锚喷网支护参数的合理确定

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1994.05.001 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vol.16 No.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct1994 锚喷网支护参数的合理确定 赵国堂任天贵 北京科技大学矿业研究所，北京100083 摘要通过对软岩特性和巷道开挖后围岩应力场与位移场分布的研究，提出了整体支护方法，讨论 了错喷网支护形式形成整体支护的条件，给出了错喷网支护参数的确定方法。 关键词软岩，地下工程，整体支护，锚喷网支护 中图分类号TD352.5 Determination of Rational Parameters for Combined Lining Using Bolting,Shotcrete and Wire Mesh Zhao Guotang Ren Tiangui Mining Research Institute,USTB.Beijing 100083 PRC ABSTRACT The monolithic support method is introduced based on studying properties of soft rock and influence of drivage on stress and displacement fields around opening.The monolithic support condition and a method of determinating rational parameters for bolting, shotcreting and wire mesh are given. KEY WORDS soft rock.underground opening.monolithic support,bolting,shotcreting,wire mesh 在地下工程支护设计中，常常应用平面应变模型进行计算和分析，断面承载也采用理想化 的均载处理，但在深埋和/或软岩地下工程实际中，围岩变形既有断面上径向的整体性和相 异性，又有轴向上的不均匀性：应力分布不均匀，常在局部支护上出现应力集中闪，因而 在确定锚喷网支护参数时，从平面模型出发强调锚杆的悬吊作用和组合拱作用及喷射混 凝土的加固作用，对三者之间的相互作用和整体作用考虑不多，其参数的合理性有待商榷. 所以，本文从地下工程宏观控制入手，介绍整体支护方法及其在锚喷网支护中的应用. 1整体支护方法的提出 围岩稳定取决于围岩材料特性和工程开挖因素两个方面.研究表明问，软岩特性可以概 括为：强度低，粘聚力和内摩擦角小：临界变形大：结构疏松，整体性差，节理、层理发育；亲水 1993-12-06收稿第一作者男30岁博士后 *国家“八五攻关项目

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 州 年 月 川 竺廷燕月 锚喷 网支护参数 的合理 确定 ’ 赵 国 堂 任 天 贵 北 京 科 技 大 学 矿 业研究 所 ， 北 京 幻 摘 要 通 过 对软岩 特性 和 巷道 开挖 后 围 岩 应力 场 与 位 移 场分布 的研究 ， 提 出 了 整 体支 护 方法 ， 讨论 了 锚 喷网支护形式形 成整 体支护 的条件 ， 给 出 了 锚 喷网支护参数 的确 定方 法 。 