緩釋、阻斷圍巖復(fù)雜應(yīng)力和增強(qiáng)軟弱圍巖強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

賀軍豪 樊俊豪

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000）

在目前煤炭市場(chǎng)極其困難的時(shí)期，為了既能使礦井生產(chǎn)成本降低，又能解決深部礦井復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巷道支護(hù)難以長(zhǎng)期穩(wěn)定的難題、通暢行人運(yùn)輸安全生產(chǎn)環(huán)境、減少巷道修復(fù)人員，項(xiàng)目針對(duì)平煤股份十礦研發(fā)“深部礦井復(fù)雜應(yīng)力緩釋阻斷和增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度”支護(hù)技術(shù)，以反復(fù)提升、改造圍巖自身強(qiáng)度；構(gòu)建多單元支護(hù)容錯(cuò)的支護(hù)體系；完善主動(dòng)、動(dòng)態(tài)的軟巖支護(hù)技術(shù)是十分必要的。根據(jù)多方考察、調(diào)研后領(lǐng)導(dǎo)研究決定：采用淮北市平遠(yuǎn)軟巖支護(hù)技術(shù)工程有限公司的“緩釋、阻斷礦井復(fù)雜應(yīng)力和增強(qiáng)軟弱圍巖強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)支護(hù)技術(shù)”進(jìn)行修復(fù)施工。

一、研究報(bào)告

（一）深部復(fù)雜高應(yīng)力巷道圍巖變形破壞特性

1.深部圍巖力學(xué)環(huán)境

深部圍巖埋藏深度大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，處于原始平衡狀態(tài)的圍巖體己經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜多變的地殼運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)、沉積作用、變質(zhì)作用等物理化學(xué)過(guò)程。泥巖、頁(yè)巖等軟質(zhì)巖石，在地質(zhì)歷史作用過(guò)程中，形成連續(xù)介質(zhì)，沉積過(guò)程中的層理差異逐漸減弱，在深部高應(yīng)力作用下存儲(chǔ)了大量的變形能，埋藏深度越大、圍巖體存儲(chǔ)的變形能越大。粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖石，在深部高應(yīng)力地質(zhì)作用過(guò)程中，由于層間填充礦物與上下層巖石組成結(jié)構(gòu)差異較大，沒(méi)有融合成連續(xù)介質(zhì)。此類(lèi)巖體層理結(jié)構(gòu)明顯，在深部高應(yīng)力作用下，填充礦物壓縮變得致密，但仍然是層間弱面，整個(gè)巖層也存儲(chǔ)了變形能，埋藏深度越大，圍巖體存儲(chǔ)的變形能越大，與軟巖相比，由于體積應(yīng)變及組成結(jié)構(gòu)的巨大差異，存儲(chǔ)的能量較小。深部圍巖力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，不僅具有淺部圍巖體固有的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力，還包含復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及其誘發(fā)的復(fù)雜應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力作用將更加明顯，高地壓、高地溫更加突出。圍巖變形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形能來(lái)源組合效應(yīng)明顯。

2.變形破壞機(jī)理

巷道開(kāi)挖是打破原始平衡狀態(tài)的卸荷過(guò)程，在此過(guò)程中，圍巖體必然經(jīng)歷應(yīng)力重新分步、調(diào)整，直至再次達(dá)到新的平衡狀態(tài)，卸荷圈作用范圍內(nèi)的圍巖體由原始的復(fù)雜受壓狀態(tài)變?yōu)槔?、剪狀態(tài)，應(yīng)力來(lái)源于兩方面：一是卸荷圈作用范圍內(nèi)的圍巖由于平衡狀態(tài)被打破，釋放的彈性變形能、剪脹擴(kuò)容能、構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)能等，這部分應(yīng)力是直接作用力;二是卸荷圈作用范圍以外巖體變形壓力導(dǎo)致的應(yīng)力，這部分應(yīng)力是圍巖體變形壓力間接傳遞作用。圍巖結(jié)構(gòu)、組成特性、破壞應(yīng)力構(gòu)成不同，破壞過(guò)程及特性不同，強(qiáng)度衰減速度不同。

3.變形破壞特征

在深部地層中，圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境中，并且由于軟巖的強(qiáng)度低，單軸飽和抗壓強(qiáng)度在5Mpa～15Mpa 之間，甚至更低。因此，圍巖變形破壞非常強(qiáng)烈。

4.破碎巖煤體支護(hù)困難分析

（1）破碎巖煤體，斷層區(qū)域，極軟弱巖煤體的本質(zhì)結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度及其它各項(xiàng)指標(biāo)都是最弱小的。所以其本身就給巷道支護(hù)帶來(lái)極大的困難。

