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[摘 要]分析了其在高地应力、高渗透压力和高温度梯度（“三高”）耦合作用下的变形破裂机理和稳定性演化规律，在此基础上提出了基于“应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大”4 项基本原则的深部岩巷围岩稳定控制理论，提出了针对各类围岩进行深部岩巷围岩稳定控制的技术措施体系及分步联合支护理念，总结形成了淮北矿区深部岩巷围岩穩定与施工安全控制的成套技术。
[关键词]深部岩巷 稳定性 分步联合支护 围岩分类 破裂机理
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0027-02
由于深部开采的现实必要性，国外从20世纪 80年代开始进行深部巷道围岩稳定性控制理论与支护技术的研究，我国20世纪80年代末开始这方面的研究。现有的许多支护技术措施还不能满足深部巷道围岩稳定控制的要求。因此急需研制开发高强高韧、经济安全的注浆材料。底板锚杆施工技术一直未能取得突破，以至于不能在全断面进行有效支护，难以形成封闭的围岩承载圈，急需研究开发底板锚杆施工技术。笔者提出了深部围岩稳定性控制原理，简易明了的技术支护措施。
一、深井围岩稳定性控制原理
围岩的稳定性既取决于围岩体的强度和变形性质（统称力学性质），又取决于其所受的应力状态。围岩体由完整岩石骨架和结构面组成，由于煤矿深部围岩经受了 2 ～3 亿年长期地质年代的高压作用，岩石骨架致密而坚硬，岩体的强度和变形性质主要受结构面控制。在围岩力学性质中，某些不受应力状态影响，如黏结力、内摩擦角等，为固有属性；而另一些力学性质则受应力状态的影响，如拉压强度、变形模量、泊松比等，为非固有属性。[4]控制围岩的稳定应从改善围岩力学性质和应力状态两方面入手。由于围岩体的非固有属性受应力状态影响，通过改善围岩应力状态能够达到改善围岩非固有属性的目的。根据岩石力学试验研究成果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态下的强度；当岩石处于三向应力状态时，随着侧限压力（围压）增大，其峰值强度和残余强度都会得到提高，并且峰值以后的应力 - 应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡，岩石由脆性向延性转化。岩体的强度与变形性质与应力状态之间也有着类似的关系。
深井岩巷开挖前后围岩体由长期稳定状态转向非稳定状态正是由于围岩所受的应力状态发生显著改变的结果。巷道开挖前，尽管围岩受到很高的地应力作用，但处于高围压状态，因而抗压强度很高，远大于最大偏应力，所以围岩处于弹性状态。开挖卸荷导致一定范围内的围岩侧压降低，近表围岩的侧压降为零；同时，应力向巷道周向转移调整，引起应力集中，使得周向应力升高 2 ～3 倍。而对 800 m 左右深度的巷道而言，近表围岩的围压卸荷幅度达到 20 MPa 以上，巷道周向的应力将增加 40 ～60 MPa，使得最大剪应力（σ1- σ3）达到60 ～80 MPa。二次应力场形成过程中产生如此大的偏应力，在浅部巷道开挖中是难以想象的。这两个方向应力的一降一升产生了围岩的高应力与低强度之间的突出矛盾，必然导致围岩开挖后的快速劣化，裂隙由表及里快速萌生与扩展，很快导致一定范围内的围岩破坏失稳进入峰后或残余强度阶段，超出围岩强度的应力向深部转移（图 2），导致开挖扰动引起的二次应力影响区（Excavation Dis-turbed Zone）和围岩破裂损伤区（Excavation Damage& Failure Zone）的范围远远超过浅部巷道。