关键词 软岩 ， 地下 工 程 ， 整 体支护 ， 锚 喷 网支护 中图分类号 五 ， 确 蓝习 兀 ， ， 〕 刃 以刘 附 ， ， ， ， ， ℃ ， 在地 下 工程 支 护设计 中 ， 常 常应 用 平 面 应 变模 型 进行计算 和 分 析 ， 断 面 承 载 也 采 用 理 想 化 的均载处理 但 在 深 埋 和 或 软岩 地 下 工 程 实 际 中 ， 围岩 变形 既 有 断 面 上 径 向 的 整 体 性 和 相 异性 ， 又 有 轴 向上 的 不 均 匀 性 叹 应 力 分 布 不 均 匀 ， 常 在 局 部 支 护 上 出现 应 力 集 中冈 因而 在 确 定 锚 喷 网 支 护 参 数 时 ， 从 平 面 模 型 出 发 强 调 锚 杆 的悬 吊 作 用 和 组 合 拱 作 用 及 喷 射 混 凝 土 的加 固作 用 ， 对 三 者 之 间 的相 互 作 用 和 整 体 作 用 考 虑 不 多 ， 其 参 数 的合 理 性 有 待 商 榷 所 以 ， 本 文从地下 工程 宏观控 制 入 手 ， 介 绍 整 体 支护方 法 及其 在锚 喷 网 支护 中的应 用 整体支护方法 的提 出 围 岩 稳 定 取 决 于 围 岩 材 料 特 性 和 工 程 开 挖 因 素 两 个 方 面 研 究 表 明 ， 软岩 特性 可 以 概 括 为 强 度低 ， 粘 聚力 和 内摩擦 角小 临界 变形 大 结 构 疏 松 ， 整 体 性 差 ， 节 理 、 层 理 发 育 亲 水 一 一 肠 收 稿 第一 作者 男 岁 博 士后 国 家 “ 八 五 ’ 攻 关 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．05．001

.406 北京科技大学学报 1994年No.5 性强，遇水软化、膨胀和崩解等，开挖的影响表现为两个方面，一是对围岩的扰动，引起应力 重分布和变形向开挖空间的发展；二是开挖空间周围岩体的结构变形，如底臌研究把底板作 为板模型处理，很好地说明了底臌的产生与发展)，顶板自然拱的形成证实了顶板围岩稳定变 形的原因闪因此，地下工程的支护原则应为： (1)深埋软岩节理、层理十分发育，在高围岩应力作用下，岩层沿节理、层理面的滑动和滑 落，往往引起地下工程整个周边围岩的变形失稳，因此，加固围岩和提高表面围岩的整体性是 必要的， (2)开挖时超挖距大是爆破时常见的问题，壁面的凸出处是应力集中的特殊部位，容易导 致岩层的局部破坏，因此，用喷和填的方法提高表面围岩的平整度是必要的， (3)软岩水理性质差，对围岩进行封闭是必要的， (4)深埋软岩临界变形大，地压以流变地压为主，这就要求支护与围岩能够形成共同作用 体系，在深部大地压、大变形的情况下，提高支护的承载能力和可缩性是必要的， 所以，适用于深部和/或软岩地下工程稳定需要的支护应具备加固作用，充填作用、封 闭作用，释能作用和强力支护作用，这就是整体支护提出的依据，因为整体支护不仅具备上 述作用，而且通过支护体本身的整体性和结构性，促进了地下工程轴向上应力场和位移场的 均匀分布四，是从宏观上对地下工程进行控制的一种方法. 2合理的锚喷网参数 锚喷网支护很容易满足整体支护的要求，但喷层要形成自身的整体性和结构性，必须选用 合理的参数.同时，在使用金属网的喷层中，其自结构作用更加重要，否则，很容易与岩体产 生离层， 在拱形断面的地下工程中，锚喷网支护体是一个由两帮板与顶板壳组成的板壳体，由观 测知冈，对于深埋软岩地下工程来说，顶板变形是稳定变形，两帮是最薄弱环节，因此，分析 地下工程稳定性应从两帮入手.如图1所示，两帮的板与壳交界处是固定边；在没有底拱的情 况下，板与底板交界处是自由边，否则为固定边.由于底板与两帮交界处的固定边容易首先产 生破坏图，这个固定边存在的时间不长，可以作为简支边考虑锚喷网在纵向为有限长时，两 边为自由边或简支边（无限长时作为固定边，但固定边容易首先破坏，成为一些具有简支边的 板)，这样，问题就转化为分析一边固定，三边简支（或自由）板的稳定，其解为： w川D三2（中a+g容F0m如g 4 (1) 2a a b 式中，D=Eh12;A=ma2+nb; 9n ah。J。 )sinm sin dady; a h,E-板的厚度和弹性模量；a、b一板的宽度和长度；Fn-边界条件确定的系数. 在均布载荷q(化，)=9作用下板的挠曲为： .盆盒（品+罗m"管 (2)

