韓世棟

（山西高平科興米山煤業(yè)有限公司，山西 米山 048400）

錨桿支護(hù)是現(xiàn)代煤礦巷道經(jīng)濟(jì)性高、可靠有效的支護(hù)方式。與支架支護(hù)相比，錨桿（索）支護(hù)方式較大程度上提高了巷道支護(hù)效果，改善了作業(yè)環(huán)境，安全生產(chǎn)得到保障[1-4]。目前，我國煤礦企業(yè)已普遍使用錨桿支護(hù)技術(shù)，并基于越來越復(fù)雜的圍巖地質(zhì)條件，向全方位深層次聯(lián)合支護(hù)方式發(fā)展，如高壓注漿+強(qiáng)力錨索支護(hù)方式，在極大程度上實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)。

破碎圍巖巷道變形劇烈，巷道維穩(wěn)難度大，為有效解決這一問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對破碎圍巖巷道展開了大量的研究工作，研究方向包含軟弱圍巖體物力、水理、力學(xué)性質(zhì)等，取得了大量理論方面和現(xiàn)場支護(hù)技術(shù)方面的應(yīng)用成果[5-10]。然而，從米山煤業(yè)輔助運(yùn)輸石門現(xiàn)場調(diào)研來看，巷道收縮達(dá)到了1～2 m，巷道圍巖仍未穩(wěn)定，嚴(yán)重威脅了現(xiàn)場設(shè)備和工人的安全。

1 工程概況

米山煤業(yè)主采為太原組的15號煤層，煤層厚度平均為2.96 m，一般不含夾矸，煤層頂板多為灰?guī)r、泥巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖。巷道的破壞變形有如下特點：①巷道的變形主要表現(xiàn)為頂部下沉、底鼓和兩幫回縮。②巷道維修時圍巖壓力并未釋放結(jié)束，維修后的圍巖變形仍在繼續(xù)，圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)仍然未能保持巷道圍巖的穩(wěn)固。③部分區(qū)域巷道圍巖中受水侵蝕，產(chǎn)生巖體泥化、流變現(xiàn)象，致使該區(qū)域變形破壞更加嚴(yán)重，圍巖的力學(xué)特性明顯減弱，嚴(yán)重破壞了圍巖整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 巷道圍巖與錨桿支護(hù)作用機(jī)理

2.1 錨桿支護(hù)作用分析

結(jié)合圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力這三個基本要素，總結(jié)歸納出錨桿支護(hù)的作用有以下幾點：

（1）錨桿支護(hù)影響圍巖強(qiáng)度。經(jīng)過大量的實驗室試驗研究，發(fā)現(xiàn)軟弱巖石的基本力學(xué)參數(shù)，在錨固作用下各個參數(shù)均有增大的趨勢。能夠顯著影響其強(qiáng)度和變形，甚至改變塑性屈服后的力學(xué)性質(zhì)。

（2）錨桿支護(hù)影響圍巖結(jié)構(gòu)。由于巷道開挖破壞了圍巖的整體性，會產(chǎn)生諸多不連續(xù)的弱面，包括節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，這些不連續(xù)面的增大會降低煤巖體強(qiáng)度。通常情況下，錨桿對于軟弱結(jié)構(gòu)面的作用主要是通過錨桿的軸力和剪力來提高不連續(xù)面的煤巖體的強(qiáng)度和整體性，抑制沿不連續(xù)面的移動和擴(kuò)展，即核心在于提高結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，最終實現(xiàn)提高煤巖體的整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

（3）錨桿支護(hù)影響圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)。巷道的開挖打破了原巖應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力場重新分布，之前處于三向受壓的會出現(xiàn)拉和剪應(yīng)力。錨桿的軸向拉力可以抑制圍巖向臨空面的移動，相當(dāng)于提供一定的徑向壓應(yīng)力，使圍巖的圍壓升高，減小應(yīng)力差；而受剪可以通過產(chǎn)生的壓應(yīng)力而提高結(jié)構(gòu)面之間的摩擦力，提高破碎圍巖抗剪能力，最終實現(xiàn)了對圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善。

2.2 破碎圍巖巷道錨桿支護(hù)作用機(jī)理分析

（1）深部巷道圍巖變形的主要影響因素

①地應(yīng)力。深部巷道圍巖變形和破壞的根本原因就是較高的高地應(yīng)力所致。

②圍巖力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)基本理論分析可知，巷道變形與圍巖表征力學(xué)特性的參數(shù)呈反比。根據(jù)井下對不同單軸抗壓強(qiáng)度的巷道的變形實測結(jié)果：當(dāng)圍巖強(qiáng)度提高時，巷道頂?shù)装逡平繙p小。頂?shù)装逡平颗c圍巖強(qiáng)度有很大關(guān)系，頂?shù)装逡平繉τ趶?qiáng)度高于某一值，（如50 MPa）時，強(qiáng)度變化變對移近量影響較小，而當(dāng)強(qiáng)度低于某一值，（如30 MPa）時，隨巖強(qiáng)度的降低而急劇增加。

