08级岩土方向《地下工程》课程设计 程少北

1、1 原始条件1.1 暗斜井工程概况某煤矿地面标高+45m。-760水平暗斜井包括轨道、皮带、回风三条暗斜井。其中回风暗斜井全长851.83m，倾角250；轨道暗斜井全长960m，倾角220；胶带暗斜井全长996m，倾角210；-760m水平三条暗斜井设计断面均为直墙半圆拱形，支护方式为锚带网，其中锚杆 直径为18mm、长为2m的等强金属螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800mm800mm，金属网为直径4.5mm、网孔100mm100mm的 新河矿暗斜井净断面图冷拔丝焊结而成。 三条暗斜井掘进300m左右时，其中回风和轨道暗斜井破坏最为严重，后经修复，目前仍处于不稳定状态。1.2 地质条件-760m水平

2、三条暗斜井均位于坡刘庄保护煤柱内，其中向北邻近一采区，向东北邻近工业广场保护煤柱，当三条暗斜井即回风暗斜井、轨道暗斜井及胶带暗斜分别到达大约-430、-456和-512水平时，将穿越嘉祥支三大断层，该断层倾角300，落差在120m600m之间，预计断层附近断裂构造将较为发育，也有可能伴生其它构造，另外，由于对嘉祥支三大断层勘探资料较少，对断层的赋水性、导水性、断层带的宽度、充填状况、胶结程度等还有待于进一步查明，或者当工程快接近该断层时，用打超前钻孔的办法详细查明断层的赋存状况，以便为采取有针对性的措施提前作好准备。总之，-760m水平三条暗斜井将绝大部分在3煤顶板岩层中掘进，预计到达-750

3、m水平左右时可能穿过3煤并进入底板岩层中。1.3围岩状况分析-760m水平三条暗斜井所穿越的岩层从下往上为细砂岩、3煤、粉砂岩、中砂岩、泥岩、细砂岩、泥岩等等，而目前掘进实际揭露的顶底板及围岩却为泥质软岩，平均坚固性系数在3左右，其特征是易吸湿、易膨胀、易解体、易剥落以及塑性流变性能大等特征，这是泥岩类中属于质量最差、最难控制的一类泥质软岩。根据现场实际观测、岩样初步实验及数码照片的仔细研究，得出了两点初步结论：（1）三条暗斜井目前已揭露的围岩属于标准的不良地层，其特点是：易吸湿、易膨胀、易解体、易剥落以及塑性流变大等特点，对该类围岩有效控制变形难。（2）三条暗斜井的围岩经过定量的划分，属于类

4、围岩，该类围岩的力学特点是：不稳定、无自稳能力或自稳时间很短；其破坏方式为：易冒顶、易片帮、易底臌、并随时间的延续会发生较大的塑性流变变形。1.4 围岩破坏状况-760m水平三条暗斜井几乎是平行掘进，各条掘进进尺大约都在300m左右，比较这三条暗斜井围岩破坏状况可以发现，胶带暗斜井围岩破坏状况稍轻，回风暗斜井和轨道暗斜井破坏状况却极为严重，后经修复加固之后，目前仍处于极不稳定状态。总之，-760m水平暗斜井无论是顶板、底板、还是两帮其矿压显现都极为严重，这种矿压显现将不同于一般的矿压显现，它还具有随着时间的延续而表现出来的塑性流变性。所以，针对这种特殊性质的矿压显现，必须采取一种特种支护体系，

5、才能长期而有效的控制住暗斜井变形破坏。2 巷道破坏机理分析所谓围岩的破坏机理是指引起围岩破坏的根本原因，它所涉及的因素是多方面的，即有环境因素（自重应力、构造应力等），又有周边采动影响因素，还有支护设计、施工工艺等方面的因素，所以研究围岩的破坏机理是非常复杂的。但这里面存在着一种因果关系，即围岩破坏是果，引起围岩破坏的是因，由果推因是完全有可能的，只要找到了引起围岩破坏的原因，即机理，就有可能采取更有针对性的措施来控制围岩的变形和破坏，从而达到治理的目的。主要从三个方面分析-760m水平暗斜井围岩破坏的机理。2.1岩体自身属性2.1.1岩体的物理化学性质 通过对围岩矿物进行X衍射实验，发现围岩

