徐鹏 叶洲元

前言

我国矿山在岩巷利用锚喷支护形式已有六十年的历史，对锚喷支护有了深入的了解：锚喷支护是锚杆和喷射混凝土面板组合的支护。其主要作用是约束围岩变形，调节围岩应力的分布，防止松散坠落[1]。在岩巷实施以“三小”（小直径钻孔、小直径药卷和小直径钻杆）为代表的锚喷支护技术，结合光面爆破技术，形成我国特色的光爆锚喷技术。从我国锚杆支护形式发展的角度来看，1956年首先采用的主要是钢丝绳砂浆锚杆和机械锚固锚杆;1960年开始在岩巷中选用喷浆、喷射混凝土支护;1974年开始研制和试验树脂锚杆，1976年进行井下试验，取得较好成效;1980年开始引进和应用了管缝式锚杆、水力膨胀式锚杆等，并自主研制了低价的快硬水泥锚杆;1996年引进高强度树脂锚固锚杆;2005年开始提倡“三高一低”的新设计观念。在维持巷道安全与支护效果基础下，为巷道掘进速度与工作效率提供有利条件[2]。目前，这些技术在国内外矿山中锚喷支护技术已得到普遍应用，是矿山实现安全、高产和高效等条件的关键技术之一。当一些矿山进入深部采掘后，也多数采用锚喷支护，但这些支护在掘进或采矿过程中常常出现破坏。特别是在软岩巷道中，伴随着开巷后围岩松动圈的发展，锚杆锚入岩体后受到围岩碎胀变形力的作用而承受拉力。松软岩层通常在开巷后1-3个月才能形成稳定的松动圈。这些破坏不仅给矿山开采造成巨大威胁，也给工人人身安全造成严重危害。为了维持围岩稳定和巷道通畅，煤矿巷道掘进后通常都要进行支护。巷道的支护成本、快慢及质量对矿山企业的安全生产与经济效益有很大影响。

1 锚喷支护理论研究现状

锚杆支护理论既是锚杆支护设计的前提条件，也是研究锚喷支护的必要条件。国内外许多学者积极开展研究，并取得了卓越的成就。在锚杆支护的发展历程中，主要出现了以下几种锚杆支护理论：

1.1 悬吊理论[3]

该理论指出，锚杆把巷道顶板较弱岩层悬吊在其上面的稳定的岩层，增大软弱岩层的稳定性。

该理论不考虑围岩的自承能力，并把围岩体与锚固体分离，这和实际情况有明显的差异。悬吊理论不能解释，若是在顶板中没有较坚硬稳定岩层或较厚顶板软弱岩层，围岩破碎范围较大，锚杆不能锚固到上面坚硬岩层或自然平衡拱上，这种情况下支护仍然有效的缘由。除此，该理论仅研究了锚杆的被动抗拉作用，没有研究抗剪能力和整体强度。

1.2 组合梁理论[3]

该理论指出，若是没有坚硬稳固岩层给软弱岩层提供悬吊支点的薄层状岩层，就可以利用锚杆的拉力把层状岩层组合，变成“组合梁”。

组合梁理论只分析了锚杆对岩层间离层和滑动的限制作用，没分析水平应力对组合梁强度、稳定性及锚杆载荷的作用和锚杆对岩体强度、变形模量及应力分布的影响，因此只适用在层状顶板，对巷道的帮、底部不适用。

1.3 减跨理论[3]

该理论以组合梁和悬吊理论为基础，该理论在注重锚杆悬吊作用基础上，又注重锚杆缝合顶板层状围岩的作用。该理论把不稳定的顶板层状岩层视为支撑在两帮上的叠合梁或板，在进行支护时，锚杆穿过叠合梁，把其锚固在稳定的岩层中。

若是顶板没有较坚硬稳定的岩层以及无法把锚杆固定到强硬稳定的岩层上或巷道两帮不稳定、容易片帮，不能支撑顶板时，那么该理论就不适用。

1.4 最大水平应力理论[3]

大量国内外井下地应力测量结果表明，岩层中的垂直应力大多数情况下小于水平应力，且水平应力具有明显的方向性，和最小水平主应力明显低于最大水平应力（1.5～2.5倍），这种趋势在浅部矿井很明显。因为最大水平应力基本沿层理方向，岩层很容易出现水平错动和离层，以及沿轴向的岩层膨胀或者巷道两帮收缩。

1.5 松动圈支护理论

该理论是由董方庭[4]提出。他指出在掘进巷道后，支护的最大荷载是围岩松动圈形成的碎胀（剪胀）力。若是裸露的隧道，在其围岩松动圈都接近没有，隧道围岩的弹塑性虽然有变形，但是不需要支护松动圈越大，收敛变形越大，支护难度系数也就越大。支护为了在松动圈发展中限制产生的不利变形。该理论多数运用在矿山体系。

1.6 巷道蝶形破坏理论

赵志强[5]等提出巷道围岩蝶形理论，该理论建立巷道围岩破坏形态与非等压区域应力场的力学模型，基于孔洞围岩破坏的平面应变模型，研究圆形巷道围岩塑性区形态和扩展规律。其中王卫军[6]等指出巷道围岩失稳主要是塑性环的局部畸变导致塑性区的恶性扩展，关键对策是控制塑性环的局部畸变。

