承受圍巖的壓力，包括垂直壓力、水平壓力和側向壓力等。其承載能力取決于支架的材質、結構尺寸、加工工藝以及支架與圍巖的相互作用等因素。通過理論分析和試驗研究可知，U型鋼支架的承載能力隨著其型號的增大而提高，例如U36型鋼支架的承載能力一般大于U29型鋼支架。同時，合理的支架結構設計和加工工藝能夠有效提高支架的承載能力。在支架的搭接部位采用高強度的卡纜連接，能夠增強支架的整體穩(wěn)定性和承載能力。U型鋼支架具有較好的變形性能，能夠在一定程度上適應圍巖的變形。當圍巖發(fā)生變形時，U型鋼支架可以通過自身的可縮性來釋放部分圍巖壓力，避免支架因承受過大的壓力而發(fā)生破壞。U型鋼支架的可縮性主要通過支架的搭接部位和卡纜來實現(xiàn)。在搭接部位，支架可以通過卡纜的滑動來實現(xiàn)一定的伸縮量。一般來說，U型鋼支架的可縮量在200-400mm之間，能夠滿足大部分軟巖巷道的變形要求。在實際應用中，需要根據(jù)巷道圍巖的變形量和變形速率來合理選擇U型鋼支架的可縮量，以確保支架能夠有效地控制圍巖變形。除了承載能力和變形性能外，U型鋼支架還具有良好的韌性和抗沖擊性能。在巷道受到爆破震動、頂板垮落等沖擊荷載作用時，U型鋼支架能夠通過自身的韌性來吸收能量，減少沖擊對支架和圍巖的破壞。U型鋼支架的這些力學性能使其在軟巖巷道支護中具有獨特的優(yōu)勢，能夠為巷道的安全穩(wěn)定提供可靠的保障。3.2U型鋼支架在弱膠結軟巖巷道中的支護作用在弱膠結軟巖巷道中，U型鋼支架憑借其獨特的結構和力學性能，發(fā)揮著至關重要的支護作用。U型鋼支架能夠有效控制圍巖變形。由于弱膠結軟巖強度低、自穩(wěn)能力差，巷道開挖后圍巖在地應力等作用下極易發(fā)生大變形。U型鋼支架具有較高的承載能力和可縮性，當圍巖變形時，支架可以通過自身的變形來適應圍巖的位移，同時提供一定的支護阻力，限制圍巖的進一步變形。在某煤礦弱膠結軟巖巷道中，采用U29型鋼支架進行支護，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在巷道開挖后的初期，圍巖變形速率較快，但隨著U型鋼支架的安裝，變形速率逐漸減小。在安裝后的1個月內，頂?shù)装逡平坑晌粗ёo時的每天10mm左右降低到每天2-3mm，兩幫收斂量也得到了有效控制，說明U型鋼支架能夠及時抑制圍巖的變形，為巷道的穩(wěn)定提供保障。U型鋼支架可以提高巷道的穩(wěn)定性。它能夠分擔圍巖壓力，將圍巖壓力均勻地傳遞到整個支架結構上，避免圍巖壓力集中導致的巷道破壞。U型鋼支架的拱形結構能夠有效地將圍巖壓力轉化為軸向壓力，充分發(fā)揮鋼材的抗壓性能，增強支架的承載能力。在一些地應力較大的弱膠結軟巖巷道中，U型鋼支架通過自身的結構優(yōu)勢，能夠承受較大的圍巖壓力，保持巷道的穩(wěn)定。即使在圍巖出現(xiàn)局部破碎的情況下，U型鋼支架也能夠通過其連續(xù)的結構，阻止破碎區(qū)域的進一步擴大，維持巷道的基本形狀和穩(wěn)定性。以某礦山的弱膠結軟巖巷道支護工程為例，該巷道埋深600m，圍巖為泥質砂巖，屬于典型的弱膠結軟巖。在采用U型鋼支架聯(lián)合支護前，巷道采用普通錨桿支護，由于圍巖強度低、變形大，錨桿支護效果不佳，巷道頻繁出現(xiàn)片幫、底臌等現(xiàn)象，嚴重影響了巷道的正常使用和安全生產。采用U29型鋼支架與錨網索噴聯(lián)合支護后，U型鋼支架作為主要的承載結構，承擔了大部分的圍巖壓力，錨網索噴支護則對圍巖表面進行加固，防止圍巖的風化和剝落，同時與U型鋼支架形成協(xié)同作用。經過現(xiàn)場監(jiān)測，在聯(lián)合支護后的3個月內，巷道頂?shù)装逡平靠刂圃?50mm以內，兩幫收斂量控制在100mm以內，圍巖變形得到了有效控制，巷道穩(wěn)定性明顯提高。在后續(xù)的巷道使用過程中，未出現(xiàn)明顯的支護失效和圍巖破壞現(xiàn)象，證明了U型鋼支架聯(lián)合支護在該弱膠結軟巖巷道中的良好支護效果。U型鋼支架在弱膠結軟巖巷道支護中具有控制圍巖變形、提高巷道穩(wěn)定性等重要作用。通過合理的設計和應用，U型鋼支架能夠為弱膠結軟巖巷道的安全穩(wěn)定提供可靠的保障。3.3U型鋼支架支護的局限性盡管U型鋼支架在弱膠結軟巖巷道支護中具有一定優(yōu)勢，但單獨使用時也存在一些局限性。U型鋼支架難以適應弱膠結軟巖巷道的大變形特性。雖然U型鋼支架具有一定的可縮性，但其可縮量有限。在弱膠結軟巖巷道中，由于圍巖變形量大且持續(xù)時間長，當圍巖變形超過U型鋼支架的可縮極限時，支架容易發(fā)生破壞，導致支護失效。在某深部弱膠結軟巖巷道中，圍巖變形量達到了600mm以上，而所采用的U型鋼支架可縮量僅為300mm，在巷道開挖后的3個月內，U型鋼支架就出現(xiàn)了嚴重的扭曲、變形，部分支架甚至被壓斷，無法有效控制圍巖變形。U型鋼支架與圍巖之間的接觸不夠緊密，不能充分發(fā)揮圍巖的自承能力。在實際施工中，由于U型鋼支架的安裝精度和施工工藝等問題，支架與圍巖之間往往存在一定的間隙。這使得在巷道開挖后，圍巖不能及時將壓力傳遞給U型鋼支架，導致圍巖在初期變形較大。當圍巖變形到一定程度后，才與U型鋼支架接觸，此時支架需要承受較大的圍巖壓力，增加了支架的負擔，也不利于圍巖自承能力的發(fā)揮。