李 彬

（國投新集能源股份有限公司新集二礦,安徽 鳳臺 232100）

0 引言

由相關數(shù)據(jù)得知，目前我國已探明的埋深在1000m以下的煤炭儲量所占比例為53%，因此我國礦井的開采深度正在不斷的增加，平均礦井采深以大約8～12m/年的速度持續(xù)增加著。而深部開采存在著地應力高、巖溶水壓高以及地溫高等特點，對礦井進行深部開采很容易使得巷道出現(xiàn)明顯變形并面臨著支護困難等問題。因此，要對高應力軟巖巷道的支護技術進行深入的研究，以求提高煤炭的開采速度以及安全性，并降低支護所需的成本。

1 國內外高應力軟巖支護技術概況

軟巖指的是具有松脆、膨脹以及出現(xiàn)風化現(xiàn)象等的巖層，其具有十分不穩(wěn)定的特點，并且礦壓顯現(xiàn)較為明顯。當在軟巖中進行采掘活動時常常會出現(xiàn)較大的變形，有的變形甚至達到幾米。軟巖巷道所面臨的支護問題對于各個國家的采礦界來說都是一個技術難題。

部分西歐國家對于高應力軟巖的巷道支護問題運用“新奧法”理論，將不同斷面的礦用型鋼設計為可縮性金屬支架，而像俄羅斯、土耳其等國家則仍然運用多種不同類型的金屬支架來對高應力軟巖巷道支護問題進行處理。然而，這些進行支護的方式往往都存在一定程度的局限性：首先，這并不能從根本上來解決高應力作用下的巷道支護問題；其次，這些支護方式都存在著施工十分復雜的問題，并且一但原有的巷道支護遭到破壞再進行支護的修護就會更加困難；最后，運用這些支護方式都面臨著成本較高的問題。在美國以及澳大利亞等國家則運用以錨桿為主要組成的支護體系，體系中包括高強、超高強錨桿、組合錨桿以及全長錨固錨桿等形式，并且還推出錨索來對支護材料的強度進行提高，還能夠增強錨固著力點所能到達的深度。當開采的深度不斷增加時，對在高應力作用下的軟巖巷道進行支護的難度也逐漸增大，原有的錨桿支護體系也面臨著一些新的挑戰(zhàn)。

近年來我國高應力軟巖巷道支護所運用的技術主要是錨索支護技術，這種支護技術能夠將深部的圍巖共同調動起來并使其與淺部的圍巖進行共同作用，來對圍巖的穩(wěn)定性進行一定的控制。

2 軟巖巷道變形原因分析

對高應力作用下的軟巖巷道進行有效的支護是進行煤礦開采時要面臨的一大難題。巷道兩幫位移以及頂板下沉等問題都容易導致巷道的斷面出現(xiàn)變形。巷道底板的失穩(wěn)容易影響到巷道頂板的穩(wěn)定性，巷道底鼓若持續(xù)發(fā)展則會使得底板的巖石更加松動而遭到破壞，會使得頂板的下沉以及兩幫變形的問題更加嚴重。目前由于支護技術的發(fā)展已經(jīng)能對頂板下沉以及兩幫移近的問題進行一定的控制，然而對于底鼓仍然沒有較為有效的處理方法。

下面以新集二礦-750m水平水倉施工巷道為例進行巷道變形原因的分析。該巷道所穿過的巖層具有一定的特點，除1煤頂板砂巖以外所穿過的巖層都較軟，例如粉砂巖，具有性脆、強度低等特點，是顯著的軟巖特性；細砂巖下部則呈現(xiàn)互層狀，在浸水或者吸潮之后會出現(xiàn)較為明顯的強度降低的特點，甚至可能出現(xiàn)破碎，使得巖層強度完全喪失。若該巖層的強度不斷降低，圍巖具有的強大載荷作用會使得其發(fā)生較大的變形而導致巖層破壞。巖性差是導致巷道出現(xiàn)變形破壞的內部原因。

