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金川深部巷道耦合非线性设计支护研究 金川深部巷道耦合非线性设计支护研究 1 引言 1 引言 在金川矿区深部复杂力学环境下, 矿岩（软岩）已进入非线性塑 性大变形阶段, 变形场是非线性力学场, 因此, 软岩巷道的破坏机理 同硬岩巷道明显不同。 软岩巷道的破坏主要是由于支护体力学特性与 围岩力学特性出现不耦合所造成的, 并且首先从某一部位即关键部位 开始, 进而导致整个支护系统的失稳。按其变形力学机制不同, 软岩巷 道的破坏机理主要有以下4种类型 第一类 强度不耦合。 是指支护体和围岩的强度不耦合, 非均匀 的荷载作用在等强的支护体上,形成局部过载, 产生局部破坏, 最终导 致支护体失稳。 第二类 刚度正向不耦合。是指支护体和围岩的刚度正向不耦合, 支护体刚度ES小于围岩刚度ER ，围岩产生的过量变形得不到限制, 使围岩剧烈变形损伤、强度降低, 从而将其本身所承担的荷载传递到支 护体上, 形成局部过载而产生破坏。 第三类 刚度负向不耦合。是指支护体和围岩的刚度负向不耦合, 支护体刚度ES大于围岩刚度ER, 围岩的膨胀性等能量不能充分转 化为变形能而释放, 造成局部能量聚集, 使支护体局部过载而首先产 生破坏。 第四类 结构变形不耦合。 是指支护体和围岩结构变形不耦合, 支 护体产生均匀的变形, 围岩中的结构面如软弱夹层、层理面、断层面、 节理面等产生差异性滑移变形, 使支护体局部发生破坏。 2 金川深部开采软岩巷道耦合支护 2 金川深部开采软岩巷道耦合支护 根据金川深部开采软岩巷道变形破坏机理, 要实现软岩巷道的成 功支护, 必须消除支护体与围岩之间的不耦合现象。 因此, 金川矿区 深部开采软岩巷道耦合支护就是对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产 生的变形不协调部位, 通过支护的耦合而使其变形协调, 从而限制围 岩产生有害的变形损伤, 同时最大限度地发挥围岩的自承能力, 实现 支护一体化、荷载均匀化, 达到巷道稳定的目的。 支护体与围岩的耦合作用主要包括锚杆支护与围岩之间的耦合、 锚杆支护与围岩之间的耦合以及锚索与深部围岩之间的耦合支护。锚杆 耦合支护就是针对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调 部位，通过锚杆-围岩以及锚杆关键部位支护的耦合而使其变形协调， 从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，达 到稳定巷道的目的。软岩巷道实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与 支护体在强度、刚度及结构上的耦合，如图1 所示。 图1 1 耦合支护的基本特征 3 锚杆耦合支护非线性设计方法 3 锚杆耦合支护非线性设计方法 由于金川深部软岩巷道岩体介质已进入到塑性、黏塑性和流变性阶 段，因此锚杆耦合支护设计必须用以软岩非线性大变形力学设计理论为 基础的设计方法，主要内容包括以下三个方面变形设计、强度设计和 反馈设计。 3.1 变形设计 3.1 变形设计 变形设计是进行强度设计的基础，亦是区别于传统线性设计的主要 特点之一，通过变形设计，确定适合于软岩巷道变形特点的最佳耦合过 程。 3.1.1 地质力学评估 地质力学评估是整个设计的基础，应在广泛的、全面的现场工程 地质调查的基础上进行。地质力学评估的内容包括现场地质条件调查、 巷道围岩力学性质测定、原岩应力实测、巷道围岩结构测试、采动应力 测量和锚杆拉拔试验等。 3.1.2 软岩类型及其变形力学机制确定 根据地质力学评估结果，结合工程软岩及其变形力学机制的分类体 系，可以正确地确定巷道围岩的软岩类型及其变形力学机制。不同类型 的软岩其变形力学机制及采取的耦合对策都不相同，正确确定软岩的变 形力学机制及其复合型是软岩巷道工程成功支护的关键技术之一。 3.1.3 耦合对策设计 在正确地确定软岩类型及其变形力学机制的基础上，通过耦合对策 设计实现巷道围岩结构优化、支护体与围岩在强度、刚度上的耦合。 （1）围岩结构优化 巷道所处部位围岩结构类型决定了巷道支护的难易程度。应根据 巷道围岩条件，选择合理的断面形状及巷道位置，优化巷道围岩结构， 才能充分发挥巷道围岩本身强度。 （2）强度耦合 强度耦合是由设置支护体与围岩之间的合理变形空间来确定。不同 类型的软岩，在保证巷道围岩强度的前提下其所允许的变形能释放变形 空间不同。根据工程实践研究结果，各类软岩的变形能允许释放空间为 ①膨胀性软岩（S型）50～100 mm；②节理化软岩（J型）30～50 mm； ③高应力软岩（H型）80～150 mm；④对于复合型软岩（HS型、HJ 型 及HJS型），其变形能允许释放空间应根据优势变形能确定。 （3）刚度耦合 根据巷道围岩条件确定合理的支护材料，使支护体与围岩在刚度上 实现耦合，充分发挥围岩自身强度，从而使支护体与围岩构成的支护系 统形成统一体，才能充分提高整个支护系统的稳定性。基于耦合支护理 论研究结果，支护材料选择的原则是①锚杆杆体弹性模量与围岩弹性 模量互相耦合（一般相差两个数量级左右）；②锚杆托盘材料强度小于 锚杆材料强度，其尺寸大小根据围岩结构及支护强度确定。对于碎裂、 散体结构围岩，一般锚杆托盘尺寸应大于块裂结构、整体结构围岩锚杆 托盘。③网的选择应根据围岩结构及支护强度确定。对于碎裂、散体结 构围岩，一般选择金属网；对于块裂结构围岩，一般可选择经纬网或菱 形网。④锚梁及钢带的选择主要根据支护强度确定，对于支护强度较小 的巷道可选择钢筋梯；对于支护强度大、围岩岩体结构差的巷道一般选 择钢带。 3.1.4 耦合过程设计 金川深部软岩非线性力学特性决定了软岩巷道在施工过程中会表 现出明显的过程相关性，即不同的卸（加载顺序将会产生不同的围岩损 伤、变形结果。耦合过程设计要通过岩体变形性质来完成，其目的是确 定复合型变形力学机制的合理转化过程。 3.2 强度设计 3.2 强度设计 通过变形设计，将复合型变形力学机制转化为单一重力机制的变 形力学机制后就可以进入强度设计阶段，即确定巷道合理的耦合支护参 数，包括初次耦合支护参数和二次耦合支护参数。 3.3 二次耦合支护参数设计 3.3 二次耦合支护参数设计 无论是一般软岩巷道，还是沿空软岩巷道，其二次耦合支护均是 在关键部位出现时的最佳支护时间对关键部位进行锚杆加强支护。（1） 锚杆二次耦合支护设计原则锚杆支护设计原则可以概括为5 条，即①锚 杆长度原则 锚杆长度取决于巷道顶板岩性、 岩体结构和巷道工程尺寸。 当坚硬顶板岩层高度小于3倍巷道宽度时，锚杆长度取决于坚硬岩层位 置，锚杆锚固段要设计在坚硬岩层内1～1.5 m；当坚硬岩层高度大于3 倍巷道宽度时，其长度按3倍巷道宽度设计，同时要充分注意锚固段的 结构设计和施工质量，重点考虑深部围岩强度和巷道浅部支护体之间的 相互耦合作用。②锚杆强度原则锚杆承载强度取决于锚杆根数和锚杆 间排距，其设计总荷载按巷道顶板塑性软化区范围的岩石重量乘以安全 系数来计算。③耦合作用设计原则锚杆支护达不到耦合作用状态，将 会出现恶性事故。因此，重视各种时空条件下的预应力施加值的变化至 关重要。一般地在迎头工作面施作锚杆支护，预应力值应适当小一些， 约是锚杆设计值的0.8～1.0倍；在掘进机后实施锚杆支护时预应力水平 应是锚杆设计荷载值的1.0～1.3倍比较适宜。④关键部位原则理论研 究表明，锚杆设计在顶板的力学关键部位效果最好，锚杆要尽量设计在 顶板的关键部位。⑤反馈设计原则现场地质条件复杂多变，要加强锚 杆支护的检测，及时反馈分析、修正和完善设计，以及时弥补理论和实 践存在的缺憾。 3.4 反馈设计 3.4 反馈设计 反馈设计是确定支护参数初始设计的合理性，并及时提出修改设 计，以保证巷道的稳定。 巷道耦合支护参数的反馈设计巷道支护参数的反馈设计是根据巷 道施工过程中所获得的各种监测数据及变形破坏特征的分析进行的，主 要包括巷道深部位移监测曲线、锚杆支护阻力监测曲线、顶板离层的监 测曲线等。根据上述曲线还可进行最佳二次支护时间的修改，即当监测 数据变化趋势趋近于稳定时，即为最佳二次支护时间。 3.5 巷道实现耦合支护的判断准则 3.5 巷道实现耦合支护的判断准则 （1）锚杆受力状态判断准则 根据锚网-围岩耦合作用分析结果， 当观测到顶部区锚杆应力状态随时间的变化而下降，帮部锚杆应力状态 同时提高时，说明围岩受力集中应力区已向低应力区转化，此时表明锚 网支护与围岩实现了耦合，使围岩应力分布均匀化。 （2）关键部位判断准则 关键部位的产生是支护体与围岩不耦合 支护的一个重要特征，因此，可以根据巷道实施支护后其产生鳞片状剥 落、片状支护体剥落等高应力腐蚀现象的部位的多少，来判断是否达到 耦合支护状态。