淺談深部高應力軟巖巷道支護技術

朱紅亮

摘要：近年來，隨著礦井生產的發展，開采深度不斷增加，地層壓力逐漸增大，這不僅給煤礦安全生產帶來危害，延誤了工期，而且造成了大量的資金浪費，嚴重影響了礦井正常生產和企業的經濟發展，是制約煤炭工業進一步發展的技術關鍵，為此有必要研究深部高應力軟巖巷道支護技術。

關鍵詞：高應力；軟巖巷道；支護技術

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0081-01

深部高應力軟巖巷道支護一直是國內外地下工程支護的難題之一。該類巷道的主要特征表現為圍巖松軟破碎、塑性破壞范圍大，變形嚴重，難支護、維護和返修率高。如果采取的支護措施不適當，將導致巷道圍巖變形愈加劇烈，維護也會愈加困難，最終導致巷道失穩破壞。

1 高應力軟巖的概念

長期以來巖石力學與工程界仍未就軟巖的概念達成共識認為，在高地應力區經常遇到一類特殊巖體，當其處于地表淺部或低地應力條件下，巖體顯示出較堅硬的特征；處于高地應力環境時，當圍壓較低時，巖體尚具有較高的強度和彈性模量，當圍壓較高時，巖體表現出“軟巖”特征。顯然，它有別于一般意義上的軟巖，是一種特殊的、在高應力環境下的工程軟巖體，稱這類軟巖為高應力軟巖。

2 高應力軟巖巷道變形破壞特征

高應力軟巖一旦形成，在這些軟巖體中掘進的巷道和硐室顯示出來的變形特征與硬巖巷道的截然不同，具體表現為：

2.1 圍巖變形量大

高應力軟巖自身特征決定了該區域的巷道變形量大的特點，其中巷道的水平收斂量要比拱頂下沉量要大得多。一般為數厘米至數十厘米，表現形式有兩幫內移、尖頂和底鼓。

2.2 初期變形速率大

由于水平構造壓應力大于垂直應力，巷道在掘進時卸載迅速，來壓快，表現為巷道的初期變形速率大。

2.3 巷道變形具有時效性

巷道圍巖具有顯著的流變性，表現為明顯的時效性。當巖體流變所產生的圍巖變形過大，使得巷道支護體無法適應而失效，圍巖再次惡化并劇烈變形。

3 深部高應力軟巖巷道支護技術

3.1 國外深部高應力軟巖巷道支護技術

英國、德國、法國、俄羅斯、波蘭等西歐國家直到20世紀80年代仍以金屬支架為主，以其良好的支護效果，在淺部開采中得到了發展。隨著采深的增大，賦存條件的復雜化，深部高應力軟巖巷道采用傳統支護已不能控制其穩定性，需不斷進行翻修處理，甚至報廢，已不適應煤礦深部開采的需求。后來，引進美國、澳大利亞的錨桿支護技術。目前，西歐大多數國家各類不同類型的錨桿、組合錨桿、錨桿桁架及錨索支護約占支護總量的90%；而比利時在深部高應力軟巖巷道支護中利用全斷面掘進機掘進，并使用高強砼—弧板，并且大弧板支架的成本不到U型鋼可縮性支架的一半，而其承載能力比后者高約2倍，因施工中壁后充填緩沖層預留大變形層的施工工藝及設備的不配套，未能得到大力推廣。美國、澳大利亞在近幾十年的煤礦深部開采中，一直以錨桿支架為主體進行聯合支護[33]。深部圍巖一般采用錨網、組合錨桿（網）、高強超長錨桿（網）等支護形式；對于極不穩定圍巖主要采用組合錨桿桁架、錨索支護、錨噴網與錨索聯合支護等形式。

3.2 我國深部高應力軟巖巷道支護技術

20世紀80年代以來，我國從支護材料、支護形式和支護工藝改革等方面著手對深部高應力軟巖巷道支護進行研究，發展形成了錨噴支護、可縮性金屬支架和高強度砼弧板支架及錨注加固等軟巖巷道支護體系。

