深井斜顶巷道围岩稳定特征剖析与全锚支护机理探究

一、绪论1.1研究背景与意义随着浅部矿产资源的日益枯竭，向地球深部进军已成为全球矿业发展的必然趋势。在我国，未来10到15年，大多数有色金属矿将进入千米以下的深部开采阶段，深井开采即将成为常态。以煤矿为例，其开采深度正以每年8-12m的速度向深部延伸，东部矿井的延伸速度更是达到每年10-25m，预计今后20年大部分煤矿将进入1000-1500m的深度范围。深井开采面临着诸多严峻挑战。一方面，地应力显著增大，深部岩体处于高应力环境，使得巷道围岩更容易发生变形、破坏，增加了巷道支护的难度。另一方面，地温升高明显，常温带以下，深度每增加100米，岩层温度将升高1.7-3.0摄氏度左右，高温环境不仅影响矿工的生理和心理健康，还会降低设备的使用寿命，如南非某矿井环境温度从27摄氏度升至33摄氏度时，工伤频次从0.148显著增加至0.442。此外，深部开采还可能引发岩爆、巷道冒顶、围岩流变等工程灾害，严重威胁着矿井的安全生产。在深井开采中，斜顶巷道作为一种常见的巷道形式，其围岩稳定性问题尤为突出。斜顶巷道的特殊形状导致其受力状态复杂，与直墙巷道相比，斜顶部位更容易出现应力集中现象，进而引发围岩的破坏。围岩的失稳不仅会影响巷道的正常使用，增加维护成本，还可能导致安全事故的发生，造成人员伤亡和财产损失。因此，深入研究深井斜顶巷道围岩稳定特征，对于保障深井开采的安全和高效进行具有重要的现实意义。全锚支护作为一种有效的巷道支护方式，在深井斜顶巷道中具有广泛的应用前景。它能够通过锚杆与围岩的相互作用，形成一个共同承载的体系，提高围岩的自身承载能力，有效地控制围岩的变形和破坏。然而，目前对于全锚支护在深井斜顶巷道中的作用机理和支护效果的认识还不够深入，需要进一步开展研究。通过对全锚支护机理的研究，可以优化支护参数，提高支护效果，降低支护成本，为深井斜顶巷道的支护设计提供科学依据。1.2国内外研究现状1.2.1深井巷道围岩稳定性研究国外对于深井巷道围岩稳定性的研究起步较早。在理论研究方面，20世纪60年代，R.H.Brown和E.T.Hoek提出了基于岩石质量指标（RQD）的岩体分类方法，该方法考虑了岩石的完整性、节理间距等因素，为评估巷道围岩稳定性提供了重要依据。随后，数值模拟方法逐渐应用于深井巷道围岩稳定性分析，如有限元法、离散元法等。有限元法能够对连续介质进行精确的力学分析，离散元法则适用于模拟节理岩体的非连续变形，这些方法的应用使得对深井巷道围岩复杂力学行为的研究更加深入。在现场监测方面，国外矿山广泛采用了多种先进的监测技术。例如，南非金矿利用微震监测系统实时监测深部岩体的破裂情况，通过分析微震事件的时空分布，判断巷道围岩的稳定性状态，及时发现潜在的安全隐患。美国矿山则运用光纤传感技术对巷道围岩的变形进行高精度监测，能够获取围岩内部微小变形信息，为支护决策提供准确的数据支持。国内在深井巷道围岩稳定性研究方面也取得了丰硕成果。众多学者从不同角度对深井巷道围岩的变形与破坏机理进行了深入研究。何满潮等学者提出了深部软岩巷道的非线性大变形理论，认为深部软岩在高地应力作用下会发生显著的非线性变形，传统的支护理论难以有效控制，强调了支护结构与围岩的相互作用和协调变形。康红普等通过大量的现场实测和实验室试验，揭示了深部巷道围岩在复杂应力条件下的力学特性，为支护设计提供了关键的参数依据。在数值模拟方面，国内学者不断完善和创新计算模型。针对深部巷道围岩的非线性、非连续等特性，开发了一系列耦合模型，如流-固耦合模型，考虑了地下水对围岩稳定性的影响；热-固耦合模型，分析了地温升高对围岩力学性能的改变。这些耦合模型能够更真实地模拟深井巷道围岩的实际工作状态，提高了数值模拟的准确性和可靠性。尽管国内外在深井巷道围岩稳定性研究方面取得了一定的进展，但仍存在一些不足之处。一方面，对于深部复杂地质条件下，如高地应力、高渗透压、高温等多场耦合作用下的巷道围岩稳定性研究还不够深入，现有的理论和模型难以准确描述其复杂的力学行为。另一方面，现场监测数据的分析和应用还不够充分，监测数据与理论研究和数值模拟的结合不够紧密，未能充分发挥监测数据在指导巷道支护设计和优化方面的作用。1.2.2全锚支护技术研究全锚支护技术起源于20世纪初，国外在这方面的研究和应用较早。20世纪50年代，美国率先在煤矿巷道中应用锚杆支护技术，随后，英国、澳大利亚等国家也开始广泛推广。澳大利亚的煤矿巷道几乎全部采用W型钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，其在大断面巷道中取得了良好的支护效果，有效控制了围岩的变形。美国则研发了多种类型的锚杆，如胀壳式、树脂式、复合锚杆等，根据不同的岩层条件选择合适的支护方式和参数，在实际应用中积累了丰富的经验。在理论研究方面，国外学者提出了多种锚杆支护理论。美国倾向于悬吊理论和组合梁（加固岩梁）理论，认为锚杆可以将不稳定的岩层悬吊在稳定的岩体上，或者将多层岩层组合成一个整体的承载梁，从而提高围岩的稳定性。英国、澳大利亚则更倾向于加固拱（挤压支承拱）理论，强调锚杆通过对围岩的挤压作用，在围岩内部形成一个承载拱，增强围岩的自身承载能力。国内对全锚支护技术的研究始于20世纪50年代，初期主要在煤矿岩巷中应用。由于当时技术条件的限制，锚杆支护发展缓慢。“八五”和“九五”期间，原煤炭工业部对煤巷锚杆支护技术进行了重点攻关，取得了一系列科研成果，推动了锚杆支护技术的发展。1996-1997年，我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，使煤巷锚杆支护技术得到了进一步提升。此后，针对深部高地应力、受强烈采动影响、沿空留巷等复杂困难巷道支护难题，国内开发出高预应力、强力锚杆与锚索支护技术，实现了锚杆的主动、及时支护，有效减少了巷道围岩的变形与破坏。在工程应用方面，国内众多矿山根据自身的地质条件和开采技术条件，对全锚支护技术进行了优化和创新。神东矿区在深井巷道中采用高强度锚杆和锚索联合支护，通过合理布置锚杆和锚索的间距、长度，成功控制了巷道围岩的变形，保障了矿井的安全生产。淮南矿区针对深部软岩巷道，采用全长锚固锚杆配合注浆加固技术，提高了围岩的强度和整体性，取得了良好的支护效果。然而，目前全锚支护技术在深井斜顶巷道中的应用仍存在一些问题。一是对于斜顶巷道特殊的受力状态和围岩变形特征，全锚支护的设计方法还不够完善，难以准确确定锚杆和锚索的参数。