孫曉明 ，姜銘 ，趙文超 ，繆澄宇 ，張勇 ，郭波

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京，100083)

大量煤礦經(jīng)過數(shù)十年的開采，淺部資源日益短缺，資源開采逐漸轉(zhuǎn)往深部[1-2]。隨著埋深增加，煤巖體所處地質(zhì)條件和應(yīng)力場愈發(fā)復(fù)雜，開挖擾動后煤巖體易進入破碎狀態(tài)，大量的破碎區(qū)嚴(yán)重影響著深部煤巷工作[3-5]。同時，由于地層分布的不均勻性，在巷道的掘進過程中，不可避免地會遇到斜煤層中巷道穿越揭煤段的情況，給現(xiàn)場工程施工帶來困難，維持巷道揭煤段圍巖穩(wěn)定已經(jīng)成為當(dāng)前煤巷工程中的難點之一[6-7]。在揭煤段之中，煤層自身強度低、分布不規(guī)律，導(dǎo)致整個揭煤段之中應(yīng)力分布狀態(tài)復(fù)雜，支護難度大，從而帶來了諸如冒頂、底臌等圍巖劇烈變形，嚴(yán)重危害煤巷工作者的人身安全[8-9]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者大量研究巷道揭煤段，李賀等[10]認(rèn)為隨著石門揭煤段與最大主應(yīng)力夾角增大，應(yīng)力集中系數(shù)及位移變化梯度逐漸增大，突出危險性增強；BEAMISH等[11]認(rèn)為巷道揭煤段附近發(fā)生煤與瓦斯突出的直接原因是工作面前方卸壓長度減小和瓦斯壓力異常升高；高魁等[12]發(fā)現(xiàn)巷道揭煤段開挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中相互疊加，有利于形成自構(gòu)造軟煤向周圍煤層深部擴展的大型突出；劉震等[13]發(fā)現(xiàn)頂板巖巷卸壓可以改變揭煤工作面煤體應(yīng)力分布，減小集中應(yīng)力，有效消除煤層突出危險性；李棟等[14]提出了多孔割縫定向水力壓裂增透方法，使特大斷面瓦斯隧道揭煤工程揭煤時間縮短50%。

前人研究大多聚焦于巷道揭煤段的突出機理和防治[15-18]。相對而言，對揭煤段圍巖穩(wěn)定性控制的研究同樣非常必要。袁光明等[19]準(zhǔn)確定位巷道揭煤段關(guān)鍵部位，通過數(shù)值模擬揭示巷道揭煤段變形破壞機理，提出針對性的支護對策。夏仕方等[20]通過工作面預(yù)注漿加固軟弱煤巖層巷道揭煤段拱部松散破碎圍巖，提高掘進過程中的頂板穩(wěn)定。上述研究對巷道揭煤段圍巖大變形防治工作具有一定的指導(dǎo)意義。然而，針對埋深大、巖層數(shù)量多且分布復(fù)雜的揭煤段圍巖穩(wěn)定性控制的研究較少，沒有形成完備的深埋巷道揭煤段圍巖控制理論體系。

本文以石埡口煤礦深埋軟巖1790 回風(fēng)石門為研究背景，針對回風(fēng)石門巖層構(gòu)造復(fù)雜、揭煤段應(yīng)力分布不均勻、軟巖巷道變形大等復(fù)雜問題，從研究深埋軟巖巷道揭煤段圍巖的大變形破壞特征與破壞原因入手，基于開挖補償力學(xué)效應(yīng)和NPR長、短錨索耦合控制機理，提出了以NPR長、短錨索為核心的高預(yù)應(yīng)力恒阻耦合控制技術(shù)，以解決石埡口煤礦深埋軟巖巷道揭煤段難支護問題。

1 工程概況

1.1 1790回風(fēng)石門概況

1790 回風(fēng)石門位于萬壽山組上段，布置于M4、M7煤層之間的巖層中。巷道頂、底板為薄至中厚狀，鈣、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育，見斜交裂隙，堅硬至半堅硬，間夾34 層深灰色泥巖，泥質(zhì)粉砂巖，含較多炭化植物碎屑。依據(jù)掘進工程中實際揭露情況，巖層產(chǎn)狀為走向為210°、傾向為120°、傾角為14°～20°，平均為15°。石埡口煤礦煤層埋深約為740 m，煤層瓦斯含量超過10 m3/t，按照高瓦斯礦井管理。根據(jù)物探、鉆探及運輸石門掘進過程中實際揭露情況，預(yù)計掘進過程中無大斷層。揭煤段位置如圖1所示。

