二次支護技術在高地應力軟巖巷道中的應用

武江海

（河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000）

二次支護技術在高地應力軟巖巷道中的應用

武江海

（河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000）

隨著礦井開采深度不斷加深，巷道所受的地應力越來越大，采用傳統的支護方式已不能較好地控制圍巖的破壞變形。本文通過對東回風石門表面位移的監測曲線分析一次支護后巷道圍巖破壞變形機理，得出巷道變形量大的主要原因是圍巖所受地應力較大、支護深度較淺和支護結構強度較低。為此，在一次支護的基礎上設計注漿錨桿和注漿錨索束相結合的二次支護技術，取得了較好的支護效果。

軟巖；高地應力；二次支護；注漿錨桿；注漿錨索束

隨著礦井開采范圍的延伸，平頂山礦區多數礦井相繼進入深部開采，大部分礦井開采深度達到1 000m左右，進入深部開采后，巷道所受的地應力越來越高，巷道圍巖表現出大變形、高地應力、難支護等現象。礦山壓力顯現劇烈、巷道變形速率快且變形量大，圍巖結構不穩定，巷道的破壞變形嚴重，巷道返修率超過50%。返修頻率高，局部區段達到兩三次，支護難度大且支護成本高，嚴重影響礦井的安全生產。對于類似平頂山礦區的深井軟巖巷道大變形、難支護的現象，國內外的學者進行了大量研究，如何滿潮院士提出耦合支護理論［1］，陸家梁教授提出聯合支護理論［2］，這些理論都較好地解決了軟巖巷道的支護難題。本文以平煤股份一礦-950水平東回風石門為研究對象，運用軟巖巷道支護的相關理論，進行積極探索，在一次支護的基礎上，采用注漿錨桿和注漿索束二次支護技術成功地解決深井軟巖巷道支護難題。

1 工程背景

東回風石門是平煤一礦三水平下延工程的二期工程，巷道設計全長358m，巷道埋深1 075m，按方位197°施工，巷道0～140m設計為3‰下山，巷道140～155m設計為平巷，巷道155～216m設計為14°上山，巷道216～358m設計為3‰上山。巷道斷面采用半圓拱形斷面，巷道設計凈寬6 000mm，凈高4 850mm，墻高1 850mm，S凈=25.24m2，S掘= 27.24m2，平面圖如圖1所示。巷道距戊組煤頂板約23m，巷道層位處在丁組煤與戊組煤之間，巖石傾角5°～9°，巷道所處的巖層是厚度為11.2m的灰黑色的泥巖中。

2 一次支護破壞變形機理分析

2.1 巷道表面位移的監測

東回風石門一次支護采用錨網索噴支護，錨桿采用直徑22mm，長度為3m高強樹脂錨桿，錨桿間排距均為800mm，每根錨桿的錨固力不小于276kN，每根錨桿使用3卷型樹脂藥卷進行錨固；金屬網采用直徑為6mm，鋼筋網網格形狀為正方形，邊長為100mm，兩片金屬網之間的搭接長度不少于100mm；噴射混凝土：噴射混凝土的強度等級不低于C20，經初噴和復噴后，噴漿總厚度不小于150mm；錨索采用直徑22mm，長度為8m鋼絞線，錨索間排距均為1 400mm，每根錨索的錨固力不小于300kN，每根錨索使用5卷Z2850型樹脂藥卷進行錨固，一次支護斷面圖如圖2所示。

圖1 東回風石門平面圖

圖2 一次支護斷面圖

為了更好地研究圍巖的破壞變形規律，巖體和支護結構的之間相互作用，確定最佳二次支護時間，巷道進行一次支護后，對東回風石門巷道表面的位移進行3個月的觀測，監測曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，巷道圍巖的移動變形是非線性的，深部圍巖的破壞變形可劃分為3個階段［3-6］。第一個階段是急劇變形階段，在巷道開挖后1～25d內是巷道圍巖的急劇變形階段，巷道表面圍巖的變形速率較大。這是由于巷道開挖后引起地應力重新平衡分布，巷道淺部圍巖的強度較低，在高地應力的作用下，在巷道的表面形成應力集中，圍巖內的變形能得到釋放。第二個階段是平緩變形階段，在巷道在開挖25～50d后，巷道破壞變形量仍不斷增大，但圍巖的變形速率逐漸減小。在這個階段，圍巖內的變形能得到釋放，支護結構發揮一定的作用，應力集中逐漸地向深部圍巖內轉移，隨著深部圍巖承載能力增強，傳遞到巷道表面的位移速率逐漸減小。第三個階段是相對平穩階段，在巷道開挖50～120d，巷道的圍巖變形趨于相對穩定，此時巷道圍巖的地應力平衡已經趨于相對平衡，但巷道仍以較小的速度發生蠕變變形［7，8］。

