李乃新　杜建新　王學(xué)斌

【摘 要】隨著煤礦采深的加大，高地應(yīng)力使巷道支護(hù)問(wèn)題日益嚴(yán)重，穩(wěn)定性也難以保證。研究高地應(yīng)力軟巖環(huán)境下巷道合理的支護(hù)方式顯得尤為關(guān)鍵。本文就高應(yīng)力軟巖的基本概念及形成條件進(jìn)行了討論，在掌握高應(yīng)力軟巖巷道的變形特征和支護(hù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了以內(nèi)注漿錨桿為核心的錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，以解決深部高應(yīng)力極軟巖巷道支護(hù)難題。

【關(guān)鍵詞】深部高應(yīng)力；軟巖巷道；錨注支護(hù)

隨著大規(guī)模的礦山開(kāi)采深度的加大，深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題日益突出，如淮北、淮南、龍口、徐州、鐵法、肥城、棗莊等地區(qū)的礦區(qū)[1]。深部高應(yīng)力極軟巖巷道一般具有：（1）巷道埋深大、受采動(dòng)影響或構(gòu)造應(yīng)力大；（2）圍巖松軟破碎、流變性大；（3）來(lái)壓時(shí)間快、初期變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；圍巖遇水易于崩解、強(qiáng)度急劇降低等特點(diǎn)。而砌碹、金屬支架等均屬于被動(dòng)支護(hù)，若僅依靠支護(hù)本身強(qiáng)度，很難承受高地應(yīng)力的作用。但因錨固的巖體為一些破碎或松散巖體，圍巖的可錨性較差，錨桿、錨索也很難滿足深部高應(yīng)力極軟巖巷道的支護(hù)要求。為此，本文提出了以內(nèi)注漿錨桿為核心的錨注支護(hù)體系，以解決深部高應(yīng)力極軟巖巷道支護(hù)難題。

早在20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)就已經(jīng)開(kāi)始了錨注支護(hù)技術(shù)的研究工作，只是由于沒(méi)有解決好注漿錨桿的密封性問(wèn)題而沒(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用[1]。近幾年來(lái)，也對(duì)軟巖巷道、不良巖層巷道、軟弱圍巖巷道錨注支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了研究和工程實(shí)踐，取得了豐碩的成果，較好地解決了這類巷道的支護(hù)問(wèn)題。

1.高應(yīng)力軟巖的概念及其形成條件

1.1 高應(yīng)力軟巖的概念

長(zhǎng)期以來(lái)巖石力學(xué)與工程界仍未就軟巖的概念達(dá)成共識(shí)認(rèn)為，在高地應(yīng)力區(qū)經(jīng)常遇到一類特殊巖體，當(dāng)其處于地表淺部或低地應(yīng)力條件下，巖體顯示出較堅(jiān)硬的特征；處于高地應(yīng)力環(huán)境時(shí)，當(dāng)圍壓較低時(shí)，巖體尚具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，當(dāng)圍壓較高時(shí)，巖體表現(xiàn)出“軟巖”特征。顯然，它有別于一般意義上的軟巖，是一種特殊的、在高應(yīng)力環(huán)境下的工程軟巖體，稱這類軟巖為高應(yīng)力軟巖。[2]

1.2 高應(yīng)力軟巖的形成條件

通過(guò)前人的研究總結(jié)，高應(yīng)力軟巖形成的基本條件為：

（1）除少量巖石為較軟弱巖石外，組成高應(yīng)力軟巖的大多數(shù)巖石均為較堅(jiān)硬的巖石，單軸飽和抗壓強(qiáng)度R≥25MPa。

（2）巖體破碎，強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)較低，流變性強(qiáng)。因?yàn)楦叩貞?yīng)力環(huán)境使開(kāi)挖前的巖體處于高圍壓環(huán)境，巖體結(jié)構(gòu)面處于閉合狀態(tài)，是穩(wěn)定的，且有一定的強(qiáng)度和模量；開(kāi)挖后圍巖處于低圍壓環(huán)境，結(jié)構(gòu)面不閉合，巖體強(qiáng)度和模量較低。

（3）埋深大、水平應(yīng)力大于自重應(yīng)力。從目前全國(guó)煤礦開(kāi)采深度來(lái)看，由自重產(chǎn)生的應(yīng)力不足以使巖體達(dá)到高應(yīng)力狀態(tài)，只有在埋深很大且水平構(gòu)造應(yīng)力存在并大于自重應(yīng)力條件下，才能使巖體達(dá)到高應(yīng)力狀態(tài)。

2.高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞特征

高應(yīng)力軟巖一旦形成，在這些軟巖體中掘進(jìn)的巷道和硐室顯示出來(lái)的變形特征與硬巖巷道的截然不同，具體表現(xiàn)為：

（1）圍巖變形量大。高應(yīng)力軟巖自身特征決定了該區(qū)域的巷道變形量大的特點(diǎn)，其中巷道的水平收斂量要比拱頂下沉量要大得多。一般為數(shù)厘米至數(shù)十厘米，表現(xiàn)形式有兩幫內(nèi)移、尖頂和底鼓。

