《ACS Omega》：Instability Characteristics and Control of Steel Arch–Concrete Supported Deep Drifts under High In Situ Stress
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随着地下开采向深部延伸，高地应力结合破碎围岩常导致巷道发生严重变形与失稳，传统被动支护理念无法有效控制。研究人员以新东庄金矿?600 m穿脉巷道为工程背景，研究了深部巷道力学响应并提出稳定性控制设计框架。采用ABAQUS建立三维数值模型评估原钢拱架–混凝土支护
随着地下开采向深部延伸，高地应力结合破碎围岩常导致巷道发生严重变形与失稳，传统被动支护理念无法有效控制。研究人员以新东庄金矿?600 m穿脉巷道为工程背景，研究了深部巷道力学响应并提出稳定性控制设计框架。采用ABAQUS建立三维数值模型评估原钢拱架–混凝土支护系统，表明该系统主要在变形发生后才产生响应，导致拱脚应力集中、显著顶板位移及局部结构失效。为克服此局限，建立主动自承环(Active Self-Bearing Ring, ASBR)框架，引入预应力作为控制因子并定量描述支护与围岩间相互作用。定义围岩自承效率系数(self-bearing efficiency coefficient)与刚度匹配协调系数(stiffness matching coordination coefficient)两个参数表征此耦合响应。利用RS2的对比分析表明，所提方法不仅减小变形，还改善围岩力学响应，使应力分布更均匀、塑性区更小，总位移控制在2.1–4.2 mm。现场监测进一步验证了该方法的有效性。
论文解读——《Instability Characteristics and Control of Steel Arch–Concrete Supported Deep Drifts under High In Situ Stress》发表于《ACS Omega》
研究背景与意义
随矿产资源向深部开采延伸，埋深增加致使原岩应力(in situ stress)显著升高，加之破碎围岩条件，引发明显变形与失稳，对支护系统长期性能构成严峻挑战。深部巷道多具最大主应力高、围岩完整性差、变形速率快、累计变形大等特点。传统刚性支护系统（如钢拱架–混凝土复合体系）主要依靠自身刚度抵抗围岩荷载，且往往在围岩已有变形后才被动受力，易导致关键部位应力集中及构件渐进性破坏（如钢拱架塑性屈曲、混凝土衬砌开裂剥落），表明刚性支护与高地应力条件下围岩变形存在固有不相容性。现有研究多聚焦单一支护构件参数优化，对多组件系统（锚杆–网–梁–喷混凝土–锚索系统）协调力学行为缺乏定量描述，尤其对围岩自承能力激活机制及效率刻画不足，致使破碎高地应力环境下支护设计缺乏明确量化依据。为此，研究人员以新东庄金矿?600 m穿脉巷道（净宽2.8 m、净高2.6 m、埋深600 m、穿越破碎岩层、水平构造应力主导，最大水平主应力达161.1 MPa）为背景，揭示原刚性支护失效机理并建立量化设计导向的稳定性控制框架。
主要关键技术方法
研究人员首先通过ABAQUS建立含I25b钢拱架（间距0.8 m）及混凝土衬砌的三维精细数值模型，围岩采用Hoek–Brown强度准则等效转换为Mohr-Coulomb参数（GSI=46，σci=101.25 MPa，c=10.31 MPa，φ=36.9°，Er=9.72 GPa），钢拱架与混凝土分别按弹塑性及线弹性本构输入，识别原支护失效特征；继而提出主动自承环(Active Self-Bearing Ring, ASBR)概念，沿径向往外划分为协同承载层(R0~R11~R2，锚杆加固区)及深部锚固层(R2~R3，锚索锚入稳定围岩)，基于轴对称Hoek–Brown准则推导内边界R1（锚杆预应力扩散抑制剪切破坏的临界界面）与外边界R2（预应力扩散影响范围，取σr(r)=0.1σ0为判据），定义自承效率系数η=围岩承担应力/ASBR总承载应力及刚度匹配协调系数ξ=(Ks/Kr)·α（Ks为支护总刚度含喷混凝土Kshot、锚杆Kb、锚索Kc，Kr为围岩等效刚度，α为预应力调整因子）定量表征支护–围岩耦合；依此设计优化支护参数（锚杆Φ22 mm L=2.4 m间排距1 m×1 m预紧力50 kN；锚索Φ17.8 mm L=5 m间排距1.5 m×1.5 m预紧力50 kN；C20湿喷混凝土厚100 mm；Φ6 mm钢筋网及Φ10 mm钢梁），并通过RS2平面应变模型（三维钢拱架按等效刚度折算法EAeq=EA/sa，EIeq=EI/sa简化）对无支护、原支护及优化支护三工况进行数值对比；最后在现场布置埋入式弦式微应变计（RH-300，孔深1.5 m对应ASBR核心影响区）进行136 d监测验证ASBR分阶段形成过程。
研究结果
2. Engineering Background
