矿山井下破碎岩体巷道支护结构的力学特性与优化研究

引言

矿山井下巷道作为资源开采、通风运输的核心通道，其稳定性直接关系到开采作业安全与生产效率。破碎岩体因具有孔隙率大、强度低、胶结性差等特点，在巷道开挖后易发生塌方、片帮等灾害，常规支护系统往往因承受力分配不均或形变超出极限而失去其稳定性。

、破碎岩体巷道支护结构力学特性分析

（一）破碎岩体物理力学参数对支护的影响

支护结构受力状态的形成离不开破碎岩体的物理力学特性，孔隙率、黏聚力与内摩擦角对支护结构响应的影响最为显著。孔隙度揭示了岩体内部裂缝分布的状况，孔隙度数值上扬，岩体的整体结构有所削弱，巷道开挖后围岩松弛范围扩展越快，由此使得支护结构需承受较大的松散荷载[1]。黏聚力和内摩擦角共同影响着岩体的承载能力，黏聚力的减少会引起支护结构径向变形的增大，内摩擦角减小则会扩大围岩塑性区范围，含水率的波动对破碎岩体的力学性能退化有显著的促进作用，含水率升高会导致岩体抗压强度下降，使支护结构的承载压力进一步增大。

（二）联合支护体系的应力传递与变形协调特性

当前破碎岩体巷道多采用“锚杆+锚索+喷混凝土”联合支护体系。各构件通过协同作用实现围岩稳定控制，锚杆构成了浅层支护系统的核心支撑，通过端头锚固与全长锚固约束围岩变形，轴向应力呈“两端低、中间高”分布，中部成为应力集中点，且随岩体破碎程度加剧向根部迁移，全长锚固的应力传递效率与约束效果更优 。锚索肩负着深部荷载的重任，借助高预紧力传递深部稳定岩体承载力，应力变化的演化特点为“快速上升—稳定波动—缓慢下降”三个阶段，表层承载层由喷混凝土层形成，此喷混凝土层可把局部负荷均布处理，环向应力在巷帮中部与拱顶达峰值，其变形过程与锚杆、锚索之间存在显著的协同互动，锚杆变形超限会导致喷混凝土层开裂、承载能力下降。

二、支护结构存在的主要问题

（一）支护参数匹配性不足

目前支护设计所采用的参数设置方法主要是基于经验公式，未能充分纳入岩体破碎结构的非均匀特性。锚杆间距及锚索预紧力与岩体力学参数未能实现匹配，面对孔隙率超过 20%的区域，实施 1. 2m×1.2m 间距的锚杆安排，围岩中的塑性区域互相串联，出现了较大松动圈状结构；在黏聚力超过1.5MPa 的相对完整地带，80kN 的锚索预紧力显然偏高，造成了支护材料资源的无谓浪费，底角锚杆布置存在缺陷，仅采用标准全长锚杆进行锚固措施，巷道底部鼓胀现象未得到有效抑制。

（二）应力集中导致局部失效

众多无序的裂隙散布在破碎的岩体表面，支护结构在裂隙密集区域容易产生应力集中现象[3]。现场勘查披露，拱肩位置因裂隙切割形成三角松动块，锚杆在该区域的应力峰值达120kN，该区域的锚杆应力已经超出其设计的最大承载力（100kN），引发锚杆的断裂及失效；喷混凝土层在巷帮与底板交接处因应力集中出现贯穿性裂缝，最大裂缝宽度为 5 毫 m，表层承载力丧失，锚索和锚杆的应力传递过程未能达到预期的一致性，锚索下方 2m 范围内未设置锚杆，形成了应力分布的盲区，导致该区域围岩变形量比其他区域高。

（三）长期服役性能衰减过快

破碎岩体的蠕变特性导致支护结构长期受力持续变化。目前采用的支护体系未对蠕变效应作出适应性设计，其功能退化速度迅猛，服役三年以上的隧道，锚杆因岩体长期蠕变产生

松弛，预紧力衰减率达 35%，几处锚杆已脱落，喷混凝土层遭受干湿交替循环作用及裂隙的加剧扩展，表面出现大面积剥落，厚度从 150mm 减至 80mm ，承受载荷的能力下降，地下水的渗透作用加剧岩体劣化，导致支护结构的稳定性进一步下降。

