软岩巷道锚杆支护技术模拟研究

软岩巷道锚杆支护技术模拟研究

许杰

平凉新安煤业有限公司 甘肃省平凉市 744201

摘要：通过数值模拟方法对深部软岩巷道耦合支护机制进行了分析，研究了锚杆支护作用机制，得出了经济、技术合理的巷道锚杆支护适宜的锚杆长度与间排距，对现场锚杆支护设计具有很好的指导意义。

关键词：软岩巷道；锚杆支护技术；模拟研究

1. 引言

近年来，在我国的煤矿开采隧道中，软岩隧道约占1/10。随着采矿变得越来越复杂，深度也在增加，预计未来几年该比率将增加到大约2/10。由于软岩道路在应力作用机理上与硬岩道路不同，因此以往的支撑方式难以满足道路的应力变化要求，不利于支护的稳定性，而且由于目前大多数软岩道路的支护措施不足。当前，在此阶段，仍有许多零件严重变形和损坏，需要重新支护。所以， 迫切需要研究一种符合要求的巷道支护方式， 以确保深部软岩巷道的支护稳定。本文结合地下软岩巷道工程的支护实例， 研究了深部软岩巷道的耦合支护机制， 且对耦合支护在锚杆参数设计中的应用做了技术分析。

二．支护技术概述

应力作用下，岩体相对容易变形。 这种岩体称为软岩，主要包括两大类：工程软岩和地质软岩。 工程岩是指在道路施工过程中由于施工的影响而变形的岩体，其稳定性低，软化系数低。地质软岩具有很强的附着力和较低的硬度。 根据岩石的理化程度和结构性质，可则可以将其划分为高膨胀低强度性质的软岩、破碎性质的软岩、复合性质的软岩、高应力性质的软岩。

耦合支护的设计需满足柔度和强度的要求， 以避免出现围岩应力集中现象， 约束有害变形的扩大，并且还要在刚度、强度与结构方面符合耦合的要求，

图 1 耦合支护的主要特征

之所以结合道路支护的刚度，是因为螺栓作用在围岩上，然后与围岩结合形成合力。 共同受力时，锚杆和围岩会同时出现。 为了均匀地分布应变，围岩应力并使变形一致，必须在支护体和围岩之间实现刚性结合。 如果与围岩的刚度相比支架的刚度明显不足，则不能很好地限制围岩变形的扩展，支架难以满足需求，并且由于变形的增加，隧道不稳定。 如果支护的刚度超过了围岩的刚度，则围岩的变形将不容易消失。当长时间积累时，它会增加支护承受的力，并最终超过支护，从而导致支护损失。

道路支护结构耦合的原因如下所述：过去确定锚杆间距和行距等数据时，如果道路为圆形截面，则道路的整个截面是相同的，而围岩的水平和垂直应力是相同的，则该措施给出的数据是正确的，且利于实际作业 但是，在支护过程中出现的道路轮廓几乎是圆拱形、半圆形拱形或矩形，而且围岩的水平和垂直应力也不相同。 因此，由于通道部分的位置不同，因此支护件周围的围岩作用力也不同。 即，如果支护件的每个部分的强度相同，则应力变化将变得不均匀，局部围岩很可能由于受力过大而发生破坏， 甚至出现局部失稳。

三．软岩巷道的支护技术分析

（一）锚网喷架式支护技术

在实际施工过程中，锚网喷涂框架支护是最常用的支护形式。对于较深的软岩道路，仅靠锚网喷洒框架支护或锚杆（索）支护是不可能有效控制软岩变形的。当面对流变性强的薄弱岩体时，流变性会使隧道收缩并变形。对于深软岩石中的道路或受水严重影响的道路，如果难以确保螺栓（索）结构的质量，则可以在锚网支护上添加钢框架支护。即使在易于流变变形的软岩路面上，支护结构也得到了有效改善。目前，钢棚支护主要包括U型钢支架、填充混凝土和工字梁的钢管支架。锚网喷框架支护与钢棚支护的结合可以充分利用钢结构被动柔性支护和锚杆主动刚性支护的优势，而实现主动支护与被动支护的组合 、柔性支护与刚性支护的联结。