（2）由于巖煤體的松動(dòng)導(dǎo)致錨桿的著力點(diǎn)（錨桿根部）松動(dòng)，錨桿的錨固力難以得到充分發(fā)揮。

（3）在軟弱巖煤體中采用架棚支護(hù)巷道時(shí)，支架的棚腿就插入松散破碎的巖煤體中，稍受采動(dòng)力影響支護(hù)極易失穩(wěn)，巷道斷面縮變較快，影響礦井的安全生產(chǎn)。

（4）巷道處在軟弱巖煤體中,極易冒落和片幫，加上超前采動(dòng)的水平應(yīng)力影響，形成巷道底鼓嚴(yán)重，特別影響安全生產(chǎn)。

（5）極軟弱巖煤體的巖石密度極高，孔隙率底，給注漿固化帶來(lái)特有的困難條件。

（二）影響軟巖大變形的主要因素

造成軟巖巷道圍巖變形破壞的影響因素是多方面的，既有客觀的，也有人為的，主要有以下幾個(gè)方面：

1.客觀因素

（1）巖性的影響

巖性是影響圍巖穩(wěn)定性的最基本因素，是物質(zhì)基礎(chǔ)。由于礦物組成，巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，不同巖石的物理力學(xué)性質(zhì)差別很大。依照巖石特性可將圍巖分為塑性圍巖和脆性圍巖兩大類(lèi)。塑性圍巖，主要包括各類(lèi)粘土質(zhì)巖石、破碎松散巖石以及某些易于吸水膨脹的巖石，通常具有風(fēng)化速度快，力學(xué)強(qiáng)度低以及遇水易于軟化，崩解等不良性質(zhì)，因此對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性最為不利。脆性圍巖，主要包括各類(lèi)堅(jiān)硬巖體，由于巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，故這類(lèi)圍巖的強(qiáng)度主要取決于巖體結(jié)構(gòu)，巖性本身的影響不十分顯著。而我國(guó)礦區(qū)主要分布于開(kāi)采新生界第三紀(jì)褐煤和開(kāi)采中生界上株羅紀(jì)的褐煤礦區(qū)，煤層頂?shù)装鍘r石都非常松軟破碎，易風(fēng)化，多屬于塑性圍巖，因此怕風(fēng)，怕水，怕震。

(2)上覆巖層壓力

任何地下工程都將受到上覆巖層壓力的影響，隨著開(kāi)采深度的增加，上覆巖層壓力有增大的趨勢(shì)。巷道所處地層越深，巷道所受?chē)鷰r靜壓就越大，且巷道如果不受其它因素的影響，其四周?chē)鷰r靜壓力是均勻的，因此巷道支護(hù)體的破壞總是在強(qiáng)度最薄弱的地方開(kāi)始(如直墻拱頂斷面的直墻底角處，噴層最薄處等)。

(3)采動(dòng)壓力

當(dāng)巷道支護(hù)體承載達(dá)到極限時(shí)，受采動(dòng)壓力影響，可以在兩個(gè)月內(nèi)使巷道無(wú)法正常運(yùn)輸，甚至行人困難。巷道破壞嚴(yán)重。在工作面停采或初采一個(gè)月后，不僅上下順槽被壓壞，而且距工作面停采線(xiàn)或切眼百米外上山也受壓破壞。由于軟巖在宏觀上具有一定的流體特性，相對(duì)于工作面下部的巷道受采動(dòng)壓力的影響更嚴(yán)重，巷道破壞區(qū)域總體偏下。

(4)斷層構(gòu)造的影響

穿過(guò)斷層的巷道在開(kāi)掘時(shí)壓力大，變形大，難以維護(hù)。經(jīng)卸壓后，在一段時(shí)間內(nèi)巷道相對(duì)穩(wěn)定。但一旦支護(hù)體破壞后，巷道變形很快，且在斷層下盤(pán)容易發(fā)生局部冒頂。沿?cái)鄬泳蜻M(jìn)的巷道，靠斷層側(cè)巷幫變形特別嚴(yán)重。

(5)地下水的影響

圍巖巖體中地下水的賦存、活動(dòng)狀況，既影響圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，又影響圍巖的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面中的空隙水壓力的增大能減小結(jié)構(gòu)面上的有效正應(yīng)力，因而降低巖體沿結(jié)構(gòu)面的抗滑強(qiáng)度。特別是巷道兩幫在受到地下水的作用后，支護(hù)會(huì)慢慢失效，巷道兩幫發(fā)生近似整體向內(nèi)平移的變形，巷道兩幫的移近量大于頂板下沉量。

(6)沖擊地壓

由于地震、地層活動(dòng)、巖爆、煤爆等均可能形成沖擊地壓，受沖擊地壓影響的巷道將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形或破壞。