從底板巖層所面對的受力來看，巷道底板的位置處于不支護的狀態(tài)，而巷道的不斷挖掘則會使得原本作用于底板巖層上的垂直應力出現(xiàn)卸載，底板巖層就必定會出現(xiàn)彈性恢復，并且底板巖層的垂直應力出現(xiàn)降低而水平應力卻增加，這就會導致應力偏量出現(xiàn)增加。若應力偏量超過巖層的屈服強度，巷道就會出現(xiàn)變形破壞的現(xiàn)象。

由最大水平應力理論可知，若巷道的挖掘方向和最大水平主應力方向處于斜交狀態(tài)，巷道頂?shù)装逦恢玫膸r層就會出現(xiàn)破壞并偏向巷道一側。由之前的分析可知，巷道頂?shù)装宓膸r層會受到較大的水平應力的影響，從而導致巷道頂板出現(xiàn)破壞以及底鼔的出現(xiàn)。

底鼔的出現(xiàn)會使得底板的巖層出現(xiàn)內移，這會對巷幫產生一定的連帶作用，導致巷幫巖體向底板擠壓破壞。目前在-750m水平水倉的部分地段就能夠看到巷幫煤巖體所出現(xiàn)的開裂，部分開裂甚至到了較為嚴重的地步。

底鼔的出現(xiàn)還會使得底板巖層在應力作用之下出現(xiàn)擴容而使得體積增加，這就會使得巖石多方面的參數(shù)出現(xiàn)變化，如巖石孔隙率的變化，這會導致水要進入巖體的內部變得更加容易，從而導致巖體出現(xiàn)較大程度的膨脹以及軟化現(xiàn)象。若底板巖層在遇水之后發(fā)生膨脹軟化的現(xiàn)象就會使得巖石的強度降低，導致巖層在比較小的應力作用之下就會出現(xiàn)擴容的情況。由此可知，軟巖的擴容以及膨脹軟化之間的作用會使得底板巖層的強度遭到較大的破壞，破壞的范圍處于不斷擴展的狀態(tài)，就會使得巷道變形持續(xù)發(fā)展下去。

3 對軟巖巷道進行地質力學評估

地質力學的評估包括地應力測試以及圍巖力學性質測試，能夠較為準確的研究巷道圍巖的穩(wěn)定性。地應力是導致圍巖、支護發(fā)生變形破壞的根本原因，當采礦深度不斷增加時地應力對采礦的影響也會不斷的增加。若不對地應力造成的影響進行考慮就進行設計以及施工就很容易導致巷道圍巖發(fā)生變形甚至坍塌破壞的情況發(fā)生，這不僅會影響采礦進度的進行，還會對礦井的安全生產造成很大的影響。

目前對于地應力的測量方法有很多，主要有應力恢復法、水壓致裂法以及應力解除法等，目前對于應力解除法的應用最為廣泛。

應力解除法的基本原理為，若將一塊巖石從受力狀態(tài)下的巖體中取出，其巖石的彈性就會發(fā)生一定的膨脹變形，對于應力解除之后該巖石的三維膨脹變形進行測量，并且運用現(xiàn)場的彈模率對彈性模量進行確定，再應用現(xiàn)行虎克定律就能夠將應力解除之前巖體當中應力的大小以及方向計算出來。并且，在巖體中進行鉆孔，在鉆孔中進行應變傳感器的安裝，使其對孔壁的應變進行測量就能夠將巖體中的應力狀態(tài)計算出來，計算可以由計算機程序來完成。

原巖應力的測量則一般于巷道中來進行，應力鉆孔通常在巷道之內采用一定的仰角向巷道頂板巖體進行施工，在完整的巖體之中安裝應力傳感器進行應力的測量。

4 巷道支護的關鍵技術措施

從理論上來講，運用錨桿進行支護的阻力比金屬梯形支架要大5-10倍。能否使用錨桿支護對軟巖進行控制的關鍵技術措施有：

（1）要解決錨桿在圍巖損傷過程中出現(xiàn)的錨固力喪失問題以及在軟巖處錨固力較低的問題。

（2）應當實現(xiàn)高錨固力、急增阻，要保證錨桿的實際工作性能能夠和巖層具有的自承特性相互協(xié)調，在巖層出現(xiàn)比較大的變形之前就對錨桿的支護阻力以及頂板巖層具有的自承性能進行充分的發(fā)揮，即要做到在軟巖的原始強度未受到損傷之前錨桿就具有較大的錨固力，此時錨固之后的巖層具有的結合強度會比原始的強度高出許多，這能夠更好的對巖層的完整性以及圍巖的變形問題進行控制。