6、中含有大量的蒙脱石、高岭石和伊利石等膨胀、软化性矿物成分。巷道围岩岩性为泥岩, 且松散、破碎, 层理、节理和裂隙发育, 易风化、水解、臌胀和软化 ,泥质和炭质胶结, 岩体和岩块的强度均很低, 自稳时间短, 属于典型的松散破碎膨胀型软岩巷道。2.1.2岩体的力学性质 目前掘进实际揭露的顶底板及围岩为泥质软岩，软岩中的泥质成分（黏土矿物）结构面和岩粒内聚力控制了软岩的工程力学性质，使其产生显著塑性变形。一般来说，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性、离子交换性和易扰动性。2.1.3岩体的自身结构碎裂结构岩体的工程地质性质 碎裂结构岩体中节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强

7、，其中层状岩体常有平层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大。其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，上具有较高的变形模量和承载力，工程地质性能上好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。软岩的空隙颇为发育，由于大量孔隙和裂隙的存在积水的表面张力，产生了毛细压力，使地下水通过软岩中的微小空隙通道吸入。其上升的高度和速度取决于它的孔隙、有效粒径、空隙中吸附空气和水的性质以及湿度等。据实验数据毛细高度为零至几厘米，砂土则在数十厘米之间，而黏土可达数百厘米。因此，在整个毛细带内，事实上为软岩的进一步化学膨胀和胶体膨胀准备了条件。正是由于这种毛细作用，

8、才使水通过毛细空隙向各个方向运动。所谓毛细作用，实质上就是指水与软岩固体间的吸引力同水与空气界面的表面张力二者的相互作用。2.2环境因素2.2.1自重应力上覆岩层产生的自重应力。当巷道开挖后，由于岩体自重而引起的应力，称自重应力，长期以来学者普遍认为自重应力 为： = H =22.5760=17.1MPa式中： 上覆岩层的平均容量，kN/m3；取=22.5 kN/H 巷道所在位置离地表距离，m；取 H=760m根据上式可知上覆岩层的自重应力随着巷道的埋深增大而增大，巷道所处的越深，巷道围岩压力就会越大，即随着工程埋深的增加构造应力及其残余应力明显增加，特别是塑性岩石的流变，脆性岩石的碎胀逐渐加

9、剧，使巷道变形破坏变得严重起来，在岩层最薄弱的位置就会发生巷道围岩变形，甚至破坏，而破坏方向不是很明显。因此自重应力是引起巷道位移、失稳的重要原因。2.2.2构造应力在地质构造时期，地层经过长期构造应力场的作用，岩层本身以弹性变形的形式储存了变形能，潜藏着巨大的构造应力。同时也会产生构造形态，如岩层倾斜、褶曲、断裂等形态，当在地层中开挖巷道的穿过这些薄弱带时，这些变形能便向巷道临空区释放。在释放能量的过程中，这些应力必将重新分布，使岩层发生膨胀变形，巷道支护体系必将受力，且更要承受残余构造应力的影响。另外，岩层在巷道成形时，应力状态从三维向二维转变，在构造应力作用下，极易发生破坏而产生非线性弹

10、塑性变形，这是一种与时间有关的变形。这些因素很容易引起巷道围岩变形，从而导致巷道失稳破坏，并且这种破坏一旦开始就很难控制下来。构造应力一般以水平构造应力为主，在构造应力显著地区，巷道两帮的破坏往往更为明显。2.2.3地下水的影响。地下水既能改变围岩的应力状态，又影响围岩的强度。结构面的空隙水压力的增大能减小结构面上的有效正应力，因而降低了岩体沿结构面的抗滑强度。地下水对含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分的膨胀岩层产生软化，泥化作用，使之产生显著的体积膨胀、崩解和溶解等变化。地下水的渗透，与含泥质的不良岩体接触，使泥质软岩中有膨胀潜能的矿物急剧膨胀，特别是巷道两帮在受到地下水作用后，支护会