（二）锚注式支护技术

锚固支护是一种可以提高软岩路面支护效果的支护方法。注浆技术主要是根据锚杆的支撑效果进行的，以扩大松环的范围，软岩稳定性的目的。中空注浆锚是用于锚固和支护的主要锚，注浆的主要成分是化学浆、水泥、CS砂浆和水玻璃。用空心注浆锚泵抽高压泥浆，使泥浆处于破碎的软岩石区这是锚固注入的主要原理，以实现软岩稳定性结构内的有效扩散，即有效地填充软岩石的裂缝，然后防止裂化水自由流动。浆液固化后，它会形成具有有限压力和锚杆的坚固软岩稳定性结构，以提高软岩的强度并防止其发生大规模变形或移位。但是，该技术的支持费用比较大，注浆用浆液的应用范围较小，所以尽管其对稳定性差、破碎程度大的围岩巷道的运用效果较好，但不能有效地推广。

（三）锚网喷支护技术

在锚杆支护的前提下，喷射混凝土与钢筋网相结合形成的联合支护系统是锚网喷淋支护技术。锚网喷淋支护技术的主要工作原理是可以充分发挥锚杆的悬挂作用，另外，有必要在软锁的表面上悬挂金属网，以使稳定性差的软岩石不会掉落。使用喷射混凝土，可以在开挖软岩后立即关闭软岩，及时填充软岩的裂缝，确保软岩的干燥性，并防止软岩的风化。带有锚网支撑结构的混凝土喷淋的使用可以大大提高支撑结构的整体稳定性并增强支撑效果。另外，喷射混凝土可以有效地解决锚杆的渗漏问题，可以适当提高舒适度和美观性。对于浅而平坦的岩石道路，最好使用锚网喷淋支撑结构。

4. 实例分析

根据支护现场实际情况，所选锚杆的长度从小到大分别为2.2m、2.4m、2.6m、2.8m、3.0m和3.2 m，成排排列。顺序为0.6m×0.6m、0.65m×0.65m、0.7m×0.7m、0.75m×0.75m、0.8m×0.8m和0.85m×0.85m，各种情况下的数值模拟，在模拟中将锚杆分为梁结构单元，泊松比和弹性模量分别为0.25和190 GPa。从计算结果可以看出，当锚杆长度固定时，围岩的会聚变形和塑性区范围随热间距的增大而增大。当行距固定时，会聚应变塑性区域的范围会随着锚杆长度的增加而减小。计算结果是，当锚杆长度为2.4m且行数为0.80m×0.80m时，最大变形范围和塑性区域为387.9mm和2.7m。如果锚杆的长度为3.2 m，行排的距离为0.6 m×0.6 m，则形变区和塑性区的最小值分别为213. 6 mm、1.7 m。在图2中，z轴是塑性区的范围，x和y轴分别是锚杆长度和间排距，并显示了塑性区区域的分布。

从图2（a）可以看出，锚杆的长度不超过2.8m处的螺栓长度越长，塑料区域的范围越清晰。 如果螺栓的长度超过2.8 m处的这种变化尚不清楚，并且随着锚的长度增加，支撑成本也会增加，因此最佳长度应为2.8 m。 在图2（b）中，当锚之间的行距不超过 0.7 m × 0.7 m 时，将螺栓放置在 0.7 m × 0.7 m 处越近，会聚应力的减小越明显。 在 0.7 m × 0.7 m 时，这种变化开始变得微不足道，因此螺栓之间的最佳间距应为0.7 m x 0.7 m。

图2 不同锚杆长度、间排距时围岩塑性区及位移分布

4. 结论

综上所述，围岩由锚杆、锚索和注浆有效地支撑，以改善应力条件并提高抗变形能力。 同时，通过采用耦合技术，优化了支撑参数，确定了巷道锚杆支护的最适宜锚杆长度与间排距，从而提高了锚的整体刚度并确保了结构稳定性。

参考文献

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