巷道开挖扰动引起的高渗透压降和运行通风引起的温度梯度对围岩破裂失稳的作用都可以归结为应力的等效作用，使得围岩高应力与低强度的矛盾更加突出。高渗透压降使得近表围岩所受的有效应力显著提高，特别是在裂隙发育、破碎围岩、地质异常断裂带等地段，其影响是非常显著的，应进行超前注浆封堵裂隙水，防止巷道开挖后出现显著的水头压降。温度梯度的作用使得近表围岩承受附加的温度应力，产生损伤离层，而且随季节性的温度变化逐步累积。克服温度应力的影响，除了在支护加固设计时需要考虑一定的安全储备外，还需采用高强高韧的围岩加固材料，使得加固体能够适应围岩裂隙的变形。通常在巷道支护加固中采用的水泥浆液，由于韧性不够，当围岩受温度应力产生损伤离层时，注浆体很容易破裂失效。在以上分析的基础上，提出如下关于深部岩巷围岩稳定控制的理论：（1）巷道开挖后要在最短的时间内最大限度地恢复巷道自由面上的法向应力，改善因巷道开挖导致劣化的近表围岩的应力状态，从而提高围岩的非固有强度和变形模量，限制围岩沿巷道自由面法向和结构面法向的张开变形，简称为“应力恢复”。（2）采用高强支护加固措施增强围岩，提高围岩固有抗剪强度，严格限制围岩沿原生裂隙和次生破裂滑移面的剪切变形，有效提高围岩抵抗高应力作用下的剪切破裂的能力，简称为“围岩增强”。（3）对破裂区围岩进行固结，对损伤区围岩进行修复，恢复提高围岩的完整性和整体强度，简称为“固结修复”。（4）将靠近巷道浅表一定范围内的高应力峰值向围岩深处转移（应力转移），将锚注增强加固区与深层稳定岩体联结成一体，将整个围岩形成三明治结构，实现围岩承载圈范围的扩大，简称为“转移扩大”。
二、深部围岩支护技术
1、围岩应力状态恢复改善措施
关于巷道开挖后围岩应力状态的恢复与改善措施，就是通过锚杆和锚索施加足够高的预紧力，通过喷射混凝土面层的应力扩散作用，对巷道自由面及松动圈主动施加一定的应力。以淮北矿区某矿-952m水平巷道支护为例：巷道光爆成形后，按顺序依次采用锚、网、索、喷一次支护→浅孔注浆→锚、网、带、喷二次支护→深孔注浆的联合支护方式。一次支护材料及参数：锚杆：Φ22×2400mm，托盘为δ10×200×200mm，间排距800×800mm；金属网：1800×1000mm×Φ6mm，方格网规格：L×B=100×100mm。锚索：Φ21.8mm×7300mm，托盘δ15×350×350mm，间排距1600×1600mm。每根锚杆锚索使用一支K2550和两支Z2550型树脂锚固剂加长锚固。要求锚杆锚固力不小于80 kN，锚索拉拔力不小于200 kN；喷混凝土强度标号C20，厚100mm。浅孔注浆采用型号MZGK180-32/25麻花式中空注浆锚杆，规格为Φ25×2800mm，使用一支Z2550型树脂锚固剂端锚，间排距1600mm×1600mm，注浆液采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥单液浆，水灰比1：0.8～1：1。待巷道受动压影响变形稳定后，再采取锚、网、带、喷二次支护：锚杆改为Φ22×2800mm，钢带使用标准M4钢带沿巷道走向布置，长度4200mm，排距800mm，搭接长度100mm。喷射砼强度为C20，喷砼厚100mm。最后深孔注浆，采用型号为SKZ22-1/1770中空注浆矿用锚索，规格为Φ22×7000mm，每根锚索使用两支Z2550型树脂锚固剂端锚，间排距2400mm×2400mm，注浆液同浅孔。与普通混凝土喷层相比，以内外双层钢筋网和螺纹钢格栅为骨架的喷射混凝土面层除了具有较高的抗弯强度和刚度外，能够承受更大的围岩变形而不易开裂，具有更强的变形适应能力。 2、围岩增强与固结修复措施