11、慢慢失效，巷道两帮发生近似整体向内平移的变形，若底板受水作用则发生底臌，加快了围岩的变形量和收敛速率。2.2.4温度的影响。对一般矿井井下气温保持在20C30C 之间，这样的低气温和温差巷道围岩的影响不大，但随着开采深度的增加，火成岩的侵入，致使地温增加，有些矿井地下水的温度可高达60C70C，不仅对围岩强度造成影响，而且加快了岩石的泥化，对水解也有促进作用。四季温度的差别，干燥和潮湿的交替也是造成岩石风化的重要原因。2.2.5岩石流变与埋深该工程工程大部分位于泥岩、页岩类, 围岩岩石强度低, 在上覆岩层重力作用下, 会产生塑性变形, 强度高的岩石, 随着时间的增长也会出现流变现象，埋藏越深,

12、 这种现象越明显, 在塑性变形或流变的影响下, 支护结构会出现不同程度的变形与破坏。2.2.6巷道掘进施工的影响 该矿采用的光爆施工不规范，对巷道围岩的震动坏大，造成围岩裂隙发展和松动范围加大，大大降低了围岩的强度和自承能力。另外，巷道成型差，超挖量大，导致局部应力集中，弱化了围岩强度。支护施工工艺不合理, 必须针对巷道围岩松散、破碎、强度低、自稳时间短的特性采取相应的支护措施。如超前锚杆支护、超前注浆、临时支护、初喷支护、锚注支护、联合支护和二次支护等。2.3 支护方案的影响 目前暗斜井的支护是采用的锚杆支护，其方法是正确的，但围岩的严重破坏却反映了支护参数、强度以及其它一些辅助措施是与围岩

13、的承载力不相匹配的，造成大范围的巷道超挖, 巷道断面成形质量差, 给后续的锚杆支护带来不利影响, 以致大量锚杆托盘不能密贴岩面, 无法施加预应力, 不能及时、主动的支护巷道围岩, 从而造成大量失效锚杆出现，从已修复的巷道测得围岩松动圈厚度为-，而原来设计的锚杆长度只有2m，提供的支护强度小，对围岩加固的范围小，不能控制巷道围岩较大范围的变形，不能促使巷道周边围岩承载结构的形成与稳定。因此，围岩破碎范围不断扩大，围岩变形不断发展。另外，该巷道没有采取控制底臌的有效措施（没有施工底角锚杆），在较高的垂直应力的作用下，两帮岩体压迫底板围岩，导致底臌严重，这就需要进行研究和改进。2.4 底鼓的形成【1

14、】2.41软岩巷道底鼓的机理 大量的现场观测和实验室实验研究表明，软岩的扩容、膨胀、弯曲及流变是引起巷道底鼓的主要原因。按其形成机理分为膨胀型底鼓和应力型底鼓两种。膨胀型底鼓主要是由于受水理性质的影响，引起巷道底板岩层膨胀和岩体应变软化造成的；应力型底鼓主要是由巷道围岩压力引起的地板变形。2.42影响底鼓的主要因素 引起底鼓的因素很多，其中影响最大的是底板围岩性态和岩层压力，其次是水理作用、支护强度和巷道断面形式。1、 围岩性质和结构形态 底板岩层的结构状态（破碎结构、薄层结构、厚层结构）决定着巷道底鼓的类型； 底板岩层的软弱程度决定底鼓量的大小； 底板的软弱岩层的厚度对底鼓量也有重要影响。随

15、着直接底板弱岩层厚度的增加，底鼓量将急剧增长。但软弱岩层厚度超过巷道宽度时，底鼓的增加量会趋向缓和，并有收敛到一定值的趋势。2、 岩层应力只有岩层应力满足一定的条件时才会发生底鼓，岩层应力越大，底鼓越严重。因此，深部开采的巷道比浅部开采的巷道底鼓严重的多，残余煤柱下的巷道和受采动影响的巷道也往往严重底鼓。3、水理作用。底板含水会减小岩层节理以及节理与裂隙间的摩擦力，形成岩层滑移面致使致密岩层分成薄层，岩体结构变松散，岩体强度减弱，在地层应力作用下底板易发生底臌。岩体一般都具有一定的吸水率，长期接触水后会加速岩石的软化度，降低岩层的强度。实验表明：粘土页岩饱含水时，单向抗压强度会降低62%85%