圖3 巷道表面位移的監測曲線

2.2 一次支護巷道破壞變形機理

巷道一次支護后，在未對其進行二次支護的條件下，巷道整體出現了頂板下沉、兩幫收斂、底鼓和部分錨桿、錨索拉斷的現象，巷道整體變形量較大，噴漿層開裂，尤其是巷道的兩幫和拱部，噴漿層脫落最為嚴重，部分地段出現帽頂和偏幫的現象。從圍巖的力學性質方面來講，這主要圍巖在高地應力環境下，圍巖的力學性質發生變化，在埋深較大的高地應力區域內，由于受到高地應力的影響，圍巖的力學狀態由彈性向彈塑性轉變，圍巖的變形由脆性向延性轉化，表現出軟巖的力學特性。若僅采用一次支護，極易出現偏幫、帽頂等大變形的破壞變形，即使巷道處于相對穩定的狀態，圍巖還以較慢的速度發生蠕變變形［9］。從支護效果方面來講，由于巷道圍巖的強度較低，在巷道圍巖在開挖和支護的過程中受到不同程度的風化，在高地應力的作用下，圍巖發生膨脹變形，隨著礦山壓力不斷增大，造成支護變形破壞。當不斷發育圍巖的塑性區域超過錨桿的錨固長度時，錨桿支護將會失效，此時巷道附近的水平應力和垂直應力共同作用大于支護結構和圍巖形成的支撐作用時，巷道因支護失效而發生嚴重的破壞變形［10］。

通過以上分析可知，巷道在進行一次支護后，由于地應力較大，圍巖破碎、強度低、塑性區域大，一次支護深度和強度并不能很好地控制圍巖變形，應對巷道進行二次支護。

3 二次支護設計

東回風石門所受的地應力較大，一次支護后圍巖的塑性區域較大，根據軟巖巷道的支護原理，對東回風石門進行二次支護，在進行二次支護設計時應遵循以下設計思路。

①增強支護體系的支護強度和支護深度，充分利用圍巖的自身承載能力，發揮支護體與圍巖的相互協調作用。由于高地應力的圍巖松動圈較大，礦山壓力顯現劇烈，通過增強支護體系的支護強度和支護深度，使支護體系和圍巖變形力學特性相適應，將巷道附近圍巖的壓力傳遞到深部穩定圍巖內，降低巷道附近的壓力，充分調動深部圍巖的承載能力。選用二次支護技術的關鍵在于實現圍巖與支護體之間的協調，改變圍巖自身的承載性能，允許圍巖發生一定變形，實現高阻讓壓［11］。

②大范圍改善圍巖的性質，提高圍巖的整體承載能力。對于松動范圍較高的應力軟巖巷道，巷道圍巖控制的關鍵還在于對圍巖破碎區域的控制。通過大范圍的注漿，將深部破碎的圍巖膠接在一起，一方面可在較大范圍內強化圍巖的力學性能，另一方面還可以為錨桿提供更好的錨固基礎，使注漿加固后的圍巖能夠與支護體系形成承載能力更強的承載圈，增強圍巖的支護效果。

根據二次支護的設計思路和以上論述，對東回風石門的二次支護進行設計，提出采用注漿錨桿和注漿錨索束相結合的二次支護技術。

4 方案實施

4.1 主要支護參數

二次支護注漿錨桿采用直徑為25mm、長度為3m的注漿錨桿，注漿錨桿間排距均800mm，每根注漿錨桿使用3卷Z2850型樹脂藥卷進行錨固，錨桿采用HRB35厚壁無縫鋼管制作而成；注漿漿液采用42.5R級硅酸鹽水泥，并按一定的比例添加水泥添加劑，注漿錨桿注漿壓力控制在3MPa左右。由3根1×19-φ22×16 000mm鋼絞線組成錨索束，錨索束間排距1 600mm×3 200mm，每排布置5根，注漿漿液采用42.5R水泥單液漿，注漿組合錨索注漿壓力控制3～5MPa，支護斷面圖如圖4所示。

