复杂地质条件下锚杆联系链的围岩锚固机理探讨

甘仕伟,许梦国,王 平,2,王明旭,陈顺满

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081；2.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉，430074)

矿山巷道的掘进线路有时会穿过复杂的地质构造带，其中多为松软岩层。松软岩层岩体破碎，形成许多弱面，如节理、片理、裂隙等，导致岩体的原有强度被破坏。在松软岩层中掘进巷道较为容易，但支护却极为困难，采用常规的施工方法、支护形式和支护结构往往不能奏效[1]，而矿山企业又大多不愿采用复杂的支护方法和成本过高的支护材料，因此迫切需要根据采场的实际情况设计出切实可行的支护方案，以保障生产的安全性和持续性。许梦国等[2]设计了一种与摩擦锚杆联合使用的锚杆联系链及其组合支护方法。该方法已在武钢矿业有限责任公司程潮铁矿进行过现场试验，证明对巷道围岩结构面的支护是有效的，但目前对其作用机理的研究较少。由于该方法的实用性较好，可在矿山企业进一步推广，为此本文拟通过理论分析和数值模拟的方法对锚杆联系链的围岩锚固机理进行深入探讨。

1 锚杆联系链的构造及布置

1.1 锚杆联系链的构造

1—锚杆安装孔；2—6～8钢筋

图2 锚杆联系链联合支护体系

Fig.2Supportingsystemformedbyboltsandboltconnectionchain

图3 L型砂浆锚杆

图4 T型砂浆锚杆

1—钢丝；2—6～8钢筋

1.2 锚杆联系链的布置

锚杆联系链主要是针对复杂地质条件设计的，而地层中的结构面和断层带具有随意性，这就要求锚杆联系链能够灵活使用。锚杆联系链的结构简单，施工人员无需事先设计支护布置方案，只需根据节理裂隙的走向或是断层带的分布来现场确定支护方案。

例如，某巷道壁上有一段结构面，依据结构面的走向可分别布置不同方向的锚杆联系链，如图6所示，其中，2#锚杆联系链竖直布置，4#、5#锚杆联系链并排水平布置，1#锚杆联系链则倾斜布置，与结构面相对垂直，由于结构面走向改变的地方应力分布较为复杂，可将2#和3#锚杆联系链交错布置。由此可知，锚杆联系链不仅可以纵横布置，也可斜向或是交错布置，使得锚杆联系链的应用变得很灵活。而在相同的地质条件下，现行的挂金属网支护方法偏于保守，虽然巷道只有部分破碎，但其整段都被支护起来，既增加了工作量，成本也高。总之，锚杆联系链适用于复杂地质条件下的巷道支护，其针对性强，操作灵活，工作量小，成本低，在巷道局部破坏的情况下可替代挂网支护，是对现行支护方法的一种补充。

1—锚杆；2—巷道壁；3—结构面；

锚杆联系链支护是在喷锚联合支护的基础上发展起来的，其具体施工方案如图7所示。锚杆沿巷道均匀布置，在巷道内壁每排打13根锚杆孔，注浆并插入锚杆，除两边各3根之外，左右拱角之间共7根锚杆，其中1根在顶板处，将中间4根锚杆用锚杆联系链相连，然后喷射混凝土，使锚杆联系链与喷层共同作用，形成支护的整体性。

1—结构面；2—锚杆；3—巷道；4—锚杆联系链

Fig.7Elevationoftunnelsupportedbyboltconnectionchain

2 锚杆联系链的作用机理及其优点

2.1 锚杆联系链的作用机理

目前，矿山普遍采用喷锚联合支护方式，虽然对于一般的巷道来说，喷锚支护可以达到很好的约束效果，但仍可进一步加以改进。光弹试验证明，用锚杆进行支护时，在两锚杆之间的围岩表面附近会产生拉应力[1]，如果岩石松软，在拉应力的作用下会产生局部的破坏和掉块。混凝土虽然可以控制掉块，但其抗拉强度较弱，当岩体变形过大时，支护效果就会变差，而锚杆联系链则很好地解决了这个问题。