软岩巷道实现耦合支护的特征是以实施支护后关键部位 不再产生或极少产生关键部位。 4、双层喷锚网改单层喷锚网相对耦合支护与理论支撑 4、双层喷锚网改单层喷锚网相对耦合支护与理论支撑 4.1、双层喷锚网柔让型支护工艺改单层喷锚网柔刚限让压型支护工艺 理论 4.1、双层喷锚网柔让型支护工艺改单层喷锚网柔刚限让压型支护工艺 理论 （1）、柔性让压型理论与柔刚性限让压型耦合支护理论 原双层喷锚网支护工艺的初期支护体设计中，柔性大、刚性小、 早期强度与钢度低，属刚度不耦合支护设计。大量支护实践已经证实， 若初次支护柔性过大，围岩放压持续进行，巷道变形不止，抵抗不了金 川深部围岩压力或松动破坏力，造成巷道有害变形或支护体失稳。但双 层喷锚网支护工艺改单层喷锚网支护工艺，即原两次支护合并一次施 工喷层厚度是两次喷层厚度之和；锚杆间排距是两次间排距之和；树 脂锚杆替代砂浆锚杆。因此初次极薄层柔性让压支护工艺就变成了厚层 柔刚性限让压型支护工艺。这一柔刚性限让压型支护工艺，既较好地满 足了围岩释放一定压力，即让压要求，又达到了限压，即维护或提高了 围岩强度和自身承载能力及阻止围岩有害变形的要求。显然，这一支护 工艺相当于提高了早期支护体强度和刚度，从而实现了早期相对刚度耦 合支护之目的。由于实现了相对刚度耦合支护，因此由柔刚性限让压型 支护工艺形成的单层支护体，从理论和实践上都可达到永久型支护的要 求。 （2）、柔刚性限让压支护，满足双耦合要求，符合早强理论 巷道实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与支护体在强度、刚 度及结构上的相对耦合，若支护体强度、刚度小于围岩强度、刚度,围 岩会产生过量变形而得不到限制,使围岩剧烈变形破坏松动,其刚度、强 度显著降低,而降低的荷载，又转嫁给支护体去承担，本来就微弱的初 次支护体雪上加霜，致使初次支护体过载而破坏。若双层改单层，实际 上强度、刚度显著提高，满足了早强，实现了相对耦合。虽说双层改单 层， 从表面看来强度有所降低， 但由于双层改单层， 其初次支护体强度、 刚度大大提高，限制了围岩变形破裂松动的发展，改善了围岩的应力状 态，阻止了围岩松弛范围的扩大，围岩强度及自身抗力得到了维护或提 高，支护体承担的围岩压力也明显降低，这就是为什么双层改单层表面 看来强度相对削弱，而其支护体反而不被破坏的主要原因所在。 4.2、双层喷锚网改单层喷锚网支护工艺使用环境 4.2、双层喷锚网改单层喷锚网支护工艺使用环境 （1）、受采区扰动影响较小或不受影响，且断面在15m2以下的矿 建工程。 （2） 、 受采区扰动影响较大， 但使用寿命较短的采区分层联络道。 4.3、双层喷锚网改单层喷锚网耦合支护类型与参数设计 4.3、双层喷锚网改单层喷锚网耦合支护类型与参数设计 （1） 、 受周围工程或采区扰动影响较小或不受影响， 且断面在15m2 以下的工程，其相对耦合支护类型与参数设计时，无须考虑扰动或动压 因素影响。 ①，若巷道岩体结构完整性良好,无软破岩体或断层构造者，其相 对耦合支护类型为 单层锚网喷树脂锚杆金属网喷浆 其工艺参数为锚杆网度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm, 网度0.15m*0.15m;喷浆厚度200mm，强度等级C20。 ②若巷道岩体结构完整性差，但单体岩体良好，其相对耦合支护 类型为锚网喷注锚杆金属网喷浆锚注 其工艺参数为锚杆网度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm, 网度0.15*0.15m;喷浆厚度200mm，强度等级C25;锚注网度2.0m*2.0m， 深度3.0m。 ③若巷道围岩属软破岩体或高应力地段或存有断层、破碎带等构 造时，其相对耦合支护类型为 A.软破岩体或断层、破碎带地段相对耦合支护类型 素锚网拱喷素喷锚网拱喷（锚杆金属网钢拱架喷浆） 其工艺参数为素喷厚度50mm，强度等级C30。锚网拱喷锚杆 网度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m;钢拱架 间排距1.0*1.0；喷浆厚度150mmm，强度等级C30。 B.高应力区段相对耦合支护类型或工艺 素锚网拱索喷注素喷锚网拱索喷（预应力锚杆金属网拱架预 应力中长锚索 喷浆）锚注 其工艺参数为素喷厚度50mm，强度等级C30。