随着浅部资源的日益减少，国内外不少矿山已转向深部开采，而深部开采面临着一系列工程技术难题，如高地应力引起的硬岩片帮、岩爆^[1-6]，以及软岩流变大变形等工程地质灾害^[7-11]. 针对深部软岩巷道的变形特点，结合工程实际情况，一些学者相继提出针对软岩巷道的新的支护方法：如外锚内注式支护 ^[12]、钢纤维混凝土支护^[13-15]等. 基于前期研究基础^[16-19]，根据贵州开磷集团下属主体矿山深部软岩巷道的破坏原因、矿压显现规律等进行分析，结合工程施工所要求的技术指标，提出“先刚后柔再刚，先抗后让再抗”的支护理念，设计长锚索喷锚网刚柔相济的新型联合支护方式，提高了巷道支护的强度、刚度和完整性，降低了巷道的返修费用，节约了工程成本，具有重要的工程实践意义.

1 工程概况

贵州开磷（集团）矿业总公司的主体矿山主要包含：马路坪矿、用沙坝矿和青菜冲矿.矿体缓倾斜，上盘为白云岩，下盘为红页岩.其中，马路坪矿矿山地表标高+1 100 m左右，目前深部已经开拓至540 m水平，相对开采深度接近600 m.通过对矿区地应力进行测量发现，矿区内马路坪矿段700 m中段附近的最大主应力已经达到35 MPa，这一结果与现场地质调查结果基本一致，该中段的一些巷道在生产过程中的变形较大.图 1、图 2分别为马路坪矿深部红页岩巷道现场的顶板冒落、衬砌破坏及围岩大变形情况.目前在700 m中段以下，矿床原岩应力逐渐增大，深部巷道地压显现严重，因而带来的巷道破坏问题主要体现在：巷道破坏速度快、破坏程度严重、破坏区域大、巷道埋深越大，所受地压越大，巷道破坏的情况就越大、地下水和断层也对巷道的稳定产生较大影响.

随着矿山开采深度、广度及强度的增加，地压作用显著增强，大部分红页岩巷道围岩变形强烈，破坏范围大，出现大量开裂、蹦壳和巷道挤压大变形现象，往往需要二次或多次整改，给巷道安全使用带来很大的隐患，整改难度大，维护成本费用高，经济上不合理，为确保巷道使用及施工安全，必须加强原有巷道支护强度及广度. 为此，对开阳磷矿深部软岩红页岩力学特性进行研究，并结合现代支护理论，提出一套经现场验证比较有效的联合支护方案.

2 深部软岩红页岩力学特性 2.1 红页岩的物理性质

开阳磷矿的红页岩的宏观层理构造明显，在高应力状态下表现出典型的软岩特性，并在地下水的作用下极易发生风化、崩解. 图 3是具有代表性的马路坪矿640 m中段运输大巷独头掘进的掌子面，红页岩呈明显的倾斜层状分布，下部为在潮湿空气中风化崩解脱落的红页岩碎块，从该处取回岩样标本，在地质显微镜下进行切片分析.

样本的外观特征为：紫红色，泥质结构，矿物颗粒细小，层理构造，块状构造.经检验，其主要矿物成分列于表 1中.

显微镜下，该岩石样本的结构组成如下：样品具泥质结构，粉砂结构，层理构造. 碎屑含量约45 %，填隙物含量约55 %. 碎屑成分主要为石英，钾长石，白云母，绢云母以及微量锆石； 填隙物主要为方解石，石英，绢云母，泥质物和铁质物；胶结类型为孔隙胶结.

2.2 红页岩各向异性力学特性测试

通过微观结构分析和表面形貌观察可以发现红页岩表现为明显的薄层状层理构造，层理间距从几毫米到十几厘米不等，层理会对岩石的强度和变形产生较大的影响，岩体具有明显的各向异性，因此对红页岩的不同层理方向的抗压、抗拉和抗剪强度进行测试，分为平行层理、垂直层理和斜交层理（又分为30°、45°和60°倾角3种情况）3类情况来研究.

表 2给出红页岩试样沿不同层理方向的抗压、抗拉和抗剪强度试验结果，可见节理面倾角对红页岩的力学特性有显著影响,表现出明显的各向异性.

