緩釋、阻斷圍巖復雜應力和增強軟弱圍巖強度的動態支護技術的研究與應用

賀軍豪 樊俊豪

（平頂山天安煤業股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000）

在目前煤炭市場極其困難的時期，為了既能使礦井生產成本降低，又能解決深部礦井復雜應力狀態下巷道支護難以長期穩定的難題、通暢行人運輸安全生產環境、減少巷道修復人員，項目針對平煤股份十礦研發“深部礦井復雜應力緩釋阻斷和增強圍巖強度”支護技術，以反復提升、改造圍巖自身強度；構建多單元支護容錯的支護體系；完善主動、動態的軟巖支護技術是十分必要的。根據多方考察、調研后領導研究決定：采用淮北市平遠軟巖支護技術工程有限公司的“緩釋、阻斷礦井復雜應力和增強軟弱圍巖強度的動態支護技術”進行修復施工。

一、研究報告

（一）深部復雜高應力巷道圍巖變形破壞特性

1.深部圍巖力學環境

深部圍巖埋藏深度大，地質構造復雜，處于原始平衡狀態的圍巖體己經歷過復雜多變的地殼運動、巖漿活動、沉積作用、變質作用等物理化學過程。泥巖、頁巖等軟質巖石，在地質歷史作用過程中，形成連續介質，沉積過程中的層理差異逐漸減弱，在深部高應力作用下存儲了大量的變形能，埋藏深度越大、圍巖體存儲的變形能越大。粉砂巖、砂質泥巖、砂質頁巖、砂巖、石灰巖等堅硬巖石，在深部高應力地質作用過程中，由于層間填充礦物與上下層巖石組成結構差異較大，沒有融合成連續介質。此類巖體層理結構明顯，在深部高應力作用下，填充礦物壓縮變得致密，但仍然是層間弱面，整個巖層也存儲了變形能，埋藏深度越大，圍巖體存儲的變形能越大，與軟巖相比，由于體積應變及組成結構的巨大差異，存儲的能量較小。深部圍巖力學環境復雜，不僅具有淺部圍巖體固有的垂直應力、水平應力，還包含復雜的地質構造及其誘發的復雜應力，構造應力作用將更加明顯，高地壓、高地溫更加突出。圍巖變形結構復雜、變形能來源組合效應明顯。

2.變形破壞機理

巷道開挖是打破原始平衡狀態的卸荷過程，在此過程中，圍巖體必然經歷應力重新分步、調整，直至再次達到新的平衡狀態，卸荷圈作用范圍內的圍巖體由原始的復雜受壓狀態變為拉、剪狀態，應力來源于兩方面：一是卸荷圈作用范圍內的圍巖由于平衡狀態被打破，釋放的彈性變形能、剪脹擴容能、構造錯動能等，這部分應力是直接作用力;二是卸荷圈作用范圍以外巖體變形壓力導致的應力，這部分應力是圍巖體變形壓力間接傳遞作用。圍巖結構、組成特性、破壞應力構成不同，破壞過程及特性不同，強度衰減速度不同。

3.變形破壞特征

在深部地層中，圍巖處于高地應力環境中，并且由于軟巖的強度低，單軸飽和抗壓強度在5Mpa～15Mpa 之間，甚至更低。因此，圍巖變形破壞非常強烈。

4.破碎巖煤體支護困難分析

（1）破碎巖煤體，斷層區域，極軟弱巖煤體的本質結構和組織結構抗壓、抗拉和抗剪強度及其它各項指標都是最弱小的。所以其本身就給巷道支護帶來極大的困難。

（2）由于巖煤體的松動導致錨桿的著力點（錨桿根部）松動，錨桿的錨固力難以得到充分發揮。

（3）在軟弱巖煤體中采用架棚支護巷道時，支架的棚腿就插入松散破碎的巖煤體中，稍受采動力影響支護極易失穩，巷道斷面縮變較快，影響礦井的安全生產。

（4）巷道處在軟弱巖煤體中,極易冒落和片幫，加上超前采動的水平應力影響，形成巷道底鼓嚴重，特別影響安全生產。

（5）極軟弱巖煤體的巖石密度極高，孔隙率底，給注漿固化帶來特有的困難條件。

（二）影響軟巖大變形的主要因素

造成軟巖巷道圍巖變形破壞的影響因素是多方面的，既有客觀的，也有人為的，主要有以下幾個方面：

1.客觀因素

（1）巖性的影響

巖性是影響圍巖穩定性的最基本因素，是物質基礎。由于礦物組成，巖石結構構造的不同，不同巖石的物理力學性質差別很大。依照巖石特性可將圍巖分為塑性圍巖和脆性圍巖兩大類。塑性圍巖，主要包括各類粘土質巖石、破碎松散巖石以及某些易于吸水膨脹的巖石，通常具有風化速度快，力學強度低以及遇水易于軟化，崩解等不良性質，因此對巷道圍巖穩定性最為不利。脆性圍巖，主要包括各類堅硬巖體，由于巖石本身的強度遠高于結構面的強度，故這類圍巖的強度主要取決于巖體結構，巖性本身的影響不十分顯著。而我國礦區主要分布于開采新生界第三紀褐煤和開采中生界上株羅紀的褐煤礦區，煤層頂底板巖石都非常松軟破碎，易風化，多屬于塑性圍巖，因此怕風，怕水，怕震。