所谓超强锚杆是选用Ⅳ、Ⅴ级螺纹钢作为杆体材料经过热轧工艺加工而成的，锚杆杆体材料屈服应力达到540 MPa 以上、杆体抗拉强度达到200 kN 以上。研究表明，对Ⅱ类围岩，当预应力达到100 kN时，维持巷道稳定所需的最终锚固力约为200kN，这就是在深部岩巷支护中需要采用超强锚杆支护的原因。超强锚杆增强围岩的机理在于通过强大的轴向抗力严格限制围岩沿巷道自由面法向和裂隙滑移面法向的张开变形，通过强大的横向抗力抵御围岩沿滑移面切向的剪切变形，提高围岩的固有抗剪强度（C值和φ值）。高强高韧注浆就是将高强度高韧性的注浆材料注入围岩裂隙中，使破裂区围岩得到固结，损伤区围岩得到修复，其作用也是提高围岩的固有抗剪强度。高强高韧是对注浆材料强度变形性能的根本要求，关于高强需要满足两方面的技术指标：①注浆材料结石体24h单轴抗压强度不小于8MPa，28d单轴抗压强度不小于30 MPa，28d龄期黏结力C≥5 MPa。②注浆材料与围岩裂隙面具有良好的黏结性能，两者黏结后28d龄期沿裂隙面法向的抗拉强度大于等于2MPa，沿裂隙面切向的黏结力C≥5 MPa。关于高韧的基本要求是28d龄期的峰前最大应变能够达到3%～5%，峰后应变达到2%以上，峰后2%的应变范围内应力跌落幅度小于20%。只有使用满足以上强度变形要求的材料进行注浆，才能使补强加固后的围岩体能够抵抗深部高地应力的作用而保持长期稳定。
3、应力转移与承载圈扩大控制措施
所谓应力转移与承载圈扩大控制措施就是在巷道开挖后通过高预应力超强锚杆、高强高韧注浆、预应力锚索几种支护加固措施在时间上的有序安排与空间上的合理交错，控制破裂损伤区的扩展范围及其破裂损伤的程度，将控制应力峰值转移到距离巷道表面一定距离的更深部位的围岩中，最终将锚杆锚固增強区、注浆固结修复区和深部围岩稳定区联结成一个具有三明治结构的共同承载整体，将围岩承载圈扩大到预期的厚度，将巷道变形控制在允许的范围，实现巷道围岩的长期稳定。预应力锚索的施作时间要看巷道收敛变形量的大小和变形的速率，当巷道两帮的收敛变形量达到90～100 mm，破裂损伤区厚度相应扩大到了4～5m，这时需要施作预应力120～150kN长度6～8m的锚索。对Ⅱ、Ⅲ级围岩一般是先注浆后施作锚索，而对Ⅳ、Ⅴ级围岩，应在浅孔注浆后施作锚索，然后应尽快施作深孔注浆，应选用上述高强高韧的注浆材料。
4、分步联合支护理念及其技术措施
上述几个方面的技术措施应根据具体的围岩类别联合应用，分步实施。对深部岩巷Ⅰ级围岩，采用高预应力超强锚杆支护实现围岩应力状态的恢复改善和围岩增强，即能控制其稳定；对Ⅱ级围岩，除了采用高预应力超强锚杆支护外，还需采用滞后注浆固结修复破裂损伤区围岩，需要将应力状态恢复、围岩增强和破裂损伤修复 3 项对策并用；对Ⅲ级围岩，需要在Ⅱ级围岩的支护措施基础上辅助以巷道断面形状的优化，并在高预应力超强锚杆的基础上增加预应力锚索，使巷道表面应力状态得到进一步恢复与改善，锚杆锚固区围岩进一步得到增强，同时还能将锚杆锚固区与深部围岩联为一体，实现应力峰值向深部的转移和围岩承载圈的扩大；而对Ⅳ、Ⅴ级围岩，还需在Ⅲ级围岩的对策基础上，采用施工临时支护措施：在工作面施工超前注浆锚杆对破碎围岩进行预固结和预增强。
结语：
综上所述，高强高预紧力支护技术能够通过调动深部稳定岩层的承载能力和提供较大支护阻力等手段有效控制深井巷道围岩的剧烈收缩，并且一定程度上降低了工作面采动应力的影响，提高支护效果和经济效益。
参考文献：
[1]王宏伟，姜耀东，赵毅鑫，祝捷，单如月. 软弱破碎围岩高强高预紧力支护技术与应用[J]. 采矿与安全工程学报，2013，04：474-480.
