我國(guó)錨噴支護(hù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

徐鵬 葉洲元

前言

我國(guó)礦山在巖巷利用錨噴支護(hù)形式已有六十年的歷史，對(duì)錨噴支護(hù)有了深入的了解：錨噴支護(hù)是錨桿和噴射混凝土面板組合的支護(hù)。其主要作用是約束圍巖變形，調(diào)節(jié)圍巖應(yīng)力的分布，防止松散墜落[1]。在巖巷實(shí)施以“三小”（小直徑鉆孔、小直徑藥卷和小直徑鉆桿）為代表的錨噴支護(hù)技術(shù)，結(jié)合光面爆破技術(shù)，形成我國(guó)特色的光爆錨噴技術(shù)。從我國(guó)錨桿支護(hù)形式發(fā)展的角度來(lái)看，1956年首先采用的主要是鋼絲繩砂漿錨桿和機(jī)械錨固錨桿;1960年開始在巖巷中選用噴漿、噴射混凝土支護(hù);1974年開始研制和試驗(yàn)樹脂錨桿，1976年進(jìn)行井下試驗(yàn)，取得較好成效;1980年開始引進(jìn)和應(yīng)用了管縫式錨桿、水力膨脹式錨桿等，并自主研制了低價(jià)的快硬水泥錨桿;1996年引進(jìn)高強(qiáng)度樹脂錨固錨桿;2005年開始提倡“三高一低”的新設(shè)計(jì)觀念。在維持巷道安全與支護(hù)效果基礎(chǔ)下，為巷道掘進(jìn)速度與工作效率提供有利條件[2]。目前，這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)外礦山中錨噴支護(hù)技術(shù)已得到普遍應(yīng)用，是礦山實(shí)現(xiàn)安全、高產(chǎn)和高效等條件的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)一些礦山進(jìn)入深部采掘后，也多數(shù)采用錨噴支護(hù)，但這些支護(hù)在掘進(jìn)或采礦過(guò)程中常常出現(xiàn)破壞。特別是在軟巖巷道中，伴隨著開巷后圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展，錨桿錨入巖體后受到圍巖碎脹變形力的作用而承受拉力。松軟巖層通常在開巷后1-3個(gè)月才能形成穩(wěn)定的松動(dòng)圈。這些破壞不僅給礦山開采造成巨大威脅，也給工人人身安全造成嚴(yán)重危害。為了維持圍巖穩(wěn)定和巷道通暢，煤礦巷道掘進(jìn)后通常都要進(jìn)行支護(hù)。巷道的支護(hù)成本、快慢及質(zhì)量對(duì)礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益有很大影響。

1 錨噴支護(hù)理論研究現(xiàn)狀

錨桿支護(hù)理論既是錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的前提條件，也是研究錨噴支護(hù)的必要條件。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者積極開展研究，并取得了卓越的成就。在錨桿支護(hù)的發(fā)展歷程中，主要出現(xiàn)了以下幾種錨桿支護(hù)理論：

1.1 懸吊理論[3]

該理論指出，錨桿把巷道頂板較弱巖層懸吊在其上面的穩(wěn)定的巖層，增大軟弱巖層的穩(wěn)定性。

該理論不考慮圍巖的自承能力，并把圍巖體與錨固體分離，這和實(shí)際情況有明顯的差異。懸吊理論不能解釋，若是在頂板中沒(méi)有較堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層或較厚頂板軟弱巖層，圍巖破碎范圍較大，錨桿不能錨固到上面堅(jiān)硬巖層或自然平衡拱上，這種情況下支護(hù)仍然有效的緣由。除此，該理論僅研究了錨桿的被動(dòng)抗拉作用，沒(méi)有研究抗剪能力和整體強(qiáng)度。

1.2 組合梁理論[3]

該理論指出，若是沒(méi)有堅(jiān)硬穩(wěn)固巖層給軟弱巖層提供懸吊支點(diǎn)的薄層狀巖層，就可以利用錨桿的拉力把層狀巖層組合，變成“組合梁”。

組合梁理論只分析了錨桿對(duì)巖層間離層和滑動(dòng)的限制作用，沒(méi)分析水平應(yīng)力對(duì)組合梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性及錨桿載荷的作用和錨桿對(duì)巖體強(qiáng)度、變形模量及應(yīng)力分布的影響，因此只適用在層狀頂板，對(duì)巷道的幫、底部不適用。