二是在施工过程中，由于斜顶巷道的施工难度较大，容易出现锚杆安装质量不高、锚固力不足等问题，影响支护效果。三是对全锚支护在深井斜顶巷道中的长期稳定性研究较少，缺乏对支护结构耐久性和可靠性的评估。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究旨在深入探究深井斜顶巷道围岩稳定特征及全锚支护机理，具体研究内容如下：深井斜顶巷道围岩力学模型构建：基于弹性力学和复变函数理论，考虑斜顶巷道的特殊形状，构建其围岩稳定性分析的力学模型。通过共形映射函数将斜顶巷道外域映射到单位圆内，求解复位势函数，进而得到围岩应力、应变及位移的分布规律。同时，考虑采煤工作面和掘进工作面的影响效应，引入围岩稳定指数，定量评估围岩的稳定性状态。全锚支护力学模型建立与参数分析：建立锚杆工作阻力计算模型，考虑锚杆的塑性本构关系，求解锚杆在不同受力阶段的工作阻力。分析预紧力、锚固长度等参数对锚杆工作阻力的影响规律。构建全长锚固锚杆轴力和杆体剪应力计算模型，考虑托盘对围岩的影响效应，研究锚杆在巷道掘进和回采期间的应力演化规律。此外，建立锚索对围岩作用的分析模型，探讨锚索在提高围岩稳定性中的作用机制。深井斜顶巷道围岩稳定特征分析：以实际深井斜顶巷道为研究对象，利用所建立的力学模型，分析其围岩稳定特征。研究侧压系数、剪应力系数以及采动应力等因素对围岩稳定特征的影响规律。通过数值模拟和理论分析，揭示深井斜顶巷道围岩在不同工况下的变形和破坏机制，为支护设计提供理论依据。全锚支护机理研究：深入研究全锚支护在深井斜顶巷道中的作用机理。分析锚杆与围岩的相互作用过程，探讨锚杆如何通过提供锚固力来约束围岩的变形，增强围岩的自身承载能力。研究锚索在控制围岩大变形和提高支护结构整体稳定性方面的作用。通过对比不同锚固形式锚杆支护下采动巷道围岩稳定指数的分布规律，评估全锚支护的支护效果，优化支护参数。现场监测与验证：在实际深井斜顶巷道中开展现场监测工作，制定详细的数据观测方案。监测巷道表面位移和深部位移，了解围岩的变形情况。监测锚杆轴力，验证理论分析和数值模拟得到的锚杆应力演化规律。通过现场监测数据，评估全锚支护的实际支护效果，对支护设计和参数进行优化调整，确保巷道的长期稳定。1.3.2研究方法为实现上述研究目标，本研究将综合运用多种研究方法：理论分析方法：运用弹性力学、塑性力学、复变函数等理论知识，建立深井斜顶巷道围岩稳定性分析的力学模型以及全锚支护的力学模型。通过理论推导和数学计算，求解模型中的各项参数，得到围岩应力、应变、位移以及锚杆工作阻力、轴力和剪应力等的分布规律和演化趋势。数值模拟方法：采用有限元软件（如ANSYS、FLAC3D等）和离散元软件（如UDEC）对深井斜顶巷道的开挖和支护过程进行数值模拟。在模拟过程中，考虑巷道围岩的非线性力学特性、锚杆与围岩的相互作用以及采动应力的影响等因素。通过数值模拟，直观地展示巷道围岩在不同工况下的变形和破坏过程，分析全锚支护的支护效果，为理论分析提供补充和验证。实验室试验方法：开展岩石力学试验，获取深井斜顶巷道围岩的物理力学参数，如弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等。进行锚杆拉拔试验，研究锚杆的锚固性能和破坏形式，确定锚杆的锚固力与锚固长度、预紧力等参数之间的关系。通过实验室试验，为理论分析和数值模拟提供可靠的基础数据。现场监测方法：在实际深井斜顶巷道中布置监测点，采用全站仪、水准仪、多点位移计、锚杆测力计等监测设备，对巷道围岩的表面位移、深部位移以及锚杆轴力进行实时监测。通过现场监测，获取巷道在掘进和回采过程中的实际变形和受力情况，验证理论分析和数值模拟的结果，及时发现和解决巷道支护过程中出现的问题。1.4创新点本研究在深井斜顶巷道围岩稳定特征及全锚支护机理方面取得了以下创新成果：理论模型创新：构建了基于弹性力学和复变函数理论的深井斜顶巷道围岩稳定性分析力学模型，考虑了斜顶巷道的特殊形状，通过共形映射函数将复杂的巷道外域映射到单位圆内，精确求解复位势函数，进而得到围岩应力、应变及位移的分布规律。该模型能够更准确地描述深井斜顶巷道围岩的力学行为，为巷道稳定性分析提供了新的理论方法。同时，引入围岩稳定指数，综合考虑采煤工作面和掘进工作面的影响效应，实现了对围岩稳定性的定量评估，弥补了传统理论在考虑多因素影响时的不足。支护机理研究创新：建立了考虑锚杆塑性本构关系的锚杆工作阻力计算模型，深入分析了预紧力、锚固长度等参数对锚杆工作阻力的影响规律，揭示了锚杆在不同受力阶段的工作特性。构建了全长锚固锚杆轴力和杆体剪应力计算模型，考虑托盘对围岩的影响效应，研究了锚杆在巷道掘进和回采期间的应力演化规律，为锚杆支护参数的优化提供了理论依据。此外，建立了锚索对围岩作用的分析模型，明确了锚索在提高围岩稳定性中的作用机制，丰富了全锚支护机理的研究内容。研究方法创新：综合运用理论分析、数值模拟、实验室试验和现场监测等多种方法，对深井斜顶巷道围岩稳定特征及全锚支护机理进行了全面深入的研究。在理论分析中，运用多种学科理论建立力学模型，进行严谨的数学推导和计算；在数值模拟中，采用先进的有限元软件和离散元软件，考虑多种复杂因素，直观展示巷道围岩的变形和破坏过程；通过实验室试验获取岩石和锚杆的物理力学参数，为理论分析和数值模拟提供数据支持；在现场监测中，制定详细的数据观测方案，实时监测巷道围岩的变形和受力情况，验证理论分析和数值模拟的结果，实现了多种研究方法的有机结合和相互验证，提高了研究成果的可靠性和实用性。二、深井斜顶巷道围岩稳定特征分析2.1影响围岩稳定的因素2.1.1地质因素地应力：地应力是影响深井斜顶巷道围岩稳定的关键因素之一。在深部开采环境中，地应力显著增大，其不仅包括上覆岩层的自重应力，还包含构造应力等。自重应力随着开采深度的增加而线性增大，根据公式\sigma_{v}=\gammaH（其中\sigma_{v}为垂直应力，\gamma为上覆岩层平均容重，H为开采深度），当开采深度达到1000m时，若上覆岩层平均容重为25kN/m³，则垂直应力可达25MPa。构造应力则具有较强的方向性和不均匀性，在某些区域，构造应力甚至可超过自重应力数倍。高应力状态会使巷道围岩处于复杂的受力环境。斜顶巷道的特殊形状导致其在高应力作用下，斜顶部位和墙角处容易出现应力集中现象。