③圍巖結(jié)構(gòu)。煤巖體由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組成，其間存在諸多層理等節(jié)理裂隙，直接影響著巷道圍巖的整體性以及強(qiáng)度。如果結(jié)構(gòu)面越多，則結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度越低，圍巖在這種情況下極易發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的滑移和結(jié)構(gòu)體的回轉(zhuǎn)、離層、滑動、導(dǎo)致圍巖變形大、松動范圍大、穩(wěn)定性降低。

④采動影響。不同程度的采動影響劇烈程度和臨近采掘工作面與該巷道在時間和空間的關(guān)系有關(guān)。對于已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道和未穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道，前者的變形程度明顯小于后者，這是從時間上來說；在空間方面來說，最好的例子就是護(hù)巷煤柱的尺寸，多次采動影響的巷道比受一次采動影響的巷道變形大。

⑤巷道斷面形狀與尺寸。巷道穩(wěn)定性與巷道斷面尺寸有關(guān)，斷面大的穩(wěn)定性比斷面小的要差很多。如果巷道都處于相同的地應(yīng)力環(huán)境中，巷道的高寬比也對巷道的穩(wěn)定性有影響。由于高寬比不同，導(dǎo)致圍巖中產(chǎn)生不同的應(yīng)力場。在橢圓形巷道的周邊會形成一個均勻的切向壓應(yīng)力圈，該種情況下巷道最穩(wěn)定；當(dāng)寬度/高度＞側(cè)壓系數(shù)時，側(cè)幫將會出現(xiàn)較大集中切向壓應(yīng)力。

⑥巷道支護(hù)形式與參數(shù)。不合理的支護(hù)參數(shù)對支護(hù)巷道的效果較差，不能夠有效控制圍巖變形甚至破壞，支護(hù)成本也高，合理的巷道支護(hù)設(shè)計，能夠維持巷道的穩(wěn)定性。

（2）深井巷道圍巖變形與破壞特征

通過實測數(shù)據(jù)分析，米山煤業(yè)巷道圍巖變形特點如下：

①巷道圍巖變形量大。根據(jù)井下實測數(shù)據(jù)，埋深達(dá)到700 m后，巷道圍巖變形普遍較大，一般為500～1 500 mm，最大可達(dá)2 000 mm以上。如輔助進(jìn)風(fēng)石門落平段200 m，采用錨網(wǎng)支護(hù)，頂板下沉達(dá)1 000 mm以上，兩幫向內(nèi)回縮高達(dá)1 600 mm，巷道遭到嚴(yán)重破壞。

②巷道初期變形量大。深井巷道圍巖原始應(yīng)力高，且形變壓力較顯著，開挖后卸荷非常迅猛，來壓速度快，巷道掘進(jìn)過后2-3個月開始產(chǎn)生大面積嚴(yán)重變形，故大埋深高應(yīng)力軟巖巷道初始變形速率較大。如輔助運(yùn)輸石門，采用錨網(wǎng)支護(hù)，巷道掘進(jìn)后兩幫向內(nèi)回縮達(dá)1 600 mm，速度達(dá)16.34 mm/天；頂?shù)装逡平繛?00 mm，速度為7.75 mm/天；底鼓1 500 mm，見圖1。

圖1 輔運(yùn)石門表面位移觀測

③巷道圍巖變形持續(xù)時間長。深部高應(yīng)力巖體顯現(xiàn)出明顯的流變性質(zhì)，故其變形特點具有時效性，并且在時間上可分成三個階段：劇烈變形階段、緩慢變形階段和穩(wěn)定變形階段。一般情況下第一階段持續(xù)的時間較短，第二個階段持續(xù)的時間較長。穩(wěn)定變形階段，圍巖變形仍然會保持一定的變形速度，特殊情況下還會出現(xiàn)新的不穩(wěn)定形態(tài)。

