一、引言

巷道开挖作业常常引发围岩失稳，导致坍塌、冒顶等安全事故，严重威胁矿井作业人员的生命安全及生产效率。因此，深入研究巷道锚网喷支护参数对围岩稳定性的影响，不仅对于提升巷道施工的安全性至关重要，还能有效降低后期维护成本，延长巷道使用寿命。本文旨在通过科学分析，为巷道支护设计提供更为精准的参数指导。

二、锚网喷支护参数详解

2.1 锚杆参数

锚杆作为巷道支护中的重要组成部分，其参数的选择直接影响着支护效果与围岩稳定性（见图1）。首先，类型的选择尤为关键，应根据巷道所处的地质条件来确定，如在松软破碎的岩层中，可选用全长黏结型锚杆，而在硬岩中，则可能更适合端头锚固型。直径与长度的设定需精确匹配围岩的力学特性，直径较大的锚杆能提供更大的锚固力，但同时也增加材料成本，因此需通过岩石抗拉强度、剪切应力等参数综合评估确定。间距与布置方式的设计需细致考虑，合理的间距能够有效分散围岩中的应力，避免局部应力集中导致的破坏，而布置方式（如梅花形、正方形排列）则应根据围岩应力分布特征灵活选择。此外，施加预应力是提升锚杆支护效能的重要手段，它能够使锚杆在围岩发生位移前即开始发挥作用，增强其主动支撑性能，对维持围岩稳定具有重要意义。

图1 井巷锚杆支护

    2.2 钢筋网参数

钢筋网的配置对增强围岩的整体性和控制裂隙扩展起着关键作用。网格尺寸的设定需平衡承载能力和裂隙控制的需求，过大则减弱了对裂隙的约束力，过小则可能导致成本增加。一般而言，网格尺寸需根据围岩的具体情况和预期的荷载类型来确定。在材料与铺设方式的选择上，高强钢材是首选，既能保证足够的承载力，又能确保网体的耐久性。铺设方式上，应确保钢筋网与围岩表面紧密接触，形成连续的支撑结构，必要时可通过喷射混凝土将其固定，以增强围岩的整体性。

2.3 喷射混凝土参数

喷射混凝土（Shotcrete）作为巷道支护结构的关键组成部分，扮演着确保整体稳定性和长期耐久性的决定性角色。具体到其参数设计，强度等级、厚度、配合比以及喷射工艺是四大核心要素。强度等级通常选定为C25，以此满足巷道长期服役的需求，确保喷射混凝土能有效承载围岩压力。在厚度设计上，经过周密计算与现场试验，150mm被确认为理想值，它在保证承载力充足的同时，避免了不必要的材料浪费。

配合比的优化同样不可忽视，采用水泥：砂：石子=1:2:2的体积比，此配比在保证材料经济性的基础上，实现了力学性能的最优化。此外，通过添加适量的速凝剂和减水剂，既加速了混凝土的凝固过程，又保持了良好的流动性和可喷性，这对于施工效率和质量都是极大的提升。

喷射工艺方面，湿喷法因其能显著提升喷层的均匀性和密实度而被广泛应用。在实际操作中，喷射距离被严格控制在1.0m至1.5m范围内，喷射角度保持在大约45°，这样的工艺参数设置有助于减少材料飞溅，提高施工效率。实验数据显示，采用上述喷射工艺，喷层的均匀性提升了约25%，密实度更是达到了95%以上，这不仅直接增强了支护结构的刚性，还显著提升了耐久性，从而减少了未来维护的频次和成本。通过这些具体参数的精细调整与执行，喷射混凝土的有效应用为巷道支护提供了坚实的最后一道防线。

三、围岩稳定性评价方法

3.1 围岩位移监测技术

围岩位移监测是评价支护效果的重要手段之一。采用自动化监测系统，如基于GPS或光纤传感技术的监测设备，可以实现对围岩位移的实时、连续记录。例如，某矿山采用分布式光纤传感技术(Distributed Fiber Optic Sensing, DFOS)，利用光时域反射原理(OTDR)，实现了对长达数千米巷道围岩位移的高精度监测，精度可达±0.1mm。监测数据通过无线传输至地面控制中心，利用差分分析法计算位移速率和累计位移量，及时发现异常位移趋势，为调整支护参数提供即时反馈。公式表达如下：