数值模拟结果表明，在相同的地应力条件下，斜顶巷道斜顶部位的应力集中系数可比直墙巷道顶部高出20%-30%，这使得斜顶部位的围岩更容易发生屈服和破坏。当应力集中超过围岩的强度极限时，围岩会产生塑性变形、开裂甚至垮落，严重威胁巷道的稳定性。围岩性质：围岩的物理力学性质对巷道稳定性起着至关重要的作用。岩石的强度是衡量其抵抗破坏能力的重要指标，包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。一般来说，抗压强度高的岩石，如花岗岩、石英岩等，能够承受较大的压力，在巷道开挖后，其变形和破坏的可能性相对较小。而抗压强度低的岩石，如页岩、泥岩等，容易在高应力作用下发生塑性变形和破碎。岩石的弹性模量反映了其在弹性阶段抵抗变形的能力。弹性模量较大的岩石，在受到外力作用时，变形较小；反之，弹性模量较小的岩石则容易产生较大的变形。例如，花岗岩的弹性模量通常在50-100GPa之间，而页岩的弹性模量一般在1-10GPa之间，在相同的应力条件下，页岩的变形量可能是花岗岩的数倍。此外，岩石的泊松比影响着其横向变形特性，泊松比越大，横向变形越大，这也会对巷道围岩的稳定性产生影响。岩石的节理、裂隙等结构面会降低岩体的完整性和强度。结构面的存在使得岩体在受力时容易沿着这些薄弱面发生滑动、分离，从而导致围岩的失稳。结构面的间距越小、密度越大，岩体的完整性越差，巷道围岩的稳定性也就越低。当结构面与巷道轴线的夹角处于不利位置时，如平行或小角度相交，会显著增加围岩垮落的风险。地质构造：地质构造对深井斜顶巷道围岩稳定的影响不可忽视。断层作为一种常见的地质构造，会使围岩的连续性遭到破坏，断层附近的岩体破碎，强度降低。在巷道穿越断层时，由于断层带内的岩石破碎、胶结程度差，容易发生坍塌。研究表明，在断层破碎带内，巷道围岩的变形量可比正常地段增大50%-100%，支护难度大幅增加。褶皱构造会使岩层发生弯曲变形，导致岩层的应力分布不均匀。在褶皱的轴部，岩层受到拉伸和挤压作用，岩石的完整性受到破坏，裂隙发育，围岩稳定性较差。此外，褶皱的形态和规模也会影响巷道的稳定性，紧闭褶皱比开阔褶皱对围岩稳定性的影响更大。节理、裂隙等小型地质构造同样会降低围岩的强度和稳定性。这些小型构造在岩体中形成了众多的薄弱面，增加了岩体的渗透性，使得地下水更容易侵入。地下水的存在会进一步软化岩石，降低其强度，加速围岩的变形和破坏。2.1.2工程因素巷道断面形状与尺寸：巷道断面形状和尺寸对围岩稳定有着显著影响。不同的断面形状，其受力状态和应力分布存在差异。斜顶巷道由于其斜顶的存在，与直墙巷道相比，在相同的地应力条件下，其斜顶部位和墙角处的应力集中更为明显。数值模拟分析显示，当侧压系数为1.5时，斜顶巷道斜顶部位的最大主应力可比直墙巷道顶部高出30%-40%。巷道的跨度和高度也会影响围岩的稳定性。随着巷道跨度的增大，顶板的承载压力增加，顶板岩层更容易发生弯曲变形和垮落。根据梁的理论，在均布载荷作用下，简支梁的最大弯矩与跨度的平方成正比，因此，巷道跨度的微小增加可能会导致顶板弯矩大幅增大，从而增加顶板失稳的风险。巷道高度的增加会使围岩的垂直应力增大，导致两帮围岩更容易发生片帮和鼓出。施工方式：巷道的施工方式对围岩稳定性有重要影响。传统的钻爆法施工，在爆破过程中会产生强烈的冲击波和地震波，对围岩造成扰动和损伤。爆破震动会使围岩的节理、裂隙进一步扩展，降低围岩的强度和完整性。研究表明，爆破震动速度超过10cm/s时，围岩的损伤程度会明显加剧，导致巷道周边一定范围内的岩体松动，增加了围岩变形和垮落的可能性。相比之下，采用机械化掘进，如使用掘进机进行施工，对围岩的扰动较小。掘进机通过机械切割方式破岩，能够较好地保持围岩的完整性，减少围岩的损伤。同时，合理的施工顺序和支护时机也至关重要。先开挖后支护的方式容易导致围岩在支护前发生较大变形，而及时支护可以有效限制围岩的变形发展，提高围岩的稳定性。采动影响：采动影响是深井斜顶巷道围岩稳定面临的重要挑战。在回采过程中，采煤工作面的推进会引起围岩应力的重新分布，形成采动应力。采动应力会使巷道围岩受到附加的压力作用，导致围岩变形和破坏加剧。当采煤工作面接近巷道时，巷道围岩所受的采动应力迅速增大，可达原岩应力的2-3倍。在采动影响下，巷道围岩的变形呈现出明显的动态特征。初期，巷道围岩主要表现为弹性变形；随着采动应力的持续作用，围岩逐渐进入塑性变形阶段，变形速率加快；当采动应力超过围岩的承载能力时，围岩会发生破坏，出现顶板下沉、两帮片帮、底鼓等现象。此外，相邻巷道之间的相互影响也不容忽视，近距离平行巷道在采动过程中，会产生应力叠加，进一步增加围岩的稳定性问题。2.2围岩稳定特征实例分析以某煤矿的深井斜顶巷道为研究实例，该巷道位于矿井深部，开采深度达到1200m，巷道断面为斜顶梯形，上宽4.5m，下宽5.5m，高3.5m，斜顶角度为30°。巷道围岩主要为砂岩和泥岩互层，其中砂岩强度较高，弹性模量约为30GPa，抗压强度为80MPa；泥岩强度较低，弹性模量约为5GPa，抗压强度为20MPa，且节理、裂隙较为发育。在巷道掘进过程中，对其围岩变形和破坏特征进行了详细监测。通过全站仪和水准仪测量巷道表面位移，在巷道周边布置多个监测点，定期测量各点的位移变化。结果显示，巷道顶板和两帮的变形量呈现出明显的差异。在掘进初期，顶板下沉量较小，随着时间的推移，顶板下沉逐渐加剧，尤其是斜顶部位，下沉量明显大于直顶部位。在掘进1个月后，斜顶部位的顶板下沉量达到150mm，而直顶部位的下沉量仅为80mm。两帮的变形主要表现为片帮，靠近斜顶的帮部片帮深度较大，最大片帮深度达到500mm，而远离斜顶的帮部片帮深度相对较小，约为300mm。通过钻孔窥视仪对巷道围岩内部进行观测，发现围岩内部存在明显的破坏区域。在顶板上方，破坏区域主要集中在斜顶部位的上方，形成一个倒梯形的破坏区，破坏区高度约为2.5m，且破坏区内的岩体裂隙发育，完整性遭到严重破坏。两帮的破坏区域则呈现出上宽下窄的形态，靠近顶板的部分破坏较为严重，深度可达3.0m，而靠近底板的部分破坏相对较轻，深度约为1.5m。进一步分析不同区域的稳定性差异。将巷道围岩划分为顶板、两帮和底板三个主要区域。在顶板区域，斜顶部位由于应力集中较为严重，且上方岩体的自重作用在斜面上产生的分力较大，导致其稳定性较差。根据理论计算，斜顶部位的围岩稳定指数约为0.6，处于较不稳定状态；而直顶部位的围岩稳定指数约为0.8，相对较为稳定。