深部軟巖巷道錨注支護技術研究

李書博

(陜西延長石油集團魏墻煤業有限公司，陜西 橫山 719100)

0 引言

深部軟巖巷道支護一直是國內外煤礦井下工程支護的難點，其特點是圍巖破裂范圍大，變形量大，大地壓，支護難[1]。隨著煤礦向深部、大規模及現代化的趨勢發展，“軟弱巖、煤體”自身膨脹給于巷道支護的疊加壓力也帶來強烈影響[1-3]，嚴重制約煤礦的開采安全。為此，國內外許多專家學者對深部軟巖巷道的支護問題進行了諸多探索。李國峰[4]等人提出深部軟巖巷道具有非線性大變形特征，單一的支護方式難以控制。孟慶彬[5]等人研究指出，隨著“錨注加固體等效層”參數的提高，巷道圍巖位移及塑性區隨之降低。黃慶享[6]等人提出了巷道支護要重視兩幫和底板的原則，為軟巖巷道支護理論與實踐提供了新的借鑒，但在深部軟巖支護特別是泥質膠結遇水膨脹的粘土巖或斷層破碎帶中，支護效果也不理想。錨噴支護變形嚴重，底臌兩幫擠壓，支護層脫落，運輸通風困難。盡管采取了重噴、架棚或砌碹等復合支護加固措施，支護效果仍然不佳。本文通過模擬實驗、理論分析等方法，對在軟巖及破碎帶內的注漿錨噴法支護進行研究分析，結論可為同類地質條件下的煤礦提供有效的技術參考。

1 工程概況

-650斜井一號交岔點巷道作為某煤礦的咽喉要道，承擔著該礦的運輸、通風等重要任務。該巷道埋深670 m，聯接著3條主要巷道，分別為-650東大巷、-650西大巷以及-400運輸大巷。巷道頂底板是互層復雜的復合頂板，結構十分復雜，穩定性較差，具體為砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質頁巖、泥巖互層。此外，巷道頂底板含水量較大，部分頂幫出現淋水，厚9.2 m，幾乎無膠結質，含凝灰巖，軟巖遇水極易膨脹，呈流變狀態。技術改造前該巷道采用金屬棚子支護。由于巷道圍巖穩定性較差，埋深大，礦壓顯現強烈，支護材料出現大變形和破損，對該礦的安全生產造成巨大威脅。

圖1 -650斜井一號交岔點示意圖

2 理論分析

通過觀測開挖深部軟巖巷道時的特點，發現巷道壁上的原巖應力由于受到巷道開挖的擾動而被破壞，這種圍巖應力變化的現象一般被稱為圍巖的“拉壓”域和分層裂化現象。

2.1 計算模型

在一般支護條件下，由巖體應力—應變關系曲線和工程經驗可以把開挖后的巷道周圍的巖體大致分成彈性區、塑性軟化區和殘余強度區這3個區域，如圖2所示。

①-普通支護；②-錨注支護；Ⅰ-殘余強度區；Ⅱ-塑性軟化區；Ⅲ-彈性區圖2 圍巖計算模型示意圖

在軟巖工程中，因為錨注支護的范圍在殘余強度區內，在注漿漿液把支護體膠結成一個相對完整的巖體之后，會形成一個以殘余強度區為邊界的彈性圈。根據應力——應變曲線分析可知，在錨注支護體上也形成了一個包括彈性區、塑性軟化區和殘余強度區3個分區的變形區域。另外，在開挖后圍巖發生一定變形情況下采取錨噴支護，其提供的聚力能使圍巖塑性區半徑變小，從而使位移和殘余強度區半徑都減小；再將膠結材料注入殘余應力區內，改變整體強度和加大支護抗力，可以進一步縮小塑性半徑和位移。

2.2 錨注支護圍巖強化原理

錨注前后圍巖體強度的變化情況如圖3所示。

圖3 錨注前后圍巖強度變化

根據莫爾-庫倫強度準則可知，由于注漿錨桿的作用，使圍巖表面產生了沿錨桿徑向方向的壓應力，它能夠改變圍巖受力情況。首先，通過圖3可以發現，錨注后，莫爾應力圓向右移動，而且半徑明顯增大，這說明錨注支護能夠提高圍巖表面徑向壓應力(σ3增加至σ3′)和最大主應力(σ1增大至σ1′)。此外，莫爾圓強度包絡線出現上移而且斜率明顯增大，這說明錨注技術能夠利用注入的特殊漿液將破碎的圍巖膠結成整體，可以提高碎脹巖體的內聚力和內摩擦角，進一步提高了圍巖內各巖塊之間相對位移的阻力，從而有效地提高圍巖的強度。

2.3 機理概述

通過錨注支護把錨桿與注漿相結合，漿液把破碎圍巖膠結成一個整體，從而提高支護結構承載能力。錨注支護實質是全長錨固。全錨錨桿比端錨錨桿的殘余錨固力大得多，因而兩種錨固形式存在不同破壞形式。相比端錨支護，全錨錨桿則只能使錨固力降低和削弱，而不會使錨固力完全喪失。在錨噴支護巷道中，由于注漿漿液凝結體能完全同巖體及錨桿桿體全面接觸，它與錨固錨桿將多層組合拱連成一體，共同承載來自各方的壓應力，因而就大大提高了支護結構整體的支護功能。注漿后，噴層壁后充填密實，漿液將松散破碎的圍巖膠結成整體，使噴層和支護體上的荷載均勻分布。注漿后支護結構的斷面尺寸加大，圍巖作用在支護結構上的荷載所產生的彎矩就較小，致使支護結構中產生的拉應力和壓應力降低，因而能承受更大的荷載，從而提高支護結構的承載能力，擴大支護結構的適應性。同時，注漿漿液凝結體同裂紋邊緣完全膠結粘合，很大程度提高了巖體的結構承載能力，從而改變含有裂隙的巖石在外力作用下的破壞形式。