锚网拱索喷锚 杆网度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m; 拱 架间排距1.0*1.0；中索网度2.0*2.0m，长度6-8m;喷浆厚度150mmm，强 度等级C30；锚注网度2.0*2.0m，深度2-3m。 ④若巷道围岩既属软破岩体，又处在高应力区段，其相对耦合支 护类型为素锚网拱索喷浇注素锚网拱索喷现浇锚注。 其工艺参数为素喷厚度50mm，强度等级C30。锚网拱索喷锚 杆网度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m; 拱 架间排距1.0*1.0；中索网度2.0*2.0m，长度6-8m;喷浆厚度150mmm，强 度等级C30；现浇混凝土强度等级C40-C60,厚度350mm；锚注网度 2.0*2.0m，深度2-3m。 （2）、受周围上下左右平行工程扰动影响较大，且断面在15m2以 下的工程，其相对耦合支护类型与参数设计时，除考虑静压因素外，还 须考虑周围工程动压影响因素。 ①受周围上下左右平行工程扰动影响较大，且巷道岩体结构完整 性较好,或巷道岩体结构完整性较差，但单体岩体良好的工程，其相对 耦合支护类型为 单层锚网拱喷锚杆金属网钢拱架喷浆 其工艺参数为锚杆网度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm, 网度0.15*0.15m;钢拱架间排距1.0*1.0； 喷浆厚度200mm， 强度等级C25。 ②受周围上下左右平行工程扰动影响较大，且巷道围岩属软破岩 体或高应力区段或遇断层、破碎带等构造时，其相对耦合支护类型为 单层素锚网拱喷素喷锚网拱喷（锚杆金属网钢拱架喷浆） 锚注 其工艺参数为素喷厚度50mm，强度等级C30。锚网拱喷锚杆网 度0.6*0.6m长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m;钢拱架间 排距1.0*1.0；喷浆厚度150mmm，强度等级C30；锚注网度2.0*2.0m， 深度2-3m。 （3）受采区扰动影响较大，且使用寿命较短的分层道相对耦合支 护类型 ①若巷道围岩岩体结构较好, 且使用寿命在半年左右的分层道相 对耦合支护类型为 锚网喷锚杆金属网喷浆 （锚杆0.6*0.6m;金属网 0.15*0.15m; 喷层厚200mm）。 ②若巷道围岩岩体结构较好,或巷道岩体结构较差，但单体岩体良 好，且使用寿命在一年左右的分层道相对耦合支护类型为 锚网拱喷锚杆金属网钢拱架喷浆； 或素锚网拱喷素喷锚杆金属网钢拱架喷浆。 其工艺参数为 素喷 厚度50mm， 强度等级C30； 锚杆网度0.6*0.6m 长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m;拱架间排距1.0*1.0； 喷浆厚度150mmm，强度等级C30。 ③若巷道围岩属软破岩体或高应力地段或存有断层、破碎带等构 造或三者并存时，其耦合支护类型为 素锚网拱索喷注素喷锚杆金属网钢拱架喷浆锚注。 其工艺参数为 素喷 厚度50mm， 强度等级C30;锚杆网度0.6*0.6m 长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m; 拱架间排距 1.0*1.0；喷浆厚度150mmm，强度等级C30；锚注网度2.0*2.0m，深度 2-3m。 4.4、支护效果案例 4.4、支护效果案例 5、双层喷锚网相对耦合支护与理论支撑 5、双层喷锚网相对耦合支护与理论支撑 金川深部巷道几乎均经历了前掘后返的过程，目前金川深部巷道 支护的强度和刚度显然不能有效控制巷道围岩的有害变形，金川井巷支 护设计均是依照新奥法提出的“先柔后刚，先让后抗”这一新奥法支护 原则而进行的，而且在不良岩层巷道围岩支护实践中，发挥了其积极的 作用。但是新奥法支护理论是50年代奥地利学者拉布西维兹L. V. RABCEW ICZ 教授提出的适应于浅表低应力、低扰动的隧道工程支护问 题，而不适应于矿井深部高地应力、高扰动、软破岩体的支护问题。范 秋雁在1993年就指出新奥法支护理论是以隧道工程经验和岩体力学理 论为基础的，建立在P-U曲线基础之上的“让压理论”尚缺少理论基础， 新奥法提出的 “让压”支护、“应力释放”及“先柔后刚”支护原则 来指导矿井深部围岩是不科学合理的。