2.主觀因素

(1)施工質(zhì)量因素

爆破掘進(jìn)中的錯(cuò)誤操作由于管理上的愿因及操作素質(zhì)問(wèn)題，“多打眼少裝藥原則”沒(méi)有得到規(guī)范實(shí)施，并且由于缺少準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以致措施中的爆破圖表難以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，結(jié)果巷道圍巖破壞，圍巖自身的承載力大大降低；同時(shí)巷道形成凸凹不平，使巷道支護(hù)力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，在這種情況下，巷道凸起的地方就會(huì)首先破壞。

(2)支護(hù)設(shè)計(jì)不合理

巷道支護(hù)形式單一不根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、巷道服務(wù)時(shí)間、巷道用途來(lái)選擇支護(hù)形式，造成巷修力量及巷修資金投入過(guò)大的被動(dòng)局面，嚴(yán)重影響了煤礦的發(fā)展。巷道斷面形式單一巷道斷面過(guò)多的采用直墻半圓拱，而沒(méi)有根據(jù)具體的地質(zhì)情況，采用多種形式。一般來(lái)講，直墻半圓拱型巷道的破壞會(huì)首先從支護(hù)薄弱的底角處開(kāi)始，使反底拱和兩幫過(guò)早破壞。支護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)不合理以錨、噴、帶聯(lián)合支護(hù)中的鋼帶為例，通常的設(shè)計(jì)往往起到反作用。當(dāng)巷道拱頂處采用鋼帶，拱頂下沉?xí)r，如果兩錨桿間距縮小，鋼帶不是受拉力，而是受壓彎曲，并將外圍噴層破壞；當(dāng)巷道平頂采用鋼帶，拱頂下沉?xí)r，鋼帶受到張拉，但兩條鋼帶在錨桿連接處對(duì)錨桿產(chǎn)生剪切力，將連接錨桿剪斷，造成此處支護(hù)體的破壞。

(3)爆破震動(dòng)

爆破產(chǎn)生的沖擊波對(duì)圍巖支護(hù)體產(chǎn)生震動(dòng)祌擊作用，當(dāng)巷道支護(hù)體承載力接近臨界值時(shí)，如果經(jīng)多次震動(dòng)沖擊，就會(huì)使本來(lái)顯得較為脆弱的支護(hù)體迅速破壞。雖然客觀條件不可以改變，但只要通過(guò)科學(xué)的施工設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工管理就可以延長(zhǎng)巷道使用壽命，避免多次返修對(duì)圍巖的破壞作用，保持巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。

二、項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）中區(qū)瓦斯專(zhuān)用風(fēng)道圍巖變形破壞特征與機(jī)理分析

十礦中區(qū)瓦斯專(zhuān)用風(fēng)道位于-320 水平中部采區(qū)，巷道全長(zhǎng)790 米。巷道的層位位于戊8 煤層的頂板之上，巷道底板距戊8 煤層的頂板8～10m。該巷道采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。戊8 煤層直接頂是砂質(zhì)泥巖，由于受附近回采動(dòng)壓的影響較大，本次試驗(yàn)地點(diǎn)巷道曾多次擴(kuò)修，開(kāi)幫、拉底，背金屬四節(jié)拱形棚子，在巷道圍巖中形成一個(gè)很大的松動(dòng)圈。巷道松動(dòng)圈的范圍，已經(jīng)超過(guò)了錨桿錨固長(zhǎng)度，致使巷道基本上處于“裸體”狀態(tài)，由于錨桿錨固功能的減弱、消退，引起巷道變形加速。2012 年還在該區(qū)域試驗(yàn)了“D 型管”支護(hù)，也未達(dá)到預(yù)期效果。從現(xiàn)場(chǎng)觀察看到，巷道的變形狀況因圍巖巖性的不同而呈現(xiàn)較大的差別，部分區(qū)段變形量較小，但大部分區(qū)段變形嚴(yán)重，尤其是受采動(dòng)影響的區(qū)段，不僅強(qiáng)烈底鼓，而且兩幫產(chǎn)生大變形。頂板與肩部產(chǎn)生了嚴(yán)重的壓剪破壞，直墻部分出現(xiàn)了貫通性裂縫，裂縫最寬達(dá)到50mm。

（二）注漿漿液選擇

注漿材料的選取主要考慮下列原則：漿液的結(jié)石體最終強(qiáng)度高；漿液結(jié)石率高，與煤巖具有良好的粘附性；漿液流動(dòng)性好，配比易調(diào)；漿液具有足夠的穩(wěn)定性，漿液成本低廉無(wú)毒無(wú)味。實(shí)踐證明，高強(qiáng)度水泥是性能好，材料來(lái)源廣泛，價(jià)格合理的漿液主材料。所以注漿材料采用525＃以上的水泥來(lái)制作漿液。