在軟弱巖層運用高強度錨桿進行巷道支護來防止圍巖出現(xiàn)變形破壞的關鍵技術措施有：

對目前的錨桿支護方式進行一定程度的改進，將端頭錨固變?yōu)槿L、加長錨固。全錨固錨桿較之端頭錨固錨桿具有更高的初錨力，當圍巖變形的增阻速度加快，出現(xiàn)最大錨固力之后，若圍巖出現(xiàn)移動，工作錨固力也會在較長的一段時間內處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。錨桿在工作時的錨固力越大，對圍巖變形的控制效果就更好。

5 巷道支護材料的選擇

傳統(tǒng)的錨桿具有加工粗糙、附件不匹配以及整體強度較低等特點，由于是通過人工來進行錨桿的分布安裝，因此不能對錨桿的質量進行保證，初錨力也較難實現(xiàn)，無法形成主動支護。在對錨桿的實際使用當中容易出現(xiàn)由于匹配不合理而造成的錨固力低等現(xiàn)象，使得對軟弱煤巖體的變形較難進行有效控制，在復雜困難的環(huán)境之中錨桿支護容易出現(xiàn)失效，其安全性能較差，在錨桿的螺紋端強度不夠，錨桿受力過程中經(jīng)常出現(xiàn)螺紋端破斷的情況，桿體則容易處于彈性狀態(tài)。這些問題都會影響錨桿的支護作用。

高強錨桿則無論在性能方面還是加工精度方面都較傳統(tǒng)錨桿來說有了顯著的提高，在一些附件性能例如錨固性能、螺母托盤等方面都具有較大程度的改善。高強錨桿支護技術對在復雜困難的條件下具有較強的適應性，盡管運用高強錨桿進行支護的成本也會隨著采深的增加以及環(huán)境惡劣程度的增加而上升，但提高幅度不會像架棚支護一樣上升極快，而是隨著采深的增加和環(huán)境的惡化，運用錨桿支護直接材料相比于金屬支架的投入降低更多，支護效果也更加顯著。

巷道在變形破壞之后需要進行修復，可以通過注漿加固的方法來對破碎圍巖的強度進行提高，對巷道破壞范圍之內的破碎圍巖采用錨注還能夠提高圍巖的整體性和強度。二次加固主要用注漿錨桿或者注漿錨索進行聯(lián)合支護，首先可以通過錨桿或者錨索來起到一定的錨固作用，隨后再通過注漿來使得圍巖得到進一步的加固。

6 支護時間的確定

對于具體的煤礦軟巖巷道支護技術的實際應用來說，其支護時間的確定也是極為重要性，準確的選擇支護的時間能夠最大程度上保障其支護的效果，一旦其時間的選擇過晚則很可能會導致安全事故的發(fā)生，而支護技術采用過早的話又會造成較大的資源浪費。具體來說，要想把握好支護時間就應該明確兩個基本的定義，塑性區(qū)和松動破壞區(qū)，對于塑性區(qū)來說主要就是指煤礦軟巖巷道內部的巷壁出現(xiàn)了較大的切向應力集中現(xiàn)象，進而就會造成巷道內壁的巖層出現(xiàn)相應的變化，這種變化在很大程度上來說是不利于其穩(wěn)定性的，這種巷道內壁區(qū)間就成為塑性區(qū)，而對于松動破壞區(qū)來說，顧名思義主要就是指塑性區(qū)出現(xiàn)之后，巷道內壁進一步的出現(xiàn)變形，而隨著這種變形的加深就會在較大程度上導致其內壁出現(xiàn)松動，進而形成破壞效果，成為松動破壞區(qū)，從承載力的基本狀況進行分析可以發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)仍然具備著一定的承載能力，具備一定的支護效果，而松動破壞區(qū)則根本不具備承載能力，很容易造成整個巷道內壁的坍塌。