(2)上覆巖層壓力

任何地下工程都將受到上覆巖層壓力的影響，隨著開采深度的增加，上覆巖層壓力有增大的趨勢。巷道所處地層越深，巷道所受圍巖靜壓就越大，且巷道如果不受其它因素的影響，其四周圍巖靜壓力是均勻的，因此巷道支護體的破壞總是在強度最薄弱的地方開始(如直墻拱頂斷面的直墻底角處，噴層最薄處等)。

(3)采動壓力

當巷道支護體承載達到極限時，受采動壓力影響，可以在兩個月內使巷道無法正常運輸，甚至行人困難。巷道破壞嚴重。在工作面停采或初采一個月后，不僅上下順槽被壓壞，而且距工作面停采線或切眼百米外上山也受壓破壞。由于軟巖在宏觀上具有一定的流體特性，相對于工作面下部的巷道受采動壓力的影響更嚴重，巷道破壞區域總體偏下。

(4)斷層構造的影響

穿過斷層的巷道在開掘時壓力大，變形大，難以維護。經卸壓后，在一段時間內巷道相對穩定。但一旦支護體破壞后，巷道變形很快，且在斷層下盤容易發生局部冒頂。沿斷層掘進的巷道，靠斷層側巷幫變形特別嚴重。

(5)地下水的影響

圍巖巖體中地下水的賦存、活動狀況，既影響圍巖的應力狀態，又影響圍巖的強度。結構面中的空隙水壓力的增大能減小結構面上的有效正應力，因而降低巖體沿結構面的抗滑強度。特別是巷道兩幫在受到地下水的作用后，支護會慢慢失效，巷道兩幫發生近似整體向內平移的變形，巷道兩幫的移近量大于頂板下沉量。

(6)沖擊地壓

由于地震、地層活動、巖爆、煤爆等均可能形成沖擊地壓，受沖擊地壓影響的巷道將會出現嚴重變形或破壞。

2.主觀因素

(1)施工質量因素

爆破掘進中的錯誤操作由于管理上的愿因及操作素質問題，“多打眼少裝藥原則”沒有得到規范實施，并且由于缺少準確試驗數據，以致措施中的爆破圖表難以在現場實施，結果巷道圍巖破壞，圍巖自身的承載力大大降低；同時巷道形成凸凹不平，使巷道支護力遠低于設計值，在這種情況下，巷道凸起的地方就會首先破壞。

(2)支護設計不合理

巷道支護形式單一不根據圍巖地質條件、巷道服務時間、巷道用途來選擇支護形式，造成巷修力量及巷修資金投入過大的被動局面，嚴重影響了煤礦的發展。巷道斷面形式單一巷道斷面過多的采用直墻半圓拱，而沒有根據具體的地質情況，采用多種形式。一般來講，直墻半圓拱型巷道的破壞會首先從支護薄弱的底角處開始，使反底拱和兩幫過早破壞。支護構件設計不合理以錨、噴、帶聯合支護中的鋼帶為例，通常的設計往往起到反作用。當巷道拱頂處采用鋼帶，拱頂下沉時，如果兩錨桿間距縮小，鋼帶不是受拉力，而是受壓彎曲，并將外圍噴層破壞；當巷道平頂采用鋼帶，拱頂下沉時，鋼帶受到張拉，但兩條鋼帶在錨桿連接處對錨桿產生剪切力，將連接錨桿剪斷，造成此處支護體的破壞。

(3)爆破震動

爆破產生的沖擊波對圍巖支護體產生震動祌擊作用，當巷道支護體承載力接近臨界值時，如果經多次震動沖擊，就會使本來顯得較為脆弱的支護體迅速破壞。雖然客觀條件不可以改變，但只要通過科學的施工設計、嚴格的施工管理就可以延長巷道使用壽命，避免多次返修對圍巖的破壞作用，保持巷道支護的穩定性。

