1.3　巷道围岩控制技术研究现状

巷道作为煤矿井下生产的脉络，每年巷道进尺达千万米，但巷道所处地质条件复杂多样，围岩物理力学性质千差万别，对巷道围岩稳定性影响程度不一，因此，保持其畅通和完好状态对改善井下劳动条件和作业环境、预防顶板事故、保障矿井安全生产具有重要意义。

20世纪初，人们认为作用在地下硐室支护结构上的压力等于硐室上覆岩层重量，对地下硐室的稳定性认识还停留在经典压力理论上。随后又出现了太沙基和普氏松散压力理论，并认为支护结构上的压力不是上覆岩层重量，而是塌落松动圈范围内的围岩重量，塌落高度与地下工程跨度和围岩性质有关，但没有科学地确定出塌落拱的高度和形成过程。

20世纪50～60年代，于学馥教授提出“轴变论”观点，运用连续介质和弹性力学理论阐述了围岩塌落的发生、发展全过程，并认为：围岩应力超过岩体弹性极限引起围岩破坏，围岩塌落改变了巷道轴比、导致了巷道围岩应力的重分布；但轴变论不能解释受结构面控制的弹塑性围岩破坏规律。随后，有学者开始应用弹塑性理论和其他相关学科理论研究围岩稳定问题。1978年，Brady等首先提出了全平面应变问题的计算模型，该模型是在平面应变问题的基础上，叠加一个面外剪切及一个单向压缩应力状态而成。郑雨天教授运用该模型推导了圆形巷道周边应力和相对位移公式。邹喜正、李华祥等也采用该模型，通过圆形巷道周边应力和相对的位移，研究了构造应力对巷道布置的影响。

上述围岩稳定性分析属于解析法，一般使用于均质、各向同性、节理较弱、完整性较好的围岩，对于工程中常见的非均质、各向异性、节理裂隙发育的围岩，只能借助于数值计算方法。

随着矿井采深增加，因高应力围岩产生挤压屈服和剪切滑移，使围岩破碎开裂或塑性变形，巷道支护难度增加，甚至围岩发生偏帮、冒顶等事故，造成人员伤害和重大经济损失，巷道支护成了制约矿井高产高效建设的关键。应对矿区地应力进行现场实测，实现支护设计的科学化、规范化，从而为回采巷道锚杆支护技术的广泛应用奠定坚实、可靠的基础。

锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方式，可显著提高围岩稳定性，并且具有支护成本低、成巷速度快、劳动强度小、巷道断面利用率高以及明显改善作业环境和安全生产条件等优点。因此，锚杆支护在煤矿巷道中的应用越来越广泛，逐渐成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式。在国外主要产煤国家，已经形成系统的、先进的成套技术，给整个矿井带来巨大的经济效益。国外主要产煤国家，锚杆支护技术广泛应用。美国煤层地质条件简单，埋藏较浅，锚杆支护能有效控制围岩稳定性，成为巷道唯一的支护方式，锚杆支护技术水平处于世界领先地位。澳大利亚煤层巷道围岩条件好，结合本国国情，形成了以地应力实测为基础，以计算机数值模拟为核心的锚杆支护设计方法，煤巷锚杆支护比例接近100％。英国1987年引进澳大利亚成套锚杆支护技术之前，90％以上巷道采用金属架棚支护，煤矿生产被动，引进锚杆支护成套技术之后，锚杆支护得到了迅速发展，目前锚杆支护比例超过80％。20世纪60年代中后期法国引进德国发明的树脂锚固技术，并对其进行了深入研究，煤巷锚杆支护技术发展也很迅速，到1986年其比重已达50％。

巷道支护理论研究一直是围岩控制技术的一个重要方面，锚杆支护技术的快速发展，推动了锚杆支护理论的研究工作，国内外针对不同地质条件提出了多种巷道锚杆支护理论与支护形式，以适用于不同的围岩条件。目前，取得的成果如下。

（1）悬吊理论　锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊到稳定的岩层中，防止围岩移动滑落。锚杆本身受拉，其拉力为悬吊岩体的重量。在块状结构或裂隙岩体中使用锚杆可将松动区内的岩块悬吊到稳定的岩体中，也可将节理弱面切割形成的岩块连接在一起，阻止其跨落。

（2）组合梁理论　组合梁理论是从经典的材料力学中借用而来的。20世纪70年代，无拉力全长胶结锚杆在美国盛行时，组合梁理论被广泛用来解释锚杆的支护机理，其主要要点是：锚杆将各个薄的岩层分层贯穿在一起形成一个厚的组合梁，薄的岩层抗拒拉应力较小，而厚的组合梁抗拉强度被大大提高。在锚杆与岩石层面横交处，锚杆与胶结物共同阻止岩层沿层理面的水平错动。材料力学中的组合梁理论本身不考虑水平侧压的影响，而只考虑垂直载荷。

（3）组合拱理论　其理论依据为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，杆体两端形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱（亦称组合拱或压缩拱），这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内，岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理，在岩石或煤层拱形巷道中可以作为锚杆支护参数的设计依据。其意义就是将周围岩体组合在一起，提高围岩自稳能力，从而达到支护效果。

（4）最大水平应力理论　由澳大利亚学者盖尔（W.S.Gale）提出，该理论认为，矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有以下三个特点：①与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定最好；②与水平应力巷道成锐角的复合巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；③与水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动膨胀造成围岩变形，而锚杆的作用就是约束沿其轴向岩层碎胀与垂直于轴向的岩层剪切错动，这就要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪能力强等优点，这样才能约束围岩变形。