16、；花岗岩饱含水时，单向抗压强度会降低3%5%；由于水的影响，使底板松软和裂隙发育变形速度较无水时增加6 倍以上。巷道底板为含有蒙脱石、高岭石、伊利石等膨胀性粘土矿物时，由于浸水而会发生岩层泥化、崩解、破裂现象，降低岩体强度，最终导致底板岩层的碎胀和膨胀性破坏。3、 巷道断面形状。地下工程开挖中为有效利用空间，巷道断面通常采用梯形或直墙拱形等形状，由于底板不能形成稳定的拱形结构使得底臌量加大，据研究测试结果表明：在相同条件下，直墙半圆拱巷道的底臌量比圆形巷道的底臌量大1/3。3支护设计3.1支护原则确定 本着技术先进、安全可靠、经济合理、操作简便的原则开展进行支护设计。1、 工程优化原则【1】

17、巷道方向优化原则对于工程地质条件复杂的矿井，构造应力明显的矿井，在决定井巷方向时避免将过多井巷垂直于较大应力方向，以免井巷失稳，遭受破坏，必要时改变开采工艺。 巷道空间位置优化原则软岩矿井所处的地层并非所有都软，应尽量选择软中之硬者，将主要巷道掘进在其中，以期求得稳定性好、工程造价低。 巷道断面优化原则 选定巷道几何形状与支护结构的和谐配套。巷道几何形状的确定既要满足工艺使用上的要求，又要造价低廉，还要与支护结构配套，避免功能重叠而增加造价，降低效益。同时，合理的断面形状能够充分地保护围岩的力学强度，降低支护的难度。2、对症下药原则：软岩多种多样，即使宏观地质特点类似的软岩，微观上也千差万别，

18、构成软岩的复合型变形力学机制类型也多种多样。不同的变形力学机制，软岩工程的变形和破坏状况不同，对应的支护对策也不同。只有正确的确定软岩的变形力学机制，找出造成软岩工程变形破坏的原因，才能通过对症下药支护措施，达到软岩工程与支护的稳定。3、过程原则软岩巷道支护是一个过程，不可能一蹴而就。究其本质原因，软岩工程的变形与破坏是具有复合型变形力学机制的“综合征”和“并发症”，要对软岩工程稳定性实行有效的控制，必须有一个从复合型向单一型的转化过程。这一过程的完成是依靠一系列的对症下药的支护措施来实现的。4、塑性圈原则软岩工程支护必须允许出现塑性圈，软岩工程支护是力求控制塑性区产生，最大限度地发挥围岩的自

19、承能力；软岩工程支护是力求有控制地产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放围岩变形能。这是由软岩的成因历史、成岩环境、成分结构及其岩石力学特性所确定。对软岩工程稳定性控制来讲，塑性圈出现具有三个力学效应：大幅度降低变形能减少应力集中程度改变围岩的承载状态。应力集中区向深部偏移，而内部围岩处于三向受力状态，承载能力较强。塑性圈不能任意自由地发展，必须从两个方面加以控制。控制变形速率。变形速率越慢，围岩在保持原有强度的前提下，允许变形量越大，释放的变形能越大。控制差异性变形。煤系地层中软弱夹层的发育具有普遍性，软弱夹层等结构面具有差异性变形的特点，必须加以控制，才能出现均匀的塑形圈，使支架承受均匀

20、荷载。5、具体情况分析与应对1) 当巷道埋深不大、构造应力较小、地应力不大时, 巷道压力主要来自于围岩的碎胀变形压力,针对这种情况, 应采用合理的支护方式和足够的支护强度, 一次支护到位, 及时给围岩提供足够的支护抗力, 以减小碎胀压力, 保持巷道稳定。2) 深埋软岩巷道地压大、来压快、变形大、变形持续时间长, 因而软岩巷道的支护形式必须适应这些特点, 可采用先柔后刚或二次支护甚至多次支护的原则, 因此支护形式上应首先有一定的让压作用, 即柔性支护(或可缩性支护), 后期要有足够的刚性以防止软岩无限制地变形, 致使巷道断面缩小到不能使用的地步。3) 由于软岩具有易风化、遇水膨胀等特性,因此,

