高應力區回采巷道錨桿支護技術研究

　　 一、高應力區巷道變形機理分析
　　高應力軟巖巷道圍巖變形破壞機理是與其原巖的高地應力狀態（原巖應力）以及工程巖體的低圍壓狀態（圍巖應力）和高應力差相聯系的。原巖應力較高，故一旦開挖，隨即發生內應力釋放和回彈，并引起相應的應力調整和變形。巷道開挖卸載后相當于在原巖應力狀態上疊加相應反向拉應力，于是工程巖體（尤其是層狀和似層狀巖體）在類似橫彎或縱彎作用下發生撓曲，或者沿結構面發生剪脹滑移變形，巖體強度降低，圍巖發生體積膨脹變形（擴容）。
　　應力釋放引起的回彈和應力調整引起的擴容使巖體中原本閉合的結構面張開滑移，在改變巖體應力狀態和強度的同時，也改變了圍巖水文地質條件，工程用水沿張開裂隙滲流，進一步降低了巖體強度或者加劇了具有膨脹性巖石的物理化學膨脹和力學膨脹，從而使圍巖產生較大的收斂位移，表現為側墻鼓出、底鼓和頂壓等。變形的進一步發展導致巷道破壞失穩，如側墻內移（側向張裂、片幫）、尖頂（拱頂剪裂）底鼓和冒頂等。破壞最嚴重的部位多在拱頂和拱墻交界處，在這些部位常見巷道剪裂和張裂，鋼拱架因過大位移而扭彎屈曲，甚至鋼拱架也被扭彎或剪斷的現象。當巷道布置在構造應力、復雜應力和高應力區域時，圍巖在很大的水平擠壓應力作用下，其頂板與底板巖層直接承受著水平構造應力的作用，而巷道兩幫的圍巖由于巷道開挖解除了水平應力作用處于彈性恢復狀態。
　　因此，構造應力主要引起巷道頂板巖層的擠壓破壞，巷道底板巖層發生屈曲破壞。頂板的大范圍破壞（鼓出），使得構造運動殘余水平應力得到充分釋放。重力應力場隨著圍巖構造應力的釋放（解除）而發展成為促使圍巖向已采空間運動的主動力。隨著圍巖周邊破壞向深部發展，巖石破裂范圍不斷增大，應力高峰相應向深部轉移，支撐壓力分為由明顯運動的巖層重力作用的內應力場和由巷道圍巖結構整體重力作用的外應力場兩個部分。構造應力作用的結果導致頂底板巖體發生破壞，在一定范圍內的構造應力得到釋放。巷道圍巖主要承受重應力場的作用，在巷道兩幫形成支承壓力，兩幫出現壓縮破壞，兩幫的破壞隨著支承壓力向深部轉移而逐漸發展，直到支承壓力達到穩定后，兩幫圍巖才趨于穩定。
　　我礦實測最大主應力值為29～33MPa，方位角131°～148°。對我礦所處的深部開采的高應力環境下，在最大水平應力的作用下會使巷道頂底板巖層發生剪切破壞，繼而出現巖層錯動和底板巖層的膨脹，造成圍巖變形，這已被我礦的生產實踐所證實。因此，我礦的錨桿支護設計應側重于在頂板變形的早期階段提高圍巖的穩定性，以控制后期圍巖變形的嚴重程度。
　　二、巷道支架-圍巖相互作用原理
　　正確調節和處理“支架一圍巖”關系，是支架支護巷道的理論基礎，對深化錨桿支護機理具有重要作用。巷道開掘后，巷道空間上方巖層的重量將由巷道支架與巷道周圍巖體共同承擔，巷道支架和圍巖體組成一個共同的承載體系。現有的各種巷道支架，在“支架一圍巖”力學平衡系統中，只能承擔及其有限的的一小部分載荷，支架在圍巖內部應力平衡關系中所起的作用是微小的，更不能企圖依靠支架去改變上覆巖層的運動狀態.然而支架的這個微小的支撐力又是極其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撐力在一定程度上能夠相當有效地控制直接頂板離層，控制圍巖塑性區的再發展和圍巖的持續變形，保持圍巖的穩定。因此，巷道支架系統必須具有適當的強度和一定的可縮性，才能夠有效地控制和適應圍巖的變形。
　　地下工程中圍巖不僅是施載體，在一定條件下還是一種天然承載構件，上覆巖層的絕大部分重量完全是由自身承擔的。因此，合理的“支架一圍巖”相互作用關系是充分利用圍巖的這種天然的自承力和承載力。人為的支護作用是在圍巖強度、結構、受力環境、位移與力的邊界條件等方面創造條件，促進圍巖形成自穩和承載結構巷道支護對圍巖提供支護阻力，控制圍巖塑性區的持續發展，減小圍巖移近量。
　　圖1說明支架與圍巖相互作用和共同承載原理，可知，如果想依靠支架的支承力完全阻止圍巖移動，這時所要求的支架支承力 將為最大值 ，其值相當于開巷前的原巖應力。但是只要圍巖產生少量位移， 值就會急劇減小。例如，在A點由于利用了圍巖的自承力，支架的自承力 ，將比 小。但是這種情況不能無限制地持續下去，因為隨著支架自承力的減小，圍巖移近量 會隨之增加，而移動量加大到一定程度，圍巖將產生松動破壞，這時支架所受的松動壓力也會加大（如曲線2）。在曲線1和曲線2的交點B處，圍巖最大限度得發揮了自承作用，支架支承力達到了最小 。B點是支架的最佳受載點，該點的位移 則是允許的最大位移量。
　　實際上，為了保證一定的安全系數，通常不允許支架在B點工作，因而從設計觀點看，比較理想的情況是使支架的工作點保持在離B點不遠的左面，例如C點，使支架工作時的支承力 稍大于 值，這樣才能獲得既經濟又安全的效果，因而也是支架與圍巖相互作用和共同承載的合理工作點。
　　我礦巷道圍巖穩定性大都屬于II、III頂板，但直接頂基本為泥巖或砂質泥巖，泥巖層硬度小、易碎、具滑面，而硬度較大的砂巖，分層厚度小，多為塊狀結構，裂隙發育，將巖體切割成為一個個相對獨立的塊體，整體性較差。另巷道斷面屬于大斷面，根據理論與試驗研究認為：我礦高應力區放頂煤回采巷道應該選擇錨桿+W鋼帶（或鋼筋梁）網，并增加錨索的支護形式。