深部地壓條件下軟巖治理實踐與研究

摘 要：針對錢家礦業公司-600東三采下部平石門煤12～煤7段軟巖巷道變形嚴重，影響生產實際，通過對軟巖巷道調查、分析、研究，采用聯合支護法對軟巖巷道進行綜合治理，控制了變形，取得了良好支護效果。

關鍵詞：深部；地壓條件；軟巖

1 概述

錢礦公司是一座設計生產能力400萬噸/年的特大型現代化礦井，于1978年開始建設，1988年12月建成投產，2012年產煤590萬噸，年開拓進尺6100米。近年來隨著開采深度不斷增加，礦壓顯現越來越大，巷道變形急劇增大，底鼓片幫嚴重，反復套修，維護成本增加，支護難度增大，制約著深部開采。-600東三采下部平石門是該礦三采區主要運輸石門，設計長度890米，它將穿過石門將穿煤12-1，煤11，煤9，煤8，煤7，煤5等6個可采煤系地層。初期施工采用錨網噴支護和架設可縮性拱形支架進行支護。在施工中，受圍巖應力影響，巷道變形嚴重，兩幫移近量達到1600mm，噴層爆漿，開裂劈幫，縱向裂縫寬度達20～40mm，頂角下垂，底鼓嚴重，底鼓量達到700mm，巷道無法使用。經過對軟巖巷道變形機理分析，采用錨噴、錨注、鋼筋砼馬蹄拱聯合支護方案進行返修支護，支護效果較好。

2 軟巖巷道變形機理分析

2.1 軟巖的特性

軟巖是指在工程力的作用下，能產生顯著塑性變形，錘擊生啞，無回彈，有凹痕、易擊碎、浸水后手可掰開。并且單軸抗壓強度在0.5～25Mpa之間的一類巖石。煤9、煤8-1頂底扳巖石完全具備以上條件，而且單軸抗壓強度，只有10MP左右。它生成于石炭二疊，屬于中生代軟巖，其主要的粘土礦物為高嶺石、伊利石和伊-蒙混層礦物含水率在10%左右，表面積（100～350）m2/g，陽離子交換量多在20～50meg/100g。軟巖之所以能產生顯著塑性變形的原因，是軟巖中的泥質成分（黏土礦物）結構面和巖粒內聚力，控制了軟巖的工程力學特性。使軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、易擾動性、等特點。

2.1 可塑性

可塑性是指軟巖，在工程力作用下產生變形，去掉工程力后這種變形不能回復的性質。軟巖可塑性，是由軟巖中的泥質成分的親水和結構面擴容，擴展共同引起的。是造成軟巖膨脹的前因。

2.2 膨脹性

膨脹性是指軟巖在工程力的作用下或水的作用下，體積增大的現象。根據產生膨脹機理，可分為內部膨脹、外部膨脹和應力擴容性膨脹三種。

內部膨脹是層間膨脹，外部膨脹是粒間膨脹，擴容膨脹，是巖石間集合體間隙或更大微裂隙的受力擴容。前兩者的膨脹機理：是一種與水作用的物理化學機制，后者則屬于力學機制，即應力擴容機制。實際軟巖工程中軟巖膨脹是三者的綜合機制。它可以使巷道大面底鼓，兩幫墻體向巷中快速移近，拱基線噴體大面積開裂，把巷道擠垮。

2.3 崩解性

崩解性是軟巖中的黏土礦物，集合體在與水作用時，應力不均勻分布造成的巖石崩裂現象，由于軟巖裂隙發育的不均勻，造成局部張應力集中，引起軟巖石的向空間崩裂、片幫現象發生。向錨噴巷道局部裂縫凸起等現象，都是軟巖的崩解性造成的。

2.4 易擾動性

易擾動性軟巖軟弱、裂隙發育、吸水膨脹凝聚力弱等特性，導致軟巖抗外界環境擾動能力極差，對卸載能力，施工震動，鄰近巷道施工擾動極為敏感，而且具有暴露風化，吸濕膨脹軟化的特點。

3 軟巖支護機理研究

根據對軟巖巷道基本概念、變形機理、力學屬性機制研究分析，軟巖巷道，之所以具有大變形、大地壓、大地鼓、難支護的特點。是因為軟巖巷道，并非具有單一變形力學機制，而是同時具有多種變形力學機制的“并發征”和“綜合征”——復合型變形力學機制。復合型變形力學機制，是軟巖巷道變形和破壞根本原因，因此要想有效進行軟巖巷道支護，單一的支護方法是難以奏效的，必須采取對癥下藥符合這種“綜合征”、“并發癥”特點的聯合支護方法。為此要對軟巖巷道，實施成功的支護，必須運用三個關鍵技術：一是正確確定軟巖，變形力學機制的復合型；二是有效地將復合型變形力學機制轉化為單一型。三是合理地運用復合型變形力學的轉化技術。