21、软岩巷道开挖后, 要避免环境因素的影响, 应及时封闭围岩, 尽量保持围岩的原始特点, 一般应及时喷射混凝土, 既能防止围岩风化、吸潮, 同时又提供一定的初撑力, 以防止围岩松动, 保证巷道围岩的安全。4) 软岩巷道的地压特性是四周来压, 不仅有顶压、侧压, 还有底压, 软岩巷道往往出现一定量的底鼓, 因此, 对于软岩巷道, 不仅要加强顶板和两帮的支护, 还要加强对巷道底板的支护, 防止底鼓【3】。5) 软岩巷道围岩自承能力低, 而大部分上覆岩层的压力要由巷道围岩来承受, 只有一小部分(约1% 2% )由支护体系承担, 因而, 必须加强软岩自身的承载能力, 可通过岩体注浆加固或锚喷支护等来实现,

22、 特别是对于多次修复的巷道, 围岩松动范围极大, 承载能力极低, 尤其应提高围岩岩体强度, 提高其自身承载能力。综上所述, 在进行软岩巷道支护方案设计时, 应充分考虑软岩的这些特点, 从而保证支护方案的可行性和有效性。3.2支护方案比较与选择 方案一：锚、喷、网、索、注联合支护方案锚喷网索注联合支护与传统刚性支护相比较具有强度大,效果好,通过矿压观测可知,采用锚喷网索注联合支护的巷道顶板下沉量及两帮移近量均小于刚性支护巷道,且支护效果好,巷道得到有效维护,减少了巷道的维修量,工人的劳动强度减轻,保证工作面快速推进,降低了支护成本和维护费用。（1)锚杆支护使支护体与围岩共同承载,它支护及时,在大

23、断面、小煤柱、受地质构造影响及围岩破碎的巷道中使用能发挥很好的支护效果。（2）在锚杆和锚索施工时,施加一定的预紧力,锚杆不小于30 kN,锚索不小于70 kN,相当于支架的初撑力,能大幅度地提高围岩的残余强度并在巷道周围形成合拱,有效阻止顶板弯曲下沉,底板锚杆和底角锚杆能有效防止底鼓,使顶底板尽快趋于稳定,是软岩煤巷较为适宜的支护形式。（3)在受采动影响较大时,打中点柱或可缩性U型钢支架超前支护,确保巷道安全使用。（4）软岩回采巷道联合支护对水的防治十分重要,要做到有水必治,无水必防,用水必管,积水必排,才能更好地提高联合支护的效果。方案二：扩大断面二次支护方案所谓扩大断面二次支护即掘进采用锚

24、喷支护，断面扩大沿用边扩大100200mm，施工中对巷道进行观测，当锚喷层出现变形，裂纹时上二次支护，即架设刚性支架或再锚喷一次。一般能使巷道道保持稳定。其机理在十当初始压力大、变形量大时硬抗是困难的，第一次支护变形或破坏将卸去部分应力，膨胀量将大幅减少。再上刚性支架，将阻止围岩继续变形，这就是所谓先让后抗。最佳二次组合支护时段，其原理是既要使围岩变形能得到有效释放，又要使初次支护能力得到充分发挥。当围岩放压曲线与支护系统让压曲线相交时，所对应的时间为最佳二次组合支护时间。此时，围岩放压在优化意义上达到了充分大，又保护了围岩强度，同时，支护体让压在优化意义上也达到了充分大。采用二次支护后,巷道

25、抗压能力明显加强;同采用其他支护方式相对比,不需要后期维修,减少了维修量;巷道支护稳定,顶板没有开裂的现象,提高了安全性;在服务年限长的巷道,能够确保巷道的服务年限。二次支护适应了深部原始地应力释放的特点。深部原始地应力较大,巷道开挖初期,地应力急剧释放,此时围岩变形速率大,趋于不稳定状态;当地应力释放到一定程度,变形速率下降,围岩趋于基本稳定,再进行二次支护后,使支护获得了较小的支撑力,保证了支护体系的完整性。 对于高应力软岩巷道，单一的支护方法和措施有时不能满足实际工程需要，必须根据其具体情况采取相应的支护对策： （1）对变形量大，变形速度快的高应力软岩巷道，应在巷道开挖后及时通过高强锚杆