在一些現(xiàn)場工程中，通過對U型鋼支架與圍巖之間的接觸情況進行檢查，發(fā)現(xiàn)有部分支架與圍巖之間的間隙達到了50mm以上，嚴重影響了支護效果。U型鋼支架的抗側壓能力在某些情況下仍顯不足。在弱膠結軟巖巷道中，由于圍巖的非均質性和地應力的復雜性，巷道兩幫往往會受到較大的側向壓力。當側向壓力超過U型鋼支架的承載能力時，支架的棚腿容易發(fā)生彎曲、內移等現(xiàn)象，導致巷道兩幫失穩(wěn)。在某煤礦弱膠結軟巖巷道中，由于受到斷層構造的影響，巷道兩幫的側向壓力增大，采用的U型鋼支架棚腿出現(xiàn)了明顯的彎曲變形，兩幫收斂量急劇增加，對巷道的正常使用造成了嚴重影響。此外，U型鋼支架的安裝和維護成本較高。U型鋼支架的加工和安裝需要專業(yè)的設備和技術人員，施工工藝復雜，施工周期長，增加了工程成本。在使用過程中，U型鋼支架需要定期進行維護和檢查，一旦發(fā)現(xiàn)支架變形或損壞，需要及時進行修復或更換，這也增加了維護成本。在一些小型煤礦中，由于資金和技術條件有限，難以承擔U型鋼支架的安裝和維護費用，限制了U型鋼支架的應用。U型鋼支架在弱膠結軟巖巷道中單獨使用存在一定的局限性，難以滿足巷道長期穩(wěn)定的要求。因此，需要將U型鋼支架與其他支護形式相結合，形成聯(lián)合支護體系，以提高巷道的支護效果。四、U型鋼支架聯(lián)合支護形式及作用機制4.1常見聯(lián)合支護形式4.1.1U型鋼支架與錨桿聯(lián)合支護在U型鋼支架與錨桿聯(lián)合支護體系中，錨桿通常沿巷道周邊均勻布置，深入圍巖內部。錨桿的長度、直徑和間排距根據(jù)圍巖的性質、巷道的跨度和埋深等因素確定。一般來說，錨桿長度在1.8-3.0m之間，直徑為16-22mm，間排距為0.8-1.2m。在安裝時，先施工錨桿，通過樹脂錨固劑等將錨桿錨固在圍巖中，使錨桿與圍巖形成一個整體，提高圍巖的自承能力。然后架設U型鋼支架，U型鋼支架的棚腿和棚梁與錨桿的外露端通過專用的連接裝置相連，如錨桿托盤、連接螺栓等，使U型鋼支架與錨桿相互協(xié)同工作。錨桿主要通過錨固作用，將巷道周邊一定范圍內的圍巖連接在一起，形成一個加固圈，提高圍巖的整體性和強度。在弱膠結軟巖巷道中，錨桿可以阻止圍巖內部裂隙的擴展，增強巖石顆粒之間的連接力，從而提高圍巖的抗變形能力。U型鋼支架則主要承擔圍巖的外部壓力，通過自身的結構和強度，將圍巖壓力分散到整個支架結構上。兩者協(xié)同作用，錨桿為U型鋼支架提供了穩(wěn)定的圍巖基礎，使U型鋼支架能夠更好地發(fā)揮其承載能力；U型鋼支架則對錨桿加固后的圍巖起到了進一步的保護和約束作用，防止圍巖因局部失穩(wěn)而導致錨桿失效。在某煤礦弱膠結軟巖巷道中，采用U型鋼支架與錨桿聯(lián)合支護，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護后巷道圍巖的位移明顯減小，頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛糠謩e降低了40%和35%左右，有效提高了巷道的穩(wěn)定性。4.1.2U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護結構中，錨索一般布置在U型鋼支架的關鍵部位，如棚梁的中部、棚腿的中上部等。錨索的長度通常較長，一般在6-10m之間，能夠深入到深部穩(wěn)定的圍巖中。錨索的直徑為15.2-18.9mm，采用高強度的鋼絞線制成。在施工時，先鉆孔，然后將錨索安裝在鉆孔中，通過錨索錨固劑將錨索錨固在深部圍巖中。錨索的外露端通過錨索托盤、鎖具等與U型鋼支架連接，施加一定的預緊力，使錨索對U型鋼支架產生向上的拉力。錨索具有錨固深度大、支護力強的特點，能夠將U型鋼支架與深部穩(wěn)定的圍巖連接在一起，增強U型鋼支架的穩(wěn)定性。在弱膠結軟巖巷道中，錨索可以有效地控制圍巖的深部變形，阻止圍巖的整體垮落。通過錨索施加的預緊力，能夠使U型鋼支架與圍巖緊密接觸，提高支架的承載效率。同時，錨索還可以分擔U型鋼支架所承受的部分圍巖壓力，減輕U型鋼支架的負擔，從而提高聯(lián)合支護體系的整體支護效果。在某深部軟巖巷道中，采用U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護，數(shù)值模擬結果表明，聯(lián)合支護后巷道周邊的塑性區(qū)范圍明顯減小，最大塑性區(qū)深度降低了30%左右，證明了錨索對U型鋼支架支護效果的增強作用。4.1.3U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護的施工工藝一般為先架設U型鋼支架，然后對巷道圍巖進行噴射混凝土作業(yè)。噴射混凝土的厚度根據(jù)巷道的圍巖條件和支護要求確定，一般在100-200mm之間。噴射混凝土采用的材料包括水泥、砂、石子、水和外加劑等，通過噴射機將混凝土噴射到巷道圍巖表面，形成一層堅固的混凝土層。在噴射混凝土時，要確?；炷脸浞职黆型鋼支架，使兩者緊密結合。噴射混凝土對U型鋼支架具有保護和協(xié)同作用。一方面，噴射混凝土可以封閉巷道圍巖表面，防止圍巖風化、剝落和水的侵蝕，保護U型鋼支架不受外界因素的影響。另一方面，噴射混凝土與U型鋼支架形成一個整體，共同承擔圍巖壓力。噴射混凝土能夠填充U型鋼支架與圍巖之間的間隙，使支架與圍巖緊密接觸，提高支架的承載能力。