锚杆联系链将之前互不相连的锚杆联系起来形成锚杆组，此时，锚杆由单独受力变为整体受力，即锚杆联系链将岩体作用力分摊给链条上所有的锚杆(见图8)，因此单根锚杆受力减小。锚杆单独布置时，在围岩之间会产生拉应力，锚杆联系链则可以消除该拉应力。锚杆联系链中的钢筋在喷浆时埋入混凝土中，与混凝土形成了钢筋混凝土层，相当于建筑工程中混凝土配置钢筋，钢筋代替混凝土直接承受拉应力，极大地提高了喷层的抗拉强度。锚杆单独布置时，其端部与混凝土存在相互作用力，但由于两种材料的属性相差较大，这种作用力是十分有限的，效果只相当于铰接，此时混凝土层所受弯矩M1如图9所示。添加锚杆联系链后，锚杆与锚杆联系链的连接代替了锚杆与混凝土之间的连接，其相互作用力增强，作用效果强于铰接，但仍弱于刚性连接，这时图9中M1弯矩图向上平移，在锚杆与锚杆联系链的连接处出现负弯矩，弯矩大小减为M2，围岩压力的破坏作用大为降低。

1—摩阻力;2—锚杆;3—岩石作用力;4—锚杆联系链

Fig.8Forcesofthesupportingsystemformedbyboltconnectionchainandbolts

1—锚杆;2—锚杆联系链;3—弯矩M2;4—弯矩M1

Fig.9Variationofbendingmomentinwallrocksupportedbyboltconnectionchain

2.2 锚杆联系链的优点

支护前期是巷道最为薄弱的时刻，因为岩体的破坏是一个连锁过程，前期的较小破坏会诱发后期破坏，多次破坏积累的能量瞬间爆发，具有很强的时间和空间效应性，是不可逆转的过程，因此及时支护对巷道而言至关重要。常规的挂金属网支护方式对安装环境要求较高，其支护面积大，支护区域内的巷道必须先处理好，所以施工时间较长，影响掘进作业的持续进行，同时工人较长时间在没有支护的岩体结构面下作业，危险性也较高。由于锚杆联系链布置灵活，对安装环境要求不高，锚杆孔打好之后即可安装，缩短了作业时间，能在支护早期及时有效地投入使用。

锚杆联系链的安装使用很方便。锚杆联系链可事先在地面加工完毕，带至井下即可进行支护作业。在支护早期，可对巷道局部破坏严重的地段优先支护，对其完整部位则延后支护，可节约早期宝贵的施工时间，最危险地段在较短时间内得到修复，提高作业安全性。锚杆联系链的制作也很方便，其构造简单，原材料为普通建筑钢材，可因地制宜，钢材消耗量也不大，因此锚杆联系链的使用成本很低。与之相比，挂网支护施工较为麻烦，局部出现破坏时整个掘进段都要挂上金属网，耗费大量的人力和时间，钢材消耗量和使用成本较高。

综上所述，锚杆联系链具有作业时间短、安装方便、结构简单、使用成本低等特点，在兼具喷锚网支护优点的同时，也弥补了喷锚网支护的不足，是对矿山现行支护方式的补充和改进。对于大面积结构面，挂网支护是最佳选择，但是对于只出现局部破坏的巷道，则完全可用锚杆联系链替代挂网支护。

3 数值模拟分析

3.1 支护模型的建立

本文以程潮铁矿的矿区巷道为模拟对象，采用FLAC3D软件进行数值模拟计算[4-5]。整个模型的计算范围为30 m×30 m×20 m，试验巷道断面为半圆拱形，巷道尺寸为：宽4.4 m、高4.4 m、长20 m。为了模拟矿山的真实环境，在模型中添加了结构面，结构面经过巷道，贯穿整个模型。程潮铁矿回采巷道一般采用喷锚支护方式，为了比较不同方式的支护效果，文中分别建立了喷锚支护和锚杆联系链支护两种模型。喷锚支护模拟利用FLAC3D软件中的锚杆单元和壳单元来实现，其中，锚杆用锚杆单元模拟，喷浆用壳单元模拟，通过加大壳单元的参数来实现锚杆联系链的支护效果。图10为巷道锚杆联系链支护数值仿真模型。模型总共划分为59058个单元、96665个节点，模型的四边和底部为滚支承。将围岩简化为一种类型，采用基于摩尔-库伦屈服准则的本构模型。