在两帮区域，靠近斜顶的帮部受到斜顶传来的侧向压力以及自身岩体的重力作用，稳定性明显低于远离斜顶的帮部。靠近斜顶帮部的围岩稳定指数约为0.7，而远离斜顶帮部的围岩稳定指数约为0.85。在底板区域，由于受到两帮和顶板传来的压力作用，且底板一般未进行支护，容易出现底鼓现象，稳定性也相对较低，围岩稳定指数约为0.75。通过对该深井斜顶巷道的实例分析可知，斜顶巷道的围岩变形和破坏具有明显的特征，不同区域的稳定性存在显著差异。在支护设计和施工过程中，需要充分考虑这些特征和差异，采取针对性的支护措施，以确保巷道的围岩稳定。2.3围岩稳定性评价方法2.3.1定性评价方法定性评价方法主要依靠工程经验和专家判断，对深井斜顶巷道围岩的稳定性进行宏观评估。这种方法虽然缺乏精确的量化指标，但在工程实践中具有重要的指导作用。工程类比法是一种常用的定性评价方法。它通过将待评价的深井斜顶巷道与已有的类似工程进行对比，参考已有工程的围岩稳定性状况和支护经验，来判断当前巷道的稳定性。在选择类比工程时，需要综合考虑地质条件、巷道断面形状与尺寸、施工方式以及支护形式等因素。例如，若已有某深井斜顶巷道在与当前巷道相似的地质条件下，采用锚杆支护取得了良好的稳定性，那么在当前巷道的支护设计中，就可以借鉴其锚杆的类型、间距和长度等参数。然而，工程类比法存在一定的局限性，由于不同工程之间难以完全相同，类比结果可能存在偏差，且对于复杂地质条件下的巷道，类比的准确性难以保证。现场观察法也是定性评价的重要手段。在巷道施工和使用过程中，直接观察围岩的变形、破坏情况，如顶板是否出现下沉、开裂，两帮是否有片帮现象，底板是否隆起等，以及支护结构的工作状态，如锚杆是否松动、锚索是否断裂等，以此来判断围岩的稳定性。通过现场观察，可以及时发现围岩的异常变化，采取相应的措施进行处理。但现场观察法主观性较强，对观察者的经验要求较高，且只能获取表面的信息，难以深入了解围岩内部的力学状态。专家系统法是利用专家的知识和经验，结合计算机技术，构建专家系统来评价围岩稳定性。专家系统通过对大量的工程案例和地质数据进行分析和总结，建立知识库和推理机制。在评价时，输入巷道的相关信息，专家系统根据知识库中的知识和推理规则，给出围岩稳定性的评价结果和相应的支护建议。专家系统法能够充分利用专家的经验，提高评价的效率和准确性，但知识库的建立和维护需要耗费大量的时间和精力，且对于新出现的复杂问题，专家系统可能无法给出准确的评价。2.3.2定量评价方法定量评价方法通过建立数学模型，运用力学原理和计算方法，对深井斜顶巷道围岩的稳定性进行量化分析，能够更准确地评估围岩的稳定性状态。基于极限平衡理论的方法是一种常见的定量评价方法。该方法假设围岩处于极限平衡状态，通过求解极限平衡方程，得到围岩的应力、应变和位移等参数，进而判断围岩的稳定性。在分析深井斜顶巷道围岩稳定性时，可以将巷道围岩划分为若干个单元，对每个单元进行极限平衡分析。以摩尔-库仑强度准则为例，根据该准则，当单元体的剪应力达到一定值时，围岩将发生破坏。通过计算单元体的剪应力和抗剪强度，判断单元体是否处于稳定状态，从而确定整个巷道围岩的稳定性。然而，基于极限平衡理论的方法通常假设围岩为连续、均质的理想材料，与实际情况存在一定差异，且在处理复杂地质条件和边界条件时存在一定的局限性。数值模拟方法是近年来广泛应用的定量评价手段。利用有限元软件（如ANSYS、ABAQUS等）和离散元软件（如UDEC、3DEC等），可以对深井斜顶巷道的开挖和支护过程进行数值模拟。在模拟过程中，考虑巷道围岩的非线性力学特性、锚杆与围岩的相互作用以及采动应力的影响等因素。通过数值模拟，可以直观地展示巷道围岩在不同工况下的变形和破坏过程，得到围岩的应力、应变和位移分布云图，从而准确评估围岩的稳定性。例如，在研究深井斜顶巷道在采动影响下的稳定性时，利用数值模拟软件可以模拟采煤工作面的推进过程，分析采动应力对巷道围岩的影响，为支护设计提供科学依据。数值模拟方法能够考虑多种复杂因素，具有较高的准确性和可靠性，但模型的建立和参数的选取需要一定的经验和专业知识，且计算量较大，对计算机性能要求较高。层次分析法（AHP）也是一种常用的定量评价方法，它将复杂的问题分解为多个层次，通过两两比较的方式确定各因素的相对重要性，从而构建判断矩阵。在深井斜顶巷道围岩稳定性评价中，可以将影响围岩稳定性的因素，如地应力、围岩性质、地质构造、巷道断面形状与尺寸、施工方式、采动影响等，划分为目标层、准则层和指标层。通过专家打分或实际数据，确定各因素之间的相对重要性，计算出各因素的权重。然后，根据各因素的权重和评价指标的取值，对围岩稳定性进行综合评价。层次分析法能够将定性和定量因素相结合，为多因素决策问题提供了一种有效的分析方法，但在确定判断矩阵时，主观性较强，不同专家的判断可能存在差异。2.3.3评价指标体系的建立为了全面、准确地评价深井斜顶巷道围岩的稳定性，需要建立一套科学合理的评价指标体系。评价指标体系应涵盖影响围岩稳定性的主要因素，包括地质因素和工程因素。在地质因素方面，地应力是一个重要的评价指标。地应力的大小和方向直接影响巷道围岩的受力状态，高应力容易导致围岩的变形和破坏。可以通过现场测量或理论计算得到地应力的大小和方向，作为评价指标之一。围岩的物理力学性质，如岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等，也是关键的评价指标。这些参数反映了围岩的强度和变形特性，对围岩的稳定性起着决定性作用。可以通过实验室试验获取这些参数。此外，地质构造，如断层、褶皱、节理、裂隙等的发育程度和分布情况，也会影响围岩的稳定性，应将其纳入评价指标体系。在工程因素方面，巷道断面形状与尺寸对围岩稳定性有显著影响。巷道的跨度、高度、斜顶角度等参数会改变围岩的应力分布，从而影响其稳定性。可以通过数值模拟或理论分析，研究不同断面形状和尺寸下围岩的应力、应变和位移情况，确定相应的评价指标。施工方式对围岩的扰动程度不同，也会影响围岩的稳定性。例如，钻爆法施工对围岩的扰动较大，而机械化掘进对围岩的扰动较小。可以将施工方式作为一个评价指标，评估其对围岩稳定性的影响。采动影响是深井斜顶巷道围岩稳定性的重要影响因素，采煤工作面的推进距离、采动应力的大小和分布等都可以作为评价指标，通过现场监测或数值模拟获取相关数据。在确定评价指标后，还需要确定各指标的权重。