[2]李忠亮. 煤巷围岩控制与锚网支护技术的研究[D].内蒙古科技大学，2014.
[关键词]深部岩巷 稳定性 分步联合支护 围岩分类 破裂机理
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0027-02
由于深部开采的现实必要性，国外从20世纪 80年代开始进行深部巷道围岩稳定性控制理论与支护技术的研究，我国20世纪80年代末开始这方面的研究。现有的许多支护技术措施还不能满足深部巷道围岩稳定控制的要求。因此急需研制开发高强高韧、经济安全的注浆材料。底板锚杆施工技术一直未能取得突破，以至于不能在全断面进行有效支护，难以形成封闭的围岩承载圈，急需研究开发底板锚杆施工技术。笔者提出了深部围岩稳定性控制原理，简易明了的技术支护措施。
一、深井围岩稳定性控制原理
围岩的稳定性既取决于围岩体的强度和变形性质（统称力学性质），又取决于其所受的应力状态。围岩体由完整岩石骨架和结构面组成，由于煤矿深部围岩经受了 2 ～3 亿年长期地质年代的高压作用，岩石骨架致密而坚硬，岩体的强度和变形性质主要受结构面控制。在围岩力学性质中，某些不受应力状态影响，如黏结力、内摩擦角等，为固有属性；而另一些力学性质则受应力状态的影响，如拉压强度、变形模量、泊松比等，为非固有属性。[4]控制围岩的稳定应从改善围岩力学性质和应力状态两方面入手。由于围岩体的非固有属性受应力状态影响，通过改善围岩应力状态能够达到改善围岩非固有属性的目的。根据岩石力学试验研究成果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态下的强度；当岩石处于三向应力状态时，随着侧限压力（围压）增大，其峰值强度和残余强度都会得到提高，并且峰值以后的应力 - 应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡，岩石由脆性向延性转化。岩体的强度与变形性质与应力状态之间也有着类似的关系。
深井岩巷开挖前后围岩体由长期稳定状态转向非稳定状态正是由于围岩所受的应力状态发生显著改变的结果。巷道开挖前，尽管围岩受到很高的地应力作用，但处于高围压状态，因而抗压强度很高，远大于最大偏应力，所以围岩处于弹性状态。开挖卸荷导致一定范围内的围岩侧压降低，近表围岩的侧压降为零；同时，应力向巷道周向转移调整，引起应力集中，使得周向应力升高 2 ～3 倍。而对 800 m 左右深度的巷道而言，近表围岩的围压卸荷幅度达到 20 MPa 以上，巷道周向的应力将增加 40 ～60 MPa，使得最大剪应力（σ1- σ3）达到60 ～80 MPa。二次应力场形成过程中产生如此大的偏应力，在浅部巷道开挖中是难以想象的。这两个方向应力的一降一升产生了围岩的高应力与低强度之间的突出矛盾，必然导致围岩开挖后的快速劣化，裂隙由表及里快速萌生与扩展，很快导致一定范围内的围岩破坏失稳进入峰后或残余强度阶段，超出围岩强度的应力向深部转移（图 2），导致开挖扰动引起的二次应力影响区（Excavation Dis-turbed Zone）和围岩破裂损伤区（Excavation Damage& Failure Zone）的范围远远超过浅部巷道。