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 胜强 ， 遇 水软化 、 膨 胀 和崩解 等 开挖 的影 响表 现 为 两 个 方 面 ， 一 是 对 围 岩 的扰 动 ， 引 起 应 力 重分布 和 变形 向开挖 空 间的发展 二是 开挖 空 间周 围 岩 体 的结 构 变 形 ， 如 底 滕 研 究 把 底 板 作 为板模 型 处理 ， 很好地 说 明 了底 朦 的产 生 与 发展 ，顶 板 自然拱 的形 成 证 实 了 顶 板 围 岩 稳 定 变 形 的原 因 因此 ， 地 下 工 程 的支护原则 应 为 深 埋 软岩 节理 、 层理 十分 发育 ， 在 高 围岩 应力作 用下 ， 岩 层沿 节 理 、 层 理 面 的 滑 动 和 滑 落 ， 往 往 引起 地 下 工程 整 个周 边 围岩 的变形 失 稳 ， 因此 ， 加 固 围岩 和提 高表 面 围岩 的 整 体性 是 必要 的 开挖 时超挖距 大 是 爆 破 时 常见 的 问题 ， 壁 面 的 凸 出处是 应力 集 中 的 特 殊 部 位 ， 容 易 导 致岩层 的局 部破 坏 ， 因此 ， 用 喷和 填 的方法 提 高表 面 围岩 的平 整 度是 必要 的 软岩水理性 质差 ， 对 围岩 进行 封 闭是 必要 的 深埋 软岩 临界 变 形 大 ， 地 压 以 流 变地 压 为主 ， 这就要 求 支 护 与 围 岩 能 够 形 成 共 同 作 用 体 系 ， 在 深部大地 压 、 大 变形 的情 况 下 ， 提 高支护 的承 载能力和 可 缩性 是 必要 的 所 以 ， 适 用 于 深 部 和 或 软 岩 地 下 工 程 稳 定 需 要 的 支 护 应 具 备加 固作 用 、 充 填 作 用 、 封 闭作 用 、 释 能作 用 和 强 力 支 护 作 用 ， 这 就 是 整 体 支 护 提 出 的 依 据 ， 因 为 整 体 支 护 不 仅 具 备 上 述作 用 ， 而且 通过支 护体本 身的整体性 和 结构 性 ， 促 进 了 地 下 工 程 轴 向上 应 力 场 和 位 移 场 的 均 匀分 布 ， 是 从宏 观 上 对地 下 工 程 进 行 控 制 的一 种方 法 合理 的锚喷网参数 锚 喷 网支护很容 易 满 足 整 体支 护 的要 求 ， 但 喷层要 形 成 自身 的整 体性 和结构性 ， 必须 选用 合理 的参数 同时 ， 在 使 用 金 属 网 的喷层 中 ， 其 自结 构 作 用 更 加 重 要 ， 否 则 ， 很 容 易 与 岩 体 产 生离层 在 拱形 断面 的地 下 工 程 中 ， 锚 喷 网支 护体是 一 个 由两帮板 与 顶 板 壳 组 成 的 板 壳 体 由观 测 知 ， 对于 深埋 软岩 地 下 工 程 来说 ， 顶 板 变形 是稳 定 变形 ， 两帮是 最 薄弱 环 节 ， 因此 ， 分 析 地 下工 程 稳定 性 应从两 帮人 手 如 图 所 示 ， 两 帮的板 与壳交界 处是 固定边 在 没有 底拱 的情 况 下 ， 板 与底 板交界 处是 自由边 ， 否 则 为 固定 边 由于 底 板 与 两帮交界 处 的 固 定 边 容 易 首 先 产 生破坏 ， 这个 固定 边存 在 的 时 间不 长 ， 可 以 作 为 简支 边 考 虑 锚 喷 网 在 纵 向为 有 限 长 时 ， 两 边 为 自由边 或 简 支边 无 限长 时作 为 固定 边 ， 但 固定 边容 易首先破 坏 ， 成 为 一 些 具 有 简 支 边 的 板 这样 ， 问题就 转化 为分 析一边 固定 ， 三边 简 支 或 自由 板 的稳定 ， 其 解 为哄 ‘” ， 夕 兀 乞 藻 。 手 兀 、 兀 ， ， 不丁，一 户 。 乙 －“ 塑卫卫 式 中 ， ， 注 ’ ， ， 叮 玲卫兀 ， － 些型 匆 ， 一 板 的厚 度 和 弹性模量 、 一 板 的宽度和 长度 凡 一 边 界 条件确 定 的 系数 在 均 布 载 荷 ， 二 作 用 下 板 的挠 曲为 兀乞 。 奚 ， 篇 只竿华二 矛刀 兀 学 助 ” 望 － 鳄