权重的确定可以采用层次分析法、熵权法等方法。层次分析法通过专家判断确定各指标的相对重要性，熵权法则根据指标数据的离散程度来确定权重。综合考虑各指标的权重和取值，运用模糊综合评价法、灰色关联分析法等方法，对深井斜顶巷道围岩的稳定性进行综合评价，得到围岩稳定性的评价结果，为巷道的支护设计和施工提供科学依据。三、全锚支护技术概述3.1全锚支护的概念与原理全锚支护是一种在巷道支护中广泛应用的技术，它以锚杆、锚索为主要支护构件，并配合钢筋托梁、金属网等辅助构件，共同对巷道围岩进行支护。在深井斜顶巷道中，全锚支护通过将锚杆和锚索锚固在围岩内部，与围岩形成一个共同承载的体系，从而有效控制围岩的变形和破坏，确保巷道的稳定性。全锚支护的原理基于锚杆与围岩的协同作用。锚杆作为全锚支护的核心构件，其作用原理主要包括以下几个方面：悬吊作用：当巷道顶板存在不稳定的岩层时，锚杆可以将这些不稳定的岩层悬吊在上方稳定的岩体上。通过锚杆的锚固力，将不稳定岩层的重量传递到稳定岩体中，从而防止不稳定岩层因自重而发生垮落。例如，在某深井斜顶巷道中，顶板存在一层厚度约为1.5m的破碎砂岩，通过布置长度为2.5m的锚杆，将破碎砂岩悬吊在其上方的完整砂岩中，有效避免了顶板的垮落。组合梁作用：对于层状结构的顶板，锚杆可以将多层岩层连接在一起，形成一个类似组合梁的结构。在未安装锚杆时，各岩层单独承受荷载，容易发生弯曲变形和层间错动。安装锚杆后，锚杆的预紧力使各岩层紧密贴合，增加了层间摩擦力，提高了组合梁的抗弯和抗剪能力。当顶板受到压力时，各岩层能够协同工作，共同承受荷载，从而增强了顶板的稳定性。挤压加固作用：锚杆在施加预紧力后，会在其周围形成一个以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。随着锚杆的布置，这些锥形体压缩区相互重叠，在围岩中形成一个连续的压缩带，即挤压加固拱。这个压缩带内的岩石被挤压密实，提高了围岩的强度和承载能力。在某巷道中，通过合理布置锚杆间距，形成了厚度约为1.2m的挤压加固拱，有效提高了围岩的稳定性。减跨作用：锚杆的存在相当于在巷道顶板或两帮增加了支点，减小了顶板或两帮的跨度。根据梁的力学原理，跨度的减小会显著降低梁所承受的弯矩和剪力，从而减少围岩的变形和破坏。在大跨度的深井斜顶巷道中，通过布置锚杆，将顶板的实际跨度减小，降低了顶板的受力，提高了其稳定性。锚索在全锚支护中也起着重要作用。锚索通常采用高强度的钢绞线制成，其长度较大，能够深入到深部稳定的岩层中。锚索的主要作用是将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连，进一步提高次生承载结构的稳定性。在深部矿井中，地应力较大，仅靠锚杆支护难以满足巷道的稳定性要求，此时锚索的作用尤为突出。通过锚索的锚固力，将深部围岩的承载能力调动起来，与锚杆共同作用，形成一个强大的支护体系，有效控制巷道围岩的大变形。3.2全锚支护的类型与特点在深井斜顶巷道的支护中，全锚支护包含多种类型，每种类型都有其独特的特点和适用条件。以下是几种常见的全锚支护类型及其详细分析：树脂锚杆：树脂锚杆是目前应用较为广泛的一种锚杆类型。它以树脂作为粘结剂，将锚杆杆体与围岩牢固地粘结在一起。树脂锚杆具有较高的锚固力，能够在较短的时间内提供有效的支护。其固化速度快，一般在几分钟内即可达到较高的强度，这使得在巷道掘进后能够及时进行支护，有效控制围岩的早期变形。在某深井斜顶巷道的支护中，采用树脂锚杆后，巷道顶板的下沉量在支护后的1小时内仅增加了5mm，而未采用树脂锚杆支护的区域，顶板下沉量在相同时间内达到了15mm。树脂锚杆的适应性强，可用于各种不同岩性的围岩。无论是坚硬的岩石还是软弱的岩体，树脂锚杆都能发挥较好的锚固效果。然而，树脂锚杆的成本相对较高，其树脂材料的价格较为昂贵，这在一定程度上限制了其大规模应用。此外，树脂锚杆的安装工艺要求较高，需要严格按照操作规程进行，否则可能会影响锚固质量。水泥锚杆：水泥锚杆采用水泥作为锚固剂，具有成本较低的优势。水泥材料来源广泛，价格相对便宜，能够降低支护成本。水泥锚杆的耐久性较好，在长期的使用过程中，能够保持较为稳定的锚固性能。在一些对支护成本较为敏感的工程中，水泥锚杆得到了广泛应用。但是，水泥锚杆的早期强度较低，需要一定的养护时间才能达到设计强度。这使得在巷道开挖后，不能立即提供足够的支护力，对于围岩变形控制的及时性不如树脂锚杆。在围岩稳定性较差的情况下，可能会导致围岩在水泥锚杆强度未达到要求之前发生较大变形。此外，水泥锚杆的锚固力相对树脂锚杆来说较低，在高应力环境下的支护效果可能不如树脂锚杆。管缝式锚杆：管缝式锚杆是一种全长摩擦锚固式锚杆。它的安装简单，只需将锚杆强行插入钻孔中，锚杆与钻孔壁之间的摩擦力即可提供锚固力。管缝式锚杆的初锚力较大，能够在安装后立即对围岩产生约束作用，有效控制围岩的初期变形。在某深井斜顶巷道的施工中，采用管缝式锚杆后，巷道两帮的移近量在安装后的24小时内仅为20mm，而采用其他类型锚杆的区域，两帮移近量达到了35mm。管缝式锚杆的长时锚固力会随着围岩的移动而增长，能够适应围岩的变形。但是，管缝式锚杆对钻孔的直径要求较为严格，钻孔直径过大或过小都会影响锚固效果。而且，管缝式锚杆的支护力相对有限，在围岩压力较大的情况下，可能无法满足支护要求。玻璃钢锚杆：玻璃钢锚杆具有轻质高强的特点，其密度约为金属锚杆的1/4-1/5，但强度却能达到金属锚杆的水平。这使得在搬运和安装过程中更加方便，能够减轻工人的劳动强度。在一些对支护材料重量有要求的场合，如高空作业或狭窄空间的支护，玻璃钢锚杆具有明显的优势。此外，玻璃钢锚杆还具有良好的耐腐蚀性，适用于一些特殊的地质条件，如含有腐蚀性介质的矿井。然而，玻璃钢锚杆的成本较高，目前其价格约为金属锚杆的2-3倍，这限制了其在一些对成本敏感的工程中的应用。而且，玻璃钢锚杆的弹性模量较低，在承受较大荷载时，变形相对较大，需要在设计和使用中加以注意。在实际的深井斜顶巷道支护中，应根据具体的地质条件、工程要求和经济成本等因素，综合考虑选择合适的全锚支护类型。例如，在围岩稳定性较差、需要及时提供支护力的情况下，可优先选择树脂锚杆；在对成本要求较高、围岩变形相对较小的情况下，水泥锚杆可能是一个较好的选择；而在需要适应围岩变形、安装条件较为苛刻的情况下，管缝式锚杆或玻璃钢锚杆则具有一定的优势。3.3全锚支护的材料与设备全锚支护的效果在很大程度上依赖于支护材料的性能和施工设备的质量。