（2）初期變形速率大。由于水平構(gòu)造壓應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，巷道在掘進(jìn)時(shí)卸載迅速，來(lái)壓快，表現(xiàn)為巷道的初期變形速率大。

（3）巷道變形具有時(shí)效性。巷道圍巖具有顯著的流變性，表現(xiàn)為明顯的時(shí)效性。當(dāng)巖體流變所產(chǎn)生的圍巖變形過(guò)大，使得巷道支護(hù)體無(wú)法適應(yīng)而失效，圍巖再次惡化并劇烈變形。

3.深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題

進(jìn)入深部開(kāi)采以后，許多原來(lái)認(rèn)為是硬巖的礦井也都部分或全部進(jìn)入軟巖狀態(tài)。常規(guī)的錨噴支護(hù)、U型鋼支架等難以控制深部高應(yīng)力圍巖軟化等引起的過(guò)量變形與破壞。其問(wèn)題所在主要有以下幾個(gè)方面：[3]

（1）圍巖自承載圈厚度小。常規(guī)支護(hù)多采用端錨錨桿，其所形成的圍巖自承載圈厚度較小，一般情況，錨固后圍巖的自承載圈厚度約為0.16 m，遠(yuǎn)小于錨桿桿體長(zhǎng)度，造成錨桿的浪費(fèi)，同時(shí)難以抵抗較大的圍巖壓力。

（2）初期支護(hù)剛度過(guò)大。巷道開(kāi)挖后由于圍巖應(yīng)力重新分布和發(fā)生變形而對(duì)支護(hù)體產(chǎn)生較大的壓力，它與支護(hù)體的剛度有較大的關(guān)系，支護(hù)體的剛度越大，其抵抗圍巖壓力越大，如圖1所示。如果支護(hù)剛度偏大，則不能適應(yīng)巷道開(kāi)控初期變形速度快，變形量大的特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖支護(hù)變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生破壞。

（3）圍巖表面約束能力差。由于高應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力的影響，使得支護(hù)體首先在較為薄弱的地方出現(xiàn)過(guò)量變形、巖石松動(dòng)和破壞，進(jìn)而形成破碎區(qū)，破碎區(qū)的發(fā)展導(dǎo)致圍巖自承載圈破壞。對(duì)于深部高應(yīng)力軟巖巷道，采用普通的錨網(wǎng)噴支護(hù)時(shí)，由于噴層強(qiáng)度相對(duì)較低，對(duì)圍巖約束能力差，不能有效地扼制圍巖的局部破壞和破碎區(qū)向縱深發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖破壞。

圖1圍巖與支架共同作用圖

（4）僅1次錨網(wǎng)噴作為巷道的永久支護(hù)不符合深部高應(yīng)力軟巖巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律。深部巷道開(kāi)挖后，表現(xiàn)為地壓大，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，1次支護(hù)往往難于奏效。

（5）開(kāi)放式支護(hù)結(jié)構(gòu)不適應(yīng)深部高應(yīng)力軟巖巷道地壓要求。對(duì)于深部高應(yīng)力軟巖巷道，圍巖變形量一般較大，由于是開(kāi)放式支護(hù)，底板未加處理致使發(fā)生很大的底鼓，在落底的同時(shí)，巷道兩幫發(fā)生進(jìn)一步的松動(dòng)，兩幫底角發(fā)生破壞，導(dǎo)致巷道的支護(hù)狀況惡化，造成巷道失穩(wěn)。

（6）錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。在錨網(wǎng)噴支護(hù)中，現(xiàn)場(chǎng)一般習(xí)慣于先安裝錨桿掛網(wǎng)，后噴射混凝土，這樣一來(lái)，金屬網(wǎng)的位置處于混凝土的內(nèi)層，不利于金屬網(wǎng)的抗拉性能和混凝土抗壓性能的發(fā)揮。

4.錨注聯(lián)合支護(hù)機(jī)理[4]

（1）注漿后漿液將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力。

（2）采用注漿錨桿注漿，可以利用漿液封堵圍巖裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風(fēng)化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的強(qiáng)度，提高圍巖的穩(wěn)定性。

（3）注漿后使得噴層壁后圍巖松動(dòng)圈充填密實(shí)，保證荷載均勻地作用在噴層和支護(hù)圍巖上，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而首先破壞。

（4）利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨噴支護(hù)，可以形成一個(gè)多層有效組合拱，即噴網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴(kuò)散加固拱，從而擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。

（5）注漿加固后能使普通端錨桿實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，從而提高了錨桿的錨固力和可靠性，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，且注漿錨桿的本身亦為全長(zhǎng)錨固錨桿，它們共同將多層組合拱連成一體，共同承載，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。