3.2.1 錨噴支護

錨噴支護先后形成了單一的木錨桿、金屬錨桿、砂漿錨桿支護，到噴砼支護并進行光面爆破；在此基礎上形成了錨噴支護技術，在煤炭工業部大力支持，錨噴支護相繼在淮南、開灤、阜新、撫順、鶴壁、大同、新漢等軟巖巷道中得到了廣泛應用。工程實踐使錨噴支護得到不斷完善，開展針對性的軟巖巷道支護試驗研究，最大成功就是錨噴支護與光面爆破得到了有機結合，最大限度地保護圍巖的強度和整體性，充分發揮圍巖的自承能力。錨噴支護對淺部巷道仍發揮起重要作用，但對于深部高應力軟巖巷道的非線性大變形的特性已不相適應。

3.2.2 可縮性金屬支架。可縮性金屬支架廣泛應用于鐵法、充州、徐州、開灤、平頂山等礦區使用[35]，主要采用礦用工字鋼、U型鋼支架。采用鋼性支架提高了支護力，而支架的可縮性又適應了圍巖的大變形特性，同時不僅改善巷道的穩定性，而且減少了維護，提高使用率；但過高的支護成本，沒有配套的機械設備，增加了勞動強度，已不能適應煤礦高產高效的發展。

3.2.3 高強砼弧板支架

在煤礦深部地層中，有斷層及其它地質構造利用高強砼弧板支架能有效控制圍巖大地壓、小變形及流變引起失穩。全斷面封閉和密集連續式的高強鋼筋砼板塊結構巷道支架，首先在淮南礦區得到成功利用并在東北大橋煤礦、廣西右江礦務局加以推廣[36]。其缺點是安裝機械手不配套，壁后充填緩沖層預留大變形層的施工不配套，不能適應軟巖巷道的大變形規律。

3.2.4 錨注加固技術

注漿技術在工程上第一次應用是200年前的法國土木工程師查理斯·貝里格尼（Charles Bering）進行地基加固。我國對注漿技術的研究和應用起步較晚，20世紀50年代初期開始矽化法在礦山行業中采用井巷注漿技術實踐應用。“八五”重大科技攻關課題提出了將錨桿和注漿結合的錨注一體化支護技術。錨注加固技術實用性強、應用范圍廣，已廣泛應用于礦山、地下建筑、大壩、隧道、地鐵、橋梁和土木工程等各個領域。錨注加固是一種新型支護加固方法，在深部軟巖巷道應用中能充分發揮和調動圍巖的承載能力[38]，為巷道穩定性控制提供良好的圍巖環境，是深部軟巖巷道支護一種重要技術。20世紀80年代以來，以支護為目的的巷道圍巖注漿技術在蘇聯、德國等地開始研究與推行，我國同期也在深部復雜和不良巖體的巷道工程中采用注漿技術。

3.2.5 錨注聯合支護技術

錨注聯合支護技術是錨桿支護技術與錨注加固技術的有機結合，它充分利用二者各自的優點，改善圍巖結構及其性質，提高圍巖整體性和自承載能力，大大提高支護效果。它具有技術先進，實施方便，成本低廉、效果突出的優點，是解決深部高應力軟巖巷道支護的一條有效途徑。進行錨注聯合支護的一般過程為：巷道開掘后，及時布置樹脂錨桿，掛金屬網及鋼帶，并用托盤壓緊，對巷道進行一次支護；滯后10～20天，在巷道頂幫及底角布置注漿錨桿注漿加固，對巷道進行二次支護。

4 結束語

隨著技術的進步，各地煤礦逐步進入深部開采，作為一名煤礦技術管理人員，要結合各地地區的地質條件等因素，采用科學合理適宜本礦井深部高應力軟巖巷道支護技術，不斷提高深部高應力軟巖巷道支護技術，為煤礦安全生產做出更大的貢獻。