Vol.16 No.4 赵国堂等：锚喷网支护参数的合理确定 407. 式中， F,=- 8aq A m=3 nπ Am m-1.3. 锚杆作用对板提供了一个集中力，见图1b).在锚杆作用下板的挠曲为： 4 立A2p2 sinit sin(2n+j·cosm+m他 πabDm.a= 10 b 2a 2a 2a F) ·sin mnx (3) a s咖 b 式中，p-锚杆的锚固力.k,=b/t;k2=at一1；t,t,-锚杆行距与间距 4ap∑sin mi 立Am2 sin2”+osm班 2a E=- 0 2a 元b ∑Am2 to_ (a) b) 图1锚喷网计算模型 Fig.1 Model of bolting,shotcreting and wire mesh 在围岩应力和支架共同作用下，喷层的弯曲为： =+w (4 最大应力发生在x=a/2,y=b/2处，由Tresca准则，可以由下式得到喷层破坏载荷： 吾.盒，夏R(+贤)点.盒.豆n含玄m mn元2 2a 血"好"+密F小李 (5) 2a 2a 3 式中，Bnm.=mc+unb,t。p、μ一喷层的抗弯强度和泊松比 最大挠曲亦发生在x=a2,y=b/2处，这与观测结果是一致的. 盒A+贸小0点 4 、mnπ2 ·p法如》w"器+ 0 2a 2a 2a F) (6) 在深埋或/和软岩地下工程中，变形失稳已成为其主要的破坏形式.支护的稳定状况也成

赵 国堂 等 锚 喷 网 支护参数 的合理 确 定 二子 小 南 。 一 。 』跪 ‘ ’ 从 下 ， 、 一 一 万妥了 不 一一甲一下 乙 石井 乙 锚杆 作用 对板提 供 了一 个集 中力 ， 见 图 山 在锚杆 作用 下 板 的挠 曲为 兀 工， ， 艺 ， 矛 ， 二全了全 。 二 叮 ， 口 可 口 兀 十 － 户 ， 、 口 叮一 兀一力 刀王兀 － 些卫卫 式 中 ， 一 锚 杆 的锚 固力 斌 二 一 ， ，一 锚杆行距 与 间距 月 今 。 二 ” 自 几厂 艺 式万 艺 只 ， ， “ 叮 ， 口 可 口 艺 式才 ’ 二 针 二 几 图 锚喷网计算模型 珑 以加】 位奄 ， 勃枕比石吃 闭 犯 长 在 围岩 应力 和 支架 共 同作 用 下 ， 喷层 的弯 曲为 ‘犷 ‘姚 最大 应力 发 生在 ， 处 ， 由 准则 ， 可 以 由下 式 得 到 喷层 破 坏 载 荷 艺式矛民 藻洲 。 凡 ， 。 二 叮 兀 器 助 兀 叉式才民 。 艺一 工 郊 。 ， 几厂 卫里立口 兀 口 。 ， 工 一八 铆艺 式 中 ， 民 。 一 了 拜。 沁 ， 几 、 、 拼 一 喷 层 的抗 弯强 度 和 泊 松 比 最大 挠 曲亦 发生在 二 ， 二 处 ， 这 与观 测 结果 是 一 致 的 于 ’ 兀‘ ， 菜 ， 左一 人 · 艺艺 月 一艺瓜 兀 偏些里 、 瞥助 刀 王 兀 一 乙 丫 艺 艺 霜 二 叮 口 雄 兀 十 万王厂 户 ， 在 深埋 或 和 软岩地 下 工 程 中 ， 变 形 失稳 已 成 为其 主要 的破 坏 形 式 支 护 的稳定状 况 也成

·408 北京科技大学学报 1994年No.5 为衡量地下工程稳定的标志，假定地下工程表面围岩允许变形为“。，有： Wm=uo-gh (7) 式中，飞一喷层的可缩率， 当围岩应力小于gms时，式(6)和式(7)中的gm由式(S)确定；当围岩应力大于9ax时， 式(6)和式(7)中9等于围岩应力.喷层弹性模量由下式近似确定： E=qmax (8) 由于4b2远小于L,4的影响可以忽略.钢筋网的作用在计算中采用换算截面法处理9， 此时，喷层厚度由h增加到h‘,并有： h'=h+nπR/S (9) 式中，n=EE;E,R一钢筋的弹性模量和半径；S,-钢筋间距. 将式(9)代人式(5)~(8)就可以确定出锚喷网支护参数p1。t,E、t。和专之间的关 系，从而得到合理的支护参数. 