“支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)技術(shù)在圍巖控制中的應(yīng)用

劉玉衛(wèi)，商鐵林，劉應(yīng)然，張亞峰龔 劍

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450044；2.鄭煤集團(tuán) 工程技術(shù)研究院, 河南 鄭州 450042；3.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

隨著礦井開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，開(kāi)采深度不斷增加，開(kāi)采條件也變得越來(lái)越復(fù)雜，尤其是大埋深、復(fù)雜構(gòu)造及采動(dòng)應(yīng)力等疊加應(yīng)力影響，給巷道支護(hù)帶來(lái)了極大的困難。目前的巷道支護(hù)方式很難保證巷道的穩(wěn)定。巷道支護(hù)的不穩(wěn)定，首先影響到巷道的施工速度和施工安全，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害，過(guò)去普遍采用金屬支架或U型+錨索等主被動(dòng)支護(hù)[1]來(lái)解決巷道支護(hù)的問(wèn)題，但對(duì)復(fù)雜條件的圍巖巷道來(lái)說(shuō)并不適用。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了多方面研究，靖洪文等人[2]提出了“三錨”支護(hù)技術(shù)，即對(duì)深埋巷道通過(guò)錨噴、錨注和錨索耦合作用使其形成一個(gè)穩(wěn)定的承載圈。張農(nóng)等[3]經(jīng)過(guò)研究提出了以錨桿、錨索、注漿等為主體的整體封閉式支護(hù)技術(shù)。楊本生等[4]利用相似模擬試驗(yàn)提出了巷道連續(xù)雙殼加固技術(shù)，即淺孔注漿(淺殼)、深孔錨索束注漿(深殼)，來(lái)控制圍巖變形。

國(guó)內(nèi)近些年軟巖支護(hù)技術(shù)主要是圍繞錨桿展開(kāi)多種組合支護(hù)研究，如“三高一低”強(qiáng)力支護(hù)、耦合支護(hù)技術(shù)、注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、協(xié)同支護(hù)技術(shù)等[5]。而國(guó)外支護(hù)呈多樣性。美、澳國(guó)采用錨桿+額外補(bǔ)強(qiáng)，英國(guó)采用全長(zhǎng)樹(shù)脂錨固，德國(guó)道采用“錨桿+拱形支架”組合支護(hù)，波蘭“拱形支架+錨桿”等，這為我國(guó)軟巖支護(hù)理論完善、多元化發(fā)展特別是深部圍巖控制帶來(lái)了有益的啟發(fā)[5]。

1 協(xié)同作用中的支與護(hù)

協(xié)同概念由德國(guó)科學(xué)家Hermann Haken在1971年提出，并于1976年對(duì)該理論進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，主要指兩個(gè)或兩個(gè)以上不同資源的相互協(xié)調(diào)或能夠協(xié)調(diào)一致地完成某一目標(biāo)的過(guò)程或能力[6]。在圍巖支護(hù)方面，借鑒了協(xié)同理念將圍巖支護(hù)理論、錨固理論、圍巖承載機(jī)理等理論[7]相互組織在了一起，開(kāi)展地下空間支護(hù)方面的研究。

1.1 “支”的協(xié)同作用

1) 錨桿與錨索的協(xié)同。錨桿與錨索的協(xié)同主要通過(guò)預(yù)應(yīng)力為橋梁紐帶。將高強(qiáng)度錨桿的預(yù)應(yīng)力與錨索預(yù)應(yīng)力相適應(yīng)，使之相互搭配形成整體作用，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

經(jīng)李元等人[8-9]研究可知：錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力匹配有一個(gè)合理區(qū)間范圍，錨桿預(yù)應(yīng)力40 kN時(shí)，錨索在140～160 kN的支護(hù)效果較好；錨桿增強(qiáng)到60 kN以上、錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)180～230 kN時(shí)可將巷道收斂率控制在10%以內(nèi)，巷道支護(hù)效果差別也不大。一般預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)是錨桿應(yīng)力的3～4倍為宜，二者配合較好。

錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力協(xié)同作用可以控制圍巖早期的變形，減小甚至消除由于巷道開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖弱面。所以高強(qiáng)錨桿必須與預(yù)應(yīng)力相結(jié)合，錨桿的預(yù)應(yīng)力必須與錨索的預(yù)應(yīng)力相結(jié)合，只有它們之間相互合理匹配，避免錨桿或錨索單獨(dú)承載，才能使錨桿、錨索的個(gè)體作用達(dá)到最大，并產(chǎn)生協(xié)同支護(hù)作用的效果[5]。

錨桿與錨索的協(xié)同作用可以有效地控制圍巖的早期變形。錨桿預(yù)應(yīng)力只有與錨索預(yù)應(yīng)力合理匹配，才能使錨桿或錨索不單獨(dú)受力，使之發(fā)揮最大的合力，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

2) 錨桿、錨索與圍巖的協(xié)同[5]。錨桿和錨索的協(xié)同是通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨桿的淺部加固和預(yù)應(yīng)力錨索深部懸吊作用協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨桿軸向圍壓的作用提高了破碎圍巖的殘余強(qiáng)度，增大了圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；通過(guò)桿體橫向抗剪作用提高了圍巖弱面的抗剪強(qiáng)度；再通過(guò)錨索的懸吊作用，最終將頂板錨桿作用下形成的較完整的淺部松動(dòng)區(qū)巖石懸吊于深部穩(wěn)定的巖層，提高了圍巖的整體承載能力。

1.2 “護(hù)”的作用機(jī)理

1) 噴射混凝土作用?；炷羾妼釉谥ёo(hù)中有顯著的作用，其作用機(jī)理有以下幾點(diǎn)[12]：①保護(hù)圍巖表面防止風(fēng)化和防水；②噴層與圍巖粘結(jié)密貼能改善圍巖表面受力狀態(tài)；③填平表面凹處補(bǔ)強(qiáng)裂隙，提高粘結(jié)力，緩解應(yīng)力集中；④初期支護(hù)力能防止圍巖松動(dòng)過(guò)快發(fā)生大變形；⑤能間接提高圍巖環(huán)向應(yīng)力，增強(qiáng)組合拱支撐能力；⑥噴層能承載一定的塑性變形起到“卸載”作用。

2) 鋼筋網(wǎng)護(hù)表作用。鋼筋網(wǎng)護(hù)表作用主要體現(xiàn)在：①同噴射混凝土一起作用，防止出現(xiàn)收縮裂縫；②金屬網(wǎng)將錨桿錨索串聯(lián)在一起，提高了支護(hù)的整體性能；③能使噴層應(yīng)力均勻分布，防止圍巖出現(xiàn)局部破壞；④能增強(qiáng)噴層柔性，防止噴射混凝土噴層開(kāi)裂；⑤金屬網(wǎng)能防止巷道頂板松碎巖塊脫落和片幫。

2 支護(hù)固的協(xié)同效應(yīng)關(guān)系

2.1 錨注到“固”的形成

1) 淺部加固圈的形成機(jī)理。針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，易造成圍巖破碎、變形、蠕變、流變、支護(hù)壓力增大等情況，把巖體中松軟破碎及在外力作用下松動(dòng)的巖石用噴射混凝土予以置換，再結(jié)合錨桿和注漿，把淺部原來(lái)非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性的巖體構(gòu)建成抗壓、抗拉、抗剪能力都提高的較均質(zhì)、同性、連續(xù)的高強(qiáng)度新巖體形成淺部加固圈。