金川矿井深部支护实践已经证实 新奥法提出的“先柔后刚，先让后抗”支护思想是不能抑制围岩有害变 形的。在今后的支护实践中，必须对新奥法提出的“先柔后刚，先让后 抗”的支护理论进行修整完善。目前金川矿山归纳总结提炼出的“先柔 刚后刚强，先抗后让再抗，让要把握度，抗要抗到位”这一支护原则， 可以较好的适应金川矿山深部围岩的支护规律。 5.1、双层喷锚网支护支撑理论 5.1、双层喷锚网支护支撑理论 无论是柔性支护或让压支护，还是刚性支护或强化支护，在一定 的范围内都是科学合理的，但是，柔刚或让抗不适度，都可能导致支护 失败。这就是要把握“度”的问题。如何把握这个“度”，既要考虑支 护工程类型、围岩特性、所处的应力环境以及影响围岩稳定性因素，又 要具备一定的设计与支护经验。 （1）初次极薄层柔性让压不耦合理论和初次厚层柔刚性让压相耦 合理论 金川矿山支护设计是以新奥法提出的“先柔后刚，先让后抗”的 支护原则为依据而设计的。其设计的初次喷锚网支护体属极薄层柔性让 压支护体，虽说能和围岩构成一个柔性的让压支护结构体一同变形移 动，能达到一定限度的柔性让压之目的。但由于金川矿山初次喷锚网支 护体设计的是100mm的极薄层的柔性让压初次支护体，由于其初次支护 体柔性大，刚性小，无法足以抑制围岩过量变形移动，因此极薄层的柔 性让压初次支护体达到变形位移极限而破坏。我们知道释放压力或让压 的同时，伴随着围岩的强度和自身承载能力降低或丧失。金川矿山的大 量支护实践已经验证新奥法提出的“先柔、让，后刚、抗”的支护原 则，是控制不了金川矿山深部围岩的过量变形或有害变形；控制金川矿 山深部围岩过量变形或有害变形的支护原则是“先柔中带刚后刚中有 强，先抗后让再抗，让要把握度，抗要抗到位”。本支护原则强调了初 次柔让支护体要柔中带刚，刚中有强，其刚度或强度要达到足以抑制过 量让压变形的要求，或达到阻止围压过量释放而降低围岩自身承载能力 的要求。如在初次锚网喷柔让支护体中，增加喷层厚度或钢拱架或锚杆 网密度，变为密集型锚网拱喷柔中带刚让压支护。 （2）巷道支护体强度、刚度与结构三耦合理论 初次支护的目的就是及时提供一定的支承抗力，防止岩体松动破 坏，若初次支护体与围岩强度、刚度或结构不相耦合，会造成围岩变形 移动不止，致使围岩失稳或支护体变形破坏。要维持巷道及支护体的稳 定，关键是要在强度、刚度与结构等主要方面实行相对耦合支护。 若支护体和围岩的强度不耦合（第一次支护厚度不够，早期强度 低， 抵抗不了围岩的破坏力） 。 较大的应力荷载作用在较弱的支护体上， 形成过载而致使支护体失稳、变形破坏； 若支护体和围岩的刚度不耦合（一次支护的锚杆网度大，喷 层松散不密实， 致使支护体刚度小， 抵抗不了围岩应力， 控制不了变形） 。 支护体刚度小于围岩刚度，围岩产生的过量变形得不到及时限制，致使 围岩软化、 强度降低， 从而围岩软化而削弱的自承力也由支护体去承担， 往往过载而产生破坏； 若支护体与围岩的岩体结构不相耦合，如不均匀的岩体结构荷载 施加等厚、等刚和等强的支护体上，往往在软破岩体、断层构造和高地 应力段发生破坏；或均匀的岩体结构荷载施加在喷层厚度不均匀的支护 体上， 如光爆成型不好的受喷面， 高低不平， 喷锚网形成后厚薄不均匀， 往往在较薄层处首先变形开裂而破坏。 若支护体和围岩的刚度负向不耦合，支护体刚度大于围岩刚度， 围岩的膨胀性等能量不能充分转化为变形能而释放，造成局部能量聚 集，使支护体局部过载而首先产生破坏； （3）早期强化理论 围岩峰后效应理论告诉我们，提高巷道初次支护强度和及时性， 就是尽量维护围岩峰后强度，减小围岩峰后软化效应，提高围岩支护效 果。 实践已证明提高初次喷射混凝土厚度能够提高围岩松弛区软破 岩体的残余强度，从而提高围岩的支护效果，这已是不争的事实。 提高初期强度的方法有很多一是通过提高初次支护体的喷层厚 度，来提高一次支护体强度和刚度，增加围岩的径向压力，约束围岩错 位变形，最大限度的发挥围岩的自承能力；二是通过缩小锚杆间排距， 降低单体锚杆承载力，生成围岩承载圈，提高围岩自身抗力，降低对支 护体的压力；三是使用先进的树脂锚固剂，提高早期锚固力；四是提高 锚网喷支护的整体强度，形成锚、网、喷与围岩四位一体的整体结构， 共同发挥支护体整体效果。 （4）围岩破裂区、松动区和压缩区的相互转化与控制理论 巷道支护的作用，就在于尽量避免破裂区的出现，限制松弛区发 展，利用松动区的残余强度，提高压缩区承载能力，使围岩三区在协调 承载过程中共同作用，使围岩在应力调整过程趋于稳定。 ①破裂区与松动区相互转化理论 巷道受开挖爆震波影响以及地应力作用，巷道附近围岩会产生破 裂区，承载围岩转化为重力荷载---支撑围岩。破裂区一旦产生如果不 及时支护，破裂区围岩将发生渐进掉落，使巷道随掘随冒；如果支护强 度不够，松动区部分围岩将转化为破裂区围岩，破裂区范围扩容扩大， 松散岩石吸水膨胀，其形成的膨胀压致使支护体破坏。实践已经证实， 支护体强度若实现了耦合，不仅有效地控制破裂区发展，同时也较好地 抑制松动区向破裂区的转化，当然也能封闭裸露且裂隙发育的围岩，从 而抑制岩体吸水膨胀破坏支护体。 ②松动区与破裂区或塑性区相互转化理论 松动区岩体具有很大的可变性，既可以向破裂区转化，又可向塑 性区转化。若支护体强度达到较高要求，松动区岩体强度提高，承载能 力增加， 并转化为塑性区围岩； 如果不及时加以支护或者支护强度不高， 松动岩体的残余强度也将完全失去，变成软破岩体。 ③塑性压缩区扩容、强度弱化理论 围岩变形破坏的过程就是围岩强度弱化的过程。随着围岩渐进破 坏，压缩区逐渐向围岩深部移动，其承载能力逐渐减弱。随着围岩强度 的弱化，围岩自身承载能力逐渐消失，难以维持巷道的稳定。随着围岩 塑性变形增加，围岩强度进一步降低，达到岩体的残余强度甚至完全脱 落母体、剥落。尤其围岩中的膨胀矿物随着岩体的渐进破坏加剧了这种 破坏过程，致使在巷道附近一定深度范围内岩体强度几乎丧失，再次使 围岩应力重新分布。 上述围岩破裂区、松动区和压缩区的相互转化理论及大量实践引 领我们在支护实践中，必须提高早期强度，实现耦合支护。其双层改单 层就是提高早强，实现支护耦合的举措或途径。 5.2、双层喷锚网相对耦合支护类型与工艺参数 5.2、双层喷锚网相对耦合支护类型与工艺参数 （1）、受采区或周围密集工程扰动影响较小或不受影响，且断面 在15m2以上的各类工程，其相对耦合支护类型与参数设计时，只考虑静 压因素，无须考虑动压因素。 ①若巷道岩体结构完整性良好,或巷道岩体结构完整性较差，但单 体岩体良好，且不受采区或周围密集工程扰动影响时，其相对耦合支护 类型与参数为 双层锚网喷初次锚网喷二次锚网喷 初次锚网喷锚杆金属网喷浆 其双层喷锚网工艺参数初次锚网喷参数锚杆网度1.0*1.0m， 长度3m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m;喷层厚150mm。二次锚网喷参 数锚杆网度1.0*1.0m，长度3m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m;喷层 厚100mm。 ②若巷道围岩属软破岩体或遇断层、破碎带等构造时，且不受采 区或周围密集工程扰动影响时，其相对耦合支护类型与参数为 双层喷锚网初次锚网拱喷二次锚网喷锚注 或初次锚网拱喷二次单筋现浇混凝土锚注 其双层喷锚网工艺参数初次锚网喷参数锚杆网度1.0*1.0m， 长度3m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m;钢拱架间排距0.8*0.8m;喷层 厚200mm，强度等级C30。 二次锚网喷参数锚杆网度1.0*1.0m，长度3m;金属网径度6mm,网 度0.15*0.15m;喷层厚100mm强度等级C30。 二次现浇混凝土锚注二次现浇混凝土厚度300mm,强度等级C40。 锚注网度2.0*2.0m，深度2-3m ③若巷道围岩既属软破岩体，又属高应力区段时，其相对耦合支 护类型为 双层喷锚网初次锚网拱索喷二次单筋现浇混凝土锚注 其工双层喷锚网艺参数为 初次锚网拱索喷素喷厚度50mm，强度等级C30。预应力锚杆网 度0.6*0.6m，长度2.25-3.0m;金属网径度6mm,网度0.15*0.15m; 拱架间 排距1.0*1.0；预应力中索网度2.0*2.0m，长度6-8m;喷浆厚度200mmm， 强度等级C30；锚注网度2.0*2.0m，深度2-3m。 二次现浇混凝土锚注参数二次现浇混凝土厚度300mm,强度等级 C40。锚注网度2.0*2.0m，深度2-3m （2）、受周围上下左右平行工程扰动影响较大，且断面在15m2以 上的各类工程，其相对耦合支护类型与参数设计时，除要考虑静压因素 外，还须考虑周围工程动压影响因素。 ①受周围上下左右平行工程扰动影响较大，但巷道岩体结构完整 性良好,或巷道岩体结构完整性差、单体岩性好，其相对耦合支护类型 与参数为 双层喷锚网初次锚网喷（较密集型锚杆金属网厚层喷浆）二 次锚网喷（较密集型锚杆金属网喷浆） 其工艺参数 初次锚网喷参数较密集型锚杆网度0.8*0.8m，长度3m;金属网径 度6mm,网度0.15*0.15m;喷层厚150mm，强度等级C25。 二次锚网喷参数较密集型锚杆网度0.8*0.8m，长度3m;金属网径 度6mm,网度0.15*0.15m;喷层厚100mm，强度等级C25。 ②受周围上下左右平行工程扰动影响较大，且巷道围岩属软破岩 体或遇断层、破碎带等构造时，其相对耦合支护类型与参数为 双层喷锚网初次锚网拱喷二次现浇混凝土锚注 （3）、受采区扰动影响较大，且断面在15m2以上的分段道和分层 联络道工程，其相对耦合支护类型与参数设计时，必须考虑采动影响因 素 ①若巷道岩体结构完整性良好,但受采动影响较大的相对耦合支 护类型为 双层喷锚网初次锚网拱喷二次锚网喷 ②若巷道岩体结构完整性较差，但单体岩体良好，且受采动影响 较大的相对耦合支护类型为 双层喷锚网初次锚网拱喷二次锚网喷锚注 ③若巷道围岩属软破岩体或遇断层、破碎带等构造时，其相对耦 合支护类型为双层喷锚网初次锚网拱喷二次单筋现浇混凝土锚注 （4）高应力区段，且断面在15m2以上的各类工程相对耦合支护类 型 ①，若巷道岩体结构完整性较差，但单体岩体良好，其相对耦合 支护类型为 单层喷锚网加现浇初次锚网拱喷二次单筋现浇混凝土锚注 ②若巷道围岩属软破岩体或遇断层、破碎带等构造时，其相对耦 合支护类型为 单层锚网拱索喷加现浇初次锚网拱索喷二次单筋现浇混凝土 锚注 或双层喷锚网加现浇双层喷锚网（初次锚网喷二次锚网索喷） 三次单筋现浇混凝土锚注。 6、密集型近距离平行巷道的相对耦合支护类型、参数设计 6、密集型近距离平行巷道的相对耦合支护类型、参数设计 巷道密度过大而支护强度相对不足，往往造成近距离巷道交替破 坏。设计与已有巷道平行的巷道时，首先要对已有巷道的支护类型进调 查，是否考虑了扰动影响支护问题，若没有考虑，设计前必须对已有巷 道进行动压补强设计。 1、设计垂直或斜交已有巷道工程的特殊加固及对已有巷道的补强 支护原则。 在已有巷道中设计垂直或斜交工程时，首先要对岔段工程进行补 强设计，然后对离岔点15m的垂直或斜交工程进行特殊加固设计。 2、设计平行已有巷道的工程的特殊加固及对已有巷道的补强支护 原则。 在已有巷道中设计平行工程，且相对距离小于50m时，若已有工程 支护中已考虑了动压因素，就无需再对已有工程实施动压补强设计，只 对要设计的平行工程实施动压补强设计，否则首先要考虑已有工程的动 压补强耦合支护设计，其设计补强的地段应略大于平行工程的总长度， 然后对要设计的平行工程进行动压补强设计。 3、补强设计的理论支撑 （1）、密集型巷道相互扰动破坏理论 巷道密度过大，且支护强度设计相对不足，往往致使密集型巷道交 替扰动破坏。 （2）平行、近距离型巷道相互扰动、爆震破坏理论 上下、左右平行摆布的巷道，若相对距离较近时，一方面会造成 平行巷道交替扰动破坏；另一方面在某一平行巷道爆破施工时，会对较 近的平行巷道造成爆震破坏。 （3）相邻近距离、平行巷道掘进，相邻巷道同时在帮壁发生张拉 或剪切破裂，并逐渐向相邻岩柱内追踪破坏。由于相邻岩柱间距是有一 定限度的，在相邻岩柱两侧同时向深部发生张拉或压剪破坏时，逐步减 小相邻岩柱承载能力，加大相邻岩柱支承应力。当达到某一临界值时， 相邻岩柱可能失稳，导致相邻巷道整体性破坏。 （4）独立巷道关键部位连锁性破坏理论 巷道支护体大都是等厚、等强和等刚支护体，若遇到软岩、高地 应力或断层、 破碎带等地段， 总是从这一薄弱地段首先开始变形、 开裂、 破坏， 进而导致围岩松动、 离层与支护体失稳。 若对其不进行补强支护， 往往会以其破坏地段为核心引发连锁性破坏，导致整条巷道破坏失稳。 （5）工作面动压、爆震破坏型理论 巷道开挖过程中超前支承压力向巷道传播，巷道支护强度相对不足 引起的。 （6）采区扰动破坏理论 （7）、对受动压影响的巷道提前加固 对于受动压扰动影响的巷道可以通过提高受影响巷道支护强度、提 前对巷道围岩注浆加固 7、垂直或平行已有巷道的工程的支护类型、参数 7、垂直或平行已有巷道的工程的支护类型、参数 重视研究巷道密度对支护的影响 设计上应根据区域构造、巷道所处层位、节理裂隙发育情况、巷道 性质等灵活确定局部巷道密度。