此外，在巖石受力時，在裂紋的尖端產生應力集中現象，當超過巖石的屈服應力時，巖石將發生塑性變形，從而在裂隙尖端形成一個塑性區；而塑性區出現會導致裂紋擴展，最終使巖石在較低的應力水平下發生破壞。錨注支護能夠改變巷道圍巖穩定物理力學狀態的關鍵參數。圍巖注漿加固，往往與其它巷道支護形式結合起來時，不僅能改善圍巖的巖性和應力分布，而且可大大縮小圍巖變形，減輕支架承受的外載壓力，改善支架的受力情況，是礦井深部巷道支護的有效措施。

3 數值模擬研究

3.1 模型的建立

為研究深部高應力煤層巷道在經過錨注后，因煤巖體力學性質變化引起的圍巖應力、圍巖變形及巷道圍巖表面位移的變化規律，以所選取工程為背景，通過數值模擬的方法，對深部高應力巷道錨注支護進行研究分析，根據不同支護結構和參數建立以下3個模型。

模型Ⅰ：采用普通錨網噴支護結構，選取錨桿規格為φ20 mm×2 000 mm，并設定長寬均為800 mm的間排距和150 mm厚的噴層，模型總計2 578個單元數，包括7 792個節點數，如圖4(a)所示。

a-數值計算模型Ⅰ；b-數值計算模型Ⅱ；c-數值計算模型Ⅲ圖4 數字模型示意圖

模型Ⅱ：采用聯合支護結構，在原普通錨網噴支護基礎上，再用注漿錨桿對頂幫和底角進行注漿加固。其中普通錨桿規格與模型Ⅰ相同，注漿錨桿型號為φ22 mm×1 800 mm，選材為無縫鋼管或1/2黑鐵管，設置長寬均為1 600 mm的間排距，并選取1.5 m長的漿液擴散半徑。模型總計2 578個單元，包括7 794個節點數，如圖4(b)所示。

模型Ⅲ：在模型Ⅱ的基礎上，再在底板中施工高為巷道寬度的1/6的反底拱，其中注漿錨桿規格和參數與模型Ⅱ保持一致。模型總計2 589個單元，包括7 829個節點數，如圖4(c)所示。

3.2 模擬結果分析

巷道變形如圖5所示。

假設變形量的基數以模型Ⅰ為準，分析發現，模型Ⅱ的頂底板移近量降低至基數的74%，兩幫移近量降低至基數的54%；模型Ⅲ的頂底板移近量減少至基數的40%，兩幫移近量減少至基數的39%。可以看出，注漿加固可以有效地維持巷道形狀。當變形量很大時，采用反底拱控制底臌，保護兩幫的效果會更加顯著，可以有效地減少巷道的斷面收斂。

分析巷道圍巖水平、垂直應力等值線圖，如圖6所示。

首先觀察水平應力等值線能夠發現，模型Ⅰ的水平應力高度集中于巷道拱頂部表面處，與模型Ⅱ、Ⅲ的水平應力集中位置相比，模型Ⅰ的應力集中位置相對偏低。從模型Ⅲ中發現水平應力集中出現在反底拱處，防止了在反底拱上部出現水平應力集中，這恰好解釋了反底拱為什么能夠控制底臌。

a-模型Ⅰ網格變形圖；b-模型Ⅱ網格變形圖；c-模型Ⅲ破壞區域圖圖5 模型巷道變形圖

a-模型Ⅰ水平應力；b-模型Ⅱ水平應力；c-模型Ⅰ垂直應力；d-模型Ⅱ垂直應力圖6 水平、垂直應力等值線圖

再分析垂直應力等值線能夠發現，模型Ⅰ的垂直應力高度集中于巷道兩幫表面處，與模型Ⅰ相比，模型Ⅱ、Ⅲ的應力集中位置要深得多，明顯靠近兩幫深處。由此可見，注漿可以明顯降低巷道表面的應力集中，并且能把高應力傳遞到更深處，使得巖體自身的承載能力被充分利用，為維護巷道提供了更多的便利。

盡管模型Ⅱ和模型Ⅲ在底角處的應力集中區域與模型Ⅰ基本一致，但在數值上稍有降低，這在一定程度上可以說明，采用注漿錨桿注漿加固底角，可以有效降低底角處的應力集中。

觀察圍巖破壞區域形態可以發現，注漿明顯提高了巖體強度，即使受到高的構造應力，破壞深度依舊會大幅度降低，避免了圍巖破碎繼續延伸至更深處，為巷道的長期穩定提供了有效保障；其中反底拱的效果更為顯著。

4 結論

(1)把錨注支護與其他多種支護形式相結合，可以有效地改善巷道周圍的受力狀態，降低巷道移近量，大大地提高巷道的支護承載能力。

(2)注漿錨噴支護技術著力于改善圍巖穩定物理力學的關鍵參數。注漿后，噴層壁后充填密實，漿液將松散破碎的圍巖膠結成整體，使噴層和支護體上的荷載均勻分布，而不會由于出現應力集中點而首先被破壞。

(3)注漿錨噴支護技術減少了高應力軟巖巷道返修率、降低了成本，成功克服了U型鋼支架支護性能難以發揮，成本高，勞動強度大的不足，也避免了錨桿桁架不能適應大變形軟巖巷道，支護可靠性差的缺點。