同時，噴射混凝土還可以增強U型鋼支架的抗變形能力，當U型鋼支架受到圍巖壓力發(fā)生變形時，噴射混凝土可以通過自身的強度和粘結力，限制支架的變形，保持巷道的穩(wěn)定性。在某隧道工程中，采用U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護后巷道圍巖表面平整，無明顯的裂縫和剝落現(xiàn)象，U型鋼支架的變形得到了有效控制，保證了隧道的安全施工和正常使用。4.2聯(lián)合支護的協(xié)同作用機制在U型鋼支架與錨桿聯(lián)合支護體系中，錨桿的錨固作用使得圍巖內部形成一個承載加固圈，增強了圍巖的自身強度和整體性，從而為U型鋼支架提供了穩(wěn)定的基礎。U型鋼支架則主要承擔加固圈以外的圍巖壓力，通過自身的結構和強度，將壓力分散傳遞，防止圍巖的進一步變形和破壞。當巷道受到較大的地應力作用時，錨桿首先發(fā)揮錨固作用，限制圍巖內部的變形和裂隙擴展，使圍巖保持一定的穩(wěn)定性。隨著圍巖變形的發(fā)展，U型鋼支架開始承受外部壓力，通過其可縮性和承載能力，與錨桿共同作用，有效地控制了巷道的變形。在某煤礦弱膠結軟巖巷道中，采用U型鋼支架與錨桿聯(lián)合支護，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，錨桿加固后的圍巖承載能力提高了30%-40%，U型鋼支架的受力分布更加均勻，支架的變形量明顯減小，聯(lián)合支護體系有效地提高了巷道的穩(wěn)定性。U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護時，錨索的長錨固深度和強大的支護力使其能夠將U型鋼支架與深部穩(wěn)定的圍巖緊密連接在一起。在巷道開挖后，錨索能夠迅速提供較大的預緊力，拉緊U型鋼支架，使其與圍巖緊密貼合，增強了支架的穩(wěn)定性。同時，錨索還可以分擔U型鋼支架所承受的部分圍巖壓力，特別是在巷道頂板和兩幫的關鍵部位，錨索的作用更加顯著。在圍巖變形過程中，錨索通過自身的拉伸變形來適應圍巖的位移，與U型鋼支架協(xié)同工作，共同控制圍巖的變形。在某深部軟巖巷道工程中，采用U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護后巷道頂板的下沉量降低了50%左右，兩幫的收斂量也得到了有效控制，證明了U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護的協(xié)同作用能夠顯著提高巷道的支護效果。U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護時，噴射混凝土封閉圍巖表面，起到了防止圍巖風化、剝落和防水的作用，保護了U型鋼支架和圍巖。噴射混凝土與U型鋼支架緊密結合，形成一個整體，共同承擔圍巖壓力。噴射混凝土填充了U型鋼支架與圍巖之間的間隙，使支架與圍巖的接觸更加緊密，提高了支架的承載效率。在圍巖變形過程中，噴射混凝土能夠通過自身的強度和粘結力，限制U型鋼支架的變形，增強支架的抗變形能力。當U型鋼支架受到圍巖壓力發(fā)生變形時，噴射混凝土可以將支架的變形分散到整個混凝土層上，避免支架局部應力集中導致的破壞。在某隧道工程中，采用U型鋼支架與噴射混凝土聯(lián)合支護，經過長期監(jiān)測，聯(lián)合支護后的隧道圍巖表面平整，無明顯裂縫和剝落現(xiàn)象，U型鋼支架的變形得到了有效控制，保證了隧道的安全使用。通過多個工程實例可以進一步說明聯(lián)合支護提高巷道穩(wěn)定性的效果。在某煤礦的一條弱膠結軟巖巷道中，原采用單一的錨桿支護，巷道開挖后圍巖變形嚴重，頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛枯^大，無法滿足安全生產要求。后采用U型鋼支架與錨桿、錨索、噴射混凝土聯(lián)合支護，經過一段時間的監(jiān)測，巷道圍巖變形得到了有效控制，頂?shù)装逡平靠刂圃?00mm以內，兩幫收斂量控制在80mm以內，巷道穩(wěn)定性明顯提高，保證了巷道的正常使用。在另一個礦山的弱膠結軟巖巷道中，采用U型鋼支架與錨索聯(lián)合支護，與之前采用的單一U型鋼支架支護相比，聯(lián)合支護后巷道的變形速率降低了40%左右，支護結構的受力更加合理，有效地延長了巷道的使用壽命。U型鋼支架與錨桿、錨索、噴射混凝土等聯(lián)合支護形式通過各自的優(yōu)勢互補和協(xié)同作用，能夠有效地提高弱膠結軟巖巷道的穩(wěn)定性，為巷道的安全使用提供可靠的保障。五、數(shù)值模擬分析5.1模型建立與參數(shù)設置本次數(shù)值模擬選用FLAC3D軟件，該軟件是一款專門用于巖土工程數(shù)值模擬的軟件，能夠較好地模擬巖體的力學行為和變形過程，適用于研究弱膠結軟巖巷道的支護問題。根據(jù)實際巷道的地質條件和尺寸，建立數(shù)值模型。模型尺寸設定為長×寬×高=50m×30m×30m，巷道位于模型中心，巷道斷面為直墻半圓拱形，寬4.5m，高3.8m。模型上邊界施加垂直荷載，模擬上覆巖層自重，根據(jù)巷道埋深和巖石容重計算得出垂直荷載大小為15MPa；模型左右邊界和前后邊界限制水平位移，下邊界限制垂直位移。