3实例分析 在淮南矿区一埋深700m的巷道中，a=1.4m,b=100m,锚杆长度为1.8m,锚杆间排距依 据经验选为t。=t,=600mm,”=400mm,锚杆拉拔力p=60kN;喷层则必须具备足够的抗 压强度、与围岩收敛变形相适应的极限变形量以及与巷道刚度相适应的变形模量，此时，ξ= 3%,t,=18MPa,厚度为100mm;金属网选用①6mm圆钢制成的钢筋网，网孔为150mm×150 mm,E.=20000MPa;围岩允许变形u,=320mm. 将上述参数代人式(5)，可以得到qm=39.56MPa-5h',说明上述参数不是最合理的.由图2可以看出，围岩 (a) 2000 13000 2000日 1000 1000 12 期 孔深/m 1测孔：2波速-孔深曲线；3松动区 图2巷道开挖(a)15d和(b)70d时围岩松动区实测结果 Fig.2 Measured data of broken rock zone in (a)15d and (b)70d after drivage of roadway 松动范围为1.5~2.0m,喷层在90d以后出现开裂和掉渣现象.如果仅调整喷层厚度，当h =149mm时，上述参数才是合理的. (下转413页)

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 望辫 年 为衡量 地 下工 程 稳 定 的标志 假定 地下 工 程 表 面 围岩允许 变形 为 。 ， 有 。 一 亡 式 中 ， 亡一 喷层 的可 缩率 当围岩 应力小 于 时 ， 式 和 式 中的 由式 确 定 当围岩 应力大于 时 ， 式 和 式 中 等 于 围岩 应力 喷层 弹性模量 由下 式 近 似确 定 老 由于 拼 ’ 远 小 于 ， 拜 的影 响 可 以 忽 略 钢 筋 网 的 作 用 在 计 算 中采 用 换 算 截 面 法 处 理 阎 ， 此 时 ， 喷层 厚度 由 增 加 到 ‘ ， 并有 厂 粼 式 中 ， ” 一 ， 一 钢 筋 的 弹性 模量 和半 径 ，一 钢筋 间距 · 将式 代人 式 一 就 可 以 确定 出锚 喷网支护参数 、 、 、 、 。 、 ’ 和 哲之 间 的 关 系 ， 从而 得到 合理 的支 护参数 实例分析 在 淮 南 矿 区 一 埋 深 的巷 道 中 ， ， ， 锚杆 长度 为 ， 锚 杆 间 排 距 依 据 经 验 选 为 ， 卫 ， 粉 二 刀 ， 锚 杆 拉 拔 力 二 喷 层 则 必 须 具 备 足 够 的抗 压 强 度 、 与 围 岩 收敛 变形 相 适 应 的极 限变形 量 以 及 与巷 道 刚 度 相 适 应 的 变 形 模 量 ， 此 时 ， 七 ， 一 ‘” ， 厚 度 为 ， “ ， 金 属 网选用 中 圆钢制 成 的 钢 筋 网 ， 网孔 为 ‘ “ ， 围岩 允许变形 。 将上 述 参数代 人式 ， 可 以 得 到 叼 一 ， 其 中 的 系 数 值 一 是开挖引起的应力集 中系数 ， 取 叮 ， 叮 ， 代人式 得 ， ， 名 ， 由式 得 。 一 七 ’ ， 说 明 上述 参数 不 是最 合理 的 由 图 可 以 看 出 ， 围岩 一。假侧、日 ︶‘，凡，且‘ 孔 深 测 孔 二 波速 一 孔深 曲线 松 动 区 图 巷道开挖 和 时围岩松动区 实测结果 珑 凡】曰 川纽 犯 刀困祀 匆 团 肋 加 血 面 ， 找班 ” 松 动范 围为 一 ， 喷层 在 以后 出现 开裂 和 掉 渣 现 象 如 果 仅 调 整 喷层 厚 度 ， 当 时 ， 上 述 参数才 是 合理 的 下 转 页

