赵鸣
（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，中国 北京 100120）
【摘要】受采动影响，软岩巷道支护难度较大，从软岩分类及其工程力学特征和软岩巷道锚网索耦合支护策略两方面对软岩巷道锚网索耦合支护进行了探讨，分析了锚网索耦合、最佳支护时间、围岩结构耦合、支护系统耦合等关键问题，为支护方案确定提供理论基础。
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关键词 软岩回采巷道；软岩变形力学机制；锚网索+W钢带耦合支护
Introduction of Bolt-Net-Anchor Coupling Support of Soft Rock Roadway
ZHAO Ming
(Beijing Huayu Engineering Co., Ltd., Beijing 100120, China)
【Abstract】Influenced by mining, supporting of soft rock roadway is difficult. In this paper, based on the classification of soft rock and its engineering mechanics characteristics, bolt-net-anchor coupling support of soft rock roadway strategy, this support technology is discussed, bolt-net-anchor coupling support, the optimal supporting time, surrounding rock structure coupling and supporting system coupling is analyzed, providing theoretical basis for supporting plan.
【Key words】Soft rock roadway of workface; Mechanics of soft rock deformation; Bolt-net-anchor+W-steel-strip coupling support
1软岩的概念、分类及其工程力学特性
1.1软岩的概念
从20世纪60年代到90年代初，国内外对软岩概念的定义有几十种之多[1-5]，在近几年的文献中，对软岩概念的定义仍然各不相同，总括来说，为了便于理论研究及工程应用，将软岩分为地质软岩和工程软岩。对地质软岩的定义分为描述性定义、指标化定义和工程定义三大类别。
1.1.1地质软岩
描述性定义：
（1）陆家梁提出相对于坚硬岩层而言，松散、软弱的岩层称之为松软岩层；
（2）郑雨天等认为具有软弱、松散、高应力、膨胀等性质的岩体，统称为软岩；
（3）朱嘉效认为松软岩层系松散破碎、软弱、强风化和膨胀性岩层的总称；
（4）原东煤公司的曾小泉高级工程师认为：松软岩层系松散破碎、软弱、强风化和膨胀性岩层的总成。
指标化定义：
（1）抗压强度小于20MPa的岩层软岩；
（2）G.Russo定义：单轴抗压强度小于17MPa的岩石为软岩；
（3）把单轴抗压强度与岩石体积质量与深度乘积的比值小于2的岩层称为软岩。
工程定义：
中国矿业大学董方庭教授、鹿守敏教授以围岩松动圈的大小作为依据分别定义了软岩，前者认为松动圈厚度大于1.5m的围岩统称为软岩，后者定义松动圈厚度大于1.5m并且用常规支护不能满足巷道支护要求的围岩称之为软岩。
1.1.2工程软岩
何满潮教授提出“工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体”，工程软岩满足以下条件：
σ≥[σ]U≥[U]（１）
σ——工程载荷，MPa；[σ]——工程岩体强度，MPa；U——巷道变形，mm；[U]——巷道允许变形，mm。
1.2软岩的分类
