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深部破碎岩层巷道支护技术研究 【摘要】本文先分析了深部破碎岩层巷道支护存在的问题，接着介绍了深部破碎岩层巷道变形及支护机理，最后对一次支护前巷道变形破坏进行分析，以供参考。 【关键词】深部破碎岩层巷道; 承载圈; 数值模拟 一、前言 随着浅部资源的逐渐减少和枯竭，地下开采的深度越来越大。在浅部属于硬岩的岩层，深部为软岩岩层，巷道围岩的稳定性差，井下作业人员的人身安全得不到保障，因此，深入研究深部破碎岩层巷道支护技术具有重要的意义。 二、深部破碎岩层巷道支护存在的问题 1、深部巷道围岩条件分析 巷道围岩具有薄层状、碎裂、松散、膨胀、强风化蚀变和高地应力作用等特征。岩层力学参数如表1 所示 2、 深部巷道支护存在的问题 深部巷道由于其埋藏较深，巷道围岩处于高应力状态，很难通过目前的支护材料实现一次性支护控制其围岩变形。可用如图1 所示支护体－围岩共同作用关系曲线解释。 如图1 中，对于一般巷道，支护材料极限破坏强度大于所支护围岩可施加的围岩压力，通常情况下可以通过一次支护对围岩变形进行控制。对于深部巷道( 由深部巷道不支护变形阶段、深部巷道一次支护变形阶段、深部巷道二次支护变形阶段三部分构成) ，一次支护后支护材料的临界破坏强度仍小于达到巷道变形施加的围岩压力，因此通常需要二次支护。 尽管深部巷道在一次支护后不能完全控制围岩的变形，但是一次支护后围岩整体的承载性能发生了改变，围岩特性曲线也发生了变化。此时，巷道围岩变形除了与围岩的力学性质及地压特点有关，还与一次支护材料、支护形式有关。 可以看出: 较早地施加支护可以较早地改变特性曲线，提高支护体利用率; 由于一次支护后巷道围岩性质发生了改变，在一次支护后围岩适当变形卸压后进行二次支护，可以实现对围岩变形的控制。 在确定支护方式后，应当对支护材料、支护技术进行针对性地研究。 三、 深部破碎岩层巷道变形及支护机理 1、深部岩层巷道支护技术 由于巷道具有强风化、蚀变、破碎、松散的特征，因此对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围岩整体的自承能力，并阻断围岩表面与水和空气的接触。在顶板和侧帮上部使用焊接网或金属网及锚杆进行支护，并加喷混凝土( 厚50mm 左右) ，阻止破碎岩体垮落。其中，锚杆支护提高岩块间的挤压力，增加了岩块间的啮合程度，提高围岩破碎区域整体强度; 锚网及喷浆提高了巷道表面的完整性，改变了围岩的受力状态。 由于巷道围岩处于高应力状态，一次支护的支护强度往往不足以控制围岩的破坏，因此巷道深部围岩发生较大变形并进入塑性区，在本矿表现为围岩破碎范围增大。在巷道变形相对稳定后，应当选择合理的支护方式，对巷道进行二次支护。选用注浆锚杆及锚索进行支护，注浆实现了在巷道破碎带围岩形成一个整体性较好、足够强度的自撑承压环。 此外，如图2 所示，二次支护还采用锚索支护，使锚杆支护形成的承载拱与深部围岩联系起来，实现更大范围利用围岩自承能力的承载圈抵抗深部高应力。而二次支护的支护力和破碎圈外完整围岩变形可以对一次锚杆支护破碎圈提供更大的压实作用力，提高一次支护承载圈的承载强度。 图2 双承载拱耦合作用机理 2、深部破碎岩层巷道双承载拱支护机理 双承载圈的作用机理为: 一次支护锚杆锚固端为一次承载圈提供力源; 一次承载圈对二次承载圈的变形进行限位约束，阻止二次承载圈内围岩进一步破坏; 一次承载圈和二次承载圈的协调变形压实、强化了一次承载圈，释放了二次承载圈的部分变形能。 叠加拱承载能力可按下式计算: 式中，K 为剪移比例系数，kg /cm3 ; rs为锚杆的半径，m; Ｒ0为全长锚杆中性点半径，m; u0为巷道一次支护前巷道表面位移量，m; u1为巷道一次支护后、二次支护前巷道表面位移量，m; u3为采用锚索支护后的巷道围岩变形量，m; Ec为锚索的弹性模量，MPa; Ac为锚索断面面积，m2 ; Da，Dl分别为锚杆的间、排距，m; Da，Dl分别为锚索的间、排距，m; Ｒ0为巷道的半径，m; θb为承载拱内围岩的内摩擦角，( °) ; ls，lc分别为锚杆、锚索的有效长度，m; a，a 分别为锚杆、锚索在承载拱围岩中的控制角，取45°。通过公式( 1) 结合地应力原位测试或支护后巷道变形监测等手段可以对锚杆锚索长度、参数进行合理选型。 四、深部巷道支护模拟分析 1、一次支护前巷道变形破坏分析 一次支护前巷道变形破坏如图3 所示。由图3可知，顶板破坏深度2. 0m，底板破坏深度1. 0m，两帮破坏范围1. 5m，据此，结合相关理论和上式公式确定顶锚杆长度应取2.4m，帮锚杆长度应取17.8mm。可以看出，深部巷道在不支护的状态下围岩破坏范围较大。因此，模拟在巷道围岩中打锚杆，进行一次支护; 适当变形后在顶板打锚杆及锚索对顶板进行二次支护。 图3 一次支护前巷道铅垂应力及屈服范围 2、合理支护后深