④巷道圍巖變形易受擾動性。圍巖變形對應(yīng)力變化情況具有很高的敏感性，震動、鄰近巷道掘進(jìn)影響等因素都會使圍巖變形程度明顯增加。

（3）巷道錨桿支護(hù)機(jī)理分析

就目前的工程及理論而言，常常將二次支護(hù)理論應(yīng)用于復(fù)雜的、支護(hù)較困難的巷道。所謂的二次支護(hù)就是巷道整體的支護(hù)是有兩部分構(gòu)成，第一次支護(hù)的目的是先釋放掉集中于圍巖內(nèi)的形變勢能，經(jīng)過一段時間后，積聚在內(nèi)部的變形勢能得到釋放，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的里也相對減小?？墒?，該理論遇到高地應(yīng)力環(huán)境、軟弱破碎圍巖以及受強(qiáng)烈動壓影響時表現(xiàn)出顯著的不足，二次支護(hù)仍控制不了巷道變形，甚至三次、四次支護(hù)的效果也不理想，支護(hù)工作翻來覆去，但是圍巖變形長期得不到有效控制。如何能有效解決上述軟巖巷道支護(hù)的難題？ 是否存在有效的支護(hù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次支護(hù)，并取得良好效果，該技術(shù)的關(guān)鍵是什么？ 諸多問題接踵而至。通過大量的理論研究、數(shù)值模擬試驗及井下現(xiàn)場試驗逐漸形成了提高錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散效果的軟巖巷道支護(hù)理論。

全長錨固和加長錨固，可以有效地防治離層的產(chǎn)生和巖層間錯動。錨桿預(yù)應(yīng)力作用在頂板上產(chǎn)生的垂直應(yīng)力分布見圖2。

圖2 錨桿預(yù)應(yīng)力作用在頂板上產(chǎn)生的垂直應(yīng)力分布

壓應(yīng)力從托盤端至巖層內(nèi)部的錨桿末端逐漸減小，而且在錨桿中部附近的范圍其壓應(yīng)力稍大于0.04 MPa，有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散范圍增大，應(yīng)力趨于0的區(qū)域范圍逐漸縮小；在桿長的1/5附近，壓應(yīng)力減小至0.12 MPa；錨桿的端部產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力值不大，整體來看，臨近錨桿之間相互形成整體且區(qū)域相連的有效壓應(yīng)力，應(yīng)力趨于近零的區(qū)域基本消失。從另一種角度分析，錨桿之間形成的“拱”效應(yīng)和整體的錨固結(jié)構(gòu)，提高錨桿的預(yù)緊力，意味著橫向約束作用力增大，這是圍巖形成錨固結(jié)構(gòu)的必要條件。

3 破碎圍巖注漿加固優(yōu)化

3.1 圍巖中漿液擴(kuò)散機(jī)理

受到掘進(jìn)擾動和原巖應(yīng)力的影響，巷道圍巖塑性區(qū)增大，變形通常較大。如果單獨(dú)采用錨桿和錨索進(jìn)行控制，通常難以維持圍巖穩(wěn)定，且破碎圍巖錨固力低，錨桿和錨索無法有效承載，從而導(dǎo)致深部破碎圍巖巷道變形嚴(yán)重； 若受到采動的影響，巷道破壞范圍會進(jìn)一步增大，最終巷道失穩(wěn)破壞。目前，很多礦井對深部破碎圍巖通常采用二次加固進(jìn)行控制，由于二次加固不能協(xié)調(diào)承載，很難達(dá)到很好的支護(hù)效果。

基于此，本文提出了錨網(wǎng)索和注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，兩個支護(hù)技術(shù)是解決深部破碎圍巖巷道失穩(wěn)破壞的有效方法。針對永久工程加固，需嚴(yán)格控制破碎圍巖進(jìn)一步變形的要求，在使用固結(jié)強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)的水泥漿液作為主要漿液進(jìn)行注漿的基礎(chǔ)上，專門開發(fā)了低粘度、強(qiáng)滲透、高粘結(jié)力和高固結(jié)強(qiáng)度的不飽和聚酯注漿新材料。利用化學(xué)漿和水泥漿相結(jié)合的注漿加固技術(shù)，解決了水泥漿與圍巖粘結(jié)力低、微裂隙滲透困難、重新開挖易造成圍巖二次開裂的問題，使破碎圍巖整體性增強(qiáng)，大大提高了圍巖整體強(qiáng)度。水泥漿液的注漿參數(shù)對巷道圍巖的注漿效果影響很大，只有詳細(xì)分析注漿參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性的影響，才能更好的進(jìn)行注漿加固設(shè)計。并且水泥注漿是淺孔注漿，如果參數(shù)和操作不當(dāng)?shù)脑?，可能造成大范圍劈裂漏漿，使圍巖破碎狀況惡化，甚至導(dǎo)致大面積冒頂、底鼓事故。影響圍巖穩(wěn)定性的參數(shù)通常有注漿材料、注漿孔間排距、注漿壓力等參數(shù)。利用離散元數(shù)值模擬軟件，對注漿參數(shù)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。

3.2 模擬結(jié)果分析

（1）水泥漿液在圍巖中擴(kuò)散形態(tài)

圖3為注漿壓力保持在3 MPa，水灰比分別為0.5：1及1：1情況下，水泥漿液的擴(kuò)散分布規(guī)律。當(dāng)注漿壓力相同時，水灰比越小，漿液濃度越大，漿液擴(kuò)散距離越??；相反，當(dāng)水灰比增大時，漿液擴(kuò)散范圍明顯增大，這說明水泥漿液在擴(kuò)散過程中，水具有很好的輸送水泥顆粒的作用。