2) 深部加固圈的形成機(jī)理。當(dāng)圍巖松動(dòng)圈較大時(shí)，破裂范圍大于錨桿長(zhǎng)度，單靠錨桿無(wú)法錨定破碎圍巖。當(dāng)巷道斷面較大時(shí)，拱基線以上的破碎圍巖，錨桿支護(hù)的組合拱強(qiáng)度效應(yīng)不明顯，不能維持圍巖的穩(wěn)定。在膨脹過(guò)程中，錨固范圍外的深部裂隙巖體對(duì)巖體和錨桿施加較大的剪切力，往往導(dǎo)致錨桿擠壓、錨桿破碎、圍巖松動(dòng)、垮落，最終導(dǎo)致頂板垮落事故[12]。因此，充分利用松動(dòng)圈外相對(duì)穩(wěn)定巖體一起抵抗圍巖變形，為圍巖內(nèi)側(cè)提供應(yīng)力和位移約束，通過(guò)錨注和預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同作用，限制圍巖變形，改變松動(dòng)圈內(nèi)圍巖松散破碎、完整性差的狀況，提高圍巖的完整性和強(qiáng)度，使破碎圍巖與深部完整巖體形成有機(jī)整體，形成深部加固圈。

2.2 支-護(hù)與注漿加固的協(xié)同

根據(jù)單支護(hù)理論，錨桿支護(hù)是通過(guò)錨桿的作用，將破碎巖體組合成組合拱或梁，從而提高圍巖的支撐能力[13]；而錨索支護(hù)是通過(guò)在大跨度截面增加錨索來(lái)達(dá)到減跨和懸吊的目的；噴混凝土是對(duì)圍巖表面進(jìn)行封閉加固，防止風(fēng)化，進(jìn)水；注漿加固是將水泥漿充填圍巖裂隙區(qū)來(lái)提高松散破碎巖體的殘余強(qiáng)度，改善了力學(xué)性能和支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性[13-14]。

由前述可知，錨桿和注漿能在巷道圍巖淺部形成一定厚度的加固圈，而在深部松動(dòng)圈范圍內(nèi)，通過(guò)注漿和錨索再形成深部加固圈，錨索把加固圈錨在深部巖體中，使之形成共同的承載能力，最終形成“支-護(hù)-注”的協(xié)同作用關(guān)系。

2.3 “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

1) 預(yù)留空隙技術(shù)。根據(jù)巷道斷面設(shè)計(jì)，施工時(shí)提前預(yù)留擴(kuò)展變形空間，即”預(yù)空”，預(yù)空范圍控制在設(shè)計(jì)斷面的10%～15%.預(yù)留空隙能促使巷道在成巷后，復(fù)雜疊加應(yīng)力的釋放，對(duì)具有流變和膨脹性軟弱巖體巷道支護(hù)十分必要，也為下一步封層提供良好的基礎(chǔ)。

2) 噴漿封層技術(shù)。巷道開(kāi)挖后，通過(guò)噴漿在巷道圍巖表面先形成膠結(jié)護(hù)層，然后施工錨桿，進(jìn)行掛網(wǎng)，以鋼絲網(wǎng)為筋骨，間距350 mm×350 mm，使其高強(qiáng)密貼于圍巖表面，進(jìn)行噴漿封層，封層的初次噴漿厚度一般不小于80 mm，第一層次封層就要達(dá)到較高的承載力，多次噴層形成強(qiáng)韌的組合承載體。

3) 混凝土置換技術(shù)。對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下圍巖破碎、蠕變、流變的巷道，采取針對(duì)性措施把巖體中在外力作用下極松軟破碎的巖石部分，用噴射混凝土予以置換。實(shí)際操作中，巷道底板和幫腳是置換的重點(diǎn)，幫腳是圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的集中區(qū)，也是巷道支護(hù)中最薄弱的地方，深挖巷道兩底腳，留出空間釋放應(yīng)力可起到卸壓的作用，然后再噴施混凝土填充，即用混凝土置換此處不穩(wěn)定的軟巖。