其中，x表示位移变化量，x_t为当前时刻的位移值，x₀为初始时刻的位移值，t为时间间隔。

3.2 支护结构应力应变测试

为了直接获取支护结构的受力状态，需要在关键位置安装应力计和应变计。以液压式应力计和电阻应变片为例，它们能够分别测量结构内部的应力和应变变化。假设在某支撑点安装的应变计读数为ε，已知应变片的灵敏系数为K，根据胡克定律，可计算得到该点的应力σ：

其中，E为材料的弹性模量。通过多个监测点的数据汇总，可以绘制出支护结构的应力分布图，进而分析结构的承载状况和稳定性。

3.3 数值模拟与解析方法

数值模拟技术，特别是有限元方法(Finite Element Method, FEM)和离散元方法(Discrete Element Method, DEM)，在围岩稳定性分析中发挥着重要作用。以FEM为例，通过对巷道开挖和支护过程的几何模型建立，应用弹性或弹塑性理论，通过求解偏微分方程组，模拟围岩应力场和位移场的变化。常用的基本方程为平衡方程：

∇σ+b=0
其中，σ为应力张量，b为体积力密度，∇⋅为散度运算符。通过调整支护参数，如锚杆长度、喷射混凝土厚度等，多次迭代计算，找出最优支护设计方案。DEM则更擅长于模拟颗粒介质的动态行为，适用于分析含有大量不规则颗粒（如松散岩石块）的复杂地质条件下的围岩稳定性。结合这两种方法，可以更全面、准确地预测和评估巷道围岩的稳定性，为工程设计和安全评估提供强有力的理论支持。

四、锚网喷支护参数对围岩稳定性的影响分析

4.1 锚杆参数对围岩控制能力的影响

锚杆作为主动支护的重要组成部分，其布置方式、间距、长度等参数直接影响着围岩的应力分布和控制效果。在不同的布置模式下，如均匀排列、辐射布置或组合布置，锚杆能够有效地转移和分散围岩中的应力，减少因开挖引起的局部应力集中现象。例如，采用辐射布置的锚杆系统能在巷道周边形成一个应力缓冲区，有效抑制围岩向自由面的位移。锚杆间距的优化通常基于保持足够的支护刚度同时避免过大的支护密度导致的成本增加，一般遵循“经济-高效”原则。锚杆长度的选择则需考虑围岩的深度、强度及岩层特性，确保锚固段深入稳定岩层，提供足够的锚固力以控制围岩变形。公式上，锚杆的抗拔力P与其埋深L、直径d以及岩体的粘结强度c和内摩擦角ϕ有关，可由莫尔-库仑破坏准则近似计算：

η

其中，σ_n为锚杆轴向的有效正应力，η为锚固效率系数，反映了实际锚固效果与理想条件下的差异。

4.2 钢筋网参数对围岩整体性的影响

钢筋网作为被动支护手段，通过其连续的网格结构，能够有效限制围岩表面的微裂纹发展，阻止小裂缝相互连通形成大范围破坏。合理的网格尺寸（如网孔大小）和铺设密度需根据围岩的具体条件和预期的变形特征来确定。较小的网孔尺寸可以更紧密地约束围岩，但成本较高；反之，较大的网孔虽成本效益更高，却可能在高应力区域不足以防止较大裂缝的出现。因此，选择合适的网格尺寸和密度是保持围岩整体稳定性和经济性的关键。在某些条件下，采用双层或多层钢筋网，可以进一步增强围岩的整体性，特别是在软弱岩层中更为有效。

4.3 喷射混凝土参数对支护刚度和耐久性的影响

喷射混凝土层（喷层）的厚度和混凝土的强度等级直接影响支护结构的刚度和长期耐久性。增加喷层厚度可以显著提升结构的承载能力，减少围岩变形，尤其是在承受高应力或存在较大位移的区域。根据帕斯卡定律，压力与面积成反比，喷层的增厚意味着单位面积上的应力减小，从而提高了结构的稳定性。同时，选用更高强度等级的混凝土（如从C20升级到C30），可以增强混凝土的抗压、抗剪性能，延长支护结构的使用寿命。此外，优化混凝土配合比，保证适当的水灰比和骨料级配，也是提升喷射混凝土质量、增强耐久性的关键措施。实践中，还需考虑施工工艺，如喷射压力、回弹率控制等，以确保混凝土层的密实度和均匀性。