由表 2可以看出，当加载方向与层理方向角度不同时，红页岩的单轴抗压强度不同. 当层理方向与加载方向夹角为90 °时（垂直层理方向）强度最大，0 °时（平行层理方向）强度次之，而当夹角为30 °左右时强度最低，而开阳磷矿下属矿山红页岩岩层的倾角大致为30 °左右，按上述结论，红页岩巷道的稳定性问题更加突出，因此进行巷道开挖设计和施工时不能忽视层理构造的影响. 此外，在弹性模量方面，红页岩平行层理方向的弹性模量高于垂直层理和其它方向的弹模. 对垂直和平行层理的红页岩抗剪性能比较发现，平行层理的岩石抗剪强度明显弱于垂直层理方向.

可见，对于节理裂隙发育的红页岩，在深部高地应力的作用下，可能会加剧红页岩巷道的大变形和破坏，形成平行于层理面的滑移张开型破坏.因此，对红页岩巷道进行支护时，保证红页岩的整体稳定性十分有必要.

3 联合支护方案设计 3.1 软岩支护基本原理

随着岩石力学的发展和锚喷支护技术的应用，逐渐形成以岩石力学理论为基础的支护与围岩共同作用的现代支护原理.该原理要求充分发挥围岩的自承力，从而获得较好的支护效果.现代支护原理主要包括以下几个方面^[20-21]：

1）围岩与支护共同作用原理. 把围岩与支护看成是由2种材料组成的复合体，按照一般结构观点，亦即把围岩通过岩石支承环作用使之成为结构的一部分.

2）充分发挥围岩自承能力原理. 现代支护原理的另一个基本观点是发挥围岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力；另一方面允许围岩有一定程度的塑性，使围岩自承力得以最大程度地发挥.当围岩洞壁位移接近允许变形值U_r0max时，围岩压力达到最小值，围岩刚进入塑性时能发挥最大自承力.

3）尽量发挥支护材料本身的承载力.采用柔性薄型支护、分次支护、封闭支护以及深入到围岩内部加固的锚杆支护，均具有充分发挥材料承载力的作用.

现代巷道支护结构主要采用能与围岩密贴、给围岩提供足够支护阻力并且能随同围岩一起发生有限制变形的柔性支护结构.然而除稳定性很好的围岩外，大多数围岩的变形在相当长时间内不能稳定.所以，在设置柔性支护控制围岩变形基本收敛后，还设置刚性支护（称为二次支护或二次衬砌）来控制围岩的残留变形，防止围岩松动而降低承载能力，确保隧道结构长期稳定安全.

岩石力学理论和工程实践表明，巷道开挖以后，巷道围岩的变形会逐渐加大.以变形速率区分，可划分为3个阶段，即减速变形阶段、近似线性的恒变阶段和加速变形阶段.当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度大大降低.解决这个问题的关键是确定最佳支护时间和最佳支护时段.

3.2 联合支护技术理论和方法

联合支护理论^[22]是由冯豫、陆家梁等在新奥法的基础上提出来的支护理论，其观点可以概括为：对于巷道支护，特别是对于松软岩土围岩，应该要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护.由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术等联合支护技术. 但随着开采深度的增加，巷道支护的难度越来越大，根据上述支护理论和开阳磷矿矿山实际情况，提出“先刚后柔再刚，先抗后让再抗”的支护方式.

该支护方式的基本流程和理论基础是，先进行预应力锚索支护，通过主动建立的后张预应力场，来抑制减低、消除天然力场对矿山地质体所造成的危害.该方式能充分调用工程地质体自身潜在的稳定性并改善围岩内部应力状态，并通过围岩变形让预应力锚索发挥支撑作用，从而达到增大巷道围岩整体强度的目的——“先抗”. 随着开挖的进行，为充分发挥围岩的自支承作用，根据围岩的变形特性，在不使围岩发生松脱、垮塌的前提下，可以在施加预应力锚索后需要选择合适的时间进行二次支护，而在这段时间内，是允许围岩有一定变形的产生——“后让”. 但由于围岩的变形程度受到限制，为了避免巷道发生大变形失稳，在该段时间后需要采用喷锚网二次支护.喷锚网支护是喷射混凝土、各类锚杆（管、索、栓）和钢筋网联合支护的简称. 由于网筋的作用，使锚杆与锚杆、喷层与锚杆形成相互制约的整体，使支护层的抗拉、抗剪和抗变形能力大大增加，提高支护的整体强度和刚度，更加适应软岩巷道的围岩力学环境.二次支护的作用达到最大限度保持围岩的完整性，尽量减少围岩强度的降低——“再抗”.