26、支护对围岩变形进行控制。（2）在深部矿井中，对巷道顶板的地应力大，易造成顶板下沉巷道，可通过锚索支护可将顶板压力转移到稳定岩层中。由于锚索长度较大，当两帮岩层性能相差较大时，锚索能够深入到深部较稳定的岩层中，并对被加固岩体施加高达200KN 以上的预紧力，能够有效地限制围岩性能较差部位的发展，从而阻止两帮坍塌，改善围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护。（3）对受地下水和高地温的作用的巷道，锚杆和锚索很容易被腐蚀。可以通过及时喷射混凝土将锚杆和锚索覆盖，与空气隔绝。（4）围岩应力重分布需要一个过程，在巷道不失稳的前提下，允许围岩有较大的变形，让其充分地释放能量，为此一次支护强度不需过

27、大，可以适时进行二次支护加强支护强度。为确保支护体后期要有足够的强度和刚度来有效控制巷道围岩过量变形，采用“锚网索喷”支护更为可靠。钢筋网的作用：使喷层应力得到均匀分布,改变其变形性能,增强锚喷支护的整体性。增强喷层的柔性。提高喷层承载力,特别是承受剪力和拉力的能力。间接提高岩体中的环向力,提高组合拱的质量,使组合拱的支承能力加强。（5）通过注浆锚杆注浆，形成组合拱，以改善了围岩的受力状态，提高整个岩层的自身强度。（6）高应力软岩巷道很容易发生底臌， 通过打底板注浆锚杆注浆，并铺设钢筋混凝土，将支护结构型性封闭式支护。（7）应保证支护与围岩相互作用，最大发挥围岩自承能力和支护材料的强度。 综上

28、，比较两个方案的优缺点，结合本工程的具体工程地质状况，综合考虑技术和经济因素，采用“喷锚喷、锚网索喷注”联合支护方案。3.2.1 新掘进部分软岩巷道具有巷道应力高、围岩强度低并具有膨胀性、流变性等特点。根据软岩巷道的特性，巷道支护一般需分次进行。在巷道开挖，围岩暴露后，立即进行一次支护，及时封闭围岩，使围岩尽可能减少其强度损失，防止有害的松散状态发生。以后再根据情况，适时地进行二次支护。实践证明，因地制宜地设计锚、网、喷支护参数，并采取以锚、网、喷支护为一次支护及以其它支护方式为二次支护的支护方式，能取得理想的支护效果。【4】 “喷锚喷、锚网索喷”支护工艺是在迎头后3040 m 处进行复喷，按

29、班进1.8 m计算，即在开挖后67d时间开始复喷。此时围岩应力已得到较充分的释放，围岩变形速度递减并趋于稳定，加上初喷喷层和锚杆具有柔性特点，允许围岩有一定量的变形，围岩的变形已很小，对复喷喷层已构不成破坏，避免了喷层开裂现象。【5】3.2.2该方案的具体施工工艺为：临时支护初喷打顶锚杆眼安装顶锚杆挂网打帮锚杆眼 打锚索眼安锚索打注浆锚杆孔安装注浆锚杆注浆喷100 mm厚钢纤维混凝土。3.3支护参数计算 查巷道支护围岩松动圈分类表可知，类岩石的松动圈厚度为200300cm，属大松动圈。悬吊理论只适用于中小松动圈，组合拱理论适用于大松动圈，故这里仅用组合拱理论进行支护参数的计算。3.3.1普氏组

30、合拱理论计算由普氏理论知：拱轴线的方程为：显然，拱轴线方程是一条抛物线。根据此公式可求得拱轴线上任意一点的高度。当x=,y=b时可得：式中;b拱的矢高，即为自然平衡拱的最大高度；自然平衡拱的计算跨度，按计算简图中的几何关系，由下式求得：根据上式，可以很方便的求出自然平衡拱的最大围岩压力值。计算过程： =155，则：=1.50.5，取f=1.50.5取= ，c=0.2得：=1.9+3.25tan(-)=3.931m,3.3.2软化临界荷载软岩的入编实验表明，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定的变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于某一临界荷载水平时

