深部软岩巷道注浆补强支护应用

浅论深部软岩巷道注浆补强支护应用

[摘要]：正令煤业大巷为深部软岩巷道，围岩松散破碎，围岩中含有大量膨胀性矿物质。在分析了巷道破坏原因的基础上，提出了锚网索喷注联合支护的施工方案，并进行了工业性试验。试验表明，该技术支护效果良好，并取得可观的经济效益。 [关键词]：深部 软岩 补强 支护 应用

中图分类号：td853.392 文献标识码：td 文章编号：1009-914x（2012）26-0266-03

正令煤业地质构造复杂，为典型的“三软”煤岩层，软岩分布范围较广，地应力大。矿井由于受构造应力、工程扰动力、膨胀应力以及煤层埋藏深（约700m）等的影响，围岩应力成倍急剧增长，巷道变形非常大，采用一般地支护方式很难达到支护强度，巷道需反复维修，方能满足服务年限。为了彻底解决这一难题，我矿参照国内外软岩支护的先进经验，经多次考察、论证，根据正令煤业实际情况，提出了锚网索喷注浆联合支护新工艺。 一、矿井地质条件 （一）、开采技术条件

正令煤业批准开采1-11号煤层，可采煤层为2、9、10+11号煤层，其余均不可采。现开采的2#煤层属于自燃煤层，具有爆炸性，倾角3-16°， 煤层厚度为1.10～2.22m，平均1.48m，局部含1层夹矸，结构简单，稳定全区可采。煤层顶板一般为泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩；底板为砂质泥岩、泥岩，局部为中砂岩及细砂岩。

9、10+11#煤层在首采区属于带压开采，且存在断层，存在奥灰水突水危险性，矿井水文地质类型复杂，因此暂不开采。 （二）、巷道破坏原因及其机理

引起巷道变形的力学机理较为复杂，影响因素较多，不仅与岩石本身的物理力学性质、矿物成份等有关，而且与巷道的力学环境及支护方式有关[2]。根据巷道变形、破坏情况，经现场观测和理论分析，总结出影响该巷道稳定、造成巷道破坏的主要因素为： 1、围岩应力状态改变。由于围岩应力状态的改变，导致了围岩弹性体积应变的变化和围岩的蠕变。同时，在低围压环境下，软岩内部结构面扩展和张开，改变了围岩中的水文地质条件，水沿张开裂隙渗流，进一步又降低了岩体强度，加剧了软岩的扩容和应变软化，从而使围岩产生较大的收敛位移。如：顶板下沉、底臌、拱顶起尖和两帮臌出，以及顶底板移近臌出。变形的进一步发展导致巷道失稳破坏，如巷帮张裂和片帮、拱顶剪裂、底臌和冒顶等，破坏最严重的部位多在拱顶和拱墙交界处。

2、埋深大、重力场应力特别大。主井落底埋深约为683 m，采煤工作面埋深在680～840 m，属深部开采，重力场应力特别大。巷道顶板岩层不仅受到自重的作用，还受到水平应力的作用，部分巷道呈尖顶状挤压破坏说明巷道受水平应力大。

3、围岩岩性及动压影响。大多巷道布置在煤层中，或穿煤层布置，顶底板两帮均为煤层，2#煤层顶底板为砂质泥岩、泥岩，局部为中砂岩及细砂岩（煤层柱状图见图1），围岩的力学性质、工程特

性较差，岩体强度低。采煤工作面与大巷距离近，造成了同一区段重叠布置的采煤工作面的采动压力叠加，形成了很大的集中支承压力。

4、多次返修。多次返修常使巷道愈修愈坏。一般巷道经一次返修后压力得以释放，因而修复后的巷道一般较易维护。而软岩或极软岩巷道治理中，常出现每次修复后支护受力与变形有所减小，但随着时间推移变形压力又迅速增大。主要是由于软岩或极软岩巷道，一般都处于厚层甚至巨厚软弱岩体内，在很大范围内不存在稳定结构来承担外层压力，因而即使多次返修也难以使围岩结构达到稳定状态，经过较短时间后，巨大地应力就又会通过软弱的外层集中作用在支护结构上，使支护再次遭到破坏。

5、原有支护体系施工质量差，围岩支护体系不耦合。根据井下巷道围岩变形破坏的现状，锚杆锚索松脱，预紧力弱，锚杆索长度不够等，施工质量不合格。巷道变形破坏的主要原因是由于支护体力学特性与围岩力学特性的不耦合造成的。只有当锚杆变形与围岩变形相协调时，才能有效地控制围岩的变形。