根據軟巖變形特點，對軟巖巷道松動圈，及膨脹性、可塑性、構造應力等進行一些測試性實驗，對“綜合征”和“并發癥”，采取控（即控制煤7以上煤系地層水不再流入煤8、煤9；抽出煤9底板水）、注（即注水泥漿）、封（即封堵煤8、煤9裂隙，徹底阻斷水通道，同時膠結包裹破碎軟巖，減少膨脹）、減擾（即在軟巖巷道附近減少開掘巷道，減少圍巖擾動）、強支（即采用高強度支護材料支護軟巖巷道）的方法進行對癥下藥根治。

綜上所述，600東三采下部平石門交叉點軟巖支護宜采用錨噴、錨注、鋼筋砼馬蹄拱聯合支護方案進行返修支護。

4 聯合支護方案設計

4.1 聯合支護機理

4.1.1 錨噴支護機理

利用錨桿加固拱理論，對于破碎巖石按一定密度布置的錨桿加固，就能提高巖體結構弱面的剪切強度，在圍巖周圍一定厚度范圍形成一個不僅能維持自身穩定、而且能阻止其上部圍巖松動和變形的加固拱，從而能保持巷道的穩定性。另外由于錨桿的作用，改變了邊界巖體的受力狀態，使其由一維應力狀態，轉化為三位受力狀態，提高了巖體承載能力。噴漿及時封閉松散破碎圍巖減少與水接觸，防止風化減少膨脹應力產生。

4.1.2 鋼筋砼馬蹄拱支護機理

利用其馬蹄拱一圈全部封閉圍巖特點，支護強度高（300kg/cm2）抗壓、抗彎、抗剪能力大等優點，上下兩個拱能把巷道頂底產生應力，轉移到巷幫的特性，使上下產生應力相互抵消，阻織巷道頂底變形。同時底拱兩邊，又起到支撐并阻織兩幫圍巖內移的作用。另外砼在凝固養護期要吸收大量水份，可以將軟巖中水份吸收掉，減少軟巖膨脹應力。錨噴強度加鋼筋砼強度完全支撐住軟巖各種應力。

4.1.3 注漿支護機理

4.2.3 壁后巖層注漿

注漿管直徑采用￠4吩黑皮圓管，長度2400mm，間排距1500mm，注漿管在綁筋后提前打入巖層內，注漿材料525號普通硅酸鹽水泥，水灰比0.7～1：1，注漿壓力2～3Mpa。注漿泵用2ZBQ11.5/3.壁厚注漿是在馬蹄碹澆注完后進行。

4.3 聯合支護施工工藝

按設計要求刷出錨噴毛斷面，刷擴長度一排錨桿距離800mm，然后打錨桿掛網，刷擴一律用風鎬，嚴禁放炮，盡量減少對圍巖的震動。掛網后立刻噴漿，封閉圍巖，錨噴長度夠10米一段后停止。進行底拱毛段面刷支，底拱刷擴成型后，開始綁扎底拱雙層鋼筋并將連接碹墻角筋綁好，以便和墻筋連接。底拱的注漿錨桿在綁完鋼筋后進行，按間排距1500mm，布置錨桿，2400長注漿錨桿打進巖石1600mm，外露800mm并將螺絲扣包好，澆注底拱砼到底板設計標高位置停澆。

大碹綁筋在底拱砼初凝24小時后進行，鋼筋提前按內外半徑加工成半圓拱形，做好標記方便使用，綁筋間排距、保護層厚度、鋼筋搭接、要嚴格按設計要求進行，不能隨意加大或縮小，質量檢查員嚴格驗收，綁完10米段鋼筋。開始穩碹骨澆注兩邊碹墻，澆注時兩邊進度要一致，防止澆注不當打偏走形，砼搗鼓要有專人，防止出現蜂窩麻面，影響砼碹的質量。澆注完10米段長，在向下一個10米段進行，直到全部澆完為止。

在馬蹄碹全部澆注完后一周進行，注漿時由底拱中間孔往兩邊注，要一排排注，每個孔要編號注多少袋灰，做好記錄，注漿壓力達到3Mpa時，停止注漿。對喝漿量大的注漿孔，注漿量超過20代水泥時，要停一班再注，讓漿凝固后再注效果好，底拱澆注凝固2周后，開始注砼漿（液漿每袋水泥漿要加0.5公斤食鹽），注漿時對漏漿的注漿孔一定堵嚴不準跑漿。全部注漿孔注完，聯合支護任務完成。

5 錨噴、鋼筋砼馬蹄拱、錨注、聯合支護效果

6 經濟效益

采用錨噴、鋼筋砼馬蹄拱、錨注聯合支護技術治理軟巖變形大巷道，每米巷道投入材料成本9200元，而且永不返修；采用單一錨噴支護投入成5800元；采用錨噴金屬拱形支架聯合支護，每米成本6300元，這兩種支護雖然成本低，但是返修次數多，單一錨噴支護根本支護不住，前面掘進，后面擠垮。采用錨噴金屬支架聯合支護，最多一年返修一次，三者比較錨噴、錨注、馬蹄拱聯合支護成本低，效益好，服務年限長。

實踐證明：錨桿噴漿、錨注、鋼筋砼馬蹄拱聯合支護技術，運用到軟巖永久性工程中，支護效果十分明顯。

作者簡介：呂博（1983-），畢業于遼寧工程技術大學，就職于開灤錢家營礦業分公司。