根据软岩的强度特性、结构面、泥质含量及其塑性变形力学特点，将软岩分为高应力软岩、节理化软岩、低强度软岩和复合型软岩[6]。
我们把在较高应力水平条件下（>25MPa）才发生显著变形的中高强度工程岩体称为高应力软岩;把含泥质成分很少(或几乎不含)的,在地质运动过程中形成了多组节理,有的岩块强度颇高,呈硬岩力学特性,但是整个工程岩体在巷道工程力的作用下发生了显著的变形,呈现出软岩的特性的岩体称之为节理化软岩;把含有黏土高膨胀性矿物在较低应力水平（<25MPa）条件下即发生显著变形的低强度工程岩体称之为低强度软岩；把具有上述三种软岩类型组合特性的岩体称之为复合型软岩。
1.3软岩的工程力学特征及软岩巷道工程变形力学机制
1.3.1软岩的工程力学特征
软岩的工程力学特性是受软岩中的泥质成分、结构面和岩粒内聚力控制的，其中泥质成分遇水易膨胀，结构面在工程力作用下易于发生滑移，而岩粒的内聚力低造成了软岩在受力情况下显现出分散性，软岩除了具有以上性质外，可塑性，崩解性等特性也属于软岩的力学特征[7]。
软岩不同的工程力学特征显现是由不同的软岩工程力学机理造成的，如表1所示：
1.3.2软岩巷道工程变形力学机制
软岩巷道工程从最初的巷道产生过量变形到局部破坏再到整个巷道和支护系统的失稳，有着一系列复杂的变形力学机制，这些复杂的变形力学机制是造成软岩巷道工程失稳的根本原因[8-11]，通过大量的理论分析和工程实践总结，将软岩巷道工程的变形力学机制分为物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型三类，具体内容见表2：
2软岩巷道锚网索耦合支护策略
巷道的破坏首先从关键部位开始，关键部位产生的根本原因是支护体力学特性与围岩力学特性的不耦合造成的，因而在支护过程中，要基于“耦合”角度，充分考虑支护体与巷道围岩的相互作用，最大限度的发挥围岩的自承能力，维护巷道的稳定性。
2.1锚网索耦合支护
2.1.1锚网索耦合支护概念
软岩巷道工程支护系统的失稳主要是因为支护体与围岩在刚度、强度以及结构面上与围岩的力学特征出现不耦合而造成变形不协调，从而产生有害变形，并首先从某一部位开始产生破坏，最终导致整个支护系统的失稳。锚网索耦合支护就是通过锚网-围岩、锚索-关键部位支护的耦合，限制围岩产生有害变形，使得支护体与与围岩形成一个整体，围岩载荷均匀作用于支护体之上，充分发挥围岩自承力，实现巷道支护的稳定[12]。
2.1.2锚网索耦合支护特征
由软岩巷道的破坏机理可知，软岩巷道破坏失稳的根本原因是支护体与围岩的不耦合造成的，可知，要实现锚网索耦合支护，其必定满足支护体与围岩在刚度、强度和结构上的耦合。其基本特征见图1：
2.2最佳支护时间和最佳支护时段
大量的工程实践表明，巷道开挖后，应力重新分布，巷道围岩变形量会逐步加大，但其变形速度会逐步降低，近似可划分为加速阶段、平稳阶段和减速阶段。在加速变形阶段，围岩产生新裂隙，其强度必定大大降低，然而，从另一方面讲，这样却可以使围岩释放过多积蓄的能量，使得巷道围岩刚度过度强于支护体刚度而不能达到支护系统耦合的问题得到解决。过量的变形会使巷道围岩彻底破坏失稳而失去自承能力，变形量过小又会导致所需支护体刚度的加大，增加支护成本，降低支护效果。在这种情况下，寻找出某一时间，在该时间内，既能使巷道围岩积蓄的能量充分释放，又能满足巷道围岩不失去自称能力，我们称之为最佳支护时间。如图2所示。图中P1代表以变形形式转化的工程力，P2代表了围岩自撑力，曲线P1-t和曲线P2-t两条曲线的交点即时最佳支护时间Ts。然而，捕捉一个精确的时间点，在巷道支护过程中是很难办到的，鉴于此，又提出了最佳支护时段。其图上意义如图2中阴影部分所示。
2.3巷道围岩结构耦合设计
巷道是布置在围岩中的通道，因此，巷道的稳定性必定与所处围岩的结构状态密切相关。围岩的结构状态可以分为整体结构、块状结构、块裂结构、破裂结构和散体结构，其支护难度由弱到强，不同的巷道断面形式适用于不同的围岩结构，因此，在支护过程中，要充分了解巷道的围岩结构状态，选择合理的巷道高度及断面形式，充分提高围岩自身强度，达到结构上的耦合[13]。