圖1 揭煤段位置和測站布置Fig.1 Position of uncovering coal section and layout of measuring station

1.2 鉆孔窺視分析

為了明確回風(fēng)石門周邊巖體破碎情況，采用鉆孔窺視的方法對回風(fēng)石門圍巖進行成像。根據(jù)現(xiàn)場窺視結(jié)果，以JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范第一冊土建工程》中巖體完整程度的定性劃分表為依據(jù)，簡要分析圍巖完整性，如圖2 所示。根據(jù)結(jié)果分析可知：

圖2 圍巖完整性分析Fig.2 Analysis of surrounding rock integrity

1) 巷道圍巖整體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，頂板為泥巖；

2) 回風(fēng)石門巷道采用炮掘方式開挖后，對圍巖影響范圍為5.2～6.4 m；

3) 距頂板上方5.2～6.4 m 的圍巖相對破碎，普通錨索設(shè)計長度為6.3 m，在頂板錨固端處于相對破碎區(qū)域，普通錨桿設(shè)計長度為2.4 m，兩幫在2.0～2.4 m范圍內(nèi)為十分破碎和較破碎區(qū)域。

2 石門揭煤段破壞機理

2.1 原支護破壞特征

在回風(fēng)石門掘進期間，頂板采用錨網(wǎng)索配合U形鋼棚噴漿支護，兩幫采用錨網(wǎng)配合U 形鋼棚噴漿支護作為永久支護。在原支護設(shè)計(圖3(a))作用下，巷道出現(xiàn)不同程度的圍巖大變形和支護結(jié)構(gòu)破斷失效，巷道變形破壞嚴(yán)重而無法正常使用。對巷道現(xiàn)場破壞情況(圖3(b))進行調(diào)研，巷道變形破壞特征如下。

圖3 巷道原支護設(shè)計與變形破壞情況Fig.3 Original support design and deformation failure of roadway

1) 圍巖變形嚴(yán)重。煤層位于巷道頂板時，頂板下沉量大，且拱頂局部位置出現(xiàn)變形。部分位置發(fā)生漏頂和網(wǎng)兜，噴漿層出現(xiàn)剝落、脫離；煤層位于巷道底板時，底板發(fā)生底臌且多集中于巷道兩底角位置。底臌量大且變形速度快，局部地段底臌量可在短時間內(nèi)達到600 mm以上；兩幫收縮以接近底板位置尤為明顯，兩幫最大收縮量可達1 300 mm。

2) 支護結(jié)構(gòu)破斷失效。頂板錨桿出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象，同時部分錨桿雖未斷裂，但其端部圍巖松散、破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致錨桿體失效。部分位置出現(xiàn)U 形鋼支架露出和鋼梁臌出，噴漿層出現(xiàn)剝落、脫離。

3) 巷道維護成本高。礦方采用一定技術(shù)手段翻修巷道變形嚴(yán)重的地段，常出現(xiàn)“邊掘邊修”現(xiàn)象，翻修工作工程量大，嚴(yán)重影響施工進度，同時極大地提高了支護成本；且翻修只能維持巷道的使用，并不能解決圍巖大變形問題，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。

2.2 支護數(shù)值模擬

以1790回風(fēng)石門為研究對象，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，計算模型長、寬和高均為60 m(圖4)，巖層沿巷道走向存在15°傾角。該模型共劃分521 600個單元，3 018 276個節(jié)點，模型底部固定，側(cè)面限制水平移動。為模擬上覆巖體的自重應(yīng)力，上表面施加荷載為18.75 MPa。材料破壞符合應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。采用cable單元模擬錨桿和錨索，錨桿/索按原始支護設(shè)計方案布置。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Values of rock physical-mechanical parameters

圖4 數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical simulation model

為研究回風(fēng)石門整體的圍巖變形情況，分析揭煤段煤層位于巷道不同高度時巷道整體的變形情況，共選取4 個監(jiān)測面。根據(jù)采掘步距，4個位置分別為掘進15、30、45 和60 m，監(jiān)測斷面巖層分布圖如圖5所示。