（6）注漿后使得作用在拱頂上的壓力能有效地傳遞到墻，通過(guò)對(duì)墻的加固，又能把荷載傳到底板，同時(shí)由于組合拱厚度的加大，又能減少作用在底板上的荷載集中度，有利于減小底板巖石中的應(yīng)力，減輕底鼓，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。錨注支護(hù)施工易行，可通過(guò)漿液種類、濃度來(lái)控制粘結(jié)力，通過(guò)注漿壓力來(lái)控制加固圍巖的厚度，因此可以獲得足夠的承壓拱厚度及強(qiáng)度來(lái)控制軟巖的變形壓力。

5.錨注支護(hù)技術(shù)

錨桿和注漿都是巷道支護(hù)的基本形式，利用錨桿兼做注漿管，將錨桿和注漿有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可以更有效地加固巷道圍巖，尤其適合于軟巖巷道。前蘇聯(lián)和西德很早就提出這種思路，并且開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)，用于巷道底鼓治理等工程。但由于其采用橡膠材料及其配套裝置封孔，技術(shù)復(fù)雜，成本高，只能用于少量特殊的工程，不能作為常規(guī)技術(shù)推廣應(yīng)用。而且由于軟巖巷道圍巖表面往往已完全破裂，形成了一定寬度的破裂圈，注漿無(wú)法在圍巖表面進(jìn)行，只能在圍巖的一定深度進(jìn)行，采用橡膠材料在錨桿孔口封孔進(jìn)行注漿往往造成漿液首先沿孔口和巷道表面流失，無(wú)法在圍巖內(nèi)形成注漿加固圈，加固效果差。

研制開(kāi)發(fā)的外錨內(nèi)注式錨桿及其加固圍巖新技術(shù)，利用錨桿兼做注漿管（圖2），采用快硬空心水泥藥卷進(jìn)行密封和錨固，實(shí)現(xiàn)外錨內(nèi)注，巧妙地解決了錨注支護(hù)的封孔難題。具有成本低、工藝簡(jiǎn)便、及實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn)，是錨注支護(hù)的新發(fā)展。[4]

圖2外錨內(nèi)注式錨桿

5.1 注漿錨桿結(jié)構(gòu)

見(jiàn)圖2，注漿錨桿桿體用有縫鋼管制作，錨桿內(nèi)段為注漿段，鉆有交叉出漿孔，錨桿尾部有螺紋可接注漿管；外段為錨固段，錨固段采用空心快硬水泥卷錨固，錨固段又是注漿密封段。錨桿總長(zhǎng)和注漿段的長(zhǎng)度根據(jù)巷道斷面、巖性和注漿加固圈大小來(lái)確定。

5.2注漿材料及注漿泵

注漿材料為單液水泥漿，選用高標(biāo)號(hào)普通硅酸鹽水泥，并摻入適量速凝劑。注漿設(shè)備選單液注漿泵，注漿壓力為4～6MPa，可多孔同時(shí)作業(yè)。

5.3 錨注工藝

5.3.1 內(nèi)注漿錨桿施工工藝

內(nèi)注漿錨桿施工工藝主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）鉆孔：采用風(fēng)鉆鉆孔（在煤層中采用煤電鉆鉆孔）。

（2）安裝錨桿：將內(nèi)注漿錨桿送至孔底。

（3）封孔止?jié){：采用軟木止?jié){塞封孔，對(duì)于破碎圍巖、鉆孔孔口不規(guī)整的封孔，為防孔口漏漿，可在軟木止?jié){塞外圍纏繞2～3層黃麻，也可用再生橡膠塞或快硬水泥藥卷等止?jié){。

（4）注漿：將注漿管路與內(nèi)注式錨桿連接好，進(jìn)行注漿作業(yè)，每孔注漿時(shí)間為3～5min，可多孔同時(shí)注漿。

（5）安設(shè)錨桿托盤(pán)：拆下孔口閥，安設(shè)托盤(pán)，上緊螺母。

5.3.2 注漿施工工藝

注漿施工工藝流程主要包括以下3個(gè)方面：

（1）運(yùn)料與拌漿：即將水泥與水按規(guī)定水灰比拌制水泥漿，注漿實(shí)施前加入定量水玻璃，保證在注漿過(guò)程中不發(fā)生吸漿籠頭堵塞等現(xiàn)象，并根據(jù)需要調(diào)整漿液參數(shù)。

（2）注漿泵的控制：根據(jù)巷道注漿變化情況，即時(shí)開(kāi)、停注漿泵，并時(shí)刻注意觀察注漿泵的注漿壓力，以免發(fā)生堵塞崩管現(xiàn)象。

（3）孔口管路連接：應(yīng)注意前方注漿情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏漿、堵管等事故。掌握好注漿量及注漿壓力并及時(shí)拆除和清洗注漿閥門(mén)。

6.結(jié)語(yǔ)

在高應(yīng)力軟巖環(huán)境下，巷道的支護(hù)已成為制約礦山企業(yè)向深部煤層發(fā)展的瓶頸。經(jīng)理論與大量工程實(shí)踐結(jié)果表明：錨注聯(lián)合支護(hù)是一種非常有效的、適合高應(yīng)力軟巖下的巷道支護(hù)技術(shù)，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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