圖3 漿液濃度對其擴(kuò)散范圍的影響

實踐證明：水泥漿液在煤巖體裂隙中的擴(kuò)散機(jī)理非常復(fù)雜，漿液在裂隙中的擴(kuò)散具有很大的隨機(jī)性，難以進(jìn)行人工控制。當(dāng)注漿壓力較低時，裂隙沒有發(fā)生劈裂，漿液基本是按照鉆孔向四周進(jìn)行擴(kuò)散，距鉆孔越遠(yuǎn)的位置，漿液分布越少。當(dāng)注漿壓力一定時，在圍巖比較破碎的區(qū)域漿液擴(kuò)散的范圍更大，這說明裂隙、節(jié)理發(fā)育更有利于漿液的流動，尤其是巷道圍巖淺部破壞嚴(yán)重?，F(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，圍巖表層漏漿嚴(yán)重，注漿之前，最好表層進(jìn)行噴漿處理，防止注漿時漿液漏漿。

（2）注漿參數(shù)對漿液擴(kuò)散范圍的影響

漿液擴(kuò)散范圍的不同對注漿效果影響很大，必須嚴(yán)格按照漿液擴(kuò)散范圍進(jìn)行設(shè)計注漿鉆孔的間排距。目前，通常采用理論計算的方法來確定注漿鉆孔的間排距，由于地質(zhì)條件的影響，理論計算與現(xiàn)場實際通常相差較大。基于實際的工程地質(zhì)條件，對注漿參數(shù)與漿液的擴(kuò)散范圍的關(guān)系進(jìn)行研究，可以更好的確定漿液的有效擴(kuò)散半徑，從而更科學(xué)的指導(dǎo)注漿加固設(shè)計。

從圖4中可以看出，在注漿壓力為1 MPa時，水分和水泥的比例達(dá)到0.7時，水泥漿液沿著巷道圍巖切向和徑向的滲透半徑分別為0.91 m和0.42 m；而當(dāng)漿液壓力升高至2 MPa時，水泥漿液沿著巷道圍巖切向和徑向的滲透半徑達(dá)到了1.41 m和1.21 m；而當(dāng)漿液壓力升高至3 MPa時，水泥漿液沿著巷道圍巖切向和徑向的滲透半徑達(dá)到了1.71 m和1.62 m；漿液壓力從1 MPa增大至3 MPa時，漿液擴(kuò)散半徑增加了55.6%、200%。

圖4 注漿參數(shù)對水泥漿液擴(kuò)散范圍的影響

（3）注漿對圍巖應(yīng)力的影響

從圖5可以看出，對注漿加固后的圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，支護(hù)后的巷道表層圍巖的變形量明顯降低，并且巷道表層應(yīng)力得到了顯著改善，這說明圍巖淺部破碎的圍巖得到了加固，避免了圍巖進(jìn)一步向內(nèi)部破碎，提高了圍巖的完整性和整體強(qiáng)度，這從另一個方面也說明了注漿起到了很好的加固效果。

圖5 支護(hù)方式對圍巖應(yīng)力的影響

4 工程實踐

在分析巷道變形破壞原因的基礎(chǔ)上，米山煤業(yè)針對輔助運(yùn)輸石門提出了初次高強(qiáng)支護(hù)+高壓注漿加固聯(lián)合支護(hù)方案，見圖6。

圖6 輔助運(yùn)輸石門斷面支護(hù)

巷道往前掘進(jìn)100 m后，在后方巷道進(jìn)行高壓注漿。采用高壓力注漿是將已經(jīng)變形破壞的圍巖從內(nèi)部裂隙著手進(jìn)行充填、消弭，使其成為一個整體，增強(qiáng)其圍巖的承載能力，來保證支護(hù)錨桿（索）錨固力的傳遞，提高支護(hù)質(zhì)量，增強(qiáng)加固效果。支護(hù)后巷道變形監(jiān)測見圖7。巷道圍巖穩(wěn)定后，底鼓量僅6 mm左右，兩幫移近量也不超過15 mm，加固效果良好。

圖7 巷道變形位移監(jiān)測

5 結(jié)語

水泥漿液可以有效固結(jié)破碎煤巖體，從而使破碎的煤巖體固結(jié)為強(qiáng)度更高、整體性更好的結(jié)實體，并且水泥漿液還可以充填、密實煤巖體的裂隙，提高煤巖體的強(qiáng)度。在注漿加固后的煤巖體上進(jìn)行錨索支護(hù)，可以提高錨索的錨固力，有效傳遞錨索預(yù)應(yīng)力至圍巖深部，提高了錨索對圍巖的支護(hù)作用，大大降低了巷道圍巖的變形量和破壞。