(a)整体模型

(b) 锚杆联系链支护模型

Fig.10Numericalmodeloftunnelsupportedbyboltconnectionchain

3.2 计算参数的确定

通过分析程潮铁矿地质调查报告，初步掌握了所研究区域矿岩的物理力学参数，如表1所示，但是这些参数不能直接应用于现场试验或是数值模拟中，需要进行工程弱化处理。结合岩石强度指标弱化的工程方法，可得到室内岩石物理力学参数。由于要考虑结构面对巷道围岩稳定性的影响，故需要获取结构面岩体的物理力学参数。结构面岩体具有松散非均匀性，通过试验的方法获取所需参数难度较大，而工程地质类比法可有效解决这个问题[6]。通过相关处理并结合现场试验数据，得到数值模拟中采用的岩石物理力学参数如表2所示。FLAC3D计算模型中支护材料的参数见表3。

北京科技大学等单位对程潮铁矿西区-360 m和-430 m水平进行过现场测试，采用孔壁应力解除法测量了8个点的应力[7]。由文献[7]可得到如下结论：原岩应力中的次主应力σ2非常接近由自重引起的垂直应力分量σz；矿区岩体最大主应力σ1倾角接近水平，主方向与矿体走向基本一致；最小主应力σ3倾角接近水平，方向基本上垂直矿体走向。然而矿区主要构造——淮阳山字形构造决定着矿区内构造的总轮廓以及侵入体和矿床分布的总方向，矿区最大主应力方向一般与矿区主要构造垂直，即可能垂直于矿体走向。而且，根据文献[7]中的地应力实测结果，8个测点最大主应力的方位角均为170°～180°，程潮铁矿的总体矿体走向约为120°，实测最大主应力的方向更接近于垂直矿体走向。综上所述，在本文数值模拟分析中将考虑两种可能的最大主应力方向：①σx=σ1=1.75σ2，方向沿矿体走向，σy=σ3=0.4σ2，方向垂直于矿体走向，σz=σ2=γh；②σx=σ1=1.75σ2，方向垂直于矿体走向，σy=σ3=0.4σ2，方向沿矿体走向，σz=σ2=γh。上文中，h为监测点与地表标高的垂直高度，矿岩容重γ=26～28 kN/m3。

表1 矿岩的物理力学参数

表2 数值计算中采用的岩石物理力学参数

表3 支护材料的物理力学参数

数值模型的地表标高取为55 m。文献[7]中部分现场试验数据与模型所取标高一致，测量地点也十分接近，虽然应力的方向与倾角略有偏差，但是对试验结果没有大的影响，经过处理后可用于数值模拟，即计算时巷道围岩的应力参数如表4所示(-360 m水平)。

表4巷道围岩原岩应力状态

Table4Originalrockstressofsurroundingrockofthetunnel

原岩应力方向取值/MPa最大主应力σ1180°18.3中间主应力σ290°11.8最小主应力σ3180°4.7

3.3 模拟结果与分析

喷锚联合支护和锚杆联系链支护两种模型均在相同的边界条件和受力条件下进行数值计算。在巷道顶板附近取了若干点进行监控，图11所示为两种支护方式下巷道顶点处在Z方向(竖直方向)上的位移。从图11中可以看出，将喷锚联合支护改为锚杆联系链支护后，巷道顶点位移由1.0 mm降至0.5 mm，表明锚杆联系链对巷道的形变控制效果更好。锚杆联系链支护是对喷锚联合支护的改良，使用锚杆联系链后，锚杆由单独受力变为整体受力，提高了混凝土喷层的抗拉强度，锚杆联系链、锚杆、混凝土喷层三者之间的有机结合，提高了围岩的自支撑能力，锚杆之间的围岩受到约束，拉应力也大为减小，从而可以避免围岩局部垮塌或是岩石冒落。