1.3 減跨理論[3]

該理論以組合梁和懸吊理論為基礎(chǔ)，該理論在注重錨桿懸吊作用基礎(chǔ)上，又注重錨桿縫合頂板層狀圍巖的作用。該理論把不穩(wěn)定的頂板層狀巖層視為支撐在兩幫上的疊合梁或板，在進(jìn)行支護(hù)時(shí)，錨桿穿過(guò)疊合梁，把其錨固在穩(wěn)定的巖層中。

若是頂板沒(méi)有較堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層以及無(wú)法把錨桿固定到強(qiáng)硬穩(wěn)定的巖層上或巷道兩幫不穩(wěn)定、容易片幫，不能支撐頂板時(shí)，那么該理論就不適用。

1.4 最大水平應(yīng)力理論[3]

大量國(guó)內(nèi)外井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，巖層中的垂直應(yīng)力大多數(shù)情況下小于水平應(yīng)力，且水平應(yīng)力具有明顯的方向性，和最小水平主應(yīng)力明顯低于最大水平應(yīng)力（1.5～2.5倍），這種趨勢(shì)在淺部礦井很明顯。因?yàn)樽畲笏綉?yīng)力基本沿層理方向，巖層很容易出現(xiàn)水平錯(cuò)動(dòng)和離層，以及沿軸向的巖層膨脹或者巷道兩幫收縮。

1.5 松動(dòng)圈支護(hù)理論

該理論是由董方庭[4]提出。他指出在掘進(jìn)巷道后，支護(hù)的最大荷載是圍巖松動(dòng)圈形成的碎脹（剪脹）力。若是裸露的隧道，在其圍巖松動(dòng)圈都接近沒(méi)有，隧道圍巖的彈塑性雖然有變形，但是不需要支護(hù)松動(dòng)圈越大，收斂變形越大，支護(hù)難度系數(shù)也就越大。支護(hù)為了在松動(dòng)圈發(fā)展中限制產(chǎn)生的不利變形。該理論多數(shù)運(yùn)用在礦山體系。

1.6 巷道蝶形破壞理論

趙志強(qiáng)[5]等提出巷道圍巖蝶形理論，該理論建立巷道圍巖破壞形態(tài)與非等壓區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)模型，基于孔洞圍巖破壞的平面應(yīng)變模型，研究圓形巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)和擴(kuò)展規(guī)律。其中王衛(wèi)軍[6]等指出巷道圍巖失穩(wěn)主要是塑性環(huán)的局部畸變導(dǎo)致塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展，關(guān)鍵對(duì)策是控制塑性環(huán)的局部畸變。

近些年來(lái)，伴隨錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展，錨桿支護(hù)理論不斷完善。從懸吊理論到巷道蝶形破壞理論，人們逐步認(rèn)識(shí)到：（1）預(yù)應(yīng)力能夠決定錨桿支護(hù);（2）錨桿能夠增加圍巖強(qiáng)度;（3）錨桿能夠限制滑動(dòng)節(jié)理裂隙展開、圍巖結(jié)構(gòu)面離層等擴(kuò)容變形;（4）錨桿能夠維持圍巖完整性的重要性。這些認(rèn)識(shí)提高了錨桿支護(hù)的效果，為軟巖巷道、深部巷道等復(fù)雜困難條件下的錨桿支護(hù)提供了有用的理論指導(dǎo)[3]。

2 錨噴支護(hù)力學(xué)計(jì)算研究現(xiàn)狀

本文雖然是討論錨噴支護(hù)的研究，但是相關(guān)錨桿支護(hù)、錨噴結(jié)構(gòu)的研究成果仍然具有參考價(jià)值。這里主要對(duì)國(guó)內(nèi)學(xué)者從力學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算和支護(hù)技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)錨桿支護(hù)的研究成果進(jìn)行總結(jié)：