二、項目方案設計與實施

（一）中區瓦斯專用風道圍巖變形破壞特征與機理分析

十礦中區瓦斯專用風道位于-320 水平中部采區，巷道全長790 米。巷道的層位位于戊8 煤層的頂板之上，巷道底板距戊8 煤層的頂板8～10m。該巷道采用錨網噴聯合支護。戊8 煤層直接頂是砂質泥巖，由于受附近回采動壓的影響較大，本次試驗地點巷道曾多次擴修，開幫、拉底，背金屬四節拱形棚子，在巷道圍巖中形成一個很大的松動圈。巷道松動圈的范圍，已經超過了錨桿錨固長度，致使巷道基本上處于“裸體”狀態，由于錨桿錨固功能的減弱、消退，引起巷道變形加速。2012 年還在該區域試驗了“D 型管”支護，也未達到預期效果。從現場觀察看到，巷道的變形狀況因圍巖巖性的不同而呈現較大的差別，部分區段變形量較小，但大部分區段變形嚴重，尤其是受采動影響的區段，不僅強烈底鼓，而且兩幫產生大變形。頂板與肩部產生了嚴重的壓剪破壞，直墻部分出現了貫通性裂縫，裂縫最寬達到50mm。

（二）注漿漿液選擇

注漿材料的選取主要考慮下列原則：漿液的結石體最終強度高；漿液結石率高，與煤巖具有良好的粘附性；漿液流動性好，配比易調；漿液具有足夠的穩定性，漿液成本低廉無毒無味。實踐證明，高強度水泥是性能好，材料來源廣泛，價格合理的漿液主材料。所以注漿材料采用525＃以上的水泥來制作漿液。

1.按高標號水泥（525 號）設計：除有淋水外一般不加速速凝劑，以確保漿液凝固后的長期強度。

2.漿液水灰比，第一次注漿漿液配比取 水泥：水為：1：06～7；第二次注漿漿液配，應略小于一次注漿漿液濃度；取水泥：水為：1:0.7～09。

3.漿液應采用機械攪拌，以保證漿液攪拌力度；人工攪拌力度以測定漿液濃度和粘度來保證。

4.漿和漿液要慮盡渣滓，確保注漿效果。

（三）壓注漿液擴散形態分析

但就現實情況也或多或少地反映出一定關系，就上述注漿擴散半徑公式及注漿時間表達式可知，漿液擴散半徑和注漿時間及注漿壓力之間存在密切的關系。在注漿壓力一定的條件下，注漿時間越長漿液的擴散半徑就越大；反之，就越小。據實際分析，注漿時間與注漿量、漿液擴散半徑的關系。

（四）注漿參數

1.漿液擴散半徑

漿液在巖石裂隙中擴散凝結后，能起到堵水或加固作用的范圍通常用擴散半徑來表示。漿液在巖石裂隙中的擴散，實際上是不規則的，它隨著巖層滲透系數、裂隙寬度、注漿壓力、注入時間的增加而增大；隨著漿液濃度和粘度的增加而減小。通常以調節注漿壓力，漿液注入量和濃度等參數來控制漿液擴散范圍的大小，一般要求其擴散半徑在0.8～1.0m 以上。根據此巷現場取樣試驗，錨注孔排距超過1000mm 時，漿液滲透力降低約20%，錨注孔排距超過1200mm 時，漿液滲透力降低約30%，當錨注孔超過1500mm 時，漿液滲透力只有約30%。

2.注漿壓力

（1）第一次注漿終壓可控制在20～25／公斤（2.0～2.5MPa）。

（2）底角的注漿壓力要高于頂板和邦部注漿錨桿的壓力一般控制在20～30 公斤（2.0～3.0MPa）。

（3）第二次注漿壓力應高于第一次注漿壓力，注漿終壓可控制在 25～30 公斤（2.5～3.0MPa）。

3.注漿量

由于試驗巷道圍巖吸漿量差別較大，所以本著既有效地加固圍巖達到一定的擴散半徑，又要重視噴層的抗壓強度和注漿時間的原則。

（1）第一次注漿量可控制在4～6 袋水泥；（根據現場實際巷道位移狀態及打眼遇到特殊情況，以不跑漿為限制可適當提高注漿量）。

（2）第二次注漿量一般可控制在3～4 袋水泥，但壓力達不到注漿終壓要求應以滿足注漿壓力要求為止。

4.注漿時間

注漿時間一般取決于進漿量和注漿終壓的要求應以滿足，當時間過長和進漿量過大；一要查明原因，是否有跑漿、漏漿的情況；原因不能找到，也可停注一段時間后在對此段巷道復注。為了防止注漿在弱面漿液擴散較遠，造成跑漏現象，在控制注漿壓力和注漿量的同時，必須控制注漿時間，使注漿時間不宜過長、也不能太快以盡可能地實現穩壓注漿。根據實際情況在作業規程中規定，可按20～30 分鐘注一個孔進行要求。

三、項目應用產生的經濟效益

緩釋、阻斷礦井復雜應力和增強軟弱圍巖強度的動態支護技術由于構成了多層次、多單元的噴層組合拱、錨桿壓縮區組合拱和漿液擴散組合拱等多層組合拱結構，形成一個較大的承載結構，增加了承載結構的有效承載范圍，從而使巷道變形量明顯減少，基本滿足了巷道安全使用的要求。同等條件下與其他支護相比，改善了井下作業環境，節省了大量的巷道維修費用，相對地提高了巷道綜合單進水平，也提高了工效。