Vol.16 No.4 吴成义等：喷射成形高速钢显微结构和性能 413 4 Uock I,et al.Structure and Properties of Spray Formed Stainless Steel.Int J Powder Metall,1991,27(3): 237245 5 Chu M G,et al.Evaluation of Aluminum and Nickel Alloy Materials Produced by Spray Deposition.Mater Sci Eng.1988,98:227~232 6 Bricknel R H.The Structure and Properties of a Nickel-Base Superalloy Produced by Osprey Atomization -Deposition.Metall Trans,1986,17A(4):583~591 7 Baram J.Structure and Properties of a Rapidly Solidified Al-Li-Mn-Zr Alloy for High-Temperature Applications:Part II Spray Atomizatiomed Deposition Processing.Metall Trans,1991,22A (10):2515 -2523 8 Harada T,et al.A Microstructural Study of a Ndl5Fe77B8 Magnetic Alloy Produced by Liquid Dynamic Compaction (LDC).Mater Sci Eng,1991,A133:780~784 9 Lavernia E J.Synthesis of Praticulate Reinforced Metal Matrix Composites Using Spray Atomiztion and Co-Deposition.Sample Quarterly,1981,22 (2):2~12 的的的的的的的的的的的的的物 的 (上接408页) 4结论 整体支护为地下工程的宏观控制提供了依据，在此基础上建立的计算模型反映了锚喷网 支护参数之间的相互关联性，说明了锚喷网支护效果不仅取决于锚杆的长度，还取决于三者 之间的相互作用. 参考文献 1赵国堂.掘进期间深井软岩巷道围岩变形特性及其控制的研究.江苏煤炭，1992(2)：39~42 2赵国堂.软岩基本巷道围岩变形规律及其控制的研究：[博士学位论文】，徐州：中国矿业大学，1992 3康红普，软岩巷道和铜室的底臌机理及御压技术的研究：[博士学位论文]徐州：中国矿业大学，1991 4铁摩辛柯S,沃诺斯基S.板壳理论，北京：科学出版社，1977 5刘小兵，韩玉华.喷锚支护参数的优化确定，岩石力学与工程学报，1994(1)：9~89

吴成义等 喷射成形 高速 钢显微结构和 性 能 ， 〕 既 认 ， 卯 ， 一 ， 研 】 “ 沮 烧 ， ， 一 们 ℃ 加 巴 一 趾 代心 优 血凶 一 ， ， 一 玫皿 ’ 眠 找 岛 玉 一 一 一 托 一 切 〕 扭司 巴粥 ， 卯 ， 巧 一 田旧 ， 】 代心 以划 山 卿 助 《 〔 百 ， 卯 ， 一 加 卵 山 司 血 姚 岛 吨 创才 一 ， ， 一 上 接 页 结论 整 体 支护 为地 下工 程 的宏 观 控 制 提 供 了依 据 ， 在 此基 础上建 立 的 计 算 模 型 反 映 了 锚 喷 网 支 护参数之 间 的相 互 关联 性 ， 说 明 了锚 喷 网支 护 效 果 不 仅 取 决 于 锚 杆 的 长 度 ， 还 取 决 于 三 者 之 间的相 互 作 用 参 考 文 献 赵 国堂 掘进期 间深井 软岩巷道 围 岩 变形 特性及 其控 制 的研究 江 苏煤 炭 ， 卯 一 赵 国堂 软岩基 本巷 道 围岩 变形 规律及 其控 制 的研究 博士 学位论 文 徐 州 中国矿 业大学 ， 卯 康红普 软岩巷道 和 酮 室 的底 朦 机理 及 卸 压 技 术 的研究 【博士学位论文 」徐州 中国矿业大学 ， 铁摩辛柯 ， 沃诺斯基 板壳理论 北 京 科 学 出版社 ， 刘小兵 ， 韩玉 华 喷锚支 护参数 的优化确 定 岩 石 力学 与工 程 学报 ， 一