鄭穎人[7-8]等基于（粘）彈塑性力學(xué)，推導(dǎo)各種側(cè)壓力系數(shù)下錨噴支護(hù)參數(shù)的解析計(jì)算式，求解隧洞粘彈一塑性圍巖中應(yīng)力和位移公式，并研究錨桿和噴混凝土的設(shè)計(jì)方法。鄭穎人[9]等根據(jù)強(qiáng)度折減法求解圍巖穩(wěn)定系數(shù)，研究錨噴的設(shè)計(jì)計(jì)算。常聚才[10]等研究深部開挖后圍巖應(yīng)力演化特征和變形破壞規(guī)律。鄭強(qiáng)[11]等以雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論基礎(chǔ)，推出雙向等地應(yīng)力情況下無(wú)限均勻介質(zhì)中錨噴支護(hù)圓形洞室圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)半徑解析解。吳祥云[12]等研究了平面應(yīng)變條件下圓形洞室動(dòng)力分析的理論解析解，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)厚度及不同堅(jiān)硬程度的巖體進(jìn)行了理論計(jì)算。朱萬(wàn)成[13-14]等基于有限元和（回歸）正交試驗(yàn)法，合理選擇錨噴參數(shù)。張偉[15]等基于地面大跨度空間殼體結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理，研究圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相似準(zhǔn)則。陳勇軍[16]等根據(jù)大跨度殼體和網(wǎng)殼錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研究了半剛性鋼筋網(wǎng)殼錨噴結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性?？导t普[17]等指出高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論。柏建彪[18]等指出深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強(qiáng)度、轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力以及采用合理的支護(hù)技術(shù)。陳勇軍[19]等在網(wǎng)殼錨噴結(jié)構(gòu)支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡述了其支護(hù)機(jī)理，并簡(jiǎn)述了網(wǎng)殼噴層支架試驗(yàn)結(jié)果。何滿潮[20]等為提出切頂卸壓沿空留巷新技術(shù)，建立了不同頂板位態(tài)下“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護(hù)體”力學(xué)模型，推導(dǎo)出巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算方法，并提出聚能預(yù)裂爆破等圍巖控制技術(shù)。

以上成果基本以（粘）彈塑性力學(xué)角度，認(rèn)為巷道圍巖穩(wěn)定與巖體應(yīng)力狀態(tài)、支護(hù)強(qiáng)度、錨噴參數(shù)、錨噴結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。這些研究主要集中在靜載荷范疇內(nèi)對(duì)錨桿群體與圍巖相互作用，而錨桿與圍巖組合體受到開挖等（準(zhǔn)）動(dòng)載荷作用的力學(xué)行為研究不多。何滿朝等雖建立了不同頂板位態(tài)下力學(xué)模型，并對(duì)聚能預(yù)裂爆破等圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究，但沒(méi)有對(duì)圍巖和支護(hù)的相互作用和爆破作用下對(duì)支護(hù)作用的影響進(jìn)行深入研究。

3 錨噴支護(hù)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

錨噴支護(hù)的力學(xué)機(jī)理比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)無(wú)法直接模擬出錨噴支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，并且在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大試件實(shí)驗(yàn)成本代價(jià)太高。錨噴支護(hù)數(shù)值模擬既能夠合理的選擇實(shí)驗(yàn)中施工參數(shù)，又能夠模擬出其他附加的邊界條件。目前大部分學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證來(lái)確保其準(zhǔn)確性。由此可見(jiàn)數(shù)值模擬是研究錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要手段，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)中多方面的不足，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)錨噴支護(hù)進(jìn)行了大量的研究：

林惠立[21]等運(yùn)用FLAC3D分析了耦合支護(hù)后泵房立體交叉硐室群應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和破壞區(qū)特征，并對(duì)硐室穩(wěn)定性和支護(hù)參數(shù)的合理性做出了評(píng)價(jià)研究。高謙[22]等采用數(shù)值模擬，在考慮圍巖的碎裂形變和峰后特性的基礎(chǔ)上，分析高應(yīng)力巷道的錨噴支護(hù)?？导t普[23]等運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件分析不同預(yù)應(yīng)力下錨桿、錨索產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分布特征。肖明[24]等采用隱含錨桿柱單元的三維有限元和混凝土噴錨支護(hù)的三維數(shù)值計(jì)算方法，分析計(jì)算復(fù)雜的地下泄洪洞的開挖和支護(hù)。曹學(xué)興[25]等運(yùn)用隱式桿單元模擬錨桿和殼單元來(lái)模擬混凝土噴層，運(yùn)用三維非線性有限元技術(shù)來(lái)分析噴錨支護(hù)措施的作用。崔芳[26]等運(yùn)用MIDAS/GTS軟件分析了斷層影響下的錨噴支護(hù)效果。張偉[27]等運(yùn)用FLAC2D數(shù)值模擬分析軟巖巷道網(wǎng)殼錨噴支護(hù)和普通錨網(wǎng)噴支護(hù)，對(duì)巷道位移、應(yīng)力分布狀態(tài)及塑性區(qū)進(jìn)行了對(duì)比分析。陳勇軍[19]等利用ANSYS軟件對(duì)整架網(wǎng)殼噴層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，優(yōu)化其設(shè)計(jì)。隋紅軍[28]等采用ADINA大型非線性有限元分析軟件，對(duì)隧道的錨噴襯砌支護(hù)進(jìn)行受力模擬分析，與使用普通混凝土進(jìn)行了比較。