圖6所示為原支護時圍巖的最大主應(yīng)力場分布圖。從圖6可以看出：圍巖的最大主應(yīng)力在軟弱煤層出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，鄰近煤層的薄層狀巖體也是最大主應(yīng)力集中較為明顯的區(qū)域，而在下部的堅硬巖層處，最大主應(yīng)力明顯降低。應(yīng)力集中與降低范圍隨著巖層移動而發(fā)生移動。

圖6 原支護時圍巖最大主應(yīng)力場分布Fig.6 Distributions of the maximum principal stress field of surrounding rock in original supporting

圖7(a)所示為原支護時圍巖的垂直位移分布。從圖7(a)可見：垂直位移主要集中在巷道的頂?shù)装逦恢?，其中頂板下沉量整體大于底臌量。隨著煤層位置不同，頂?shù)装宓淖冃瘟坎町愝^大，頂板下沉量(煤層位于巷道頂板處)最大超過600 mm，最大底臌量(煤層位于巷道底板處)超過500 mm，圍巖變形大。當(dāng)煤層位于巷道中間位置(30 m)時，頂板處于較堅硬的粉砂巖層中，頂板下沉量不大，而底板處于薄層狀巖體中，底臌量雖較小，但仍處于較高水平。沿煤層方向，巷道頂?shù)装宓奈灰谱畲笾党霈F(xiàn)在巷道與煤層交匯的位置，頂?shù)装遄冃巫畲筇幙偽灰平咏? 000 mm。圖7(b)所示為圍巖的水平位移分布。從圖7(b)可見：巷道的水平位移主要集中在巷道的兩幫，且兩幫變形量接近，最大值超過600 mm。巷道水平位移最大值同樣出現(xiàn)在煤層與兩幫相交的位置，且在薄層狀巖層區(qū)域位移量呈現(xiàn)出較高值。整個揭煤段巷道水平位移較大，變形最大處兩幫總縮進超過1 200 mm。

圖7 原支護時圍巖位移分布Fig.7 Displacement distribution of surrounding rock diagram of original support

圖8所示為原支護時圍巖的塑性區(qū)分布。從圖8可以看出，隨著巷道掘進，巷道周圍巖體塑性區(qū)逐漸發(fā)育，圍巖的破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，同時在巷幫和頂?shù)妆砻嫔袭a(chǎn)生一定范圍的拉破壞，塑性區(qū)范圍較大，說明在巷道掘進過程中，淺部圍巖已在很大程度上遭到破壞，進入塑性變形階段，失去巖體本身的強度，導(dǎo)致錨桿的錨固強度低。

圖8 原支護時圍巖塑性區(qū)分布Fig.8 Distribution of plastic zone of surrounding rock in original support

2.3 破壞原因分析

通過上述對回風(fēng)石門揭煤段破壞規(guī)律、應(yīng)力分布的理論分析和數(shù)值模擬，可以得出深埋軟巖回風(fēng)石門揭煤段變形和破壞的原因如下：

1) 埋深大，圍巖長期處于高地應(yīng)力環(huán)境之中。圍巖應(yīng)力受煤層在巷道中位置的變化而改變，尤其在軟弱煤層出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象時，圍巖最大主應(yīng)力明顯增加，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)變得復(fù)雜。除軟弱煤層之外，薄層狀巖體區(qū)域同樣引起地應(yīng)力的不同，加大支護工程的難度。

2) 在高應(yīng)力作用下，圍巖自身的完整度已遭到破壞，巖體中原生裂隙發(fā)育并相互連通，導(dǎo)致圍巖整體處于破碎狀態(tài)，圍巖強度低且變形量大。石門周圍淺部煤巖體已出現(xiàn)大片的破碎區(qū)與塑性區(qū)，錨桿/索難以發(fā)揮有效的錨固力。

3) 傳統(tǒng)支護方式?jīng)]有充分考慮到圍巖與支護體之間以及支護體與支護體之間的耦合作用，使支護結(jié)構(gòu)在尚未完全發(fā)揮作用時就已破壞失效。傳統(tǒng)錨索預(yù)應(yīng)力較低，無法將較多的巖層錨固為一個整體，頂板層狀巖體甚至?xí)霈F(xiàn)相互錯動，層間出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，普通錨桿/索抗剪能力較差，進而導(dǎo)致錨桿/索剪切破壞失效。