三、支护结构优化策略

（一）基于岩体分级的参数动态优化

依托于破碎岩体物理力学参数的测试结果，实施“岩体分级—参数匹配”动态设计体系，根据孔隙率与黏聚力将岩体分为三级：黏聚力 ⩾1.5MPa ）采用 1.4m×1. .4m 锚杆间距、80kN锚索预紧力； 0.8MPa⩽ 黏聚力 ⟨1.5MPa. ）采用 1. 0m×1 .0m 锚杆间距、100kN 锚索预紧力；Ⅲ级（孔隙率>25%，黏聚力 <0.8MPa; ）采用 0.8m×0.8m 锚杆间距、120kN 锚索预紧力。对抗地面基础鼓起，精调底鼓锚杆的参数，选用的锚杆为 Φ22mm 规格的高强度螺纹钢，将锚杆长度扩大至 3.5m 规格，底鼓锚杆的预紧力增强到60 千牛，进而与底板锚杆共同构成一个立体支撑系统，有效将底鼓量控制在 50mm 这一合理范围内。

（二）应力集中区域的强化支护设计

此类拱肩与巷帮裂隙密集区，采用“锚杆加密+锚索补强+喷混凝土加厚”的强化方案，拱肩位置锚杆间距缩减至 0.6m，引入 Φ17.8mm 直径的高强度锚索，每根锚索的布置间隔为 2m 预紧锚杆的力量设定为 150kN，喷混凝土层在应力集中区域加厚至 200mm ，掺加了5%的钢纤维，提升其抗裂水平。在锚索下方距离 1.5m 处增设锚杆一排，消除应力分布的空白带，采用数值模拟进行确认，优化后应力集中区域的锚杆最大应力降至95kN，该喷混凝土层裂隙宽度被成功压缩至 1 毫 m 以下，有效预防了局部结构的失效。

（三）提升长期服役性能的结构改进

采取措施阻止支护结构性能的持续下降，对材料及结构进行一体化优化升级，此锚杆采用高强度防腐螺纹钢，表面实施了环氧树脂涂层防护，防腐效果提升了 60% ，预紧力年衰减率已降低至不足 1%的水平。工程采用的喷混凝土系 C30 级别的高性能品种，混凝土中掺加了3%硅灰与 2%聚丙烯纤维，抗压强度提升至 35MPa ，达到了P8 级防水要求，有效阻挡地下水侵蚀和干湿循环的侵害，在喷混凝土层与围岩间嵌入土工格栅缓冲层，缓解岩体蠕变引起的形变，降低喷混凝土层的受力峰值集聚，有效延长支护结构的服役时间至五年以上。

结论

孔隙率和黏聚力对破碎岩体的力学特性起着决定性作用，孔隙率增大与黏聚力降低会显著加剧支护结构的受力与变形，含水率的调整将进一步扩大该影响范围。在综合支护系统内，锚杆的核心作用是对浅层围岩的变形进行限制，锚索承担深部荷载控制，喷混凝土形成表层承载壳，三者的变形协调与应力传递协同性直接决定支护成效，而应力集中与参数不匹配是诱发支护失效的核心因素。本次提出的“岩体分级参数优化、应力集中区域强化、长期性能结构改进”综合策略，可有效改善围岩稳定性与支护结构服役性能，实施效果明显。

参考文献

[1] 程文文. 黄金矿山松软破碎岩体巷道支护设计与应用[J]. 中国新技术新产品,2024,(15):84-86.

[2]彭文庆,朱豪,汪琦.破碎岩体巷道围岩承载结构应力分布规律[J].中南大学学报(自然科学版),2023,54(06):2447-2458.

[3]吴占廷.破碎、较破碎岩体渗透系数与埋深关系的研究——以某石灰石矿山为例[J].贵州地质,2023,40(02):159-164.