深部软岩巷道锚网索_桁架耦合支护技术及其工程应用2009

第28卷 增2岩石力学与工程学报 V ol.28 Supp.22009年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .，2009收稿日期：2008–07–04；修回日期：2008–10–07基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202200)；教育部创新团队研究计划项目(IRT0656) 作者简介：郭志飚(1976–)，男，2006年于中国矿业大学(北京)岩土工程专业获博士学位，现任讲师，主要从事深井支护等方面的教学与研究工作。

E-mail ：guozhibiaobj@深部软岩巷道锚网索–桁架耦合支护技术及其工程应用郭志飚1，李 乾2，王 炯1(1. 中国矿业大学 岩土工程研究中心，北京 100083；2. 北京城建集团有限责任公司，北京 100083)摘要：深部软岩工程复杂工程地质条件使原有的浅部工程的支护技术和方法不能满足实际工程需要。

提出采用锚网索–桁架耦合技术进行深部软岩巷道支护。

利用理论分析和数值模拟等手段分析锚网索–桁架耦合支护的技术原理和力学机制，分析该技术的关键和特点。

将研究成果应用于我国最深的第三系软岩巷道支护工程实践，通过现场监测验证了支护方案的合理性。

关键词：采矿工程；深部软岩；锚网索–桁架耦合支护；力学原理；技术特点中图分类号：TD 35 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增2–3914–06COUPLED BOLT-MESH-ANCHOR-TRUSS SUPPORTING TECHNOLOGY AND ITS ENGINEERING APPLICATION TO DEEP SOFT ROCK ROADW AYGUO Zhibiao 1，LI Qian 2，WANG Jiong 1(1. Institute of Geotechnical Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China ；2. Beijing UrbanConstruction Group Co .，Ltd .，Beijing 100083，China )Abstract ：In deep soft rock roadway ，supporting technologies and methods which have been adopted in shallow engineering are not applicable due to complex engineering geological conditions. The coupled bolt-mesh- anchor-truss supporting technology is suggested. The rationality and mechanism of the technology are studied by means of theoretical analysis and numerical simulation. Its technical characters and key points are analyzed. The results are applied to the deepest soft rock roadway in China. The rationality of the supporting scheme has been validated by field monitoring.Key words ：mining engineering ；deep soft rock ；coupled bolt-mesh-anchor-truss support ；mechanical principle ；technical characters1 引 言由于深部岩体处于复杂的工程地质环境，使深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异，并且，随着开采深度的增加，伴随着硬岩矿井向软岩矿井的转型。

在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，尤其是深部软岩巷道支护设计及实际的需要[1～7]。

因此，必须针对深部软岩工程巷道围岩条件及其力学特性，寻找新的、合理的支护技术和方法，才能保证巷道围岩的稳定。

随着第28卷增2 郭志飚，等. 深部软岩巷道锚网索–桁架耦合支护技术及其工程应用 • 3915 •支护材料、技术装备的完善以及开采深度的增加，深部巷道工程支护技术从被动支护发展到主动支护和耦合支护。

其发展历程大致可以划分为3个时代：第一代为被动支护，这一阶段主要是在浅部地下工程以及工程地质条件简单、围岩条件较好的较深地下工程中使用(包括钢架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、料石暄支护系列技术、注浆加固系列技术等)。

第二代为主动支护，这一阶段以锚网、锚索支护为代表，支护形式也由过去单一的支护形式逐步发展为各种多次支护、联合支护形式，并形成了各种系列支护技术，如锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架注系列技术和预应力锚杆(索)支护系列技术。

第三代为何满潮等[8]提出的耦合支护，进入深部开采以后，单纯的主动支护已无法保证深部地下工程围岩的稳定性，主要是因为已进入非线性塑性大变形阶段、变形场是非线性力学场的深部巷道工程，其变形破坏实质上是巷道围岩在工程力作用下产生塑性大变形的一种力学过程，必须采用适合于深部岩体非线性大变形力学特性的支护理论与技术，才能充分发挥支护体的支护能力，保证巷道围岩的稳定性。

耦合支护思想针对深部大变形力学特性，通过各种支护之间的耦合以及支护体与围岩之间的耦合，从而实现对深部巷道工程稳定性的有效控制[9，10]。

本文研究的锚网索–桁架耦合支护技术是针对深部高应力强膨胀节理化复杂软岩的典型耦合支护技术。

2 锚网索–桁架耦合支护技术的定义在一般软岩巷道中，通过锚网索耦合支护就能控制围岩变形，使围岩稳定。

但在深部软岩复杂的工程地质环境中，在“三高一扰动”的影响下，虽然在锚网索耦合支护作用下，围岩变形速率得到极大的控制，变形量也较小，但却在持续变化中，围岩应力仍然较大，围岩仍然没有稳定，还需要进行第三次支护，才能使巷道稳定。

