錨噴支護(hù)原理與應(yīng)用

文/張全森，淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦

1 軟巖巷道圍巖變形破壞力學(xué)機(jī)制

巖體工程與巖石工程不同，巖體不僅是一種材料，而且還是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變環(huán)境。地下工程的開挖實(shí)際上就是巖體在某一方面的應(yīng)力或應(yīng)變得到釋放，從而破壞了原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，使巖體產(chǎn)生新的變形，甚至斷裂破碎。巷道在開挖前，巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)。開挖后變成二向受力，巷道徑向應(yīng)力(最小主應(yīng)力)降為零，并向圍巖內(nèi)部逐漸增大；而巷道周邊切向應(yīng)力(最大主應(yīng)力)達(dá)到最大值。這時(shí)圍巖產(chǎn)生三個(gè)方面的變化：一是由三向應(yīng)力變成二向應(yīng)力狀態(tài)，巖體強(qiáng)度急劇下降；二是地應(yīng)力以應(yīng)變能的形式一部分隨開挖而釋放，即圍巖的卸載回彈；三是產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和應(yīng)力的重新分布。

應(yīng)力集中后，如果巖體受力超過其強(qiáng)度，在最小主應(yīng)力降低過程中，巖體儲(chǔ)存的能量足以使巖體屈服破壞，使應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，直到巖體處于彈塑性變形的原巖完好狀態(tài)為止。巷道的開挖相當(dāng)于卸荷過程，巷道在開挖后，頂?shù)装搴蛢蓭统l(fā)生瞬時(shí)彈性恢復(fù)外，開挖巖體的垂直方向的應(yīng)變能將儲(chǔ)存到兩幫，水平方向的應(yīng)變能將儲(chǔ)到頂?shù)装濉Ｔ趪鷰r應(yīng)力調(diào)整過程中巷道圍巖將出現(xiàn)三個(gè)區(qū)，即殘余應(yīng)力區(qū)(塑性軟化區(qū)、塑性流動(dòng)區(qū))、塑性區(qū)(塑性硬化區(qū))、彈性區(qū)，三區(qū)的力學(xué)行為與巖石全應(yīng)力變曲線中的相應(yīng)段是對(duì)應(yīng)的。

2 錨噴支護(hù)原理

2.1 噴層的力學(xué)作用

2.1.1 防護(hù)加固圍巖、提高圍巖強(qiáng)度

巷道掘進(jìn)后立即噴射混凝土可及時(shí)封閉圍巖暴露面，由于噴層與巖壁密貼，故能有效地隔絕水和空氣，.防止圍巖因潮解風(fēng)化產(chǎn)生剝落和膨脹，避免裂隙中充填料流失，防止圍巖強(qiáng)度降低。此外高壓高速噴射混凝土?xí)r，可使一部分混凝土漿液滲入張開的裂隙或節(jié)理中，起到膠結(jié)和加固圍巖的作用，從而提高圍巖的強(qiáng)度。

2.1.2 改善圍巖和支架的受力狀態(tài)

加有速凝劑的混凝土可在噴射后2～20min內(nèi)凝固，及時(shí)向圍巖提供了支護(hù)抗力只(徑向力)，使圍巖表層巖體由未支護(hù)進(jìn)的二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，噴層是一種柔性支架，它允許圍巖因?qū)で笮碌钠胶馑a(chǎn)生的有限位移，并可發(fā)揮自身變形的調(diào)節(jié)作用逐漸與圍巖協(xié)調(diào)，從而改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，減低圍巖應(yīng)力，允許發(fā)揮圍巖的自承能力。

2.2 錨桿的力學(xué)作用

錨桿對(duì)圍巖引起的力學(xué)效應(yīng)如下：

2.2.1 懸吊作用：認(rèn)為錨桿的作用是將不穩(wěn)定的巖層懸吊在堅(jiān)固巖層上，以防止圍巖移動(dòng)滑落。錨桿本身受拉，其應(yīng)力即為所懸吊巖體的重量。在塊狀結(jié)構(gòu)或裂隙巖體中使用錨桿可將松動(dòng)圈內(nèi)的松動(dòng)巖塊懸吊在穩(wěn)固的巖體上，也可把節(jié)理弱面形成的巖塊連接在一起，阻止其沿弱面滑動(dòng)。

2.2.2 減跨作用：在巷道頂板巖層中打入錨桿，相當(dāng)于在巷道頂板上增加支點(diǎn)，從而減小頂板巖層的應(yīng)力，起到維護(hù)巷道的作用。當(dāng)然，要使錨桿能有效地起到懸吊和減跨的作用，錨桿頂端必須錨固于堅(jiān)硬穩(wěn)固的巖層中。

2.2.3 組合作用：在層狀巖層中打入錨桿把薄層巖層錨固在一起，類似于將疊置的板梁組成組合梁，從而提高了頂板巖層的自承能力，起到了維護(hù)巷道的作用。

2.2.4 擠壓加固作用：預(yù)應(yīng)力錨桿群錨入圍巖后，其兩端附近巖體形成錐形壓縮區(qū)。按一定間隔距離排列的錨桿，在預(yù)應(yīng)力的作用下構(gòu)成一個(gè)均勻壓縮帶(承載環(huán))，承載環(huán)中的巖石由于預(yù)應(yīng)力的作用處于三向應(yīng)力狀態(tài)，顯著地提高了圍巖的強(qiáng)度。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

在錨噴組合拱支護(hù)中，錨桿是支護(hù)的主體，它將松動(dòng)圈內(nèi)的破碎圍巖重新組合起來形成組合拱，噴層起封閉圍巖及錨桿之間圍巖的支護(hù)作用。由于軟巖巷道圍巖變形明顯，通常剛性的噴層不適應(yīng)較大變形要求。因此，金屬網(wǎng)在錨噴網(wǎng)組合拱支護(hù)中顯得尤為重要。金屬網(wǎng)的主要作用是：①金屬網(wǎng)同噴層結(jié)合在一起，提高了噴層純度和抗變形能力；②金屬網(wǎng)同錨桿組成一體維護(hù)組合拱的穩(wěn)定，可調(diào)節(jié)錨桿的受力狀態(tài)；③金屬網(wǎng)同噴層一起防止錨桿之間破碎巖塊的冒落(尤其是煤巷中作用更明顯)。

4 結(jié)論

軟巖巷道采用錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，改變了圍巖內(nèi)部應(yīng)力，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)承載，原來需要一定強(qiáng)度的支架支撐的巖體變成了支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，充分地利用了巖體的自身強(qiáng)度。錨噴支護(hù)是一種主動(dòng)支護(hù)形式，可以有效地保證巷道的使用斷面。錨噴支護(hù)是未來軟巖巷道支護(hù)的重要發(fā)展方向之一。

[1]張開智,夏均民,蔣金泉.軟巖錨桿強(qiáng)殼體支護(hù)結(jié)構(gòu)及合理參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004.23(4)：668一672.

[2]何滿潮,孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計(jì)施工指南[M].北京：科學(xué)出版社,2004.