針對塑性區(qū)和松動破壞區(qū)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，如果在松動破壞區(qū)再進行支護技術的實施就會存在較大的滯后性，很容易釀成較大的惡果，而對于塑性區(qū)來說因為其自身具備著一定的承載能力，所以在該區(qū)進行支護技術的實施還是比較及時有效地，因此，煤礦軟巖巷道支護技術的最佳使用時間就是充分的發(fā)揮其塑性區(qū)的承載能力，但是不能導致其出現(xiàn)松動破壞，做好度的把握。

7 巷道變形破壞治理方案

通過對巷道變形的特征進行深入的分析，并對國外的成功治理經(jīng)驗進行一定的借鑒，對于多種治理方法進行優(yōu)缺點的比較，最終決定以錨注支護為核心提出變形治理方案。

錨注技術指的是將錨桿、錨索支護以及注漿加固結合為一體，使用注漿錨索或者中空注漿錨桿來向巖體內部壓注漿液，使得錨桿、錨索能夠達到全長錨固的效果，能夠更好的確保錨固的可靠性，并且漿液能夠在泵壓的作用之下滲透到錨孔周圍的巖體當中，能夠將已經(jīng)破裂的巖層或者原本較為松散的圍巖進行粘結固化，使得巖體能夠重新成為整體，從而能夠提高圍巖自身的承受能力，并且錨桿、錨索能夠利用其軸向、徑向的約束來對圍巖起到支護和加固的作用，能夠對變形地壓以及膨脹地壓起到一定的抵抗作用，不僅能夠對圍巖的受力狀態(tài)進行改善，還能夠與四周巖體形成更加可靠的承載結構，能夠更好的保證巷道處于長期穩(wěn)定的狀態(tài)。與傳統(tǒng)的錨桿支護相比較，錨注支護不僅能夠通過注漿使得巖層得到進一步的加固，還能夠為錨桿提高更具有可靠性的著力基礎。由試驗數(shù)據(jù)可知，錨注支護能夠達到的錨固力可以高出普通錨桿2-3倍?？梢钥闯?，錨注支護是一種十分有效的主動支護形式，其同時具有錨桿支護和注漿加固的優(yōu)點，具有高承載、急增阻等特性。

錨注支護的實質，一方面運用注漿將巖體本身的力學性能進行了改善，另一方面又給錨桿、錨索提供了更為有力的著力基礎，能夠很大程度的提高最終的支護效果。其支護機理主要包括：

（1）運用注漿錨桿和注漿錨索，能夠較好的利用漿液將圍巖裂隙進行封堵，可以防止圍巖受到水的侵蝕而導致巖層的自身強度降低。

（2）注漿之后能夠將原本較為松散的圍巖重新結合成為整體，能夠更好的提升巖層的強度和巖體自身的內聚力和彈性模量，從而使得巖體強度得到提高。

（3）注漿能夠將普通端錨桿變?yōu)槿L錨固錨桿，能夠使得錨桿更好的與圍巖融合成為整體，能夠更好的發(fā)揮錨桿、錨索具有的錨固作用，由于共同承載，可以更好的提高支護結構具有的整體性。

（4）使用注漿將圍巖的裂隙進行填充，并利用注漿錨桿、錨索支護，再以錨網(wǎng)支護進行相應的配合，能夠形成一個多層有效的組合拱支護體系，即為漿液擴散加固拱、錨桿壓縮去組合拱以及錨網(wǎng)組合拱，這種支護體體系能夠十分有效的擴大支護結構的承載范圍，從而使得支護結構的承載能力得到一定程度的提高。

（5）注漿之后還能保證原本作用在頂板上的垂直載荷更為有效的傳遞到兩幫，對兩幫的加固作用又能夠使得其將荷載再次傳遞到底板，并且組合拱厚度的增加還能夠減少作用于底板上的荷載集中程度，從而能夠使得底板巖石受到的應力減小，能夠降低底板的塑性變形，減輕底鼔現(xiàn)象。

8 小結

通過對巷道圍巖的力學特性以及支護機理進行較為深入的研究，并對支護的材料以及支護參數(shù)進行較為合理的選擇，運用錨注支護技術，能夠更好的發(fā)揮支護體的強支撐、高承載等作用，從而較為有效的解決高應力軟巖巷道面臨的支護技術難題，能夠避免巷道遭到破壞后再進行修復而造成的人力、物力以及財力的浪費。

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