31、，岩石呈现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一荷载称为软岩的软化临界荷载，即能使岩石产生明显变形的最小荷载。经验公式：式中：-岩石单周抗压强度，Mpa; K-经验系数（膨胀性软岩K=0.30.5，高应力软岩K=0.50.7，节理化软岩K=（0.40.8）。围岩为软岩 =155Mpa, K=0.30.8 则=1.512Mpa；V类围岩性质： =22.5=17.1Mpa结论： ， 则岩石应力超过了软化临近荷载，岩石呈现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形。3.3.3组合拱理论锚杆参数（该理论适用于大松动圈）1、锚杆采用16Mn螺纹钢制作,其中顶帮锚杆使用3块Z2350型树脂药卷锚固;

32、底板锚杆使用2块Z2350型树脂药卷锚固;设计初锚力为50kN。锚杆托盘采用热轧扁钢制作, 规格为200mm200mm10mm。（1）树脂锚杆的长度经验数据：当围岩岩石强度大于20MPa时,在类围岩中选用1.2m以上厚度的组合拱：式中 b组合拱厚度，m； 锚杆的有效长度，m； 锚杆在松散岩体中的控制角，按计；a锚杆的间排距，0.8m；（2）树脂锚杆的直径：D=L/11O=2.2/110=0.02m，取D=20mm。或按经验公式 式中：-锚固力； -设计荷载，取为150kN；=0.7=150/0.7=214.3 kN -锚杆材料的抗拉强度，取为500Mpa；综上，锚杆直径取中间值D=22mm。（

33、3）树脂锚杆的间排距锚杆的间排距一般不超过锚杆长度的1/2，以有利于压力拱的形成。d=0.61.2m，且d0.5L=0.52.2=1.1m，这里取间排距为800800。(4)注浆锚杆:采用无缝钢管制作,长度比普通锚杆短，其中顶帮规格为D25mm2000mm,排距为1600mm, 注浆锚杆垂直于巷道轮廓线相对顶帮高强锚杆呈插空布置;底板注浆锚杆采用规格一般为D25mm1400mm,间距为1600mm, 注浆锚杆距底板500 mm, 底脚下扎角度30，相对底板高强锚杆呈隔排布置。2、锚索 采用7股5mm高强度钢绞线，锚固长度取为2.0m，使用4块Z2350型树脂药卷，用锚索将其送入孔底，进行端部锚

34、固,再实施水泥注浆，进行全长锚固。（1）锚索的长度锚索长度，m； 锚索外露长度（一般取0.3m）；锚索锚固长度（一般取1.02.0m）；锚索有效长度，1.53.8=5.7m ； 根据矿山施工经验，锚索长度应大于3倍的围岩松动圈厚度（600900cm）或锚入坚固岩层中1.2m以上，据此，选择锚索长8.0m。（2）锚索的直径和间排距采用D17. 8 mm的低松弛预应力钢绞线制作,规格为D17. 8 mm 8000 mm,间排距为1600mm。（3）锚索的布置每断面布置5根,其中顶部3根，底角布置2根,底脚下扎角度45，与锚索托板联合使用设计锚索初锚力为150 kN。(4)锚索托板: 采用20b槽钢

35、制成, 托盘参数为400mm200mm100mm。4、钢带采用由钢板冷弯成形的W形钢带，钢带参数为250252.75（mm）。它可将单根锚杆连接起来组成一个整体承载结构，提高锚杆支护的整体效果。刚带上有锚杆安装孔，使打眼、安装极为方便。或采用12m钢筋梯梁, 长3000mm,宽60mm,每帮各1根。5、金属网采用D6mm的钢丝制作的菱形钢丝网,整体性好，强度高且柔软易于安装，适应性强，尺寸为1000mm1000mm,网格尺寸为150mm150mm,搭接长度为150 mm（不宜小于100mm）。6、喷射钢纤维混凝土采用C20的混凝土,水泥一般采用425号普通硅酸盐水泥，粗骨料最大粒一般为10mm