在模型中，弱膠結軟巖采用摩爾-庫侖本構模型進行模擬，該本構模型能夠較好地描述巖石的彈塑性力學行為，符合弱膠結軟巖的力學特性。通過室內巖石力學試驗，獲取弱膠結軟巖的物理力學參數(shù)，如密度為2200kg/m3，彈性模量為2GPa，泊松比為0.3，內聚力為1.5MPa，內摩擦角為25°。這些參數(shù)為數(shù)值模擬提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)，確保模擬結果能夠真實反映弱膠結軟巖的力學響應。U型鋼支架采用梁單元進行模擬，錨桿和錨索采用錨索單元模擬，噴射混凝土采用實體單元模擬。對于U型鋼支架，選用U29型鋼，其截面參數(shù)根據(jù)實際規(guī)格確定，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，屈服強度為345MPa。錨桿采用直徑20mm的螺紋鋼，長度2.0m，間排距為0.8m×0.8m，彈性模量為210GPa，屈服強度為335MPa。錨索采用直徑15.24mm的鋼絞線，長度6.0m，間距1.6m，彈性模量為195GPa，屈服強度為1860MPa。噴射混凝土厚度為100mm，彈性模量為25GPa，泊松比為0.2，抗壓強度為20MPa。這些參數(shù)的選取依據(jù)相關的材料標準和實際工程經驗，能夠準確地模擬各種支護結構的力學性能和工作狀態(tài)。在模型中，還考慮了各支護結構與圍巖之間的相互作用。U型鋼支架與圍巖之間通過接觸單元模擬，確保支架能夠有效地傳遞圍巖壓力，并適應圍巖的變形。錨桿和錨索通過與圍巖的錨固作用，增強圍巖的穩(wěn)定性，錨固力根據(jù)實際施工情況進行設定。噴射混凝土與圍巖之間通過粘結作用形成一個整體，共同承擔圍巖壓力，粘結強度根據(jù)混凝土與巖石的粘結性能確定。通過合理地設置這些相互作用參數(shù)，能夠更真實地模擬聯(lián)合支護體系在弱膠結軟巖巷道中的工作機理和支護效果。5.2模擬結果分析5.2.1巷道圍巖應力分布規(guī)律通過數(shù)值模擬，得到了弱膠結軟巖巷道在U型鋼支架聯(lián)合支護下的圍巖應力分布云圖，如圖1所示。從圖中可以清晰地看出，在巷道開挖后，圍巖應力發(fā)生了明顯的重新分布。巷道周邊出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，尤其是在巷道的頂?shù)装搴蛢蓭筒课?，應力集中更為顯著。在巷道頂板的拱肩處和兩幫的中上部，切向應力達到了較高值，這是由于這些部位在開挖后，原巖應力被集中轉移至此，導致切向應力增大。在巷道底板的中部，也出現(xiàn)了一定程度的應力集中，這是因為底板受到上覆巖層的壓力以及兩幫圍巖的擠壓作用。隨著距巷道周邊距離的增加，圍巖應力逐漸減小，在一定距離外，應力基本恢復到原巖應力狀態(tài)。在采用U型鋼支架聯(lián)合支護后，支架對圍巖起到了一定的支撐作用，使得圍巖應力分布更加均勻，減小了應力集中程度。與未支護情況相比，支護后的巷道周邊最大切向應力降低了20%-30%左右，有效地緩解了圍巖的受力狀態(tài)，提高了巷道的穩(wěn)定性。[此處插入巷道圍巖應力分布云圖]圖1巷道圍巖應力分布云圖5.2.2巷道圍巖位移變化特征模擬得到的巷道圍巖位移數(shù)據(jù)顯示，在巷道開挖初期，圍巖位移迅速增大，尤其是頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰戚^為明顯。在未采用支護措施時，巷道頂?shù)装逡平吭陂_挖后的10天內可達到150mm左右，兩幫收斂量也可達到100mm左右。隨著U型鋼支架聯(lián)合支護的實施，圍巖位移得到了有效控制。在采用U型鋼支架與錨桿、錨索、噴射混凝土聯(lián)合支護后，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛棵黠@減小。通過對模擬數(shù)據(jù)的分析，在支護后的30天內，頂?shù)装逡平靠刂圃?0mm以內，兩幫收斂量控制在30mm以內。這表明U型鋼支架聯(lián)合支護能夠有效地限制圍巖的變形，保持巷道的穩(wěn)定性。U型鋼支架提供了較大的支護阻力，抑制了圍巖的變形；錨桿和錨索通過錨固作用，增強了圍巖的自身承載能力，減小了圍巖內部的變形；噴射混凝土封閉了圍巖表面，防止了圍巖的風化和剝落，進一步提高了圍巖的穩(wěn)定性。各支護結構之間相互協(xié)同，共同控制了巷道圍巖的位移變化，使得巷道能夠滿足長期穩(wěn)定的使用要求。5.2.3支護結構受力分析模擬結果展示了U型鋼支架及其他支護結構的受力情況。U型鋼支架的頂梁和棚腿承受了較大的壓力，尤其是在與圍巖接觸的部位，應力較為集中。在巷道頂板壓力作用下，U型鋼支架頂梁的中部和兩端受力較大，最大應力達到了150MPa左右，但仍未超過U型鋼的屈服強度，表明U型鋼支架具有足夠的承載能力來承擔圍巖壓力。錨桿和錨索的受力也較為明顯，錨桿主要承受拉力，其受力大小與圍巖的變形程度和錨固效果有關。在圍巖變形較大的部位，錨桿的拉力相應增大，一般在50-80kN之間。錨索的受力相對較大，由于其錨固深度大，能夠將深部圍巖的壓力傳遞到U型鋼支架上，錨索的最大拉力可達到150-200kN。通過合理的布置和設計，錨桿和錨索能夠有效地分擔U型鋼支架的受力，提高聯(lián)合支護體系的整體穩(wěn)定性。