巷道开挖扰动引起的高渗透压降和运行通风引起的温度梯度对围岩破裂失稳的作用都可以归结为应力的等效作用，使得围岩高应力与低强度的矛盾更加突出。高渗透压降使得近表围岩所受的有效应力显著提高，特别是在裂隙发育、破碎围岩、地质异常断裂带等地段，其影响是非常显著的，应进行超前注浆封堵裂隙水，防止巷道开挖后出现显著的水头压降。温度梯度的作用使得近表围岩承受附加的温度应力，产生损伤离层，而且随季节性的温度变化逐步累积。克服温度应力的影响，除了在支护加固设计时需要考虑一定的安全储备外，还需采用高强高韧的围岩加固材料，使得加固体能够适应围岩裂隙的变形。通常在巷道支护加固中采用的水泥浆液，由于韧性不够，当围岩受温度应力产生损伤离层时，注浆体很容易破裂失效。在以上分析的基础上，提出如下关于深部岩巷围岩稳定控制的理论：（1）巷道开挖后要在最短的时间内最大限度地恢复巷道自由面上的法向应力，改善因巷道开挖导致劣化的近表围岩的应力状态，从而提高围岩的非固有强度和变形模量，限制围岩沿巷道自由面法向和结构面法向的张开变形，简称为“应力恢复”。（2）采用高强支护加固措施增强围岩，提高围岩固有抗剪强度，严格限制围岩沿原生裂隙和次生破裂滑移面的剪切变形，有效提高围岩抵抗高应力作用下的剪切破裂的能力，简称为“围岩增强”。（3）对破裂区围岩进行固结，对损伤区围岩进行修复，恢复提高围岩的完整性和整体强度，简称为“固结修复”。（4）将靠近巷道浅表一定范围内的高应力峰值向围岩深处转移（应力转移），将锚注增强加固区与深层稳定岩体联结成一体，将整个围岩形成三明治结构，实现围岩承载圈范围的扩大，简称为“转移扩大”。
二、深部围岩支护技术
1、围岩应力状态恢复改善措施
关于巷道开挖后围岩应力状态的恢复与改善措施，就是通过锚杆和锚索施加足够高的预紧力，通过喷射混凝土面层的应力扩散作用，对巷道自由面及松动圈主动施加一定的应力。以淮北矿区某矿-952m水平巷道支护为例：巷道光爆成形后，按顺序依次采用锚、网、索、喷一次支护→浅孔注浆→锚、网、带、喷二次支护→深孔注浆的联合支护方式。一次支护材料及参数：锚杆：Φ22×2400mm，托盘为δ10×200×200mm，间排距800×800mm；金属网：1800×1000mm×Φ6mm，方格网规格：L×B=100×100mm。锚索：Φ21.8mm×7300mm，托盘δ15×350×350mm，间排距1600×1600mm。每根锚杆锚索使用一支K2550和两支Z2550型树脂锚固剂加长锚固。要求锚杆锚固力不小于80 kN，锚索拉拔力不小于200 kN；喷混凝土强度标号C20，厚100mm。浅孔注浆采用型号MZGK180-32/25麻花式中空注浆锚杆，规格为Φ25×2800mm，使用一支Z2550型树脂锚固剂端锚，间排距1600mm×1600mm，注浆液采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥单液浆，水灰比1：0.8～1：1。待巷道受动压影响变形稳定后，再采取锚、网、带、喷二次支护：锚杆改为Φ22×2800mm，钢带使用标准M4钢带沿巷道走向布置，长度4200mm，排距800mm，搭接长度100mm。喷射砼强度为C20，喷砼厚100mm。最后深孔注浆，采用型号为SKZ22-1/1770中空注浆矿用锚索，规格为Φ22×7000mm，每根锚索使用两支Z2550型树脂锚固剂端锚，间排距2400mm×2400mm，注浆液同浅孔。与普通混凝土喷层相比，以内外双层钢筋网和螺纹钢格栅为骨架的喷射混凝土面层除了具有较高的抗弯强度和刚度外，能够承受更大的围岩变形而不易开裂，具有更强的变形适应能力。 2、围岩增强与固结修复措施
