1、专题部分浅析锚网索钢带耦合支护技术研究及运用摘要：膨胀性软岩倾斜煤层回采巷道的支护历来十分困难，采用传统的支护形式很难控制 巷道围岩的变形。论文结合鹤壁十矿1202中工作面的工程实例，分析了倾斜煤层膨胀性软岩回采巷道的破坏原因，并有针对性的提出了锚网索钢带耦合支护技米，并在工程中得到了验证，同时分析了其在类似巷道支护中的可适用性。关键词：倾斜煤层回采巷道；非对称；耦合支护；锚网索钢带目前，对于回采巷道围岩矿压显现规律的认识还不够全面和准确，不同地质条件下的不同形式的巷道表现出的矿压规律及稳定性特征千差万别，对正确认识其规律造成 了极大的困难。回采巷道围岩控制理论尚存在一定的局限性，在某种意义上
2、，目前的理论还难以满足指导具有大变 形特征的回采巷道围岩控制的要求。本文结合鹤壁十矿1202中工作面倾斜煤层回采巷道支护实践，对膨胀性软岩回采巷道的支护问题进行了探讨。 第17页1 耦合支护1.1 耦合支护的理论依据所谓的耦合支护就是通过支护体与围岩的耦合，恰到好处地、及时地限制围岩由于塑性大产生变形不协调部位，实现巷道稳定耦合支护共同作用过程中，实现支护体与围岩的一体化、荷载的均匀化，刚度耦合支护体能对围岩结构面不连续变形部位进行加强支护，以防止围岩个别部位发生有害的变形损伤结构耦合，充分地释放膨胀能等非线性能量，最大限度地保护围岩承载能力强度，耦合锚网索耦合支护就是针对软岩巷道围岩，由于塑
3、性大变形而产生的变形不协调部位，通过锚网围岩以及锚索关键部位支护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，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。软岩巷道实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合。1.2 锚网索联合支护介绍对于已进入非线性大变形阶段、变形场是非线性力学场的软岩巷道，其变形破坏实质上是巷道围岩在工程力作用下产生塑性大变形的一种力学过程。其破坏的主要原因是由于支护体力学性质与围岩力学性质特性出现不耦合所造成的，并且首先从某一部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。锚网索联合支护是是一种十分先进的支护方式，在软岩巷道支护中具有广阔的发展前
4、景。联合支护并非是各种支护构件的简单叠加，而是应该适应软岩巷道特别是高应力软岩巷道围岩非线性大变形的特点，充分发挥锚杆、锚索的支护能力，保证巷道围岩的稳定，其实质就是对软岩巷道实现锚网索耦合支护。在整个支护体系中，锚杆通过与围岩的相互作用，起着主导承载作用，同时能够防止围岩的松动破坏，并有一定的伸缩性，可随巷道的变形，而不失去支护能力。网的主要作用是防止锚杆间的松软岩石垮落，提高支护的整体性。锚索作为一种新型的加强支护方式，由于锚固深度大，可将下部不稳定的岩层锚固在上部稳定岩层中，同时可施加预紧力，主动支护围岩，能够充分调动巷道深部围岩的强度。1.3 围岩与支护结构的相互耦合在巷道围岩形成过程
5、中，塑性圈逐渐扩大，但是处于塑性状态的围岩不会马上失去承载力，仍然具有一定的承载力。巷道耦合支护就是要充分发挥此时的围岩自稳能力。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力的合力为 P，则巷道耦合支护原理可以表示为 P=P0+P1+P2P挖掉巷道岩体后围堰向临空区运动的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等P0以变形的形式转化的工程力，主要是塑性能以变形的方式释放。P1围岩自撑力，即围岩本身具有一定强度，可承担部分或全部荷载。P2工程支护力（1）巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力并不是由工程支护力全部承担，而是由 3 部分共同分担。首先以巷道围岩的弹塑性能以变形的方式释放一部