4) 均布注漿技術(shù)。均布注漿就是通過(guò)深、淺注漿孔和被注加固巖體巖性相匹配的注漿材料對(duì)松動(dòng)巖體進(jìn)行適時(shí)注漿，使被加固的松動(dòng)巖體應(yīng)力趨于均勻分布，圍巖趨于均質(zhì)同性，結(jié)構(gòu)趨于整體承載。注漿錨桿一定要深封孔，封孔深度一般不小于600 mm，封孔長(zhǎng)度不小于200 mm，底腳注漿壓力要高于頂部和幫部，一般控制在2.5～3.5 MPa，第一次注漿，終壓控制在1.5～2.5 MPa，二次注漿壓力要大于第一次，使注漿漿液的擴(kuò)散半徑能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。為確保底板的注漿效果，實(shí)現(xiàn)底鼓控制的目標(biāo)，特別要做到加強(qiáng)底腳混凝土噴漿層，保證巷道幫腳的基礎(chǔ)深度向幫外側(cè)延伸300 mm以上，并加大底腳的注漿壓力，調(diào)整好底腳注漿漿液的粘度，穩(wěn)壓注漿。

3 工程中的應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)條件

以鄭州礦區(qū)楊河煤業(yè)軌道運(yùn)輸大巷為研究對(duì)象，31水平軌道運(yùn)輸大巷主要布置于L7灰?guī)r及下部的砂質(zhì)泥巖中，上距二1煤層距離為23 m。

3.2 支護(hù)參數(shù)確定

原支護(hù)如圖1所示。①巷道設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面為18.8 m2，凈斷面為16.1 m2，斷面凈高為3 930 mm，凈寬為4 700 mm，其中墻高為1 800 mm，拱部?jī)舾邽? 350 mm，基礎(chǔ)深度為100 mm。②支護(hù)方式：錨網(wǎng)(索)+噴漿支護(hù)。③錨桿規(guī)格：D20 mm×2 000 mm，間排距700 mm×700 mm，三花布置，每孔裝樹(shù)脂藥卷2卷；托盤(pán)規(guī)格10 mm×100 mm×100 mm，錨固力符合設(shè)計(jì)要求(≥50 kN)；金屬網(wǎng)規(guī)格D6.5 mm×1 000 mm×2 000 mm，搭接長(zhǎng)度100 mm，12號(hào)鐵絲每200 mm綁扎1道。噴射混凝土標(biāo)號(hào)為C15，厚度120 mm。④錨索間排距為3 000 mm×3 000 mm，錨索長(zhǎng)為6 000 mm，直徑為15.24 mm，托盤(pán)規(guī)格為：300 mm×300 mm×10 mm。

圖1 巷道原支護(hù)方式(mm)

3.3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1) 支護(hù)參數(shù)。①錨桿參數(shù)選擇。錨桿采用左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格：D22 mm×2 200 mm加長(zhǎng)錨固，預(yù)應(yīng)力100 kN；頂板和兩幫采用加長(zhǎng)錨固，用Z2355樹(shù)脂錨固劑2卷，錨固長(zhǎng)度1 m；錨桿的間排距也取700 mm×700 mm。②錨注材料的選擇。注漿錨桿選用外徑22 mm，壁厚3.0 mm冷拔無(wú)銹鋼管，長(zhǎng)度2 500 mm；為便于注漿，在錨桿上鉆有交叉布置的D6 mm出漿孔；錨桿端部切有M22細(xì)牙螺紋，螺紋長(zhǎng)30 mm。注漿孔布置間距700 mm，排距1 400 mm。③錨索、注漿錨索材料的選擇。普通錨索規(guī)格：D17.8 mm×8 000 mm，強(qiáng)度1 860 N/mm2，最低破斷荷載353 kN，1支K2850樹(shù)脂錨固劑，3支Z2850樹(shù)脂錨固劑，錨索間排距1 400 mm。注漿錨索選用高強(qiáng)度螺旋肋預(yù)應(yīng)力錨索，規(guī)格D22.6 mm中空注漿錨索，極限破斷強(qiáng)度420 kN，長(zhǎng)度選取8 000 mm，兩底角設(shè)置錨索各1根，下扎30°?；炷练垂绊艔?qiáng)度等級(jí)C20，支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)方案(mm)

