锚喷支护原理与应用

2017-12-25张全森淮南矿业集团谢桥煤矿

新商务周刊 2017年23期

文/张全森，淮南矿业集团谢桥煤矿

1 软岩巷道围岩变形破坏力学机制

岩体工程与岩石工程不同，岩体不仅是一种材料，而且还是一个复杂的应力应变环境。地下工程的开挖实际上就是岩体在某一方面的应力或应变得到释放，从而破坏了原有的力学平衡状态，使岩体产生新的变形，甚至断裂破碎。巷道在开挖前，岩体处于三向应力平衡状态。开挖后变成二向受力，巷道径向应力(最小主应力)降为零，并向围岩内部逐渐增大；而巷道周边切向应力(最大主应力)达到最大值。这时围岩产生三个方面的变化：一是由三向应力变成二向应力状态，岩体强度急剧下降；二是地应力以应变能的形式一部分随开挖而释放，即围岩的卸载回弹；三是产生局部应力集中和应力的重新分布。

应力集中后，如果岩体受力超过其强度，在最小主应力降低过程中，岩体储存的能量足以使岩体屈服破坏，使应力向深部转移，直到岩体处于弹塑性变形的原岩完好状态为止。巷道的开挖相当于卸荷过程，巷道在开挖后，顶底板和两帮除发生瞬时弹性恢复外，开挖岩体的垂直方向的应变能将储存到两帮，水平方向的应变能将储到顶底板。在围岩应力调整过程中巷道围岩将出现三个区，即残余应力区(塑性软化区、塑性流动区)、塑性区(塑性硬化区)、弹性区，三区的力学行为与岩石全应力变曲线中的相应段是对应的。

2 锚喷支护原理

2.1 喷层的力学作用

2.1.1 防护加固围岩、提高围岩强度

巷道掘进后立即喷射混凝土可及时封闭围岩暴露面，由于喷层与岩壁密贴，故能有效地隔绝水和空气，.防止围岩因潮解风化产生剥落和膨胀，避免裂隙中充填料流失，防止围岩强度降低。此外高压高速喷射混凝土时，可使一部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节理中，起到胶结和加固围岩的作用，从而提高围岩的强度。

2.1.2 改善围岩和支架的受力状态

加有速凝剂的混凝土可在喷射后2～20min内凝固，及时向围岩提供了支护抗力只(径向力)，使围岩表层岩体由未支护进的二向应力状态变为三向应力状态，提高围岩强度，喷层是一种柔性支架，它允许围岩因寻求新的平衡所产生的有限位移，并可发挥自身变形的调节作用逐渐与围岩协调，从而改善了围岩的应力状态，减低围岩应力，允许发挥围岩的自承能力。

2.2 锚杆的力学作用

锚杆对围岩引起的力学效应如下：

2.2.1 悬吊作用：认为锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以防止围岩移动滑落。锚杆本身受拉，其应力即为所悬吊岩体的重量。在块状结构或裂隙岩体中使用锚杆可将松动圈内的松动岩块悬吊在稳固的岩体上，也可把节理弱面形成的岩块连接在一起，阻止其沿弱面滑动。

2.2.2 减跨作用：在巷道顶板岩层中打入锚杆，相当于在巷道顶板上增加支点，从而减小顶板岩层的应力，起到维护巷道的作用。当然，要使锚杆能有效地起到悬吊和减跨的作用，锚杆顶端必须锚固于坚硬稳固的岩层中。

2.2.3 组合作用：在层状岩层中打入锚杆把薄层岩层锚固在一起，类似于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自承能力，起到了维护巷道的作用。

2.2.4 挤压加固作用：预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成锥形压缩区。按一定间隔距离排列的锚杆，在预应力的作用下构成一个均匀压缩带(承载环)，承载环中的岩石由于预应力的作用处于三向应力状态，显著地提高了围岩的强度。

3 支护设计

在锚喷组合拱支护中，锚杆是支护的主体，它将松动圈内的破碎围岩重新组合起来形成组合拱，喷层起封闭围岩及锚杆之间围岩的支护作用。由于软岩巷道围岩变形明显，通常刚性的喷层不适应较大变形要求。因此，金属网在锚喷网组合拱支护中显得尤为重要。金属网的主要作用是：①金属网同喷层结合在一起，提高了喷层纯度和抗变形能力；②金属网同锚杆组成一体维护组合拱的稳定，可调节锚杆的受力状态；③金属网同喷层一起防止锚杆之间破碎岩块的冒落(尤其是煤巷中作用更明显)。