近些年来，伴随锚杆支护技术发展，锚杆支护理论不断完善。从悬吊理论到巷道蝶形破坏理论，人们逐步认识到：（1）预应力能够决定锚杆支护;（2）锚杆能够增加围岩强度;（3）锚杆能够限制滑动节理裂隙展开、围岩结构面离层等扩容变形;（4）錨杆能够维持围岩完整性的重要性。这些认识提高了锚杆支护的效果，为软岩巷道、深部巷道等复杂困难条件下的锚杆支护提供了有用的理论指导[3]。

2 锚喷支护力学计算研究现状

本文虽然是讨论锚喷支护的研究，但是相关锚杆支护、锚喷结构的研究成果仍然具有参考价值。这里主要对国内学者从力学数学计算和支护技术两个方面对锚杆支护的研究成果进行总结：

郑颖人[7-8]等基于（粘）弹塑性力学，推导各种侧压力系数下锚喷支护参数的解析计算式，求解隧洞粘弹一塑性围岩中应力和位移公式，并研究锚杆和喷混凝土的设计方法。郑颖人[9]等根据强度折减法求解围岩稳定系数，研究锚喷的设计计算。常聚才[10]等研究深部开挖后围岩应力演化特征和变形破坏规律。郑强[11]等以双剪统一强度理论基础，推出双向等地应力情况下无限均匀介质中锚喷支护圆形洞室围岩的应力场、位移场及塑性区半径解析解。吴祥云[12]等研究了平面应变条件下圆形洞室动力分析的理论解析解，并对不同结构厚度及不同坚硬程度的岩体进行了理论计算。朱万成[13-14]等基于有限元和（回归）正交试验法，合理选择锚喷参数。张伟[15]等基于地面大跨度空间壳体结构的力学原理，研究围岩和支护结构的相似准则。陈勇军[16]等根据大跨度壳体和网壳锚喷支护结构基础上，研究了半刚性钢筋网壳锚喷结构的力学特性。康红普[17]等指出高预应力、强力支护理论。柏建彪[18]等指出深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术。陈勇军[19]等在网壳锚喷结构支护技术特点的基础上，阐述了其支护机理，并简述了网壳喷层支架试验结果。何满潮[20]等为提出切顶卸压沿空留巷新技术，建立了不同顶板位态下“围岩结构-巷旁支护体”力学模型，推导出巷旁支护阻力的计算方法，并提出聚能预裂爆破等围岩控制技术。

以上成果基本以（粘）弹塑性力学角度，认为巷道围岩稳定与岩体应力状态、支护强度、锚喷参数、锚喷结构等密切相关。这些研究主要集中在静载荷范畴内对锚杆群体与围岩相互作用，而锚杆与围岩组合体受到开挖等（准）动载荷作用的力学行为研究不多。何满朝等虽建立了不同顶板位态下力学模型，并对聚能预裂爆破等围岩控制技术进行研究，但没有对围岩和支护的相互作用和爆破作用下对支护作用的影响进行深入研究。

3 锚喷支护数值模拟研究现状

锚喷支护的力学机理比较复杂，实验无法直接模拟出锚喷支护的现场地质条件，并且在现场进行大试件实验成本代价太高。锚喷支护数值模拟既能够合理的选择实验中施工参数，又能够模拟出其他附加的边界条件。目前大部分学者通过数值模拟对实验进行验证来确保其准确性。由此可见数值模拟是研究锚喷支护结构的重要手段，弥补了实验中多方面的不足，国内学者结合数值模拟对锚喷支护进行了大量的研究：

林惠立[21]等运用FLAC3D分析了耦合支护后泵房立体交叉硐室群应力场、位移场和破坏区特征，并对硐室稳定性和支护参数的合理性做出了评价研究。高谦[22]等采用数值模拟，在考虑围岩的碎裂形变和峰后特性的基础上，分析高应力巷道的锚喷支护。康红普[23]等运用有限差分数值计算软件分析不同预应力下锚杆、锚索产生的应力场分布特征。肖明[24]等采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法，分析计算复杂的地下泄洪洞的开挖和支护。曹学兴[25]等运用隐式杆单元模拟锚杆和壳单元来模拟混凝土喷层，运用三维非线性有限元技术来分析喷锚支护措施的作用。崔芳[26]等运用MIDAS/GTS软件分析了断层影响下的锚喷支护效果。张伟[27]等运用FLAC2D数值模拟分析软岩巷道网壳锚喷支护和普通锚网喷支护，对巷道位移、应力分布状态及塑性区进行了对比分析。陈勇军[19]等利用ANSYS软件对整架网壳喷层结构进行模拟，优化其设计。隋红军[28]等采用ADINA大型非线性有限元分析软件，对隧道的锚喷衬砌支护进行受力模拟分析，与使用普通混凝土进行了比较。