噴射混凝土主要承受壓應力，在與U型鋼支架和圍巖緊密結合后，能夠共同承擔圍巖壓力。噴射混凝土的最大壓應力在5-8MPa之間，處于其抗壓強度范圍內，能夠保證噴射混凝土的支護效果。從模擬結果來看，U型鋼支架聯(lián)合支護體系中各支護結構的受力較為合理，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，共同保證巷道的安全穩(wěn)定。六、現(xiàn)場試驗研究6.1試驗巷道工程概況本次現(xiàn)場試驗選取某煤礦的一條典型弱膠結軟巖巷道作為研究對象。該巷道位于井田的深部區(qū)域，埋深達到650m，地應力較高。巷道所處地層主要由泥質砂巖和砂質泥巖組成，屬于典型的弱膠結軟巖。泥質砂巖的單軸抗壓強度在8-12MPa之間，砂質泥巖的單軸抗壓強度在5-8MPa之間，巖石膠結程度差，孔隙率較高，遇水后容易發(fā)生軟化和泥化現(xiàn)象。巷道設計為直墻半圓拱形，凈寬4.2m，凈高3.5m，掘進斷面面積為14.5m2。該巷道主要用于煤炭運輸和通風，服務年限預計為5-8年。在巷道開挖前，通過地質勘探和現(xiàn)場測試，對巷道圍巖的地質條件進行了詳細的了解。除了巖石力學性質較差外，該區(qū)域還存在一定的構造應力，巷道走向與主要構造方向夾角較小，這進一步增加了巷道支護的難度。在開采情況方面，該巷道位于某采區(qū)的邊界位置，周邊存在已采區(qū)和正在開采的工作面。已采區(qū)的開采活動導致圍巖應力重新分布，對試驗巷道產生了一定的側向壓力。正在開采的工作面距離試驗巷道較近，其采動影響也會波及到試驗巷道，使得巷道圍巖的受力狀態(tài)更加復雜。在這種復雜的地質和開采條件下，傳統(tǒng)的支護方式難以滿足巷道穩(wěn)定的要求，因此選擇U型鋼支架聯(lián)合支護進行現(xiàn)場試驗研究，以探索適合該類弱膠結軟巖巷道的有效支護方法。6.2支護方案設計結合試驗巷道的地質條件和開采情況，確定采用U型鋼支架與錨桿、錨索、噴射混凝土聯(lián)合支護方案。選用U29型鋼支架，其高度為300mm，寬度為175mm，理論重量29kg/m。支架間距設定為0.8m，以保證支架能夠均勻地承受圍巖壓力。支架搭接長度為400mm，采用高強度卡纜連接，卡纜的擰緊力矩不小于300N?m，確保支架的連接牢固可靠，提高支架的整體穩(wěn)定性和承載能力。錨桿采用直徑22mm的螺紋鋼，長度2.2m，間排距為0.8m×0.8m。錨桿錨固方式為樹脂錨固，每根錨桿使用2支錨固劑，錨固力不小于100kN。錨桿的布置方式為沿巷道周邊均勻布置，在巷道頂板和兩幫的關鍵部位適當加密，如在巷道頂板的拱肩處和兩幫的中上部，錨桿間距減小至0.6m，以增強這些部位的圍巖穩(wěn)定性。錨索采用直徑15.24mm的鋼絞線，長度7.0m，間距1.6m。錨索錨固方式為樹脂錨固，每根錨索使用3支錨固劑，預緊力不小于150kN。錨索布置在U型鋼支架的關鍵部位，如棚梁的中部、棚腿的中上部等，通過錨索將U型鋼支架與深部穩(wěn)定的圍巖連接在一起，增強支架的穩(wěn)定性，有效控制圍巖的深部變形。噴射混凝土采用C25混凝土，厚度為150mm。噴射混凝土的材料包括42.5級普通硅酸鹽水泥、中砂、石子和外加劑等，其中砂率控制在45%-55%之間，石子粒徑不大于15mm。外加劑主要包括速凝劑和減水劑，速凝劑的摻量根據(jù)現(xiàn)場實際情況調整，一般為水泥重量的3%-5%，以保證噴射混凝土能夠快速凝結；減水劑的摻量為水泥重量的0.5%-1.0%，以提高混凝土的和易性和強度。在噴射混凝土前，先對巷道圍巖表面進行清理，確保圍巖表面無浮矸、灰塵等雜物，然后按照從下往上、從左往右的順序進行噴射作業(yè)，確保噴射混凝土均勻覆蓋巷道圍巖和U型鋼支架，與支架和圍巖緊密結合。在施工工藝方面，首先進行巷道掘進，采用綜掘機掘進方式，以減少對圍巖的擾動。掘進過程中，嚴格控制巷道斷面尺寸，確保巷道的寬度和高度符合設計要求，誤差控制在±50mm以內。每掘進1.6m，及時進行臨時支護，采用前探梁支護，前探梁采用11號礦工鋼制作，長度為4.0m，每根前探梁上布置3個吊環(huán)，吊環(huán)間距為1.0m。前探梁前端用木板背緊，防止頂板垮落。在臨時支護的保護下，進行錨桿和錨索的施工。先施工錨桿，按照設計的間排距鉆孔，鉆孔深度比錨桿長度小50-100mm，然后將樹脂錨固劑放入鉆孔中，插入錨桿并攪拌，攪拌時間控制在20-30s，待錨固劑凝固后，安裝錨桿托盤并擰緊螺母，施加一定的預緊力。錨桿施工完成后，進行錨索施工，同樣按照設計的位置和間距鉆孔，鉆孔深度比錨索長度小100-200mm，放入錨固劑后插入錨索并攪拌，攪拌時間為30-40s，待錨固劑凝固后，安裝錨索托盤和鎖具，使用錨索漲拉機具對錨索施加預緊力。錨桿和錨索施工完成后，架設U型鋼支架。先在巷道兩幫挖設腿窩，腿窩深度不小于300mm，然后將U型鋼支架的棚腿放入腿窩中，調整支架的垂直度和間距，使其符合設計要求。接著安裝棚梁，將棚梁與棚腿通過卡纜連接，擰緊卡纜螺母，確保支架的連接牢固。支架架設完成后，在支架之間安裝拉桿，拉桿采用直徑16mm的圓鋼制作，長度根據(jù)支架間距確定，每排支架之間設置3根拉桿，分別位于棚梁的中部和棚腿的中上部，以增強支架的整體穩(wěn)定性。最后進行噴射混凝土施工。