36、，配合比为水泥：砂：石=1:2:2。钢纤维直径常取0.30.5mm，长度2025mm，掺入量一般占总体积的0.5%2.0%，或占混凝土总重量的2%4%，一般每立方米混凝土中掺入钢纤维80100。喷层总厚度为150 mm,分三次喷射,即爆破后初喷40 mm,以及时封闭围岩,然后铺设钢筋网及安装高强锚杆后复喷60 mm,待二次支护后再复喷50 mm。7、反底拱（1)反底拱梁: 采用16b槽钢制作,长度为3934 mm,使用2根注浆锚杆将其固定在地板上。 (2)反底拱:先用矿渣填充，然后浇筑混凝土填平，具有一定的让压作用。一般采用C30混凝土,浇筑厚度为250 mm。另外，为增加底板支护的让压性能，

37、可适当滞后底拱的施工时间。8、注浆(1)注浆材料采用水泥单浆液,水泥为425#普通硅酸盐水泥,水灰比为0.70.8,并掺入2. 5%的高效早强减水剂,以增强注浆材料的和易性和可注性，并可降低水泥浆的水灰比，提高结石体的早期和后期强度。（2）注浆压力注浆压力0.81.0，最大为1.2。（3）注浆量注浆达到终压即可停止注浆，若注3 袋水泥浆液压力仍不上升时，应改用浓浆再注3袋，压力仍不上升时，关闭球阀暂停注浆，另在相邻钻孔注浆，但需对该孔进行复注，也可在其附近补孔再注。（4）注浆时间 因为锚注支护是联合支护，注浆一般滞后于锚杆施工，即相当于二次支护。注浆时间可通过前后两种支护能力的比较确定后续变形

38、量得比例关系，结合施工速度确定注浆时间，也可由变形曲线的最大曲率附近的时间，一般在1个月左右时间。（5）注浆方法采用内注浆锚杆注浆，即以钢管制作锚杆，又作为注浆管，安设内注浆锚杆后，在进行注浆。注浆程序：工作面钻锚杆孔安装内注浆锚杆用树脂或水泥药卷固定孔口锚固（托盘、螺帽）保护锚杆口后封闭围岩（使其在注浆时可连接注浆软管）注浆。3.4支护机理分析3.4.1锚注支护锚注支护是指将锚喷支护与注浆加固技术结合起来, 采用注浆锚杆来实现锚、注合一, 对巷道破碎围岩进行主动加固与支护, 发挥加锚注浆围岩的自承载能力, 实现积极支护。通过锚注作用形成的加固拱结构, 其承载机理主要反映在以下几个方面: 浆液

39、可充填、封堵围岩的裂隙, 隔绝空气, 减轻已破碎围岩的风化, 防止围岩被水浸湿软化, 从而降低围岩本身的强度; 注浆后松散破碎围岩被胶结成整体, 岩体内聚力和内摩擦角得到提高, 从而显著提高破裂岩体的承载能力。喷层壁后充填密实, 保证荷载均匀地作用在喷层或支架上,避免出现应力集中而首先破坏, 使支架和喷层能提供均匀的反作用力。注浆充填围岩空隙和裂隙, 固化后配合锚杆的锚固作用, 可形成多层有效的组合拱结构, 且支护体内锚杆均转化为全长锚固, 它将多层组合拱联成一个整体, 共同承载, 扩大了支护结构的有效承载范围, 提高了支护结构的整体性和承载能力。锚注加固结构组合拱厚度远大于普通锚喷支护形成的压力拱, 减小了作用在底板岩体上的荷载集中度, 减弱了底板岩体中的应力和塑性变形, 实现控制巷道底臌的目的; 巷道锚注支护结构的整体稳定, 实现对深部破裂围岩的有效约束, 发挥破裂围岩的结构效应, 使破裂岩体的残余应力逐步提高, 进而阻止了处于峰后软化段岩体应力状态的降低, 同时使处于峰前弹塑性区岩体的峰值强度得到提高, 阻止了围岩塑性区的发展。3.4.2锚网喷支护【6】锚网喷支护既充分发挥锚杆的作用,又充分发挥喷射混凝土