在深井斜顶巷道的全锚支护中，主要材料包括锚杆、锚固剂、锚索以及辅助材料等，而施工设备则涵盖了钻孔设备、搅拌设备等。锚杆作为全锚支护的核心材料，其种类繁多，性能各异。在深井斜顶巷道中，常用的锚杆有螺纹钢锚杆、管缝式锚杆等。螺纹钢锚杆一般采用高强度的螺纹钢制作，其屈服强度通常不低于335MPa，具有较高的强度和良好的锚固性能。它的杆体表面带有螺纹，能有效增加与锚固剂和围岩的摩擦力，提高锚固效果。管缝式锚杆则是一种全长摩擦锚固式锚杆，其杆体为管状，带有一条纵向的缝隙。在安装时，将锚杆强行插入钻孔，管缝被压缩，与钻孔壁紧密接触，从而产生较大的锚固力，初锚力一般可达20-30kN，长时锚固力会随着围岩的移动而增长。锚固剂是实现锚杆与围岩有效连接的关键材料，常见的有树脂锚固剂和水泥锚固剂。树脂锚固剂由树脂胶泥和固化剂组成，具有固化速度快、锚固力强的特点。在环境温度为(22±1)℃时，超快型树脂锚固剂的凝胶时间为8-25s，等待安装时间为10-30s，在5分钟时的锚固力就能达到较高水平，不小于与之配套杆体规定屈服力的1.2倍。水泥锚固剂则以水泥为主要成分，成本相对较低，耐久性较好，但早期强度较低，需要一定的养护时间才能达到设计强度。锚索在全锚支护中用于加强对深部围岩的锚固，通常采用高强度的钢绞线制成。锚索用钢绞线应符合《GB/T5224预应力混凝土用钢绞线》的相关规定，如1×19结构钢绞线捻距为其公称直径的12-18倍，钢绞线内不应有折断、横列和相互交叉的钢丝。锚索的直径一般在15.24-21.6mm之间，长度根据巷道的具体情况而定，可从数米到数十米不等。除了上述主要材料外，全锚支护还需要一些辅助材料，如托盘、螺母、钢筋托梁、金属网等。托盘和螺母用于固定锚杆和锚索，托盘的承载力应不小于与之配套杆体屈服力标准值的1.3倍（对于锚索托盘，承载力不小于锚索设计承载力的1.5倍）。钢筋托梁和金属网则用于增强支护结构的整体性，钢筋托梁一般采用钢筋焊接而成，金属网可选用10#铁丝编制的菱形金属网，它们能将锚杆和锚索连接成一个整体，共同作用于围岩，防止围岩表面的碎块掉落。在全锚支护的施工过程中，需要使用多种设备。钻孔设备是必不可少的，常见的有气动锚杆钻机、液压锚杆钻机等。以MQT-120/2.7型气动锚杆、锚索钻机为例，其适应岩石硬度f<8，工作气压为0.4-0.63MPa，空载转速≥700r/min，失速扭矩≥195N・m，能够满足大多数深井斜顶巷道的钻孔需求。搅拌设备用于搅拌树脂锚固剂等，确保锚固剂充分混合，发挥最佳性能。此外，还需要一些辅助设备，如锚杆安装机、锚索张拉设备等，用于锚杆和锚索的安装及预应力施加。锚杆安装机能够快速、准确地将锚杆安装到位，提高施工效率；锚索张拉设备则可精确控制锚索的张拉力，保证锚索的锚固效果。四、全锚支护机理研究4.1全锚支护的力学模型为深入探究全锚支护在深井斜顶巷道中的作用机理，需建立科学合理的力学模型。在构建全锚支护力学模型时，考虑锚杆与围岩之间的相互作用力，通过理论分析求解锚杆的轴力、剪应力分布，对于揭示全锚支护的工作原理和优化支护设计具有重要意义。在建立全锚支护的力学模型时，将锚杆视为弹性梁，围岩则简化为连续的弹性介质。假设锚杆与围岩之间通过粘结力相互作用，粘结力沿锚杆长度方向呈线性分布。对于全长锚固锚杆，其工作阻力的计算模型需考虑锚杆的塑性本构关系。在锚杆受力初期，锚杆处于弹性阶段，工作阻力随锚杆伸长量线性增加；当锚杆所受拉力超过其屈服强度时，锚杆进入塑性阶段，工作阻力的增长速率逐渐减小。以某深井斜顶巷道中使用的全长锚固锚杆为例，其直径为22mm，长度为2.5m，弹性模量为200GPa，屈服强度为335MPa。根据建立的工作阻力计算模型，当锚杆所受拉力较小时，如拉力为50kN时，锚杆处于弹性阶段，工作阻力与拉力成正比，此时工作阻力为50kN；当拉力逐渐增大至100kN时，超过了锚杆的屈服强度，锚杆进入塑性阶段，工作阻力的增长速率变缓，经计算工作阻力为80kN。对于全长锚固锚杆的轴力和杆体剪应力计算模型，考虑托盘对围岩的影响效应。在巷道掘进期间，锚杆的轴力主要集中在锚固段，靠近托盘处的轴力较大，随着离托盘距离的增加，轴力逐渐减小。在某巷道掘进过程中，通过在锚杆不同位置安装应变片监测轴力，发现靠近托盘0.5m范围内的轴力达到80kN，而在距离托盘2.0m处的轴力仅为20kN。杆体剪应力则在锚固段与非锚固段的交界处达到最大值，然后向两端逐渐减小。在回采期间，由于采动应力的影响，锚杆的轴力和剪应力分布会发生显著变化。采动应力会使巷道围岩产生较大的变形，导致锚杆的受力状态改变。在采煤工作面推进过程中，当工作面距离巷道50m时，巷道围岩的变形开始增大，锚杆的轴力也随之增加，在靠近采煤工作面一侧的锚杆轴力可增加30%-50%；同时，杆体剪应力的分布范围扩大，剪应力的最大值也有所增大，对锚杆的锚固性能提出了更高的要求。在研究锚索对围岩的作用时，建立相应的分析模型。锚索通过施加预应力，将深部稳定的围岩与巷道周边的围岩连接起来，形成一个整体的承载结构。锚索的预应力可以有效地抑制围岩的变形，提高围岩的稳定性。在某深井斜顶巷道中，通过安装锚索并施加1000kN的预应力，巷道顶板的下沉量减少了40%，两帮的移近量减少了30%，显著改善了巷道围岩的稳定性。通过建立全锚支护的力学模型，深入分析锚杆与围岩之间的相互作用力，以及锚杆的轴力、剪应力分布，能够更全面地理解全锚支护的作用机理，为深井斜顶巷道的支护设计和优化提供坚实的理论基础。4.2全锚支护对围岩力学性能的影响为深入研究全锚支护对深井斜顶巷道围岩力学性能的影响，采用数值模拟与实验室试验相结合的方法进行分析。数值模拟选用FLAC3D软件，构建包含巷道和全锚支护结构的三维模型。模型尺寸设定为长×宽×高=50m×30m×20m，巷道断面为斜顶梯形，上宽4m，下宽5m，高3.5m，斜顶角度为30°。围岩采用Mohr-Coulomb本构模型，锚杆和锚索采用植入式桁架单元模拟，托盘采用弹性板单元模拟。通过改变模型中全锚支护的参数，如锚杆长度、间距、锚索预应力等，模拟不同支护条件下围岩的力学响应。实验室试验则选取与实际巷道围岩岩性相同的岩石试件，制作尺寸为50mm×50mm×100mm的标准试件。采用岩石力学试验机对试件进行单轴压缩试验和三轴压缩试验，分别测定试件在无支护和全锚支护模拟条件下的强度、弹性模量和泊松比等力学参数。