以上成果主要是利用数值软件在静载荷范畴对锚杆支护与围岩相互作用进行模拟研究，对深部巷道单体锚杆与围岩组合体受到开挖等（准）动载荷作用的数值模拟基本上没有，主要是因为动荷载的瞬时性、破坏性大、不好测量等特点，而且影响动荷载因素很许多，很难准确估计。

4 锚喷支护试验测试研究现状

从相似模拟实验和试验观测，这两个角度不仅可以直观的锚喷支护在不同荷载下的实际变化，而且更是探索现场实际工程条件对锚喷支护结构最为可靠的方法，众多学者、专家在隧道、巷道工程试验测试实测方面取得了一系列的研究成果：

牛双建[29]等通过模型内部切片获得无支护条件下深巷围岩的破坏模式和范围，运用三维应力测试元件揭示深井巷道不同深度处围岩真实的加卸载应力路径与开挖前后应力状态。张金松[30]等吸取大跨度空间网架结构和聚丙烯纤维混凝土的优点，依托典型巷道工程，提出了一种聚丙烯钢筋网架锚喷支护结构。李永和[31]等针对地下采矿环境下重大钢筋混凝土结构或锚喷结构的碳化腐蚀损伤、裂纹扩展、可靠性评估、剩余寿命预测及其优化维修决策等方面作为一个完整的体系，进行了系统的研究与探讨。刘保民[32]等依托大巷围岩工程，通过实测在地应力及构造应力作用下，网壳锚喷支护支架主弦杆、内骨筋的应力分布情况及支架与围岩的接触应力，分析了支架应力分布及其变化规律。张金松[33]等制作一种以顶底板支架和侧帮支架用可缩性垫板形式的3维钢筋支架，研究其在高应力软岩巷道支护中的适用性。唐百晓[34]等分析动压巷道破坏机理与支护原则，并针对下部车场受动压影响的特点，研究和设计了巷道三维钢筋网架锚喷支护新结构。陈勇军[16]等对单片的钢筋网壳及整架支护结构进行了工业性模型试验。朱清云[35]等以软岩巷道为例， 通过对钢筋网壳锚喷结构在工程中的具体应用，对其结构特性、支护作用以及围岩与支护的相互作用进行了分析。李松[36]等通过对比提出双层钢筋网锚喷支护，研究巷道锚喷支护网壳的受力特点和应力分布规律，并通过布置了测站在轨道大巷选取了两个试验段巷道进行了变形监测。何满潮[37]等研制具有负泊松比效应的新型高恒阻大变形锚索，并在现场采用爆破形式检验支护效果。周纪军[38]等选用水泥砂浆和玻璃钢分别模拟岩石和锚杆，浇筑岩体模型，通过模型试验研究近区锚喷结构在掏槽爆破作用下的振动特性。

以上成果基本是从相似模拟实验和实地观测两方面对准静载荷状态下锚喷支护结构（钢筋网架锚喷支护结构、钢筋网壳锚喷结构）进行研究的，而对受到开挖等（准）动载荷作用下锚喷支护结构力学行为研究甚少。动载荷作用对于锚喷支护结构在实际工程支护有不可忽视的影响。何满朝等仅采用爆破形式检验支護效果进行研究，没有对围岩和支护的相互作用进行研究。周纪军等仅模拟在掏槽爆破作用下锚喷结构的振动特性研究，没有考虑实际围岩本身受到的静应力场的影响。

5 展望

上述研究成果主要是基于静力学范畴提出的，而从动力学方面进行的研究甚少。尤其是以上支护理论基本没有涉及到动力学研究。但实际上中，掘进爆破等动力因素对锚杆的支护效果影响较大，因此需要发展与动力学相适应的支护理论或者是将现有的支护理论的研究范畴进一步发展。目前作者基于大学生研究性学习和创新性实验计划项目，提出动静载荷下锚喷结构体破坏实验研究。研究适合于动载荷的锚杆形式，这方面主要是吴秋红[39]等基于SHPB试验平台，研发了一套锚杆动力响应的试验装置，开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。

6 结束语

通过对我国锚喷支护研究现状的深入分析， 概括了我国锚喷支护发展历程，系统总结了锚喷支护理论、力学计算、锚喷支护数值模拟及锚喷支护结构试验测试等方面的研究进展。锚喷支护的目的就是研究如何充分应用围岩自承能力和锚杆群体支撑能力，从而限制围岩变形[3]。但是由于矿山井下环境条件的复杂性和各种支护理论的局限性，在进行支护设计时，有可能造成两个方面的极限问题：一是支护强度太高，不仅初期投资高，而且降低正常掘进效率;二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，妨碍正常生产活动或出现安全隐患，从而引起安全事故的发生;因此锚喷支护参数设计是巷道设计中的一项核心内容，对充分发挥锚喷支护的优越性和保证巷道安全具有重要的意义[3]。目前这些研究主要在准静载荷范畴对锚杆体系与围岩相互作用进行研究，而对岩爆或者是冲击地压下锚喷支护结构受到开挖等（准）动载荷作用的力学行为研究不多，因此爆破掘进过程中深部巷道锚喷支护的研究，仍然是今后研究的重点。

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