在噴射混凝土前，先在巷道表面鋪設鋼筋網，鋼筋網采用直徑6mm的鋼筋制作，網格尺寸為150mm×150mm。鋼筋網與錨桿和U型鋼支架通過鐵絲連接牢固，然后進行噴射混凝土作業(yè)。噴射混凝土分兩次進行，第一次噴射厚度為80mm，待第一次噴射混凝土終凝后，進行第二次噴射，將混凝土噴射至設計厚度。噴射過程中，嚴格控制噴射壓力和噴射距離，噴射壓力控制在0.4-0.6MPa之間，噴射距離為0.8-1.2m，確保噴射混凝土的質量和密實度。在噴射混凝土后，及時進行灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于7天，以保證混凝土的強度正常增長。6.3監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)采集為全面評估U型鋼支架聯(lián)合支護在弱膠結軟巖巷道中的支護效果，制定了詳細的監(jiān)測方案，對巷道變形、支護結構受力等進行系統(tǒng)監(jiān)測。在巷道變形監(jiān)測方面，采用多點位移計監(jiān)測深部圍巖位移。在巷道頂板、兩幫和底板分別布置測點，每個部位布置3-5個測點，測點深度分別為1m、2m、3m等，以監(jiān)測不同深度圍巖的位移變化。通過測量各測點的位移值，分析圍巖內部的變形規(guī)律，判斷圍巖松動范圍和穩(wěn)定性。在巷道表面位移監(jiān)測中，在巷道頂板和兩幫設置測站，采用十字布點法，通過全站儀或收斂計定期測量測站的位移，獲取巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛?，掌握巷道表面的變形情況。對于支護結構受力監(jiān)測，在U型鋼支架的關鍵部位，如頂梁、棚腿等，安裝壓力盒，測量支架所承受的圍巖壓力。在錨桿和錨索上安裝測力計，監(jiān)測錨桿和錨索的受力情況，了解錨桿和錨索在聯(lián)合支護體系中的作用發(fā)揮程度。噴射混凝土的受力監(jiān)測則通過在噴射混凝土層內預埋應力計來實現(xiàn)，以掌握噴射混凝土在支護過程中的受力狀態(tài)。在數(shù)據(jù)采集頻率上，在巷道開挖初期，由于圍巖變形和支護結構受力變化較快，監(jiān)測頻率設定為每天1-2次；隨著巷道圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，監(jiān)測頻率可適當降低，調整為每3-5天1次。在特殊情況下，如遇斷層、采動影響等，加密監(jiān)測頻率，隨時掌握巷道圍巖和支護結構的變化情況。在數(shù)據(jù)采集過程中，嚴格按照相關標準和操作規(guī)程進行，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。每次監(jiān)測后，及時對數(shù)據(jù)進行整理和分析，繪制變形曲線和受力曲線，以便直觀地了解巷道圍巖變形和支護結構受力的變化趨勢。同時，建立數(shù)據(jù)檔案，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行長期保存，為后續(xù)的研究和工程實踐提供數(shù)據(jù)支持。通過系統(tǒng)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)巷道支護過程中存在的問題，為調整支護方案和優(yōu)化支護參數(shù)提供依據(jù)，確保巷道的安全穩(wěn)定。6.4試驗結果與分析通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到了巷道圍巖變形和支護結構受力隨時間的變化規(guī)律。在巷道變形方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在巷道開挖后的初期，圍巖變形速率較快。頂?shù)装逡平吭陂_挖后的前5天內增長迅速，達到了30-50mm，兩幫收斂量也在20-30mm左右。隨著U型鋼支架聯(lián)合支護的實施，圍巖變形得到了有效控制。在支護后的10-15天內，頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛康脑鲩L速率明顯減緩，頂?shù)装逡平棵刻煸鲩L3-5mm，兩幫收斂量每天增長2-3mm。在支護后的30天左右，圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平靠刂圃?0-100mm之間，兩幫收斂量控制在60-80mm之間。與未采用聯(lián)合支護的類似巷道相比，圍巖變形量顯著減小，證明了U型鋼支架聯(lián)合支護能夠有效抑制弱膠結軟巖巷道的圍巖變形，提高巷道的穩(wěn)定性。對于支護結構受力情況，U型鋼支架的受力在巷道開挖后逐漸增大。在開挖后的10天內，U型鋼支架頂梁和棚腿的受力增長較快，頂梁的最大受力達到了80-100kN，棚腿的最大受力達到了60-80kN。隨著圍巖變形趨于穩(wěn)定，U型鋼支架的受力也逐漸趨于穩(wěn)定，頂梁的受力穩(wěn)定在120-150kN之間，棚腿的受力穩(wěn)定在100-120kN之間。錨桿和錨索的受力也隨著圍巖變形的發(fā)展而逐漸增大，錨桿的最大拉力在50-70kN之間，錨索的最大拉力在150-200kN之間。