6、关键部位缺乏加强支护。巷道两帮为应力集中部位，提高两帮支护强度和煤体残余强度，可控制两帮破坏区、塑性区进一步发展。加固帮、角，减少由于两帮破裂围岩压缩下沉所造成的底臌、体积膨胀量、顶板的破裂和离层，从而减少巷道底臌和顶板下沉量。 7、底板缺乏有效约束。从调研来看，底臌是巷道大变形的特征之一，巷道底板成为围岩变形破坏的薄弱环节，随着底板的破坏，

底臌量不断增加，底板围岩的承载能力降低，在水平应力的作用下，巷道两帮，尤其是两帮下部围岩容易出现失稳和严重变形。 （三）、采用传统支护方式情况

正令煤业井下巷道采用的支护形式包括：梯形铁棚支护、锚网索喷支护等，由于围岩松软、破碎、开采深度较大等影响，巷道经过一段时间后都有较大程度的变形，巷道两帮收敛达300～400mm，顶板下沉量达150mm，底鼓量达800mm，特别是巷道交叉点处变形严重，大巷维修周期为4～5个月，工作面顺槽周期为10个月左右，巷道经过反复维修方能满足服务年限。由于支护效果差，导致巷道变形严重，不能为正常生产服务，多次返修、维护造成耗资巨大、工程安全性差，工人劳动强度大等后果。传统的支护形式已无法解决软岩巷道的加固问题，探索有效的支护方式控制巷道围岩变形问题更为突出，显然金属架棚支护不是这一类巷道的理想支护[1]。我矿参照国内外软岩支护的先进经验，经多次考察、论证，根据正令煤业实际情况，提出了锚网索喷注联合支护新工艺。 二、采用新工艺支护 （一）、注浆支护理论依据

1、注浆可提高巷道围岩弱面的强度和变形模量

弱面较多的围岩，其强度和变形主要由弱面控制，因弱面的强度及弹性模量均较低，所以巷道围岩变形量大、维护困难。通过注浆，可显著提高弱面的强度和刚度，载荷主要由强度较高的围岩承担，围岩的破坏由原来强度较低的弱面控制转变为由强度较高的围

岩控制。弱面的强度和弹性模量等力学性能的改变，大大提高了岩体的强度，从而提高了围岩的自身承载能力，改善了围岩维护状况。 2、充填压密裂隙??

注浆是浆液在泵压的作用下，渗透充填一些裂隙，另外经挤压可以使一些充填不到的裂隙闭合，提高围岩强度，降低岩体的孔隙率，可大幅度提高岩体强度。注浆加固后，浆液在较高的泵压作用下，将围岩内的裂隙充满固结或压密原来的小裂隙，使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失，从而使巷道围岩的破坏机制发生转变，如由原来的拉伸破坏转变为压缩破坏等。另外，当围岩中存在大量的裂隙，裂隙附近的岩体处于二向应力状态，裂隙内充满加固材料或压密后，将变为三向应力状态，而岩体在三向应力状态时的强度比二向应力状态时显著增大，并且脆性减弱、塑性增强。充填效果如图2如示。

3、注浆封闭水源，隔绝空气

水对巷道围岩有软化、溶蚀作用，能显著降低巷道围岩的强度。围岩注浆可有效地封堵流水通道、隔绝巷道流水及防止或减轻水对围岩的弱化，避免围岩强度因水的影响而大幅度降低。风化也会对围岩强度造成较大损失，围岩注浆后封堵了裂隙，可有效地防止围岩风化。

4、释放变形量，注浆补强加固

理论和实践都证明，软岩巷道支护时，使支护体达到最大塑性承载能力为最佳，同时必须使其最大的塑性能（如膨胀变形能）以

某种形式释放出来。软岩巷道支护的关键是使软岩最大限度地发挥塑性区承载能力而又不松动破坏。因此，根据锚固原理，初期支护采用锚网喷支护，即锚杆和钢筋网与喷射混凝土联合支护，允许围岩发生一定量的变形，同时又允许围岩产生一定的裂隙以便于注浆，当锚杆锚固力达到最大时（注浆加固时间），进行注浆加固。注浆锚杆加固支护是兼有锚杆支护和注浆加固共同优点的一种支护方式，是在岩体锚杆加固与注浆加固的基础上，利用中空钢管兼作注浆管，对岩体实施外锚内注加固的一种巷道加固方式[3]。由于注浆锚杆的再加固作用，使得巷道周边的围岩强度得到提高，同时也提高了锚固强度，使锚杆的锚固力得到补充和加强。通过锚杆和锚注加固的共同作用，实现锚杆和注浆锚杆的强初撑、急增阻、高阻力特性，增加控制围岩变形的能力，提高围岩的整体强度和稳定性，充分发挥围岩的自承能力，有效阻止巷道围岩变形。 （二）、支护方案的确定