以上成果主要是利用數(shù)值軟件在靜載荷范疇對(duì)錨桿支護(hù)與圍巖相互作用進(jìn)行模擬研究，對(duì)深部巷道單體錨桿與圍巖組合體受到開挖等（準(zhǔn)）動(dòng)載荷作用的數(shù)值模擬基本上沒(méi)有，主要是因?yàn)閯?dòng)荷載的瞬時(shí)性、破壞性大、不好測(cè)量等特點(diǎn)，而且影響動(dòng)荷載因素很許多，很難準(zhǔn)確估計(jì)。

4 錨噴支護(hù)試驗(yàn)測(cè)試研究現(xiàn)狀

從相似模擬實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)觀測(cè)，這兩個(gè)角度不僅可以直觀的錨噴支護(hù)在不同荷載下的實(shí)際變化，而且更是探索現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程條件對(duì)錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)最為可靠的方法，眾多學(xué)者、專家在隧道、巷道工程試驗(yàn)測(cè)試實(shí)測(cè)方面取得了一系列的研究成果：

牛雙建[29]等通過(guò)模型內(nèi)部切片獲得無(wú)支護(hù)條件下深巷圍巖的破壞模式和范圍，運(yùn)用三維應(yīng)力測(cè)試元件揭示深井巷道不同深度處圍巖真實(shí)的加卸載應(yīng)力路徑與開挖前后應(yīng)力狀態(tài)。張金松[30]等吸取大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和聚丙烯纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)，依托典型巷道工程，提出了一種聚丙烯鋼筋網(wǎng)架錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)。李永和[31]等針對(duì)地下采礦環(huán)境下重大鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或錨噴結(jié)構(gòu)的碳化腐蝕損傷、裂紋擴(kuò)展、可靠性評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)及其優(yōu)化維修決策等方面作為一個(gè)完整的體系，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與探討。劉保民[32]等依托大巷圍巖工程，通過(guò)實(shí)測(cè)在地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力作用下，網(wǎng)殼錨噴支護(hù)支架主弦桿、內(nèi)骨筋的應(yīng)力分布情況及支架與圍巖的接觸應(yīng)力，分析了支架應(yīng)力分布及其變化規(guī)律。張金松[33]等制作一種以頂?shù)装逯Ъ芎蛡?cè)幫支架用可縮性墊板形式的3維鋼筋支架，研究其在高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)中的適用性。唐百曉[34]等分析動(dòng)壓巷道破壞機(jī)理與支護(hù)原則，并針對(duì)下部車場(chǎng)受動(dòng)壓影響的特點(diǎn)，研究和設(shè)計(jì)了巷道三維鋼筋網(wǎng)架錨噴支護(hù)新結(jié)構(gòu)。陳勇軍[16]等對(duì)單片的鋼筋網(wǎng)殼及整架支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工業(yè)性模型試驗(yàn)。朱清云[35]等以軟巖巷道為例， 通過(guò)對(duì)鋼筋網(wǎng)殼錨噴結(jié)構(gòu)在工程中的具體應(yīng)用，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性、支護(hù)作用以及圍巖與支護(hù)的相互作用進(jìn)行了分析。李松[36]等通過(guò)對(duì)比提出雙層鋼筋網(wǎng)錨噴支護(hù)，研究巷道錨噴支護(hù)網(wǎng)殼的受力特點(diǎn)和應(yīng)力分布規(guī)律，并通過(guò)布置了測(cè)站在軌道大巷選取了兩個(gè)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)。何滿潮[37]等研制具有負(fù)泊松比效應(yīng)的新型高恒阻大變形錨索，并在現(xiàn)場(chǎng)采用爆破形式檢驗(yàn)支護(hù)效果。周紀(jì)軍[38]等選用水泥砂漿和玻璃鋼分別模擬巖石和錨桿，澆筑巖體模型，通過(guò)模型試驗(yàn)研究近區(qū)錨噴結(jié)構(gòu)在掏槽爆破作用下的振動(dòng)特性。