在全锚支护模拟中，通过在试件中植入微型锚杆和锚索，模拟实际的全锚支护结构。通过数值模拟和实验室试验结果，分析全锚支护对围岩强度、弹性模量和泊松比的影响。在围岩强度方面，数值模拟结果显示，在未进行全锚支护时，巷道围岩的屈服区域主要集中在斜顶部位和墙角处，当施加全锚支护后，锚杆和锚索的锚固作用有效地限制了围岩的塑性变形，使围岩的屈服区域明显减小。在实验室试验中，经过全锚支护模拟的岩石试件，其抗压强度和抗拉强度均有显著提高。与无支护试件相比，抗压强度提高了30%-40%，抗拉强度提高了20%-30%。这表明全锚支护能够增强围岩的强度，提高其抵抗破坏的能力。对于弹性模量，数值模拟表明，全锚支护使巷道围岩的整体刚度得到提升，弹性模量增大。在模拟过程中，当锚杆长度从2m增加到2.5m时，围岩的弹性模量提高了10%-15%；当锚杆间距从1m减小到0.8m时，弹性模量提高了8%-12%。实验室试验也得到了类似的结果，经过全锚支护模拟的试件，其弹性模量比无支护试件提高了15%-20%。这说明全锚支护能够增强围岩的弹性性能，使其在受力时的变形减小。在泊松比方面，数值模拟和实验室试验结果均表明，全锚支护对围岩泊松比的影响较小。在不同的全锚支护参数下，围岩泊松比的变化范围在0.05-0.1之间，基本保持稳定。这意味着全锚支护在改变围岩的强度和弹性模量的同时，对围岩横向变形特性的影响相对较小。综合数值模拟和实验室试验结果可知，全锚支护能够显著提高深井斜顶巷道围岩的强度和弹性模量，增强围岩的力学性能，有效控制围岩的变形和破坏，为巷道的稳定提供有力保障。4.3全锚支护的作用机制全锚支护在深井斜顶巷道中通过多种作用机制来维持围岩的稳定性，主要包括悬吊作用、组合梁作用、挤压加固作用以及减跨作用等，这些作用机制在不同的地质条件下发挥着不同程度的作用，共同保障巷道的安全稳定。4.3.1悬吊作用在深井斜顶巷道中，当顶板存在软弱、破碎或不稳定的岩层时，悬吊作用显得尤为关键。锚杆的一端锚固在深部稳定的岩体中，另一端则将不稳定的岩层悬吊起来，使这些岩层的重量通过锚杆传递到稳定的岩体上，从而防止其因自重而垮落。在某深井斜顶巷道中，顶板上部存在一层厚度约为1.5m的破碎页岩，其下方为较为完整的砂岩。通过布置长度为2.5m的锚杆，将破碎页岩悬吊在砂岩中，成功避免了顶板的垮落。悬吊作用的效果与锚杆的长度、锚固力以及不稳定岩层的厚度和重量密切相关。锚杆长度应足够穿透不稳定岩层，锚固在稳定的岩体中，以确保能够提供有效的悬吊力。锚固力则决定了锚杆能够承受的最大荷载，锚固力越大，悬吊作用越可靠。当不稳定岩层较厚、重量较大时，需要增加锚杆的数量或提高锚杆的锚固力，以满足悬吊的要求。在一些地质条件复杂的区域，如存在断层破碎带或节理裂隙发育的区域，悬吊作用的难度会增加。由于岩体的破碎程度高，锚杆的锚固效果可能受到影响，需要采取特殊的锚固措施，如采用加长锚杆、增加锚固剂用量或采用特殊的锚固方式，以确保悬吊作用的有效性。4.3.2组合梁作用对于层状结构的顶板，组合梁作用是全锚支护的重要作用机制之一。在未安装锚杆时，各岩层单独承受荷载，容易发生弯曲变形和层间错动。安装锚杆后，锚杆的预紧力使各岩层紧密贴合，增加了层间摩擦力，同时锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止了层间错动。各岩层在锚杆的作用下形成一个类似组合梁的结构，共同承受荷载，提高了顶板的抗弯和抗剪能力。在某深井斜顶巷道的层状顶板中，顶板由三层厚度分别为0.5m、0.8m和1.0m的砂岩和泥岩互层组成。通过布置锚杆，将这三层岩层连接成一个组合梁。在巷道开挖后的一段时间内，顶板的变形得到了有效控制，未出现明显的弯曲变形和层间错动。组合梁作用的发挥与锚杆的布置间距和预紧力密切相关。锚杆布置间距应合理，确保各岩层能够紧密连接成一个整体。预紧力则是使各岩层紧密贴合的关键因素，预紧力越大，层间摩擦力越大，组合梁的整体性和承载能力越强。在实际工程中，需要根据顶板岩层的厚度、强度以及巷道的跨度等因素，合理确定锚杆的布置间距和预紧力，以充分发挥组合梁作用。4.3.3挤压加固作用挤压加固作用是全锚支护提高围岩稳定性的重要方式。锚杆在施加预紧力后，会在其周围形成一个以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。随着锚杆的布置，这些锥形体压缩区相互重叠，在围岩中形成一个连续的压缩带，即挤压加固拱。这个压缩带内的岩石被挤压密实，强度和承载能力得到提高。在某深井斜顶巷道中，通过合理布置锚杆间距，形成了厚度约为1.2m的挤压加固拱。在巷道受到采动应力影响时，挤压加固拱有效地抵抗了围岩的变形和破坏，使巷道的稳定性得到了保障。挤压加固作用的效果取决于锚杆的预紧力、间距以及围岩的性质。预紧力越大，形成的锥形体压缩区范围越大，挤压加固效果越好。锚杆间距应适当，确保锥形体压缩区能够相互重叠，形成连续的压缩带。围岩的性质也会影响挤压加固作用，对于坚硬的岩石，挤压加固效果相对较弱；而对于软弱的岩石，挤压加固作用则更为明显。4.3.4减跨作用减跨作用是全锚支护控制巷道围岩变形的重要机制之一。在深井斜顶巷道中，锚杆的存在相当于在巷道顶板或两帮增加了支点，减小了顶板或两帮的跨度。根据梁的力学原理，跨度的减小会显著降低梁所承受的弯矩和剪力，从而减少围岩的变形和破坏。在某大跨度的深井斜顶巷道中，巷道顶板跨度为5m，在未进行支护时，顶板中部的弯矩较大，容易发生弯曲变形和垮落。通过布置锚杆，将顶板的实际跨度减小到3m，顶板中部的弯矩降低了40%，有效地控制了顶板的变形和破坏。减跨作用的效果与锚杆的布置密度和位置有关。锚杆布置密度越大，增加的支点越多，减跨效果越明显。锚杆的位置也应合理，应布置在弯矩较大的部位，以最大程度地发挥减跨作用。在实际工程中，需要根据巷道的跨度、形状以及围岩的受力情况，合理确定锚杆的布置密度和位置，以充分发挥减跨作用。在不同的地质条件下，全锚支护的各种作用机制发挥的效果有所不同。在围岩较为完整、强度较高的情况下，悬吊作用和减跨作用可能相对较弱，而组合梁作用和挤压加固作用能够较好地发挥，通过增强围岩的整体性和承载能力来维持巷道的稳定。在围岩破碎、节理裂隙发育的情况下，悬吊作用则显得更为重要，通过将破碎的岩体悬吊在稳定的岩体上，防止其垮落。同时，挤压加固作用也能在一定程度上提高破碎围岩的强度和稳定性。