面對深部工程支護中存在的問題，我們與中國礦業大學（北京）合作，對不同型別的巷道建立支護試驗示範工程，在試驗的基礎上進行研究、總結、推廣和應用。通過近兩年的工作，在煤巷、巖巷以及大斷面交岔點的錨桿支護技術難點攻關方面開展了卓有成效的工作，有了突破性的進展，取得了複雜地質條件煤巷、巖巷以及大斷面交岔點等錨桿支護技術10多項創新成果，對深部巷道支護的規律性有了初步的認識。
2 深部開採的地質特徵分析
2.1 區域構造
大屯礦區位於秦嶺構造帶東延部分的北支，新華夏系第二隆起帶的西側，第二沉降帶的東側，東鄰郯廬大斷裂，受東西向構造和新華夏兩種構造的作用，處於兩個構造體系的復合部位，為地應力較為活躍的區域之一。
大屯礦區主體位於豐沛復向斜內，由於受新華夏系強烈改造的影響，區域地殼經過多次反覆運動，使各種構造行跡互相遷就，時而北東東向，時而東西向，時而北西向，形成了東西向成帶，近南北向切割的菱形斷塊式煤田，大屯礦區區域構造體系見圖1。礦區地質條件較為複雜。據初步測算，所在的幾個生產礦井中，落差大於20m的斷層密度達到1條/km2以上，小型斷層密度更大，達到2～3條/ km2，中、小斷層互相交叉切割，給採掘生產帶來很大的難度。
圖1 大屯礦區區域構造體系圖
2.2 地層岩性
大屯礦區煤系地層為石炭二疊系，主採7＃、8＃煤層，屬華北近海性煤系地層，為海陸交互相沉積。全區呈n45°～70°e走向，傾向北西的單斜構造，煤岩層傾角10°～27°。典型煤系地層可以劃分為泥岩組、砂岩組、煤體組和灰岩組。
各巖組的主要力學引數見表1。
表1 大屯礦區主要巖組力學引數
表2 大屯礦區深部典型岩體三維rqd指標質量統計
在深部開採的岩性評估過程中，由於在試驗室測定的引數主要代表單個岩石試件，並非反映岩體具有多裂隙、非均質和各向異性的特點。這裡引入三維rqd指標，通過在現場測定岩體不同方向的rqd指標，來評價岩體整體裂隙的發育狀況。現場測定的反應岩石質量指標的典型3d－rqd指標見表2。
從兩個表中可以看出，大屯礦區從砂岩到泥岩，岩石試件單軸抗壓強度逐步降低，岩體裂隙率逐漸增加。泥岩的岩體強度較低，海相泥岩在自然狀態下的單軸強度為43.27mpa,而在飽水情況下，單軸抗壓強度降為11.
48mpa，較自然狀態強度降低了73％，在巷道開掘後，如不及時封閉圍岩，由於自然風化潮解，岩體強度會急劇降低，給巷道支護帶來難度。
3.錨網索支護在深部煤巷工程支護中的適應性研究
3.1 深部圍岩的受力特點
巷道開挖後，壁面圍岩由三維應力狀態變為二維應力狀態，最大主應力是沿巷道壁面的切線方向，巷道壁面切向應力達到最大值。最小主應力是沿巷道的徑向應力，徑向應力在巷道周邊為零，向圍岩內部逐漸增大，這個應力調整過程是瞬間完成的。如果巷道埋深超過軟化臨界深度，調整後的應力高於岩體強度的部分岩體就發生破壞，靠近壁面的岩體最先破壞，最大主應力集中區向圍岩內部移動。
調整的結果，圍岩出現了四個區即塑性流動區、塑性軟化區、塑性硬化區、彈性區（見圖2）。
圖2 深部煤巷支護體圍岩結構分割槽
研究表明，塑性硬化區是圍岩承載的主體，塑性軟化區和塑性流動區是實施支護的主要物件，因此，研究巷道在各種支護載荷作用下的塑性軟化區和塑性流動區的變化範圍是確定支護引數和支護強度的關鍵。
圖3 巷道圍岩不同受力特點
圖4 巷道圍岩應力圖
如圖3和圖4所示，深埋巷道開掘後，周邊的切向應力用彈性理論可以較好地解釋巷道周邊的應力，切向應力可以用以下公式表示：