6、分，也就是说P 的一部分转化为岩体变形。其次 P 的另一部分有岩体本身自撑力承担。如果岩体强度很高 P1P-P0，则巷道可以自稳，一般来说 P1P-P0，故巷道要稳定必须进行工程支护，即加上 P2；（2）一个优化的巷道设计和支护设计应该同时满足三个条件：P0max；P1max；P2min。实际上，要使 P0max，P1就不能达到最大；要使 P1max，P0就不能达到最大。要同时满足 P0max，P1max，关键是选取变形能释放的时间和支护时间。1.4 锚杆与围岩的耦合支护原理巷道开挖后，围岩的受力状态发生改变。不同部位的岩体，由于受力状态不同，所表现出的强度特性也各不相同。巷道开挖后，对于巷道
7、的顶板和底板只要处于受压状态，而岩石的抗拉强度相对较低，因此也极易发生破坏。对于巷道帮部，处于受压状态，因其强度表现比顶底板要高。围岩内部处于三向受力状态，因此其强度表现的最高。当打入锚杆以后由于锚杆和围岩的相互作用，使巷道围岩受力状态发生改变。锚杆对岩体的加固作用机理比较复杂。主要表现在：提高围岩的整体刚度，增强了围岩的抗变形能力，加强了岩体的整体性。如果能深入到围岩的稳定岩层是，主要起悬吊作用。锚杆的组合梁作用。使围岩处于三向受力状态，提高了围岩的承载能力。在不同阶段，锚杆的受力是不同的。在早期阶段，由于巷道顶板破坏范围较小，此时锚杆的主要作用是控制顶板下部岩体的错动和离层失稳的发生；在中
8、期阶段，岩层产生了一定的变形，由于岩石的流变效应，随着时间的推移，岩层强度不断降低，当锚杆深入稳定岩层是，其作用主要是悬吊作用。同时由于锚杆径向和切向约束，阻止破坏岩层的扩容、离层及错动；在后期阶段，围岩变形加大，锚杆受力增大，设计合理情况下，只要锚杆不产生破坏，围岩的稳定性仍然在锚杆的控制范围之内，则锚杆和破坏岩体仍可形成承载圈，具有一定的承载能力。由于岩体开挖，顶部岩体要向下移动、变形，下部岩体和上部岩体的变相大小是不同的，锚杆的存在，增大了岩体整体的刚度，使岩体变形更加协调，下部岩体比上部岩体变形量要大，所以锚杆处于受拉的状态。在耦合条件下，即围岩与锚杆在刚度上相差两个数量级时，锚杆调动
9、岩体强度范围远远超过传统界限。这就是要求在进行锚杆支护设计时，首先要考虑锚杆与围岩的耦合问题。1.5 锚索和围岩耦合支护原理锚索和围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚索支护，都会引起局部应力集中而造成巷道破坏。只有当锚索和围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能相互协调。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散，从而达到最佳支护效果。支护一体化和荷载均匀化，最终实现支护系统的最佳耦合支护状态，进而达到控制围岩稳定性的目的。锚网索耦合支护技术是深部巷道稳定性控制的一种科学合理和行之有效的技术，可为同类巷道的支护提供借鉴和参考。锚索耦合支护技术就是根据位移反分析原理，确定支
10、护系统的最佳支护时间，并且在关键部位实施支护体和围岩的再次耦合，最大限度的发挥围岩的自承能力，从而使支护体的抗力最小。具体实施过程为：巷道开挖后，首先对围岩施加锚网支护，通过巷道顶底板、两帮移近量以及锚杆托盘应力监测，确定支护的最佳时间。对巷道围岩关键部位施加高预应力的锚索，使围岩和支护体达到耦合支护力学状态。其支护的特点是：（1）最大限度的利用围岩的自撑能力（2）最大限度的发挥刚性锚杆的支护能力（3）充分转化了围岩中膨胀性塑性能（4）适时支护，主动促稳而不是被动等稳（5）围岩和支护体实现了优化组合，从而使支护系统达到耦合的最佳支护状态1.6 最佳支护时间和支护时段1.7 最佳支护时间和最佳支
11、护时段的概念岩石力学理论和工程表明，巷道开挖以后，巷道围岩的变形会逐渐加大。以变形速度区分，可划分为 3 个阶段：减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。显然，加速变形阶段可以使 P0max，但却大大降低了P1，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是最佳支护时间和最佳支护时段的确定。最佳支护时间系指可以使（P0+P1）同时达到最大的支护时间。最佳支护时间就是（P0+P1t）曲线峰值点所对应的时间Ts。实践证明，该点与P0t 曲线和 P1t 曲线峰值点所对应的时间基本相同。此时支护使P0在优化的意义上充分的达到最大，