遇有特殊情况，必须加大支护强度，确 保巷道之向不发生干扰。 8、大断面洞室工程（如水沧、泵房、变配电洞室、维修硐室8、大断面洞室工程（如水沧、泵房、变配电洞室、维修硐室 等）相对耦合支护类型与参数设计。 等）相对耦合支护类型与参数设计。 优化水沧或泵房、维修硐室等大断面工程的支护设计，实现各洞 室等大断面工程的耦合支护设计，以较好地解决初次支护体或复合型支 护体不支而失稳。 1、大断面洞室相对耦合支护类型 （1）、工程地质条件较好或岩体结构较完整等大断面洞室的相对 耦合支护类型。 ①断面为25-35m2的大断面洞室的相对耦合支护类型为 单层喷锚网现浇混凝土锚注； ②断面为35 m2以上的大断面洞室的相对耦合支护类型为 单层喷锚网双层金属网现浇混凝土锚注； （2）、工程地质条件较差或岩体结构破碎等大断面洞室的相对耦 合支护类型。 ①断面为25-35m2的大断面洞室的相对耦合支护类型为 双层喷锚网（单层锚网拱喷）现浇混凝土锚注 单层锚网喷双层金属网现浇混凝土锚注； ②断面为35 m2以上的大断面洞室的相对耦合支护类型为 双层喷锚网（单层锚网拱喷）中长锚索现浇混凝土锚注。 单层锚网拱喷双层金属网现浇混凝土锚注； （3）、高应力地段大断面洞室的相对耦合支护类型 ①断面为25-35m2的大断面洞室的相对耦合支护类型为 单层锚网喷中长锚索双层金属网现浇混凝土锚注； ②断面为35 m2以上的大断面洞室的相对耦合支护类型为 双层喷锚网（或单层锚网拱喷）中长锚索双层金属网现浇混凝 土锚注； 2、大断面洞室的相对耦合耦合支护参数。 初次喷锚网支护锚杆网度800*800；金属网150*150喷层厚 度150mm；锚固剂树脂；喷射混凝土强度 C30。 现浇混凝土支护300厚，C40 （2）、耦合支护参数。 初次喷锚网支护锚杆网度1000*1000mm；金属网150*150mm 喷层厚度150mm；锚固剂树脂；喷射混凝土强度 C30。 二次喷锚网支护锚杆网度1000*1000mm；喷层厚度100mm； 锚固剂树脂；喷射混凝土强度 C30。 现浇混凝土支护300厚，C40 3、优良配套施工方法 4、大断面洞室耦合支护支撑理论 巷道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等 方面存在不耦合造成的。要采取适当的支护转化技术，使其相互耦合。 （1）大断面洞室支护体过载破坏理论 由于大断面洞室开挖后跨度大、暴露面积大、空间大、拱顶拉应 力区大， 如遇到不良岩体， 围岩会变形松动， 整体强度急剧下降而失稳， 因而围岩本身松动产生的重力荷载甚大，加之原岩应力重新分布而集 中， 单体锚杆承载急剧增加而屈服， 致使微弱的初次支护体过载而破坏。 这一破坏理论引领支护体设计的思路是一是加大锚杆密度设计或施加 预应力锚杆，使松动圈转变为岩石承载圈，从而降低单体锚杆受力荷载 或提高单体锚杆承载力； 二是提高喷层的厚度、 强度， 与锚杆共同作用， 提高围岩自身强度，实现围岩松动扩容的重力失稳荷载转化为固连密实 的承载层岩体。 （2）微弱的初次支护体长时间暴露破坏理论 大断面洞室往往施工结束后再实施二次支护，造成较大的围岩变 形应力和较大的重力荷载长时间施加在微弱的初次支护体上，致使初次 支护体变形破坏。这一破坏理论引领支护体设计的思路是一是提高初 次支护体强度；二是缩短实施二次支护时间，实现一、二次支护共同承 担荷载。 （3）大断面洞室围岩塑性区发展与控制理论 大断面洞室开挖拱顶后适当让压并进行锚喷网支护后，两帮及拱 顶的位移量明显得到抑制。但是与前两步开挖的同样的问题就是进行支 护后的围岩塑性区还是较大。而且塑性延伸区进一步发展，所以可以得 出结论，锚喷网支护并不能完全地抑制大硐室围岩的塑性区域发展。这 一理论引领支护的思路是在破碎硐室开挖施工中，除进行锚网喷外， 还必须进行预应力长锚索支护，将浅部松散脱落岩体与深部稳定性岩体 固连密实，实现预应力锚索和锚网喷支护的耦合承载环。 （5）大断面洞室初次不耦合支护变形破坏理论 大断面洞室初次支护与围岩强度、刚度若正向不相耦合，会造成 围岩变形移动不止，致使围岩失稳，支护体变形破坏。 9、岔口段或岔口挑高段工程耦合支护 9、岔口段或岔口挑高段工程耦合支护 大量工程支护实践证明岔口段工程的设计质量、施工质量直接 决定着整个中段或分段等工程的质量。对岔口段工程若不采取特殊控制 措施和科学的施工方法，往往因岔口段工程的严重变形，而引发其前后 段工程的严重变形而失稳