图11 两种支护方式下的巷道顶点Z方向位移

Fig.11Tunnelarchtopsettlementsattwosupportingsystems

4 现场试验

4.1 地质概况

在程潮铁矿进行锚杆联系链支护的现场试验。程潮铁矿位于长江中下游铁铜成矿带西端，属于接触交代矽卡岩型矿床。矿体上盘为闪长岩，下盘为斑状花岗岩，上下盘之间夹有变质岩体，矿体平均厚度53 m，平均倾角46°。矿体以15号勘探线为界分为东区和西区两个矿区，年生产能力分别为200万t和80万t。通过分析程潮铁矿的地质调查报告，选取该矿-360 m 水平东8川29#进路进行锚杆联系链支护试验。

4.2 巷道支护施工技术要求

(1)喷层需要达到相应的厚度。素喷混凝土厚度：(80±10)mm；矿(废)石井联络道、进路锚喷支护厚度：(80±10)mm；采区下沿脉锚喷支护厚度：(100±10)mm；矿(废)石井联络道锚网喷厚度：(100±10)mm；进路、下沿锚网喷厚度：(130±10)mm；风井、下料井联络道素喷混凝土厚度：80mm±10mm。喷射后，喷层表面圆滑，无裸露矿岩，无接缝。

(2)混凝土喷层中需要保证一定的石子含量。材料要求：水泥标号为500#以上；瓜米石粒径为6～13 mm，片状粒状各占50%；黄砂为一般中砂(平均粒径为0.35～0.49 mm)。喷射混凝土配比为m(水泥)∶m(瓜米石)∶m(黄砂)=1∶2∶2；水灰质量比为0.4～0.45；速凝剂添加量为2%～4%。

(3)局部有断裂的地带采用锚喷加锚杆联系链的支护方式。

4.3 巷道收敛监测

为了进行比较分析，选择相邻的30#进路作为对照组。30#进路与29#进路为相邻巷道，二者走向一致，巷道的尺寸也相同。与29#进路最大的不同之处是30#进路仅仅作了喷锚处理。采用数显收敛计对巷道围岩收敛变形量进行监测，监控点布置如图12所示，A点位于巷道顶板，B、C两点分别位于巷道两边帮。每条进路选择两个测量点，每个测点在第一次数据测量完成的36天后进行了第二次测量。监测结果如表5所示。由表5可见，尽管两次测试间隔时间不长，相邻两条进路的测试数据变化差异不够明显，但总的来说，29#进路巷道的变形要比对照组巷道的变形小。分析表5中东8川29#进路的数据可知，测量点①处位于两边帮的监控点B-C间距缩小了5.32 mm，缩小率为0.14%，这表明巷道围岩在应力作用下发生了形变，巷道壁向内鼓起；A-B、C-A间距分别缩小9.4、3.04mm，缩小率分别为0.45%与0.10%，即A点与B、C两点的距离趋于接近。

图12 巷道围岩收敛监控点

Fig.12Convergencemonitoringpointsattunnelsurroundingrock

A点位于巷道顶板，表明巷道顶板在沉降，但是A-B间距与C-A间距的变化量及变化率都不一致，表明巷道顶板并不是垂直下降，而是同时发生了水平向移动，也就是说顶板在倾斜下降，究其原因，应该与地质构造以及围岩应力方向、作用点有很大的关系，说明围岩的物理力学参数以及岩体性质、地应力的大小和方向对巷道围岩的变形乃至破坏的影响很大。测量点②与测量点①的结果基本吻合，不同之处在于测量点②处顶板相对升高。

表5 巷道围岩收敛监测结果

5 结语

在断层、节理、裂隙等结构面丰富的软弱岩体中进行掘进作业，巷道支护极为困难，而与锚杆联合使用的锚杆联系链组合支护为支护方案提供了新的选择。使用锚杆联系链后，锚杆由单独受力变为整体受力，混凝土喷层的抗拉强度得以提高，锚杆联系链、锚杆和混凝土喷层三者之间的有机结合提高了围岩的自支撑能力，锚杆之间的围岩受到约束，拉应力大为减小，从而可以避免巷道局部垮塌或岩石冒落。

锚杆联系链组合支护方式具有作业时间短、安装方便、结构简单、成本低等优点，其在兼具喷锚网支护优点的同时，也弥补了喷锚网支护的不足，是对矿山现行支护方式的补充和改进。现场试验和数值模拟结果均表明该支护方法效果明显，可在矿山企业进行推广。

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