（5）锚固平衡拱理论　该理论认为锚杆支护对于提高围岩（特别是松散围岩）自身的最大承载能力没有明显效果，但当围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著效果；锚杆与其锚固范围内的煤体构成一种组合型的锚固支护体，在锚杆的约束与抗剪作用下，使塑性破坏后易于松动的煤体或煤顶形成具有一定承载能力，并可适应围岩变形的平衡拱，从而提高了煤体的整体性，防止顶煤松散冒落，锚固平衡拱内存在着关键承载环，对巷道顶板可起到有效的支承作用。全长锚固锚杆的作用就是通过对其锚固长度范围内的煤体提供轴向和横向约束，可有效地阻止煤块体之间的相互错动，防止锚固体的松散变形，保持锚固体的整体性，以提高顶煤承载能力和稳定性。

（6）围岩强化理论　该理论由中国矿业大学提出，其要点是：①锚杆加固围岩的实质是改变巷道围岩的受力状况，增加围压，从而提高岩石的力学参数，改善被锚固岩体的力学性能；②巷道围岩存在着破碎区（松动区）、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内的岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都能得到强化；③能较好地控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而更有利于保持巷道围岩的稳定。

（7）锚杆桁架支护理论　该理论出现于20世纪60年代，顶板锚杆支护作用主要表现在：①改变巷道顶板的应力状态。其主动作用明显减小顶板中部危险区的拉应力，使顶板梁中性轴下移，随着析架拉杆预紧力增大，拉应力减小，直至出现压应力，使顶板拉应力区变为压应力区，从而弥补岩体抗拉强度较小的弱点；②有利于顶板裂隙梁的形成与稳定。当巷道开挖在层状岩体中时，顶板极软弱或破碎时，顶板的破坏和变形可以用“岩梁”理论来分析，稳定性取决于裂隙梁的成拱作用。该条件下的锚杆支护通常不能起悬吊作用，而应考虑摩擦与组合梁作用；③提高顶板裂隙梁抗剪滑动能力。根据岩梁平衡原理，当岩梁自重和原岩应力引起的拱座处水平推力不足以阻止剪切滑动力时，顶板将发生整体剪切滑动，由桁架预紧力引起的主动作用将与拱座处水平推力叠加，增大了危险部位岩石或不连续面的摩擦阻力，达到提高顶板裂隙梁抗剪能力，从而维持顶板稳定的目的，这种加固作用随顶板下沉引起拉杆拉伸而进一步得到增强。

上述理论从不同侧面反映了锚杆支护加固围岩的作用机理，对指导锚杆支护设计起到了积极作用。

目前锚杆支护设计方法控制巷道围岩稳定取得了一定成效，但还存在不少问题，尤其是建立各种计算模型时，做出各种简化处理，从不同角度不同条件阐述锚杆支护的作用机理，很少考虑地应力实际分布规律对计算结果的影响。

在已知最大主应力方向时，应统筹考虑工程特点和地质条件，使确定出的巷道轴线尽量与最大水平主应力方向平行或小角度相交，以有效较少巷道围岩的变形。例如，甘肃某地下巷道，围岩为超基性岩和大理岩，马蹄形断面，施工后不久即发生严重破坏：拱顶剥落，侧墙内推开裂，底臌严重。几次修复，变形破坏仍不停止，以致不能使用。现场地应力测量发现：水平应力高，方向与巷道方向垂直。修改设计方案，将巷道方向调整为基本与最大主应力方向平行，巷道埋深增加，开挖结果表明，围岩稳定，变形较小。鹤壁五矿三水平采区轨道下山巷道开挖后24h，锚网喷开始变形；72h顶部出现网兜、喷层开裂；7d顶板下沉100～200mm，底臌200～300mm；20d后U型棚外蹬。后经查明该处最大主应力高达30MPa，属于典型的高应力-节理化复合型软岩破坏。霍州矿区位于霍西煤田中部，面积约1000km2，位于山西地堑系临汾盆地北部，现有七对生产矿井，含煤地层为石炭二叠系，处于“祁吕贺”山字型构造前弧东翼的南端与新华夏系褶皱断裂带的复合部位，地质构造异常复杂，是新生代的典型伸展构造发育区，地应力复杂，矿压显现明显，支护困难。所属煤矿曾经出现的煤巷锚杆支护冒顶事故虽然在表现形式上有所不同，但从根本上说，地应力是其中的主要影响因素之一。

近年来随着采深的增加，人们逐渐认识到地应力的重要影响。王连国教授针对祁南煤矿高应力构造复杂区煤巷破坏情况，提出了相应锚注支护设计方案，保证了巷道围岩的稳定性。

1995年淮南工学院郭兰波教授等与平顶山煤矿集团公司联合开发了（半）煤岩巷锚梁网支护专家系统PMZES，可对煤及半煤巷锚梁网支护选型。煤炭总院北京开采所康红普高级工程师等，基于巷道围岩的关键承载圈理论开发了锚杆支护设计软件BOLTING。山东矿业学院谭云亮教授对顺槽巷道锚杆支护决策咨询系统进行研究，开发了锚杆支护决策专家系统BDES。

而在我国煤矿开展地应力测试，其中以地应力测试结果作为最主要的参数，进行计算机数值模拟的设计方法来进行锚杆支护设计，并利用地应力分布规律对巷道围岩稳定性的影响指导井巷工程设计和采区布置等尚不普遍。

综上所述，在地应力实测技术和理论研究上，均已取得了不少有价值成果。但是，地应力复杂多变、影响因素较多，由于各种研究方法的局限性和研究者目的差异性较大，在地应力分布规律及其对巷道围岩稳定性影响等方面的研究上还有一些不足。应结合研究区域的具体地质背景和相关实测数据资料，综合应用现代最新理论方法和数值仿真分析手段开展深入研究。