所谓超强锚杆是选用Ⅳ、Ⅴ级螺纹钢作为杆体材料经过热轧工艺加工而成的，锚杆杆体材料屈服应力达到540 MPa 以上、杆体抗拉强度达到200 kN 以上。研究表明，对Ⅱ类围岩，当预应力达到100 kN时，维持巷道稳定所需的最终锚固力约为200kN，这就是在深部岩巷支护中需要采用超强锚杆支护的原因。超强锚杆增强围岩的机理在于通过强大的轴向抗力严格限制围岩沿巷道自由面法向和裂隙滑移面法向的张开变形，通过强大的横向抗力抵御围岩沿滑移面切向的剪切变形，提高围岩的固有抗剪强度（C值和φ值）。高强高韧注浆就是将高强度高韧性的注浆材料注入围岩裂隙中，使破裂区围岩得到固结，损伤区围岩得到修复，其作用也是提高围岩的固有抗剪强度。高强高韧是对注浆材料强度变形性能的根本要求，关于高强需要满足两方面的技术指标：①注浆材料结石体24h单轴抗压强度不小于8MPa，28d单轴抗压强度不小于30 MPa，28d龄期黏结力C≥5 MPa。②注浆材料与围岩裂隙面具有良好的黏结性能，两者黏结后28d龄期沿裂隙面法向的抗拉强度大于等于2MPa，沿裂隙面切向的黏结力C≥5 MPa。关于高韧的基本要求是28d龄期的峰前最大应变能够达到3%～5%，峰后应变达到2%以上，峰后2%的应变范围内应力跌落幅度小于20%。只有使用满足以上强度变形要求的材料进行注浆，才能使补强加固后的围岩体能够抵抗深部高地应力的作用而保持长期稳定。
3、应力转移与承载圈扩大控制措施
所谓应力转移与承载圈扩大控制措施就是在巷道开挖后通过高预应力超强锚杆、高强高韧注浆、预应力锚索几种支护加固措施在时间上的有序安排与空间上的合理交错，控制破裂损伤区的扩展范围及其破裂损伤的程度，将控制应力峰值转移到距离巷道表面一定距离的更深部位的围岩中，最终将锚杆锚固增強区、注浆固结修复区和深部围岩稳定区联结成一个具有三明治结构的共同承载整体，将围岩承载圈扩大到预期的厚度，将巷道变形控制在允许的范围，实现巷道围岩的长期稳定。预应力锚索的施作时间要看巷道收敛变形量的大小和变形的速率，当巷道两帮的收敛变形量达到90～100 mm，破裂损伤区厚度相应扩大到了4～5m，这时需要施作预应力120～150kN长度6～8m的锚索。对Ⅱ、Ⅲ级围岩一般是先注浆后施作锚索，而对Ⅳ、Ⅴ级围岩，应在浅孔注浆后施作锚索，然后应尽快施作深孔注浆，应选用上述高强高韧的注浆材料。
4、分步联合支护理念及其技术措施
上述几个方面的技术措施应根据具体的围岩类别联合应用，分步实施。对深部岩巷Ⅰ级围岩，采用高预应力超强锚杆支护实现围岩应力状态的恢复改善和围岩增强，即能控制其稳定；对Ⅱ级围岩，除了采用高预应力超强锚杆支护外，还需采用滞后注浆固结修复破裂损伤区围岩，需要将应力状态恢复、围岩增强和破裂损伤修复 3 项对策并用；对Ⅲ级围岩，需要在Ⅱ级围岩的支护措施基础上辅助以巷道断面形状的优化，并在高预应力超强锚杆的基础上增加预应力锚索，使巷道表面应力状态得到进一步恢复与改善，锚杆锚固区围岩进一步得到增强，同时还能将锚杆锚固区与深部围岩联为一体，实现应力峰值向深部的转移和围岩承载圈的扩大；而对Ⅳ、Ⅴ级围岩，还需在Ⅲ级围岩的对策基础上，采用施工临时支护措施：在工作面施工超前注浆锚杆对破碎围岩进行预固结和预增强。
结语：
综上所述，高强高预紧力支护技术能够通过调动深部稳定岩层的承载能力和提供较大支护阻力等手段有效控制深井巷道围岩的剧烈收缩，并且一定程度上降低了工作面采动应力的影响，提高支护效果和经济效益。
参考文献：
[1]王宏伟，姜耀东，赵毅鑫，祝捷，单如月. 软弱破碎围岩高强高预紧力支护技术与应用[J]. 采矿与安全工程学报，2013，04：474-480.
[2]李忠亮. 煤巷围岩控制与锚网支护技术的研究[D].内蒙古科技大学，2014.