1.按高標(biāo)號(hào)水泥（525 號(hào)）設(shè)計(jì)：除有淋水外一般不加速速凝劑，以確保漿液凝固后的長(zhǎng)期強(qiáng)度。

2.漿液水灰比，第一次注漿漿液配比取 水泥：水為：1：06～7；第二次注漿漿液配，應(yīng)略小于一次注漿漿液濃度；取水泥：水為：1:0.7～09。

3.漿液應(yīng)采用機(jī)械攪拌，以保證漿液攪拌力度；人工攪拌力度以測(cè)定漿液濃度和粘度來(lái)保證。

4.漿和漿液要慮盡渣滓，確保注漿效果。

（三）壓注漿液擴(kuò)散形態(tài)分析

但就現(xiàn)實(shí)情況也或多或少地反映出一定關(guān)系，就上述注漿擴(kuò)散半徑公式及注漿時(shí)間表達(dá)式可知，漿液擴(kuò)散半徑和注漿時(shí)間及注漿壓力之間存在密切的關(guān)系。在注漿壓力一定的條件下，注漿時(shí)間越長(zhǎng)漿液的擴(kuò)散半徑就越大；反之，就越小。據(jù)實(shí)際分析，注漿時(shí)間與注漿量、漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系。

（四）注漿參數(shù)

1.漿液擴(kuò)散半徑

漿液在巖石裂隙中擴(kuò)散凝結(jié)后，能起到堵水或加固作用的范圍通常用擴(kuò)散半徑來(lái)表示。漿液在巖石裂隙中的擴(kuò)散，實(shí)際上是不規(guī)則的，它隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙寬度、注漿壓力、注入時(shí)間的增加而增大；隨著漿液濃度和粘度的增加而減小。通常以調(diào)節(jié)注漿壓力，漿液注入量和濃度等參數(shù)來(lái)控制漿液擴(kuò)散范圍的大小，一般要求其擴(kuò)散半徑在0.8～1.0m 以上。根據(jù)此巷現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，錨注孔排距超過(guò)1000mm 時(shí)，漿液滲透力降低約20%，錨注孔排距超過(guò)1200mm 時(shí)，漿液滲透力降低約30%，當(dāng)錨注孔超過(guò)1500mm 時(shí)，漿液滲透力只有約30%。

2.注漿壓力

（1）第一次注漿終壓可控制在20～25／公斤（2.0～2.5MPa）。

（2）底角的注漿壓力要高于頂板和邦部注漿錨桿的壓力一般控制在20～30 公斤（2.0～3.0MPa）。

（3）第二次注漿壓力應(yīng)高于第一次注漿壓力，注漿終壓可控制在 25～30 公斤（2.5～3.0MPa）。

3.注漿量

由于試驗(yàn)巷道圍巖吸漿量差別較大，所以本著既有效地加固圍巖達(dá)到一定的擴(kuò)散半徑，又要重視噴層的抗壓強(qiáng)度和注漿時(shí)間的原則。

（1）第一次注漿量可控制在4～6 袋水泥；（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巷道位移狀態(tài)及打眼遇到特殊情況，以不跑漿為限制可適當(dāng)提高注漿量）。

（2）第二次注漿量一般可控制在3～4 袋水泥，但壓力達(dá)不到注漿終壓要求應(yīng)以滿(mǎn)足注漿壓力要求為止。

4.注漿時(shí)間

注漿時(shí)間一般取決于進(jìn)漿量和注漿終壓的要求應(yīng)以滿(mǎn)足，當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和進(jìn)漿量過(guò)大；一要查明原因，是否有跑漿、漏漿的情況；原因不能找到，也可停注一段時(shí)間后在對(duì)此段巷道復(fù)注。為了防止注漿在弱面漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn)，造成跑漏現(xiàn)象，在控制注漿壓力和注漿量的同時(shí)，必須控制注漿時(shí)間，使注漿時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)、也不能太快以盡可能地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓注漿。根據(jù)實(shí)際情況在作業(yè)規(guī)程中規(guī)定，可按20～30 分鐘注一個(gè)孔進(jìn)行要求。

三、項(xiàng)目應(yīng)用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

緩釋、阻斷礦井復(fù)雜應(yīng)力和增強(qiáng)軟弱圍巖強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)支護(hù)技術(shù)由于構(gòu)成了多層次、多單元的噴層組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱和漿液擴(kuò)散組合拱等多層組合拱結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)較大的承載結(jié)構(gòu)，增加了承載結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，從而使巷道變形量明顯減少，基本滿(mǎn)足了巷道安全使用的要求。同等條件下與其他支護(hù)相比，改善了井下作業(yè)環(huán)境，節(jié)省了大量的巷道維修費(fèi)用，相對(duì)地提高了巷道綜合單進(jìn)水平，也提高了工效。