1.整体机构；2.块状结构；3.快裂结构；4.破裂结构；5.散体结构
2.4支护系统耦合设计
支护系统的耦合设计主要由锚杆-围岩的耦合设计和锚索-关键部位的耦合设计两部分组成，具体包括在特定的巷道围岩条件下选取合理的锚杆杆体材料、锚杆护表构件、网梁和钢带等。在确定巷道最佳支护时间段的基础上，对巷道进行及时支护，使支护体和围岩形成一个统一的支护系统，达到提高整个支护系统稳定性的目标。
2.4.１支护体材料选取原则
（1）要达到锚杆杆体与巷道围岩的相互耦合，数值模拟和工程实践表明，一般情况下，二者的弹性模量相差两个数量级为宜。
（2）锚杆托盘的选取是否合理对锚杆的支护效果有着重要的影响，锚杆托盘的选取主要包括托盘强度的选取和托盘尺寸的选取，在强度的选取上，托盘的强度一般要小于锚杆杆体强度，在尺寸选取上，根据不同的巷道围岩条件和支护条件，选取不同尺寸的托盘，对于破裂，散体结构的巷道围岩，一般选取较大尺寸的锚杆托盘。
（3）根据不同的巷道围岩结构状态，选取不同强度和尺寸的网，一般情况下，金属网适用于破裂、散体结构的巷道围岩，在巷道围岩结构状态较好的情况下，一般选取塑料网、菱形网或者经纬网。
（4）钢筋梯主要应用于支护强度较小的巷道，对于巷道围岩结构状态差、支护强度大的巷道，一般情况下选择钢带。
2.4.2锚杆护表构件的作用
（1）托盘的作用
锚杆是由杆体、锚固粘结体和托盘三者组成，托盘对锚杆作用的发挥有重要影响，托盘是产生托锚力的主要构件，同时对剪锚力也产生重要影响。托盘受载后将力传递给锚杆杆体，又进一步约束围岩的变形，提高围岩的稳定性。特别是在软弱围岩中，没有托盘常常不能有效地防止锚杆端部附近围岩坍塌。
托盘对全长锚固式锚杆轴力的分布影响较大，由图可知，带托盘的全长锚固式锚杆轴力相对与无托盘锚杆来说，轴力曲线更加均匀，最大点出现在托盘附近，更靠近巷道表面，因此应该加强锚杆尾部丝扣部分的强度。此外，托盘的存在使锚杆外端的剪应力为零或负值，避免了岩体受剪切破坏和锚杆向岩体内部滑动。
（2）网的作用
锚杆支护中，锚杆之间的岩层是极易产生有害变形的，高质量的金属网能在一定程度上控制这部分岩层变形，对挤入巷道的破碎岩石起到顶托作用，维持支护系统的一体，确保锚杆对巷道围岩的加固作用。其主要作用有：
①能够一定程度上阻止破裂岩块的垮落；
②能够对锚杆之间无法锚固的岩层起到顶托作用，并将这部分载荷传递给锚杆；
（3）钢带的作用
锚带支护为锚杆加固和钢带的支护融为一体的支护形式，钢带可以对锚杆之间非锚固岩层起到顶托作用，并起到压缩围岩表面，使围岩表面受力趋向均匀，在一定程度上使得各锚杆受力均匀，通过钢带使受力过大的锚杆将部分载荷传递给受力较小的锚杆，协调锚杆的受力状态，并和锚杆组成一个整体的支护构件，增强了整体支护能力。
对锚杆预紧力的扩散作用数值模拟分析：
为了模拟钢带支护时锚杆施加的预应力在顶板岩层中扩散作用，采用了同等支护密度的情况下，有钢带和无钢带两种方案进行模拟对比分析。形成的锚杆预应力扩散如图6所示。
从图7中可以看出以下几点：
①无钢带时，锚杆形成的有效压应力区，无论在锚杆尾部还是中部，都是彼此独立的。特别是在顶板表面附近，有效压应力区呈圆形分布，相互不衔接，锚杆之间的压应力很小，锚杆不能有效支护锚杆之间的围岩。
②有钢带时，锚杆形成的有效压应力区在沿钢带长度方向上显著扩大。在顶板表面附近，有效压应力区呈椭圆形分布，彼此相互衔接，形成连续的有效压应力带，预应力扩散范围大，锚杆能有效的支护锚杆间的围岩。
③钢带实现了锚杆预应力的有效扩散，显著提高了对锚杆之间围岩的支护作用，支护系统的整体支护效果明显改善。
3结论
本文提出了软岩的概念，并分析了软岩的工程力学特征及工程变形力学机制，并在此基础上提出了工程软岩的耦合支护，从围岩结构和支护系统上达到耦合，并分析了最佳支护时间和最佳支护时段，为支护方案确定提供理论基础。
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［责任编辑：汤静］