根据上述对该巷道破坏原因分析，提出修复巷道施工工艺为：刷大断面、锚网索喷支护、注浆。为了有效控制底臌，巷道底角及底板也进行支护，并进行注浆。底角锚杆、注浆孔从巷道的底角按45°倾角打入岩体，底板注浆孔垂直于底板布置。注浆完毕后，在巷道断面采用锚杆进行二次耦合补强支护。 （三）、支护方案的实施 1、巷道断面参数 2、支护参数

支护参数包括锚网索喷支护参数和注浆支护参数。 （1）锚网索喷支护参数 （2）注浆支护参数 3、施工工艺

（1）选用设备：注浆泵选用zby3/7.0-11注浆泵和配套的lj-300搅拌机。该注浆泵为全液压、单、双液两用，可根据需要直接调式注浆压力，其工作介质为水、水泥浆、水玻璃等。底板钻机选用zqjj-200/1.8气动架柱式钻机，顶锚钻机选用mqs-120型风动锚杆机，帮锚钻机选用mqtb-80/2.3气动支腿式帮锚机。

（2）注浆管的埋设：注浆孔打到设计深度，注浆管用生麻缠绕，施压下放入注浆孔内，封孔采用硫铝酸盐膨胀水泥，待凝固后方可进行注浆作业。

（3）注浆压力、材料、浓度、方式的选择：注浆终压确定为2.5～3.0mpa；注浆选用p·s 32.5普通矿用硅酸盐水泥，水泥浆按0.8：1的水灰比配制；注浆方式采用上行式注浆。

（4）注浆花管：由6′钢管加工而成，长3000mm，螺扣长50mm。距螺扣1000㎜处加工为凹凸段，用来缠绕生麻封孔。注浆管上的花眼不少于15个，眼距200mm，管末端焊接锥型尖头。 （四）、支护效果分析 1、测站布置形式

轨道大巷于2011年9月开始工业性试验，试验段巷道长100 m，为了检测巷道注浆效果，在现场每隔10 m设一个变形监测断面，

每一监测断面设3组测点，每组4个测点，即在每个断面的顶、底和两帮中部各布置一个测点。观测方法采用皮尺和顶板离层仪配合进行量测，同时安排技术人员每10d对该段巷道观测一次，并收集观测数据形成资料，移近量观测记录表见图5（节选两个时间段的观测数值）。

从巷道表面位移观测结果可看出：注浆+二次耦合补强支护，有效地控制了围岩的变形，巷道进行注浆加固以后围岩变形很小且在较短时间内趋于稳定，说明注浆支护对围岩的控制效果良好。由于在设计时预留部分变形空间，巷道在服务期内基本不需要再次修护，完全能满足运输、通风、行人的要求。

在试验段取得阶段性成果的同时，该矿将该支护方式推广应用于井底车场、副井筒套架段、回风大巷、皮带大巷等地段，均取得了良好的效果。 三、结论

1、深部大断面软岩巷道采用锚网喷支护后，发生急剧变形，30 d后采用注浆补强支护，由于注浆改变了围岩的物理力学性能，使巷道围岩强度和支承能力得到了显著的提高，减少了塑性变形，巷道变形量明显降低，有效地控制了巷道围岩的变形破坏。 2、注浆补强支护技术控制了深部大断面软岩巷道的大面积冒顶和围岩强烈变形，具有显著的经济效果，是一种科学合理的主动支护形式，可以较好地解决深部软岩大断面巷道的支护问题。 3、根据工程现场条件，优化注浆参数，降低巷道支护成本是该

支护技术有待进一步研究的问题。

4、在施工过程进一步采取有效途径解决注浆过程中的漏浆问题。

5、将注浆孔间排距变大，是否影响注浆效果。 参考文献：

[1] 陈炎光，陆士良，侯朝炯等??中国煤矿巷道围岩控制[m ] ?? 徐州： 中国矿业大学出版社， 1994??

[2] 王卫军，侯朝炯 软岩巷道支护参数优化与工程实践[j] 岩石力学与工程学报，2000，19（5）：647–650.

[3] 杨新安，陆士良 软岩巷道锚注支护理论与技术的研究[j]??煤炭学报， 1997，22（1）：32–36