3 NPR耦合支護控制對策

3.1 NPR耦合支護控制機理

傳統(tǒng)的支護措施無法有效控制巷道揭煤段圍巖大變形，故提出“NPR長錨索+NPR短錨索”的組合支護形式，如圖9所示。在深埋軟巖中，無論是圓形、拱形還是平頂梯形巷道，錨索支護系統(tǒng)通過組合拱起支護作用[21]。NPR 短錨索利用高水平的預(yù)應(yīng)力，加固頂板的層狀巖層，將相對獨立的“薄板”加固成為“厚板”，形成組合拱結(jié)構(gòu)，從而具有更高的強度與更好的整體性。NPR 長錨索對短錨索加固形成的組合拱起到懸吊作用，從而降低頂板與兩幫相交位置處的應(yīng)力集中，并形成新的較大范圍的組合拱。

圖9 NPR長、短錨索組合拱承載結(jié)構(gòu)和力學(xué)模型[23]Fig.9 Bearing structure and mechanical model of combined arch of NPR long and short anchor cable[23]

在錨索產(chǎn)生的支護阻力作用下，組合拱環(huán)向軸力為

式中：N0為組合拱環(huán)向軸力，kN/m；q為單個組合拱的承載能力，MPa；ds為組合拱外弧微分長度單元；α為錨索對巖體的控制角，一般取45°[22]；R為巷道的半徑，m；d為組合承壓拱的厚度，m。

聯(lián)立式(1)和(2)可得，組合拱環(huán)向軸力N0為

在組合承壓拱中，沿巷道軸向單位長度上壓縮拱承載合力N[23]為

式中：P為錨索產(chǎn)生的支護阻力，kN；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；l為錨索的有效長度，m；e為錨索的間排距，m。

對于壓縮拱承載體，其承載合力N應(yīng)大于環(huán)向軸力N0，即N≥N0，才能保證巖體的穩(wěn)定，即

與傳統(tǒng)的強度錨索不同，NPR 錨索是一個復(fù)合結(jié)構(gòu)，其變形屬于結(jié)構(gòu)變形，NPR 結(jié)構(gòu)由恒阻體-套筒結(jié)構(gòu)組成。恒阻體的大端半徑略大于套筒的內(nèi)徑，兩者相對滑動時，套筒會產(chǎn)生徑向膨脹，稱為“結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比現(xiàn)象”[24-25]。NPR 錨索的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

在靜載條件下，NPR錨索的恒阻力P[26-27]為

式中：f為錐體和套筒之間的靜摩擦因數(shù)；Is為套筒的彈性常數(shù)；Ic為錐體的幾何常數(shù)，m3；E和μ分別為套筒的彈性模量和泊松比；a和b為套筒初始不變形狀態(tài)的內(nèi)徑和外徑，m；β為錐體的錐角，(°)；h為錐體的長度，m。

聯(lián)立式(7)和(8)可得，

NPR長、短錨索組合拱承載能力q'為

式中：Is1和Is2分別為短錨索和長錨索套筒的彈性常數(shù)；Ic1和Ic2分別為短錨索和長錨索錐體的幾何常數(shù)，m3；l1和l2分別為短錨索和長錨索的有效長度，m；α1和α2分別為短錨索和長錨索對巖體的控制角，取45°；e1和e2分別為短錨索和長錨索的間排距，m。

由式(12)可知，在其他參數(shù)不變時，錨索的有效作用長度l越長，組合拱的承載能力也越大。NPR 錨索在產(chǎn)生大變形的同時依然可以提供恒定阻，層狀軟巖頂板出現(xiàn)大變形時，NPR 錨索隨著巖層變形而產(chǎn)生變形，有效地釋放了巖層中積聚的應(yīng)力，可以將各巖層緊密地連接為一個整體，從而減少因?qū)娱g錯動引起的錨索剪切破壞。

根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，巷道未開挖時圍巖處于原始三向應(yīng)力狀態(tài)，包絡(luò)曲線位于摩爾包絡(luò)線之內(nèi)(圖11)，整體穩(wěn)定。巷道開挖后圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致一個方向應(yīng)力σ3卸載為0(圖中箭頭①)，按照靜水壓力下圍巖應(yīng)力分布特點，集中應(yīng)力最大可以達到2σ1。傳統(tǒng)支護不能將已卸載的圍巖應(yīng)力σ3恢復(fù)到較高狀態(tài)，從而會造成圍巖失穩(wěn)。而NPR 支護可以有效地提供盡可能高的預(yù)應(yīng)力，使得已卸載的應(yīng)力σ3得到最大限度恢復(fù)(圖中箭頭②)，從而保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖11 開挖補償力學(xué)效應(yīng)[28-29]Fig.11 Excavation compensation mechanical effect[28-29]

