高應(yīng)力軟巖巷道三環(huán)支護(hù)與灌漿支護(hù)技術(shù)初探

魏海礁

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

引言

某礦巷道處在多條巷道的交叉點，其中一側(cè)煤層均屬于近距離煤層，巷道的埋深在850 m 左右。由于擾動產(chǎn)生的應(yīng)力場與原始應(yīng)力場相互疊加，所以該巷道的應(yīng)力情況十分復(fù)雜，有嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題，尤其是垂直方向應(yīng)力可以達(dá)到18 MPa 以上，是典型的高應(yīng)力加軟圍巖巷道。圍巖的巖性以軟弱巖層為主，在遇水以后將發(fā)生明顯的膨脹，帶來很大膨脹壓力。該巷道支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索噴。

1 圍巖變形機(jī)制

1.1 該巷道圍巖變形主要有以下特征

1）圍巖的實際變形量較大，且變形速率也很快。在巷道掘進(jìn)開始后，初期收斂速度可以達(dá)到60 mm/d，使頂板嚴(yán)重下沉并伴有一定程度的底鼓，且兩幫也向外鼓出。

2）由于圍巖在遇水后發(fā)生膨脹且發(fā)生泥化，所以會使變形明顯加劇。在圍巖當(dāng)中含有很多黏土礦物，遇水后體積大幅增加，導(dǎo)致軟化與泥化[1]。

3）支護(hù)構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的失效。巷道兩幫與頂板等位置的支護(hù)構(gòu)件都出現(xiàn)了不同程度的失效情況，如頂板和兩幫設(shè)置的金屬網(wǎng)兜產(chǎn)生撕裂等，導(dǎo)致部分位置的巖石發(fā)生垮落。

4）圍巖結(jié)構(gòu)松散且破碎。通過現(xiàn)場打孔探測可知，圍巖松動圈實際覆蓋范圍可以達(dá)到2.3 m～3.8 m，已經(jīng)超過了錨桿有效錨固范圍，無法發(fā)揮預(yù)期的支護(hù)效果。

1.2 該巷道圍巖變形產(chǎn)生機(jī)理

1）圍巖自身強(qiáng)度較低。如前所述，圍巖的巖性主要為軟弱巖層，節(jié)理與裂隙均發(fā)育，使圍巖結(jié)構(gòu)松散，承載力低。在實驗室中通過對巖樣的分析可知，巖石中黏土礦物實際含量很高，遇水后很容易發(fā)生膨脹，同時產(chǎn)生一定膨脹壓力，使巷道的變形加劇。

2）受采動干擾較大，產(chǎn)生十分復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境。該巷道不僅與煤層距離較近，而且還出在交叉點，頻繁的擾動產(chǎn)生的應(yīng)力與原始應(yīng)力相互疊加，導(dǎo)致巷道應(yīng)力環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況[2]。

3）對支護(hù)參數(shù)的選擇不合理。原支護(hù)體系的錨桿長度為2.5 m，按照800 mm 的間距與排距進(jìn)行布置；錨索長度為6 m，按照1200 mm 的間距與排距進(jìn)行布置。在這種情況下，錨桿與錨索自身承載性能難以得到最大限度的發(fā)揮，并且對頂板和兩幫的底角也沒有加強(qiáng)支護(hù)，導(dǎo)致這些區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，最終使巷道失穩(wěn)。

4）圍巖的泥化情況比較嚴(yán)重。頂板與兩幫都有較為嚴(yán)重的滲水情況，加之圍巖的巖性主要是黏土礦物，和滲水長時間接觸以后，圍巖自身強(qiáng)度與承載力都會大幅降低。另外，黏土礦物遇水后泥化，導(dǎo)致圍巖自身承載力進(jìn)一步降低[3]。

5）底板和底角都沒有進(jìn)行有效的加強(qiáng)支護(hù)。完成對巷道的開挖以后，其底板處在完全敞開的狀態(tài)，沒有任何支護(hù)，是最薄弱的環(huán)節(jié)之一，加之受到頂板淋水與積水持續(xù)作用，使底板出現(xiàn)變形，并加重了頂板和兩幫變形，最終導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2 三環(huán)支護(hù)

巷道開挖前，其圍巖處在原始應(yīng)力狀態(tài)中，周圍是彈性區(qū)，開挖使原始應(yīng)力被破壞后，徑向受力將變成零，使圍巖從之前的三個方向受力突然變成兩個方向受力，徑向束縛作用消失。圍巖的應(yīng)力在從三方向受力逐步改變，最終變回到初始狀態(tài)。此過程中，處在應(yīng)力集中區(qū)的巖體將產(chǎn)生破碎，形成大量的空隙與裂隙，在相對完整的地方形成塑性區(qū)，而原狀態(tài)區(qū)依然為彈性區(qū)。對此，在支護(hù)過程中應(yīng)提高破碎區(qū)與塑性區(qū)兩個區(qū)域的完整性，使其發(fā)揮出良好的承載能力，以增加圍巖的強(qiáng)度[4]。