圖4 支護斷面圖

4.2 關鍵技術

①二次支護時，需要選擇合理的二次支護時間，若二次支護的時間過早，圍巖并未進行充分變形，賦存的能量不能得到釋放，若作用在支護體上，將對支護體造成破壞；若二次支護的時間過晚，則造成圍巖塑性區域過大，破壞變形嚴重，因此應根據圍巖的表面位移的變形監測曲線分析確定二次支護時間。通過圖3可知，二次支護的注漿錨桿施工一般控制在一次支護后15～20d，注漿錨索束在其后7d內施工，二次支護一般在一次支護后25～30d完成。

②具體注漿的過程中，由于圍巖裂隙的發育程度并不完全相同，漿液的水灰比控制難度較大，需要不斷地進行調整。根據現場注漿情況，淺部注漿錨桿一般控制到1∶1.2～1∶1.4，深部注漿錨索束一般控制在1∶1～1∶1.2。

③安裝錨索束難度大，由于3根16m錨索束重量大、長度長，為保證排氣管完好，需要人工將錨索束推入孔底。

4.3 支護效果檢驗

為了檢驗支護的效果，在巷道進行二次支護后，仍采用十字觀測的方法，對巷道的表面位移進行觀測。在實際的觀測中，東回風石門二次支護施工兩個月以后，巷道表面位移的變形就基本趨于穩定。通過巷道表面位移連續兩個月的觀測，統計出觀測數據，通過對觀測數據的整理，得出巷道頂板下沉量、兩幫的收斂量和底板鼓起量的變化曲線，如圖5所示。

圖5 二次支護后巷道表面位移的監測曲線

通過圖5可以看出，經過二次支護后，東回風石門的圍巖得到了很好的控制，頂板的下沉量、兩幫的收斂量和巷道的底鼓量在治理后隨著時間的推移逐漸線性增加，然后緩慢達到最大位移量。二次支護后的東回風石門巷道破壞變形劇烈階段為二次支護后的20d，在二次支護施工后的40d左右，巷道圍巖的變形幾乎趨于穩定，已達到相對穩定狀態。這表明二次支護施工后的40d內東回風石門采用二次支護體系已經充分發揮支護作用，較好地控制了巷道的圍巖。通過將圖3和圖5對比分析可知，二次支護前后巷道表面的位移量相差很大，二次支護后巷道表面的位移量減小量較大，尤其是底鼓量減小量最大。采用二次支護后，巷道的頂板下沉量、兩幫收斂量、底板鼓起量分別減少了186、453、586mm，降低幅度達77.3%、79.4%、87%，采用二次支護后東回風石門巷道圍巖表面的位移量降低幅度達到77%以上，其中底鼓量的降低幅度均達到87%以上，這表明采用淺部注漿錨桿和深部注漿錨索束的二次支護技術較好地提高了圍巖的整體性和承載能力，取得了較好的支護效果，這為深部高地應力軟巖巷道圍巖的控制提供了借鑒經驗。

5 結論

通過對-950水平東回風石門進行注漿錨桿和注漿錨索束的二次支護，主要得出以下結論。

①二次支護中采用的中空注漿錨桿用樹脂錨固劑固定，能夠及時提供預緊力，等同于樹脂錨桿的作用，由樹脂端錨變成全長錨固，及時增強錨網索噴支護，提高圍巖錨桿支護效果。

②通過淺部和深部注漿形成厚度較大的圍巖加固圈，同時利用錨索束將淺部圍巖的受力向深部圍巖轉移，降低巷道表面的應力集中，發揮錨索束的支護承載能力。

③采用二次支護技術后減少了一次支護中墻部錨索的設計，而且注漿錨桿注漿工作可在耙斗機后方施工，實現了錨網索噴、注漿錨桿注漿、注漿錨索束各主要工序平行作業、互不影響，減少了一次支護工程量，有效提高了施工速度。

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Application on Secondary Support Technology in High Geostress Soft Rock Roadway

Wu Jianghai
（Henan Polytechnic University School of Civil Engineering，Jiaozuo Henan 454000）

Roadway bearable ground stress is bigger and bigger with the deeper of mining depth be--comes,the destruction of the surrounding rock deformation can't be controlled better by traditional way of support.This paper analyzed the damage of surrounding rock deformation mechanism by the monitoring curve of surface displacement of east return air crossdrift,drawing a conclusion that the main reason of the deformation of roadway are roadway bearable higher ground stress,support dep--th relative shallower,support structure lower strength.So it designs secondary support technology of grouted bolt and grouted anchor beam combined,which have made better support effect.

soft rock；high geostress；secondary support；grouted bolt；grouted anchor beam

TD353

A

1003-5168（2017）05-0082-04

2017-04-15

武江海（1983-），男，在職碩士，工程師，研究方向：工程技術和項目管理。