3.2 NPR耦合支護數(shù)值模擬

為驗證回風(fēng)石門高預(yù)應(yīng)力恒阻耦合支護方案的可行性，進行NPR 耦合控制數(shù)值模擬分析。本節(jié)所采用的數(shù)值模擬設(shè)計方案的模型尺寸、單元劃分、節(jié)點布置及模型邊界條件與前文數(shù)值模擬方案相同。

NPR 錨索由cable 單元生成，利用Fish 語言在錨固段端頭設(shè)置抗拉強度較高的錨固劑強度，并設(shè)定其與圍巖剛性接觸。當(dāng)NPR 錨索的軸力達到恒阻后，即刻產(chǎn)生軸向拉伸變形。當(dāng)變形量達到預(yù)定值(錨索長度的30%)時，判定錨固劑失效，釋放錨索單元，使其達到設(shè)定的大變形效果[30]。

巷道采用全斷面“NPR 長、短錨索 + 底角注漿錨桿 + 反底拱”進行支護，其中NPR 錨索恒阻值為350 kN，預(yù)緊力為280 kN。根據(jù)煤層位置和原支護數(shù)值結(jié)果情況，將巷道支護方案分為3 種。NPR長、短錨索耦合支護設(shè)計方案參數(shù)見表2，支護設(shè)計見圖12。

表2 NPR長、短錨索耦合支護設(shè)計方案參數(shù)Table 2 NPR long and short anchor cable coupling support design parameters

圖12 NPR長、短錨索耦合支護設(shè)計Fig.12 Coupling support of NPR long and short anchor cable

圖13 所示為NPR 支護時圍巖的最大主應(yīng)力場分布。從圖13 可以看出，圍巖的最大主應(yīng)力分布較普通支護條件更為均勻，圍巖整體性較好。NPR 支護后，圍巖儲存的能量得到控制性釋放，最大主應(yīng)力減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，巷道圍巖的承載能力和穩(wěn)定性得到提高。

圖13 NPR支護圍巖的最大主應(yīng)力分布Fig.13 Distributions of maximum principal stress of surrounding rock in NPR support

圖14(a)所示為NPR 支護時圍巖的垂直位移場分布圖。從圖14(a)可以看出，巷道的最大垂直位移仍然出現(xiàn)在煤層當(dāng)中，但是位移卻得到了良好的控制，頂板下沉量最大值約為380 mm，底臌最大值約為350 mm。而巷道頂?shù)孜灰瓶偭孔畲蟮臄嗝?煤層位于巷道頂?shù)装逄?位移約為600 mm，其他區(qū)段，變形量都控制在300 mm之內(nèi)。同時，在普通支護中，過煤層后的薄層狀巖體階段也有著較大變形量，但這一部分變形量在NPR 支護下得到很好的控制，圍巖變形量小且均勻。

圖14 NPR支護時圍巖位移場分布Fig.14 Displacement field distribution of surrounding rock diagram of the NPR support

圖14(b)所示為NPR 支護時圍巖的水平位移分布。從圖14(b)中可以看出：相比普通支護，巷道圍巖的水平位移有明顯的降低，幫部變形得到了良好控制。其中，幫部最大總變形量為336 mm，圍巖相對穩(wěn)定，且大多區(qū)段巷道圍巖變形量在200 mm左右。

圖15 所示為NPR 支護時圍巖的塑性區(qū)分布。從圖15 可以看出，巷道圍巖的塑性區(qū)形式與普通錨桿索支護形式下并無明顯差異，但圍巖的塑性區(qū)范圍明顯減小。圍巖整體仍以剪切破壞為主，在巷道表面圍巖局部位置出現(xiàn)拉破壞，圍巖破碎程度較普通支護情況下的更小，圍巖強度更高。

圖15 NPR支護時圍巖塑性區(qū)分布Fig.15 Distribution of plastic zone of surrounding rock in NPR support

4 工程應(yīng)用

4.1 測站布置

為了全面分析高預(yù)應(yīng)力恒阻耦合支護對揭煤段的控制效果，在回風(fēng)石門前17 m采用普通支護，后60 m采用NPR耦合支護。設(shè)置1號測站、2號測站和3 號測站，進行為期110 d 的監(jiān)測，包括巷道圍巖變形量、NPR 錨索受力和NPR 錨索變形量，具體的測站布置如圖1。