（1）式中： p0—垂向應力，mpa
—側向應力集中係數；
m—巷道軸比，；
對於頂點a：
，代入公式得：
在深部條件下，如果，巷道只有滿足一定的軸比，才不會出現拉應力。一般情況下，由於巷道設計的需要，軸比難以滿足需要，巷道會出現拉應力集中。
對於兩幫中點b：
，代入公式得：
如果，巷道以壓應力為主。所以在深部高自重應力場中，應通過合理的巷道支護，減小頂板中部的拉應力集中。如果兩幫岩體較為軟弱，應防止幫部的壓裂破壞和片幫。
通過加強支護，改善周圍岩體的應力狀況，可以保持巷道穩定。
3.2 錨網與圍岩耦合作用機理分析
通過錨網索支護系統與巷道圍岩的相互作用，可最大限度地減少周邊應力集中，達到成功支護的目的。其中，錨網和圍岩的耦合作用十分重要，過強或過弱的錨網支護，都會引起區域性應力集中而造成巷道破壞。只有當錨網和圍岩強度、剛度達到耦合時，變形才能相互協調。
達到耦合的標誌是圍岩應力集中區在協調制形過程中，向低應力區轉移和擴散，從而達到最佳支護效果。
3.2.1 圍岩集中應力區向低應力區的轉移現象
數值模擬研究結果表明（圖5），在巷道掘進初期，巷道圍岩頂部應力迅速集中，是巷道垮落危險區域；在實施錨網耦合支護後，頂部應力集中區迅速下降，而幫部低應力區應力狀態迅速提高，整個圍岩不同部位應力狀態趨於均勻化。由此可見，實施錨網耦合支護技術以後，圍岩支護狀態從開放環境到封閉力學環境，圍岩集中應力區向低應力區發生了轉移和擴散，整個應力擴散均勻化過程是通過錨網耦合設計自動實現。
1－掘進錨噴後圍岩應力狀態；2－錨網耦合設計作用後應力狀態；3－應力轉化中性點；4－應力變化趨勢
圖5 圍岩頂部集中應力區向幫部低應力區轉化過程
3.2.2 圍岩應力場和位移場的變化
隨著圍岩受力由集中應力區向低應力區轉化，錨桿受力趨於均勻化，圍岩的應力場和應變場趨於均勻化。
3.3 錨索的關鍵部位耦合機理分析
錨索除具有普通錨桿的的懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用、楔固作用外，與普通錨桿不同的是對頂板進行深部錨固而產生強力懸吊作用。通過錨索支護，改善了巷道的受力條件，使相鄰的錨桿、錨索的作用力相互疊加，組合形成新的、厚度和剛度增大的巖梁，頂板壓力通過巷道煤幫向煤體深部轉移，頂板得到有效控制，有效抑制幫臌。
圖6 拱形巷道錨索關鍵部位耦合
圖7 矩形巷道錨索關鍵部位耦合
如圖6和圖7所示，沒有錨索支護時，直牆半圓拱巷道周圍形成「雙耳」應力集中關鍵部位，常常造成巷道兩邊剪壞；在應力集中關鍵點上施工錨索後，淺部圍岩剪應力集中程度明顯減小，深部岩體的剪應力水平顯著增加，表明調動了深部岩體強度，控制了淺部岩體的穩定性。
4 錨網索支護在深部煤層巷道支護的應用實踐
大屯煤電集團公司姚橋礦從上世紀90年代後期，率先在綜放工作面7516、7507等順槽、開切眼成功地應用煤巷金屬樹脂錨桿（索）進行支護。隨後，煤巷錨桿（索）支護技術在全域性範圍內普遍推廣。近年來，隨著開採深度逐年增大，我們積極探索適應深部地質條件的支護設計思想及巷道控制手段，對煤巷錨桿支護進行試驗、理論研究後加以推廣，在深井煤巷錨桿支護理論中積累了一定的經驗。
4.1 高強錨桿（索）的合理選擇
大屯礦區使用的錨桿主要有直徑14mm、16mm、18mm、20mm和22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨索主要採用直徑15.24mm、17.