12、同时又保护围岩强度，使其在强度损失在优化意义上达到充分小，亦即其本身自撑力P1达到充分大。最佳支护时间的确定在工程实践中是难以办到的，所以提出了最佳支护时段的概念。最佳支护时段的概念如图3.2所示。图中所示的时段Ts1，Ts2即为最佳支护时段。在工程实施时，只要是在图 4.2所示 Ts 时间的附近时段Ts1，Ts2进行永久支护，基本上可以使 P0和 P1同时达到优化意义上的最大。此时，（P0+P1）max，P1min 也就自动满足。1.8 最佳支护时间的物理意义巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在洞壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷
13、道临空区变形。围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下，切向应力在洞壁发生高度集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态。进入塑性状态的围岩称为塑性区。塑性区的出现，使应力集中从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，又将出现新的塑性区，如此逐层推进，使塑性区不断向纵深发展。1.1 最佳支护时间概念图假若不采取适当的支护措施，临空塑性区将随变形加大而出现松动破坏。塑性区和松动区截然不同，松动区没有承载能力，而塑性区具有承载能力。塑性区可分为稳定塑性区和不稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围，称为稳定塑性区；出现了松动破坏区之后的塑性区，称为非稳
14、定塑性区。稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形；非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为非稳定变形。由于塑性区的出现，围岩的应力状态改变，这种变化对支护体来讲有两个力学效应：（1）围岩中切向应力和径向应力降低，减少了作用于支护体上的荷载；（2）应力集中区向围岩深部偏移，减小了应力集中的破坏作用。应力集中偏移深部后，一方面应力集中程度降低，另一方面深部岩石处于三轴受力状态，其破坏可能性大大减小，因此对于高应力巷道支护来讲，要允许出现稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间 Ts。Ts 之前出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力
15、学含义就是最大限度的发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。它可以通过计算机监控得到，也可以通过现场特征判断直接得到。1.9 锚网索耦合支护的基本特征根据巷道围岩的破坏机理，巷道围岩实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合。1.10 强度耦合由于巷道围岩本身所具有的巨大的变形能，一味采取高强度的支护形式不可能阻止其围岩的变形，从而，也就不能达到成功维护巷道的稳定性的目的。所以，在不破坏围岩本承载强度的基础上，充分释放其围岩的变形能，实现强度耦合，在实施支护。在不破坏围岩的承载能力的前提下，以耦合支护实现高应力地区对锚索的保护。从而，锚索反过来又对围岩的强度进行了修补，并且将应力集中向深部转移。1.11 刚度耦合由于巷道围岩的破环主要是变形不协调而引起的，因此支护体的刚度应与围岩的刚度耦合。一方面支护体要有充分的柔度，充分允许巷道围岩具有足够的变形空间，避免巷道围岩由于变形而引起的能量集聚；另一方面，支护体又要具有足够的刚度，将巷道围岩控制在其允许的范围之内，避免因过度变形而破坏围岩本身的承载强度。这样才能在围岩与支护体共同作用过程中，实现支护一体化，荷载均匀话。在所作的让压试验中，所要实现的就是支护体和围岩刚度的耦合。关键问题在于如何确定让压试件的刚度上。主要影响因素就是适当的围岩变形量和锚杆的