通过上述分析，锚网索–桁架耦合支护可定义为：对于深部高应力强膨胀节理化复杂软岩工程，由于巷道围岩塑性大变形，产生变形不协调部位，通过锚网索–围岩的耦合作用，在锚索充分调动深部围岩强度的情况下，消除了巷道的不均匀变形，但是巷道围岩整体变形仍然在继续，此时，通过立体桁架支护(桁架与围岩间预留一定的变形空间)，利用其较高的承载力支撑围岩(围岩中应力能已得到充分释放)，使锚网索–桁架–围岩协调变形，实现支护一体化、荷载均匀化，最终使巷道稳定。

3 锚网索–桁架耦合支护技术原理对于深部软岩工程来说，虽然围岩变形速率得到极大的控制，变形量也较小，但却在持续变化中，围岩应力仍然较大，仍然需要支护体提供较大的支护力才能使围岩稳定，立体双桁架支护可以解决上述问题。

因此，本文首先对立体双桁架的作用特点进行分析，然后研究锚网索–围岩–桁架耦合作用的原理及过程。

3.1 立体双桁架的作用特点普通钢架支护产生的破坏主要是弯曲变形和扭曲变形等刚度破坏，以及剪坏和拉坏等强度破坏。

这主要是由于普通钢架本身结构刚度底、整体性差。

普通钢架的劣势是抗弯、抗扭能力差，它的优点是材料强度高，抗拉、抗压以及抗剪能力强。

立体双桁架的作用特点正是基于上述普通钢架变形破坏特点，利用钢架的优点，通过力学设计转化其缺点。

立体双桁架是一种全封闭、整体式力学结构[11，12]。

立体桁架的主要优点是把钢架的抗弯、抗扭的部位通过结构优化设计转化为抗拉、抗压或抗剪的性能，受力情况如图1所示[11]。

图1 立体桁架受力情况示意图[11]Fig.1 Force diagram of 3D truss[11]利用SAP2000软件进行桁架受力状态进行分析，分别对单一刚架和由3，4和5架钢架组成的立• 3916 • 岩石力学与工程学报 2009年体桁架施加横向水平荷载(30 kN)的力学行为及力学参数进行分析[8]，单一刚架和3架钢架组成的立体桁架的剪力、弯矩和扭矩图见图2～4及表1[13]，表中同时给出了其余桁架数值分析结果。

(a) 单一刚架(b) 立体桁架图2 水平荷载作用下钢架剪力图Fig.2Shear force diagrams of steel frames under horizontal load(a) 单一刚架(b) 立体桁架图3 水平荷载作用下钢架弯矩图Fig.3 Bending moment diagrams of steel frames underhorizontal load(a) 单一刚架(b) 立体桁架图4 水平荷载作用下钢架扭矩图Fig.4 Torque diagrams of steel frames under horizontalload表1 水平荷载作用下钢架数值分析结果[13] Table 1 Numerical analysis results of steel frames underhorizontal load [13]钢架类型 扭矩T /(kN ·m)弯矩M /(kN ·m) 剪力V /kN 单一刚架 1 198.03 10 887.03 3.48 立体桁架(3架) 1 749.77 4 908.72 4.88 立体桁架(4架) 1 751.61 5 029.29 5.12 立体桁架(5架)1 782.805 036.635.19由单一钢架和3架立体桁架的受力状态可以看出，在承受横向荷载方面，立体桁架有着优良的表现。

单一钢架承受横向荷载时，轴力和钢架平面内的M 2(平行钢架平面的弯矩)，V 3(平行钢架平面的剪力)数值为0。

而垂直钢架平面的M 3(垂直钢架平面的弯矩)数值很大，成为钢架的薄弱环节。

而相同的荷载水平作用在两架立体桁架顶部时，拉杆的作用将桁架承受的M 3转化为了相应的钢架平面内的剪切力和弯扭力，使整个桁架受力均匀，合理充分地发挥了钢材的作用。

从以上的钢架整体情况分析能看出这一点，并且钢架的内力图分布均匀，显示了拉杆受力后立体桁架整体的良好受力状态。

3.2 锚网索–桁架耦合作用原理锚网索支护后，围岩应力集中程度已经较小，第28卷增2 郭志飚，等. 深部软岩巷道锚网索–桁架耦合支护技术及其工程应用 • 3917 •但由于深部软岩的强膨胀、高应力、节理化的工程特性，仍有局部位置出现应力集中，并因此导致局部出现差异性变形。