8mm和18.9mm的鋼絞線。在深部地壓大、斷面大、受採動影響強烈的巷道支護中，我們要求使用直徑22mm和18.
9mm的高強錨桿和錨索。從技術角度考慮，錨桿和錨索的直徑越大，提供的錨固力越大，支護效果越好。但錨桿直徑增大將使錨桿支護成本增加。
資料表明，當鑽孔直徑為29mm、錨固長度相同的情況時，如果以直徑14mm帶縱筋建築螺紋鋼錨桿支護成本為基準，錨桿直徑增大，錨固成本增加3～13%。錨桿直徑增大錨固力也增大，其增加幅度為31～147%。兩個增加幅度相差懸殊，後者增加幅度是前者的10～11倍。
所以適當加大錨桿杆體直徑在技術和經濟上是較為有利的。
4.2 適度讓壓原則
深部巷道開挖以後，原來儲存在岩體內的應力和能量會發生釋放和轉移。通過預留變形空間，在原來的金屬托盤上加設具有一定厚度的木托盤，針對鋼絞線錨索延伸率低（15.24mm的鋼絞線,延伸率為3.
5％）的弊端，對錨索設計了專門的讓壓托盤，可以充分釋放巷道變形能，又保護了托盤受力狀況，避免初始開挖後能量的過渡集中而對托盤的破壞。
通過現場監測（見圖8、圖9）發現，不論應用錨桿鑽機或氣扳機對錨桿螺母實施的扭矩多大，不論錨索張拉力多大，經過一段時間後，錨桿螺母扭矩和錨索托板的託錨力都經過乙個急速下降期、快速承載期和緩慢承載期的過程，甚至有的錨桿的託錨力、螺母扭矩會下降到零。
圖8 姚橋礦7009溜子道錨桿託錨力監測曲線
圖9 姚橋礦7009溜子道錨索託錨力監測曲線
為了防止錨桿、錨索的託錨力在急速下降期帶來的被動承載，我們在煤巷錨桿支護設計時，要求對錨桿和錨索進行有效的二次緊固。通過採用二次緊固，改善了巷道的維護狀況，增強錨桿系統的支護能力。
4.3 錨桿、錨索的三徑合理匹配
樹脂錨桿支護三徑匹配是指鑽孔直徑、錨桿直徑、樹脂藥捲直徑「三徑」之間的最佳配合，從而使樹脂錨桿支護結構整體達到最佳的支護狀態。錨桿（索）的三徑合理匹配問題，影響錨桿支護的質量和效果。
大屯礦區施工的錨桿和錨索鑽孔直徑為29mm、33mm、43mm等幾種。通過在300號混凝土中所作的錨桿錨固力與孔徑關係試驗，直徑為20mm、22mm左旋無縱筋錨桿，錨固長度為100mm，錨固力隨著鑽孔直徑（孔經為26～29mm區間）的增加而增大，到29mm時達到最大，此時錨桿的錨固力為55kn。超過29mm後則迅速降低；直徑為18mm帶縱筋建築螺紋鋼錨桿錨固力隨著鑽孔直徑增大（孔徑為26～43）而減小，孔徑為26mm時，錨固力最大，為43kn，孔徑為28mm時錨固力次之，為35kn，孔徑為33mm時，錨固力迅速下降，為5kn，孔徑為43mm時，錨固力降低為零。
從試驗結果分析可知：直徑20mm的錨桿，鑽孔直徑為29mm時錨固力最大，宜採用直徑為29mm的鑽孔。直徑為18mm的錨桿，鑽孔直徑為26mm時錨固力最大，宜採用直徑為26mm的鑽孔。
鑽孔直徑選的選取主要考慮錨固力最大、錨固成本降低、鑽孔效率高、施工和組織管理方便性等因素。鑽孔直徑越大，錨固成本越高，鑽孔時間越長。綜合考慮多種因素，對於直徑20mm、22mm的錨桿，選取的鑽孔直徑為29mm（見圖10）。
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