2) “支-護(hù)-注”協(xié)同錨固優(yōu)化設(shè)計(jì)。①“支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)技術(shù)試用的范圍：跨度大于5 m的Ⅲ類(lèi)圍巖巷道；Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖巷道；斷面在15 m2以上的巖石巷道；跨度大于5 m的硐室；穿越破碎帶的巖石巷道；復(fù)修巷道且圍巖松動(dòng)圈大于1 m以上等類(lèi)型的巷道。②深淺搭配注漿原理。根據(jù)實(shí)測(cè)的圍巖松散破碎情況，針對(duì)破碎延伸帶3.5～10 m范圍的巷道，實(shí)施深淺部裂隙巖體交叉、組合均布注漿技術(shù)。先用“自固、內(nèi)自閉注漿錨桿”進(jìn)行全斷面淺部注漿(注漿擴(kuò)散范圍在3.5～5 m)，待淺部圍巖得到有效加固后，再實(shí)施中空注漿錨索進(jìn)行深部注漿加固[8]。淺孔注漿采用高性能單液水泥-水玻璃漿液，強(qiáng)度不低于20 MPa；深孔注漿采用高滲透、高強(qiáng)水泥漿液，強(qiáng)度不低于30 MPa。③底腳注漿錨桿[15]。規(guī)格同頂板注漿錨桿，間距700 mm×700 mm，排距1 500 mm；距離底板高度不超過(guò)100 mm，下扎30～45°。④?chē)娚浠炷粒撼鯂姾穸?0～80 mm，復(fù)噴厚度50～70 mm，強(qiáng)度等級(jí)C20。

4 支護(hù)效果驗(yàn)證

在31水平軌道運(yùn)輸大巷實(shí)施新的支護(hù)方案后，布置3組觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。曲線表明，在采用優(yōu)化方案后，巷道變形速率明顯降低，并在較短的時(shí)間內(nèi)圍巖變形趨于收斂，底鼓量和兩幫收斂量也得到明顯的控制，新方案取得良好的支護(hù)效果，如圖4所示。

圖3 巷道新支護(hù)方案的變形曲線

圖4 支護(hù)效果

5 結(jié) 語(yǔ)

1) “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)技術(shù)的核心是預(yù)留空隙、封層置換和均布注漿技術(shù)的協(xié)同配合使用。充分發(fā)揮圍巖的自承能力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和適應(yīng)性，提高圍巖的整體性和自承載能力。

2) 當(dāng)錨桿與錨索產(chǎn)生協(xié)同效果時(shí)，圍巖收斂性明顯減小，應(yīng)力分布均勻改善了巷道周?chē)膽?yīng)力集中。結(jié)果表明，當(dāng)錨索施加3～4倍錨桿預(yù)應(yīng)力時(shí)具有較好的協(xié)同效應(yīng)。

3) “支-護(hù)-注”協(xié)同支護(hù)的原則是優(yōu)化斷面，提前加大松散圍巖的清理力度，合力擴(kuò)大巷道的毛斷面，預(yù)留變形空間，對(duì)于含膨脹底軟地段，考慮底板實(shí)施反拱措施。著重加強(qiáng)兩幫肩腳的控制，維護(hù)頂板和底板的穩(wěn)定。

4) 對(duì)強(qiáng)流變、膨脹性軟巖，要及時(shí)封閉圍巖表面，做好防水措施，加強(qiáng)防護(hù)。重視錨桿、錨索的預(yù)應(yīng)力，增強(qiáng)其與圍巖加固圈的共同協(xié)同支護(hù)能力。