3.3 支护方案优选

根据近年来开磷集团下属矿山施工的几条红页岩巷道来看，可分为3个支护施工阶段来进行支护方案的比较：

1）支护设计施工阶段1． 设计采用拱网喷浆支护，没有采取有效的临时支护，原设计的用沙坝矿1 070 m中段、1 050~920 m斜坡道及马路坪矿700 m中段以上工程. 开挖支护一段时间后，巷道出现大面积的冒顶、片帮，巷道虽经多次整改，效果不是很明显，这与巷道支护不及时有关. 巷道开挖后不能及时遏制巷道岩层的移动，扩大了松动圈的范围，增加了巷道的不连续变形，因支护系统的刚度、强度小于临界支护刚度及强度，导致支护系统失效.该方案主要考虑对围岩变形进行“抗”，而没有考虑“让”.

2）支护设计施工阶段2． 设计采用全断面锚网支护，增加临时管缝锚网，局部破碎地段或交岔点采长锚索加固.其中管缝锚杆L=1.8 m，Φ42 mm，壁厚为3~ 4 mm，托板规格为150 mm×150 mm，壁厚为5 mm，每根管缝锚杆可承载3~5 kN. 尾沙坝920 m中段运输大巷、990 m运输大巷红页岩段、马路坪矿700 m以下斜坡段、640 m运输大巷等巷道都是采用这种支护方案. 施工时临时管缝锚网可保证作业安全，在一定程度上减缓岩石的移动，局部地段长锚索保证特殊地段施工安全，全断面锚网喷也在一定程度上提升了围岩整体承载能力，但对于连续变形控制作用不明显. 支护系统还只是在爆破松动圈以内，没有足够的延伸率，积累的应力得不到有效的释放，达到一定时间超过其极限承载压力后，巷道还是出现开裂、蹦壳.该方案对围岩有“先让后抗”的作用，具有一定的效果，但整体刚度仍不够支撑软岩巷道的大变形.

3）支护设计施工阶段3． 根据近几年来红页岩巷道施工的现场经验，分析已施工巷道开裂部位（一般先是三心拱小拱开裂）、开裂时间的先后顺序（2~3个月开始片帮）及其破坏程度（最先巷道底板底鼓开裂），提出长锚索加喷锚网联合支护技术，对深部软岩巷道进行支护设计和施工.其中锚索为直径Φ15.5 mm的钢绞线，锚索长度一般选择为5~ 8 m，间排距为2 ~ 2.3 m.托板为300 mm×300 mm的16 ~ 20 mm厚的钢板，锁头一套，树脂锚杆锚固剂Φ23 mm×500 mm，每孔药卷3~4卷，锚索钻头为Φ25 mm，设计锚固力大于100 kN.锚索和锚杆打入岩层的角度要注意尽量和红页岩层理面形成较大的交角，不能平行或与层理面小角度相交.

采用该支护方案后，已支护好的巷道没有再出现开裂的现象，如用沙坝920 m中段南主巷、920 m下延斜坡道、已施工完的专用进风井等.根据现场支护情况来看，该支护方案效果明显，将锚杆支护形成的预应力承载结构与松动圈以外深部围岩相连，提高预应力承载结构的稳定性，充分调动深部围岩承载能力，使更大范围内围岩共同承载. 同时锚索有较大预应力，给围岩提供压应力，与锚杆的压应力区形成骨架网状结构，主动支护围岩，有效控制巷道变形. 图 4为未采用锚索支护的开拓巷道，图 5为采用锚索支护的开拓巷道.

值得注意的是，锚索与锚杆支护不一样，为端头锚杆，在支护密度较小时，主要起悬吊作用，只有达到一定的密度及网度以后，才能起到和锚杆一样支护作用.

从整体考虑，以上3种支护施工阶段，第3阶段的支护方案是最可行的.并且从安全程度上比较，第1阶段实施期间，经常出现空顶现象，大小安全事故不断；第2阶段虽避免了空顶现象，但破碎地段长锚索支护凭经验设计，得不到根本的控制，偶尔会出现一些安全事故，甚至出现大面积的冒顶及塌方现象；第3阶段从工艺上进行管控，从本质上杜绝安全事故，该方案实施以来，基本上没有出现过因顶板支护失效诱发的安全事故.

4 结 论

对深部软岩巷道施工过程中所产生的问题进行研究，根据开阳磷矿深部红页岩的力学特性，结合“先刚后柔再刚，先抗后让再抗”的支护理念，提出并实施长锚索加喷锚网的新型联合支护方式.对比3种不同支护施工方案的支护效果，发现长锚索+锚喷网支护方式最有利于保证软岩巷道的稳定性与可靠性.虽然其初期施工成本增加，但可以显著减少巷道返修工程量及巷道失稳破坏等意外事故引发的工程损失.长锚索+锚喷网联合支护方式对改善深部软岩巷道的支护、减少巷道返修具有重要意义.