在实际工程中，需要根据具体的地质条件，合理设计全锚支护的参数，充分发挥各种作用机制的优势，以实现对深井斜顶巷道围岩的有效支护。五、全锚支护在深井斜顶巷道中的应用案例5.1工程概况某煤矿位于华北地区，随着开采深度的不断增加，已进入深井开采阶段。其中一条斜顶巷道位于该煤矿的深部开采区域，开采深度达到1050m，属于典型的深井巷道。该巷道主要用于煤炭运输和通风，是矿井生产的重要通道。巷道所处区域的地质条件较为复杂。地应力测量结果显示，该区域的最大主应力达到28MPa，方向大致为北东向，最小主应力为15MPa，侧压系数约为1.87。这种高应力状态对巷道围岩的稳定性构成了严重威胁。巷道围岩主要由砂岩、泥岩和页岩组成，其中砂岩的抗压强度较高，约为70MPa，但泥岩和页岩的抗压强度较低，分别为25MPa和15MPa，且泥岩和页岩的节理、裂隙较为发育，岩体完整性较差。此外，该区域还存在一条小型断层，断层破碎带宽度约为5-8m，对巷道的稳定性产生了不利影响。巷道设计为斜顶梯形断面，上宽4.2m，下宽5.0m，高3.2m，斜顶角度为35°。巷道长度为1200m，服务年限预计为5年。巷道采用综掘工艺进行掘进，掘进机型号为EBZ-200，掘进速度平均为5m/d。在掘进过程中，为了减少对围岩的扰动，采用了合理的截割参数和施工工艺，如控制截割速度、优化截割顺序等。同时，在掘进后及时进行临时支护，采用前探梁配合金属网进行临时支护，确保了施工安全。5.2全锚支护方案设计基于对该深井斜顶巷道围岩稳定特征的分析，结合巷道的工程要求，设计如下全锚支护方案：锚杆参数：顶板采用高强度螺纹钢锚杆，杆体直径为22mm，长度为2.8m，屈服强度不低于500MPa。选用型号为M22的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其材质为HRB500，这种锚杆具有较高的强度和良好的锚固性能，能够有效抵抗围岩的变形和破坏。两帮采用普通螺纹钢锚杆，杆体直径为20mm，长度为2.5m，屈服强度不低于335MPa。选用M20的普通螺纹钢锚杆，材质为HRB335，以满足两帮支护的需求。锚固方式：顶板和两帮锚杆均采用树脂加长锚固方式，每根锚杆使用2支锚固剂，锚固长度不小于1.2m。选用Z2360型中速树脂锚固剂，其凝胶时间为30-60s，等待安装时间为60-120s，固化速度快，锚固力强，能够确保锚杆与围岩的有效连接。布置方式：顶板锚杆按照矩形布置，间距为0.8m，排距为0.8m。在斜顶部位，适当加密锚杆布置，间距减小至0.6m，以增强斜顶部位的支护强度。两帮锚杆按照五花布置，间距为0.8m，排距为0.8m，在靠近顶板的1.0m范围内，锚杆间距减小至0.6m，以加强对两帮上部围岩的支护。锚索参数：锚索选用高强度低松弛钢绞线，规格为1×19-17.8-1860，长度为6.0m，每根锚索使用3支锚固剂，锚固长度不小于1.5m。选用Z2360型树脂锚固剂，以确保锚索的锚固效果。布置方式：锚索在顶板按照“2-1-2”的方式布置，间距为1.6m，排距为1.6m，在巷道顶板的中部和两侧各布置一排锚索，以增强顶板的整体稳定性。辅助支护：在锚杆和锚索支护的基础上，采用钢筋托梁和金属网进行辅助支护。钢筋托梁采用直径为14mm的钢筋焊接而成，长度为4.0m，沿巷道纵向布置，每排锚杆均设置钢筋托梁，以增强锚杆的整体支护效果。金属网选用10#铁丝编制的菱形金属网，网孔尺寸为50mm×50mm，将金属网铺设在巷道表面，并用锚杆和锚索将其固定，防止围岩表面的碎块掉落。5.3支护效果监测与分析为了全面评估全锚支护在该深井斜顶巷道中的实际支护效果，制定了详细的现场监测方案，对巷道围岩变形和锚杆受力情况进行长期监测。在巷道围岩变形监测方面，采用全站仪和水准仪对巷道表面位移进行测量。在巷道顶板和两帮分别布置多个监测点，顶板监测点沿巷道中心线及两侧对称布置，两帮监测点则在不同高度处均匀布置。在巷道掘进过程中，每天进行一次监测；在巷道掘进完成后，每周进行一次监测。通过长期监测，获取了巷道表面位移随时间的变化曲线。监测数据显示，在巷道掘进初期，由于开挖扰动，巷道围岩变形速率较快。随着全锚支护的及时施加，围岩变形得到有效控制。在掘进完成后的1个月内，顶板最大下沉量为80mm，两帮最大移近量为60mm；在掘进完成3个月后，顶板下沉量和两帮移近量基本趋于稳定，顶板最大下沉量为100mm，两帮最大移近量为80mm，均在设计允许范围内。为了了解巷道围岩的深部位移情况，采用多点位移计进行监测。在巷道顶板和两帮不同深度处钻孔安装多点位移计，分别测量不同深度围岩的位移变化。监测结果表明，在距离巷道表面0-1.5m范围内，围岩位移较大，随着深度的增加，位移逐渐减小。在距离巷道表面2.5m以外，围岩位移基本可以忽略不计。这说明全锚支护有效地控制了巷道周边一定范围内围岩的变形，锚杆和锚索的锚固深度能够满足支护要求。在锚杆受力监测方面，通过在锚杆上安装锚杆测力计，实时监测锚杆的轴力变化。在巷道掘进期间，锚杆轴力逐渐增大，这是由于围岩变形对锚杆产生了较大的拉力。在掘进完成后的一段时间内，锚杆轴力保持相对稳定，说明支护结构与围岩之间达到了相对平衡状态。在采煤工作面回采期间，由于采动应力的影响，靠近采煤工作面一侧的锚杆轴力明显增大，部分锚杆轴力增加了30%-50%，但仍在锚杆的设计承载能力范围内。这表明全锚支护在采动影响下，能够通过自身的变形和承载能力，有效地抵抗采动应力，保障巷道的稳定性。通过对监测数据的深入分析可知，全锚支护在该深井斜顶巷道中取得了良好的支护效果。全锚支护能够有效地控制巷道围岩的变形，使围岩变形量控制在合理范围内。同时，锚杆和锚索能够承受围岩的压力，在掘进和回采过程中，均能保证支护结构的稳定性。这为该巷道的长期稳定和矿井的安全生产提供了有力保障，也为类似地质条件下的深井斜顶巷道支护提供了宝贵的经验。5.4经验总结与问题探讨通过对全锚支护在该深井斜顶巷道中的应用实践，总结出以下宝贵经验：在支护设计方面，充分考虑巷道的地质条件和工程要求，合理确定锚杆和锚索的参数至关重要。针对该巷道的高应力、复杂围岩条件，选用高强度的锚杆和锚索，并通过优化布置方式，有效提高了支护结构的承载能力，成功控制了围岩的变形。在施工过程中，严格控制施工质量是确保支护效果的关键。对锚杆和锚索的安装角度、锚固长度、预紧力等参数进行严格把关，保证了支护构件能够充分发挥作用。同时，及时进行支护，减少了围岩暴露时间，有效抑制了围岩变形的发