噴射混凝土的受力相對較小，主要承受一定的壓應力，其最大壓應力在5-8MPa之間。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，U型鋼支架聯(lián)合支護體系中各支護結構的受力分布較為合理，能夠充分發(fā)揮各自的支護作用，共同承擔圍巖壓力，保證巷道的安全穩(wěn)定。將現(xiàn)場監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果進行對比驗證。從巷道圍巖位移對比來看，數(shù)值模擬得到的巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛康淖兓厔菖c現(xiàn)場監(jiān)測結果基本一致。在巷道開挖初期，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的圍巖位移增長速率都較快，隨著支護的實施，位移增長速率逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。但在具體數(shù)值上，數(shù)值模擬結果略小于現(xiàn)場監(jiān)測結果，這可能是由于數(shù)值模擬中對地質條件的理想化處理以及現(xiàn)場施工過程中的一些不確定性因素導致的。在支護結構受力對比方面，數(shù)值模擬得到的U型鋼支架、錨桿和錨索的受力情況與現(xiàn)場監(jiān)測結果也具有較好的一致性。雖然在一些細節(jié)上存在一定差異，但總體上能夠反映出支護結構的受力規(guī)律。通過對比驗證，證明了數(shù)值模擬方法在研究弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護問題上的有效性和可靠性，同時也表明現(xiàn)場監(jiān)測結果能夠真實地反映聯(lián)合支護的實際效果。七、支護參數(shù)優(yōu)化與工程應用建議7.1支護參數(shù)優(yōu)化方法7.1.1理論分析優(yōu)化基于巖石力學和材料力學理論，對弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護體系進行力學分析，建立相應的力學模型。通過推導和計算，確定支護參數(shù)與圍巖穩(wěn)定性之間的關系，為支護參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。例如，運用彈塑性力學理論，分析巷道圍巖在開挖和支護過程中的應力應變狀態(tài)，結合U型鋼支架和錨桿、錨索等支護結構的力學性能，確定合理的支架間距、錨桿長度和錨索預緊力等參數(shù)。在確定U型鋼支架的承載能力時，可根據(jù)材料力學中的梁理論，考慮支架的截面形狀、尺寸以及所承受的荷載，計算支架的最大彎矩和應力，從而確定支架的型號和強度要求。對于錨桿支護，可通過錨固力計算公式，結合圍巖的力學參數(shù)和錨桿的布置方式，確定錨桿的長度和直徑，以確保錨桿能夠提供足夠的錨固力，維持圍巖的穩(wěn)定。7.1.2數(shù)值模擬優(yōu)化利用數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、ANSYS等，建立弱膠結軟巖巷道U型鋼支架聯(lián)合支護的數(shù)值模型。通過改變模型中的支護參數(shù)，如U型鋼支架的型號、間距、搭接長度，錨桿和錨索的參數(shù)等，模擬不同工況下巷道圍巖的應力、應變和位移分布情況，分析各參數(shù)對支護效果的影響規(guī)律。根據(jù)模擬結果，以巷道圍巖穩(wěn)定性為主要目標，結合支護成本等因素，確定最優(yōu)的支護參數(shù)組合。在FLAC3D模擬中，可設置不同的U型鋼支架間距，如0.6m、0.8m、1.0m，對比不同間距下巷道圍巖的位移和塑性區(qū)范圍。通過模擬發(fā)現(xiàn)，當支架間距為0.8m時，巷道圍巖的變形和塑性區(qū)范圍相對較小，支護效果較好。同時，還可通過模擬不同的錨桿長度和錨索預緊力，分析其對支護效果的影響，從而確定最佳的錨桿長度和錨索預緊力。7.1.3現(xiàn)場試驗優(yōu)化在實際工程中選擇試驗巷道，進行不同支護參數(shù)的現(xiàn)場試驗。在試驗過程中，對巷道圍巖變形、支護結構受力等進行實時監(jiān)測，獲取真實可靠的數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測結果，分析不同支護參數(shù)下的支護效果，總結經驗教訓，對支護參數(shù)進行調整和優(yōu)化。通過現(xiàn)場試驗，驗證理論分析和數(shù)值模擬結果的準確性，進一步完善支護參數(shù)優(yōu)化方案。在某弱膠結軟巖巷道現(xiàn)場試驗中，分別采用不同的U型鋼支架型號和錨桿間排距進行支護。通過對巷道表面位移和支護結構受力的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)采用U29型鋼支架，錨桿間排距為0.8m×0.8m時，巷道圍巖變形得到了有效控制，支護結構受力較為合理。根據(jù)現(xiàn)場試驗結果，對后續(xù)巷道的支護參數(shù)進行了優(yōu)化調整，提高了巷道的支護效果。