工程地质调查显示围岩质量Ⅱ~Ⅲ级，单轴抗压强度UCS=90.89~111.56 MPa。原支护（I25b钢拱架+拱顶背填混凝土+两侧壁1.5 m高混凝土衬砌）投用后30 d围岩水平收敛达10.01 mm、顶板下沉19.69 mm超限；钢拱架拱脚出现最大5 mm塑性屈曲、顶梁弯曲损伤、侧壁局部断裂；侧壁混凝土衬砌开裂率40%伴局部剥落——证实原刚性支护刚度配置与高地应力破碎围岩变形适应性不匹配，协同承载关系破坏致早期失效。
3. Numerical Simulation of the Failure Mechanism of the Original Support
3D ABAQUS模拟显示：钢拱架von Mises等效应力峰值1714 MPa集中于拱脚及梁柱连接节点（远超Q345钢屈服强度345 MPa），远端柱应力仅约228 MPa，荷载传递极不均匀；顶梁中部总位移峰值16.32 mm为变形薄弱区，拱脚为水平与竖向位移叠加区。混凝土衬砌顶拱中上部最大主拉应力13.31 MPa（超C25混凝土抗拉强度），侧壁下部及顶拱中部最大主压应力?51.5 MPa（超C25抗压强度），表明拉压超限致开裂与压碎。围岩表面Mises应力与位移曲线揭示失效机制为"变形引发开裂→应力集中致构件强度超限破坏→协同承载能力恶化"，顶板侧区为峰值变形点、侧壁附近为峰值应力点，系加固关键靶区。
4. Theory and Application of the ASBR
ASBR是由锚杆、锚索及喷混凝土约束下围岩协同形成的闭合环形承载结构，具主动性（预应力预先压密微裂隙建承载环）、协同承载（围岩自承应力σr+预应力σp+喷层约束σs）、动态演化三特征。基于轴对称Hoek–Brown准则推导得：内边界R1≈1.48 m（代入锚杆预应力Pb=50 kN，k=1.0，R0=1.4 m求解极限平衡方程）；外边界R2≈3.75 m（代入σ0=20.56 MPa）；取R3=1.7R2≈6.37 m。计算围岩自承应力σrβ≈2.52 MPa，主动支护等效径向预应力σpre≈21.6 MPa，总承载应力σtotal=30.84 MPa（K0=0.5），得自承效率系数η≈0.78（围岩承担78%荷载）；支护总刚度Ks≈18887.91 MN/m，围岩等效刚度Kr=34510 MN/m，取α=1.4得刚度匹配协调系数ξ≈0.77（接近1表明刚度相容，利于ASBR形成）。据此确定优化支护参数：喷混凝土厚0.1 m（对应R1-R0），锚杆有效长2.3 m（L=2.4 m），锚索有效长4.9 m（L=5 m），辅以钢筋网及钢梁。
5. Verification of the Support Scheme
5.1 数值模拟验证（RS2）：无支护工况最大主应力0~6 MPa、总位移12~14.4 mm、塑性区广泛发育；原支护工况局部最大主应力升至9~12 MPa、总位移降至9.6~10.8 mm但塑性区仍较发育，被动受力未激活围岩自承；优化支护（锚杆+锚索+喷混凝土+钢梁网）工况最大主应力均匀升至15~18 MPa（ASBR形成致三向受压）、总位移降至2.1~4.2 mm且影响范围局限、塑性区显著压缩、微应变峰值由>5000 με降至约2000 με并在深部位保持稳定低幅波动（500~1000 με），证实ASBR有效激活围岩参与承载并均匀化应力重分布。
5.2 现场监测验证：埋入式微应变计136 d监测显示—初期活化阶段（0~20 d）微应变峰值约1000 με伴波动（ASBR初始形成，预应力压密裂隙）；稳定承载阶段（20~80 d）收敛至200~400 με波动大幅减小（连续协同承载层形成）；长期平衡阶段（80~136 d）微应变微小波动维持稳定低值（ASBR达力学相容）。统计平均微应变由83.16 με衰减至26.30 με（衰减率68.4%），标准差由30.70~32.16 με锐降至2.91 με，定量证实ASBR分阶段演化并有效重构围岩应力场。
讨论与结论
研究人员指出原刚性支护失效根源为高应力下变形先于支护生效致局部应力超限及协同承载丧失；ASBR框架通过引入预应力将支护模式由"变形后被动承载"转为"变形演化过程中协调承载"，应力重分布更均匀、抑制局部失效，变形控制改善超60%。定义的自承效率系数η与刚度匹配协调系数ξ弥补了传统新奥法(NATM)定性描述的不足，将"调动围岩自承能力"转化为可参数化设计的力学模型，使支护设计可据围岩性质与预应力水平定量评判兼容性。相较单纯增大刚度或单一构件加强，ASBR将支护–围岩视为整体承载结构强调自承能力激活，适用于不同断面形状及需调整锚固参数的各类深部地下工程。数值模型虽未完全涵盖蠕变及断续节理控滑移，但与现场监测一致性良好可捕捉主控力学过程。
论文结论：(1)原刚性支护钢拱架拱脚及梁柱节点峰值应力超材料屈服强度、顶板及拱脚变形集中，证实其为变形后被动响应模式；(2)建立ASBR框架，将其描述为多层承载结构，引入η与ξ定量表征围岩–预应力支护–喷层约束耦合响应，为深部高地应力环境支护评价与设计提供直接依据；(3)基于ASBR优化的支护方案数值显示总位移控制在2.1–4.2 mm、塑性区显著缩小，变形控制性能较原支护提升60%以上，改善围岩应力分布形态；(4)现场监测围岩微应变由约1000 με渐稳于200–400 με，证实所提方法有效激活围岩自承能力并使支护系统过渡为协同约束体。