五、案例分析

本案例位于中国北方的一家大型煤矿，该矿井由于地质构造复杂，巷道开挖后经常面临围岩稳定性问题，包括巷道顶板下沉、侧壁位移等问题，严重影响了矿井的安全生产和经济效益。为解决这些问题，该煤矿引入了本文讨论的锚网喷支护参数优化方案，并进行了实践应用。

在优化之前，该煤矿采用的传统支护参数配置为：锚杆直径φ20mm，长度2.0m，间距800mm×800m，预应力150KN；钢筋网网格尺寸100mm×100mm，采用普通HRB335钢筋；喷射混凝土强度等级C20，厚度120mm。巷道采用直径18.9mm锚索加强支护，锚索长度7300mm，间排距1600×2400mm，每个断面布置3根锚索。这些参数在面对复杂的地质条件时显得不够精细，导致围岩位移频繁，支护结构不稳定，平均每季度需要进行一次维护，巷道使用寿命较短，约为5年。

基于本文提出的理论分析，对该煤矿的支护参数进行了如下优化：

锚杆参数调整为φ22mm直径，长度依据岩层稳定性调整为2.4m，间距保持为800mm×800mm，采用普通HRB500钢筋，施加预应力至250～300kN；钢筋网参数调整为网格尺寸70mm×70mm，加强铺设密度和焊接质量；巷道采用直径21.6mm锚索加强支护，锚索长度8300mm，间排距1600×1600mm，每个断面布置3根锚索。喷射混凝土参数提升至强度等级C25，厚度按照100mm，优化配合比，确保喷层质量。

实施优化后的支护参数后，经过一年的监测，该煤矿的围岩稳定性得到了显著改善：

围岩位移量减少：通过自动化监测系统记录，优化后巷道顶板最大下沉量从原来的30mm降至15mm，侧壁位移也从25mm减少到10mm，位移量几乎减半。

支护结构稳定性提升：应力应变测试显示，优化后支护结构的最大应力集中区域应力值下降了约20%，结构稳定性明显增强。

维护频率降低：优化后一年内未进行任何重大维护，与之前相比，维护频率大幅下降，预计未来几年内的维护成本将显著降低。

巷道使用寿命延长：根据位移速率和支护结构稳定性评估，优化后的巷道使用寿命预计将超过10年，几乎是原设计寿命的两倍。

结论与建议

本文通过对锚网喷支护参数的深入分析及实际案例的验证，明确指出合理的支护参数设计是确保巷道围岩稳定性的基石。锚杆、钢筋网、喷射混凝土三大要素的优化配置，不仅显著改善了围岩的受力状态，减少了围岩位移，而且提升了支护结构的整体稳定性和耐久性，有效降低了维护频率，显著延长了巷道的使用寿命。这表明，精确把握地质条件，结合高效的施工技术和经济性考量，采取科学的支护参数设计是提升矿井安全生产水平和经济效益的关键途径。

基于本文研究有以下几点建议：

（1）综合设计策略：在巷道支护设计初期，应建立多学科团队，包括地质工程师、结构工程师、经济分析师等，共同评估地质条件、施工难易度、成本预算等多方面因素，确保支护设计的全面性和合理性。

（2）监测技术与数值模拟并重：鼓励采用先进的自动化监测系统和高精度的传感器，实现对围岩位移、应力变化的实时监控，结合有限元、离散元等数值模拟技术，进行动态设计优化，提高支护方案的适应性和精确性。

（3）材料与技术创新：继续研发和应用新型支护材料，如高性能混凝土、高强轻质钢筋、新型锚固材料等，以提升支护效果的同时减轻结构重量，降低成本。同时，探索智能化支护技术，如自适应支护系统，以应对复杂多变的地质条件。

（4）环境友好与可持续发展：在支护材料的选择和施工过程中，应考虑环境影响，优先采用可回收或低环境影响的材料，减少施工废弃物，促进采矿活动的绿色转型。

（5）标准化与规范化：推动支护设计与施工的标准化、规范化，建立完善的技术规范和操作指南，提升行业整体技术水平，确保支护工程的质量与安全。

（6）教育培训与知识传播：加强对技术人员和施工人员的专业培训，提高他们对先进支护理念和技术的认识与应用能力，同时通过学术交流、技术研讨会等形式，促进研究成果与实践经验的广泛传播。

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