在巷道成型后，其圍巖包含三個環(huán)體，即加固環(huán)、承載環(huán)與支撐環(huán)。其中，加固環(huán)處在最外面，向內(nèi)依次是承載環(huán)與支撐環(huán)。巷道深部可通過注漿錨索的應(yīng)用在支撐環(huán)以外形成一個深層加固環(huán)；對巷道圍巖表面予以支護(hù)的過程中，應(yīng)預(yù)留縫隙進(jìn)行注漿，在注漿材料達(dá)到凝固后形成一個可靠的天然支撐，提供足夠工作阻力。支撐和加固環(huán)的中間采用錨桿支護(hù)，提供可靠的承載作用，通過錨桿的設(shè)置使該部位圍巖形成一個完整的整體，提高完整度，進(jìn)而增加承載力。

3 灌漿支護(hù)

3.1 支護(hù)原理

當(dāng)圍巖巖性良好，有很高承載力時，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行支護(hù)即可保證巷道的穩(wěn)定性，但對該巷道而言，不僅節(jié)理裂隙發(fā)育，而且伴有嚴(yán)重的滲水，圍巖屬于高應(yīng)力軟巖，所以只采用傳統(tǒng)方法根本無法達(dá)到要求。使圍巖有良好的完整性、提高圍巖強(qiáng)度與承載力，防止受到水的侵蝕，是使巷道保持穩(wěn)定的關(guān)鍵。因此，可采用灌漿技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，這項支護(hù)技術(shù)的基本原理為：

1）在巷道的斷面拓展到設(shè)計斷面以后，在支架和圍巖之間保留寬度為300 mm～500 mm 的縫隙，用于灌漿。漿液灌入后，在圍巖中的裂隙與空隙中發(fā)生擴(kuò)散，直到貫穿整個圍巖所有裂隙，形成互相聯(lián)通的整體結(jié)構(gòu)，以此提高圍巖自身殘余強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角，抑制圍巖惡化。

2）通過灌漿能縮減圍巖松動圈，由于支護(hù)難度和松動圈大小有關(guān)，所以通過灌漿還能降低支護(hù)難度，使圍巖最大限度發(fā)揮出自身的承載作用，保證巷道穩(wěn)定性[5]。

3）漿液能封堵填充圍巖中導(dǎo)水裂隙，避免圍巖受到水的侵蝕。

4）灌入的漿液達(dá)到硬化之后可以形成承載能力很高的支護(hù)結(jié)構(gòu)，和支架協(xié)同作用，如果巷道周圍的來壓很大或巷道產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，則兩者都可以提供很高工作阻力，防止圍巖從巷道中擠出，控制圍巖變形[6]。

3.2 支護(hù)方案與技術(shù)參數(shù)

借助萬能試驗機(jī)對不同配比的漿液進(jìn)行各項力學(xué)性能的測試，主要采用以下五種配比（份數(shù)比）：1#：水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4；2#：水泥∶沙子∶水=2∶3∶0.8；3#：水泥∶沙子∶水=1∶4∶1.2；4#：水泥∶沙子∶水=1∶2∶0.4；5#：水泥∶沙子∶水=2∶3∶1.6。每組配比都進(jìn)行4 次測試，不同配比對應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度，如表1 所示。

從表1 結(jié)果可以看出，不同配比漿液單軸抗壓強(qiáng)度完全不同，具體要根據(jù)實際地質(zhì)條件結(jié)合施工要去來選擇適宜的配比。

表1 不同配比對應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度MPa

以軟巖巷道變形產(chǎn)生原因與變形特點為依據(jù)，在灌漿支護(hù)基礎(chǔ)上，采用錨桿、錨索、灌漿與雙U 型鋼相結(jié)合的支護(hù)方案，該方案的具體參數(shù)包括：

1）為最大限度發(fā)揮錨桿具有的限制淺層圍巖變形發(fā)生的能力，將頂幫部位的錨桿長度增加到2 500 mm，按800 mm 的間距與排距進(jìn)行布置，每排共設(shè)置15 根錨桿[7]。

2）錨索為預(yù)應(yīng)力錨索，按照1 200 mm 的間距與排距進(jìn)行布置，每排共設(shè)置5 根錨索。

3）支架使用U 型可伸縮式支架，按800 mm 的棚距布置。

4）灌漿的漿液采用1∶3∶0.4 的質(zhì)量配比。

4 結(jié)語

綜上所述，該高應(yīng)力軟巖巷道的圍巖強(qiáng)度很低，且自穩(wěn)性差，應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，導(dǎo)致巷道圍巖變形。根據(jù)該巷道圍巖變形特征及產(chǎn)生機(jī)理，在三環(huán)支護(hù)基礎(chǔ)上提出錨桿、錨索、灌漿與雙U 型鋼相結(jié)合的支護(hù)方案，通過理論計算與數(shù)值模擬得出，該支護(hù)方案對應(yīng)的極限載荷比圍巖荷載略大，可提供良好的支護(hù)反力，使巷道圍巖保持穩(wěn)定。根據(jù)井下試驗結(jié)果可知，支護(hù)完成45 d 后，巷道圍巖變形開始趨于穩(wěn)定，頂板、底板與兩幫產(chǎn)生的最大變形都在100 mm以內(nèi)，實際變形量處在可控范圍之內(nèi)，有效解決了該巷道支護(hù)問題。