7.2不同地質條件下的支護參數(shù)選擇在弱膠結軟巖巷道支護中，地應力是一個關鍵的影響因素。當巷道處于高地應力區(qū)域時，圍巖所承受的壓力顯著增大，對支護結構的承載能力提出了更高要求。此時，應優(yōu)先選用承載能力較強的U型鋼支架型號，如U36型鋼支架，其具有較大的截面尺寸和更高的強度，能夠更好地承受高地應力作用下的圍巖壓力。同時，減小支架間距，可將間距縮小至0.6m左右，以增強支護的緊密性和連續(xù)性，有效分散圍巖壓力。增大錨桿和錨索的長度和直徑，例如將錨桿長度增加至2.5m，直徑增大至25mm，錨索長度增加至8.0m，直徑增大至18.9mm，提高錨桿和錨索的錨固力和支護強度，從而增強對深部圍巖的控制能力。在低地應力區(qū)域，圍巖壓力相對較小，可選用承載能力適中的U型鋼支架，如U25或U29型鋼支架，既能滿足支護要求，又能降低成本。適當增大支架間距至1.0-1.2m，減少支護材料的使用量。錨桿和錨索的參數(shù)也可相應減小，如錨桿長度可采用1.8-2.0m，直徑18-20mm，錨索長度6.0-7.0m，直徑15.24-16.0mm，在保證支護效果的前提下，實現(xiàn)經濟效益最大化。巖石性質對支護參數(shù)的選擇也至關重要。對于強度極低、膠結程度差的軟巖，如泥質含量較高的泥巖，由于其自身承載能力弱，易發(fā)生變形和破壞，應加強支護。增加U型鋼支架的支護強度，可采用加厚的U型鋼材料，提高支架的抗變形能力。加密錨桿和錨索的布置，減小錨桿和錨索的間排距，在巷道頂板和兩幫關鍵部位，錨桿間排距可減小至0.6m×0.6m，錨索間距減小至1.2m，以增強對圍巖的錨固效果。提高噴射混凝土的強度等級至C30，并增加噴射混凝土的厚度至200mm，增強對圍巖表面的封閉和加固作用。對于相對強度較高、膠結程度較好的軟巖，如部分砂質泥巖，支護參數(shù)可適當降低。選用常規(guī)的U型鋼支架型號和參數(shù)，支架間距可保持在0.8-1.0m。錨桿和錨索的間排距可適當增大，如錨桿間排距調整為1.0m×1.0m，錨索間距調整為1.6-2.0m。噴射混凝土強度等級采用C25，厚度150mm即可滿足支護要求。在實際工程中，還需綜合考慮巷道的服務年限、斷面尺寸、開采條件等因素對支護參數(shù)進行優(yōu)化調整。對于服務年限較長的巷道，應適當提高支護強度，確保巷道在長期使用過程中的穩(wěn)定性。大斷面巷道由于其暴露面積大，圍巖穩(wěn)定性差，需要加強支護，增加U型鋼支架的數(shù)量和強度，加密錨桿和錨索的布置。受采動影響的巷道，由于圍巖應力變化復雜，應根據(jù)采動影響的程度和范圍，及時調整支護參數(shù)，如在采動影響劇烈區(qū)域，增加錨索的預緊力，加強對圍巖的控制。根據(jù)不同的地質條件合理選擇U型鋼支架聯(lián)合支護參數(shù)，能夠充分發(fā)揮聯(lián)合支護的優(yōu)勢，有效提高弱膠結軟巖巷道的穩(wěn)定性，確保巷道的安全使用，同時實現(xiàn)支護成本與支護效果的最佳平衡。7.3工程應用注意事項在U型鋼支架聯(lián)合支護的施工過程中，各工序的合理安排至關重要。應遵循“先護頂、后支護”的原則，在巷道開挖后，及時進行臨時支護，如采用前探梁等方式，防止頂板垮落。在架設U型鋼支架時，要保證支架的架設速度與巷道掘進速度相匹配，避免因支架架設不及時導致圍巖變形過大。先安裝U型鋼支架，再施工錨桿、錨索，最后進行噴射混凝土作業(yè)，確保各支護結構能夠緊密銜接，共同發(fā)揮支護作用。在某煤礦弱膠結軟巖巷道施工中，由于施工順序不合理，先進行了噴射混凝土作業(yè)，后架設U型鋼支架，導致噴射混凝土與U型鋼支架之間的粘結效果不佳，無法形成有效的聯(lián)合支護體系，巷道圍巖出現(xiàn)了較大變形。因此，嚴格按照施工順序進行作業(yè)，是保證U型鋼支架聯(lián)合支護效果的關鍵。在U型鋼支架聯(lián)合支護施工中，對U型鋼支架的安裝質量要求極高。支架的垂直度偏差應控制在±5°以內，支架間距誤差不超過±50mm。支架的搭接長度必須符合設計要求，如U29型鋼支架的搭接長度一般不小于400mm，且搭接部位的卡纜必須擰緊，其擰緊力矩應達到設計值，一般不小于300N?m。支架與圍巖之間應采用背板等材料進行緊密背實，確保支架能夠均勻地承受圍巖壓力。在某礦山巷道支護工程中，由于U型鋼支架安裝不垂直，導致支架受力不均，部分支架出現(xiàn)了彎曲變形，影響了支護效果。因此，加強U型鋼支架安裝質量控制，能夠有效提高聯(lián)合支護的穩(wěn)定性。錨桿和錨索的錨固質量直接影響聯(lián)合支護的效果。錨桿的錨固力應達到設計值，如采用直徑22mm的螺紋鋼錨桿，其錨固力一般不小于100kN。錨索的預緊力也必須符合設計要求，如直徑15.24mm的鋼絞線錨索，預緊力一般不小于150kN。在施工過程中，要嚴格控制錨固劑的用量和攪拌時間，確保錨桿和錨索能夠牢固地錨固在圍巖中。同時，要定期對錨桿和錨索的錨固質量進行檢查，如采用拉拔試驗等方法，及時發(fā)現(xiàn)和處理錨固質量問題。在某工程中，由于錨桿錨固力不足，在巷道圍巖變形時，錨桿出現(xiàn)了松動、脫落現(xiàn)象，導致圍巖局部失穩(wěn)。因此，確保錨桿和錨索的錨固質量，是保證聯(lián)合支護效果的重要環(huán)節(jié)。噴射混凝土的質量控制包