4.2 監(jiān)測結(jié)果

4.2.1 圍巖變形

圖16所示為巷道圍巖變形量隨時間變化曲線。從圖16 可見，不同支護段內(nèi)圍巖變形均經(jīng)歷了快速變形、緩慢變形和變形穩(wěn)定3個階段。

圖16 巷道圍巖變形量隨時間變化曲線Fig.16 Deformation curve of roadway surrounding rock with time

普通支護段內(nèi)巷道圍巖變形速度快且持續(xù)時間長，總變形量較大，頂板下沉量達750 mm，底臌量接近500 mm，兩幫縮進量為850 mm。NPR支護段內(nèi)巷道圍巖變形速度慢且變形持續(xù)時間短，累積變形量較小，較普通支護形式圍巖變形減小300～500 mm，支護效果明顯。與2號測站相比，3號測站變形量有所減小，這是由于3號測站附近都為NPR 耦合支護段，高強度支護保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

4.2.2 NPR錨索受力監(jiān)測

圖17 所示為NPR 錨索受力曲線。由圖17 可知：NPR 長短錨索在受力方面無明顯差別，均經(jīng)歷了緩慢增壓、顯著增壓和壓力穩(wěn)定3個階段。錨索初始階段壓力增長較慢，處于緩慢增壓階段。隨著圍巖變形，錨索受力開始出現(xiàn)快速增長，錨索壓力快速增長至350 kN，并在達到峰值之后出現(xiàn)回落，之后在340 kN 附近波動，錨索表現(xiàn)出高恒阻的特點。NPR 錨索受力水平高且穩(wěn)定，保證了對圍巖的加強作用，使圍巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖17 NPR錨索受力曲線Fig.17 NPR anchor cable stress curve

4.2.3 NPR錨索變形量監(jiān)測

圖18 所示為NPR 錨索鎖具變形量曲線。從圖18 可知：NPR 錨索的變形也經(jīng)歷了3 個階段，分別是彈性變形、塑性變形和極限變形階段。橫向?qū)Ρ雀鱾€階段時不同錨索之間的鎖具變形量可以發(fā)現(xiàn)：長錨索比短錨索的變形量大150 mm 左右，而同種錨索之間又表現(xiàn)為頂板錨索變形量大于兩幫錨索變形量，兩幫錨索內(nèi)縮量相差不大。錨索整體變形量與圍巖變形量相差在100 mm之內(nèi)，變形量相差不大，說明錨索與圍巖之間耦合作用較好，錨索的大變形性能得到了充分的發(fā)揮。

圖18 NPR錨索鎖具變形量曲線Fig.18 Deformation curve of NPR anchor cable lock

采用NPR 長短錨索恒阻耦合補強支護措施之后，支護段內(nèi)回風(fēng)石門圍巖變形得到有效控制，圍巖整體性及穩(wěn)定性較好，全支護段內(nèi)未出現(xiàn)錨桿索被剪斷、拔出的現(xiàn)象，支護效果明顯。

5 結(jié)論

1) 圍巖破壞呈現(xiàn)出頂板冒落、底板臌起、兩幫大幅收縮、肩窩處易出現(xiàn)網(wǎng)兜及錨桿被層間應(yīng)力剪斷等主要特征，再現(xiàn)了深埋軟巖巷道揭煤段圍巖破壞過程。

2) 揭示了巷道揭煤段圍巖變形破壞機理，主要是圍巖強度低且變形量大，圍巖在高應(yīng)力作用下破碎嚴(yán)重?，F(xiàn)有錨桿/索在超出其屈服極限后，強度急劇降低并破斷、失效，難以滿足巷道的控制要求。

3) 提出了以NPR 長、短錨索為核心的高預(yù)應(yīng)力恒阻耦合控制對策。高預(yù)應(yīng)力恒阻耦合支護可以有效地控制巷道揭煤段圍巖的大變形，顯著減小圍巖應(yīng)力集中范圍和應(yīng)力峰值。

4) 現(xiàn)場工程應(yīng)用中，在高預(yù)應(yīng)力恒阻耦合支護作用下，巷道圍巖變形量減小300～500 mm，NPR 錨索受力最終穩(wěn)定為340 kN 左右，NPR 錨索與圍巖耦合充分，控制效果明顯。