以上成果基本是從相似模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)地觀測(cè)兩方面對(duì)準(zhǔn)靜載荷狀態(tài)下錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)（鋼筋網(wǎng)架錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)、鋼筋網(wǎng)殼錨噴結(jié)構(gòu)）進(jìn)行研究的，而對(duì)受到開挖等（準(zhǔn)）動(dòng)載荷作用下錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究甚少。動(dòng)載荷作用對(duì)于錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程支護(hù)有不可忽視的影響。何滿朝等僅采用爆破形式檢驗(yàn)支護(hù)效果進(jìn)行研究，沒(méi)有對(duì)圍巖和支護(hù)的相互作用進(jìn)行研究。周紀(jì)軍等僅模擬在掏槽爆破作用下錨噴結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性研究，沒(méi)有考慮實(shí)際圍巖本身受到的靜應(yīng)力場(chǎng)的影響。

5 展望

上述研究成果主要是基于靜力學(xué)范疇提出的，而從動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行的研究甚少。尤其是以上支護(hù)理論基本沒(méi)有涉及到動(dòng)力學(xué)研究。但實(shí)際上中，掘進(jìn)爆破等動(dòng)力因素對(duì)錨桿的支護(hù)效果影響較大，因此需要發(fā)展與動(dòng)力學(xué)相適應(yīng)的支護(hù)理論或者是將現(xiàn)有的支護(hù)理論的研究范疇進(jìn)一步發(fā)展。目前作者基于大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，提出動(dòng)靜載荷下錨噴結(jié)構(gòu)體破壞實(shí)驗(yàn)研究。研究適合于動(dòng)載荷的錨桿形式，這方面主要是吳秋紅[39]等基于SHPB試驗(yàn)平臺(tái)，研發(fā)了一套錨桿動(dòng)力響應(yīng)的試驗(yàn)裝置，開展動(dòng)力擾動(dòng)下全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿的力學(xué)響應(yīng)特性研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)我國(guó)錨噴支護(hù)研究現(xiàn)狀的深入分析， 概括了我國(guó)錨噴支護(hù)發(fā)展歷程，系統(tǒng)總結(jié)了錨噴支護(hù)理論、力學(xué)計(jì)算、錨噴支護(hù)數(shù)值模擬及錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試等方面的研究進(jìn)展。錨噴支護(hù)的目的就是研究如何充分應(yīng)用圍巖自承能力和錨桿群體支撐能力，從而限制圍巖變形[3]。但是由于礦山井下環(huán)境條件的復(fù)雜性和各種支護(hù)理論的局限性，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，有可能造成兩個(gè)方面的極限問(wèn)題：一是支護(hù)強(qiáng)度太高，不僅初期投資高，而且降低正常掘進(jìn)效率;二是支護(hù)強(qiáng)度不夠，不能有效控制圍巖變形，妨礙正常生產(chǎn)活動(dòng)或出現(xiàn)安全隱患，從而引起安全事故的發(fā)生;因此錨噴支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)是巷道設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)核心內(nèi)容，對(duì)充分發(fā)揮錨噴支護(hù)的優(yōu)越性和保證巷道安全具有重要的意義[3]。目前這些研究主要在準(zhǔn)靜載荷范疇對(duì)錨桿體系與圍巖相互作用進(jìn)行研究，而對(duì)巖爆或者是沖擊地壓下錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)受到開挖等（準(zhǔn)）動(dòng)載荷作用的力學(xué)行為研究不多，因此爆破掘進(jìn)過(guò)程中深部巷道錨噴支護(hù)的研究，仍然是今后研究的重點(diǎn)。

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