“支-護-注”協同支護技術在圍巖控制中的應用

劉玉衛，商鐵林，劉應然，張亞峰龔 劍

(1.鄭州工程技術學院，河南 鄭州 450044；2.鄭煤集團 工程技術研究院, 河南 鄭州 450042；3.榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

隨著礦井開采范圍的擴大，開采深度不斷增加，開采條件也變得越來越復雜，尤其是大埋深、復雜構造及采動應力等疊加應力影響，給巷道支護帶來了極大的困難。目前的巷道支護方式很難保證巷道的穩定。巷道支護的不穩定，首先影響到巷道的施工速度和施工安全，對礦井的安全生產帶來極大的危害，過去普遍采用金屬支架或U型+錨索等主被動支護[1]來解決巷道支護的問題，但對復雜條件的圍巖巷道來說并不適用。國內專家學者開展了多方面研究，靖洪文等人[2]提出了“三錨”支護技術，即對深埋巷道通過錨噴、錨注和錨索耦合作用使其形成一個穩定的承載圈。張農等[3]經過研究提出了以錨桿、錨索、注漿等為主體的整體封閉式支護技術。楊本生等[4]利用相似模擬試驗提出了巷道連續雙殼加固技術，即淺孔注漿(淺殼)、深孔錨索束注漿(深殼)，來控制圍巖變形。

國內近些年軟巖支護技術主要是圍繞錨桿展開多種組合支護研究，如“三高一低”強力支護、耦合支護技術、注漿聯合支護技術、協同支護技術等[5]。而國外支護呈多樣性。美、澳國采用錨桿+額外補強，英國采用全長樹脂錨固，德國道采用“錨桿+拱形支架”組合支護，波蘭“拱形支架+錨桿”等，這為我國軟巖支護理論完善、多元化發展特別是深部圍巖控制帶來了有益的啟發[5]。

1 協同作用中的支與護

協同概念由德國科學家Hermann Haken在1971年提出，并于1976年對該理論進行了系統闡述，主要指兩個或兩個以上不同資源的相互協調或能夠協調一致地完成某一目標的過程或能力[6]。在圍巖支護方面，借鑒了協同理念將圍巖支護理論、錨固理論、圍巖承載機理等理論[7]相互組織在了一起，開展地下空間支護方面的研究。

1.1 “支”的協同作用

1) 錨桿與錨索的協同。錨桿與錨索的協同主要通過預應力為橋梁紐帶。將高強度錨桿的預應力與錨索預應力相適應，使之相互搭配形成整體作用，產生協同效應。

經李元等人[8-9]研究可知：錨桿與錨索預應力匹配有一個合理區間范圍，錨桿預應力40 kN時，錨索在140～160 kN的支護效果較好；錨桿增強到60 kN以上、錨索預應力達180～230 kN時可將巷道收斂率控制在10%以內，巷道支護效果差別也不大。一般預應力錨索應是錨桿應力的3～4倍為宜，二者配合較好。

錨桿、錨索的預應力協同作用可以控制圍巖早期的變形，減小甚至消除由于巷道開挖產生的圍巖弱面。所以高強錨桿必須與預應力相結合，錨桿的預應力必須與錨索的預應力相結合，只有它們之間相互合理匹配，避免錨桿或錨索單獨承載，才能使錨桿、錨索的個體作用達到最大，并產生協同支護作用的效果[5]。

錨桿與錨索的協同作用可以有效地控制圍巖的早期變形。錨桿預應力只有與錨索預應力合理匹配，才能使錨桿或錨索不單獨受力，使之發揮最大的合力，產生協同效應。

2) 錨桿、錨索與圍巖的協同[5]。錨桿和錨索的協同是通過預應力錨桿的淺部加固和預應力錨索深部懸吊作用協同配合實現的。通過預應力錨桿軸向圍壓的作用提高了破碎圍巖的殘余強度，增大了圍巖的內聚力和內摩擦角；通過桿體橫向抗剪作用提高了圍巖弱面的抗剪強度；再通過錨索的懸吊作用，最終將頂板錨桿作用下形成的較完整的淺部松動區巖石懸吊于深部穩定的巖層，提高了圍巖的整體承載能力。

1.2 “護”的作用機理

1) 噴射混凝土作用。混凝土噴層在支護中有顯著的作用，其作用機理有以下幾點[12]：①保護圍巖表面防止風化和防水；②噴層與圍巖粘結密貼能改善圍巖表面受力狀態；③填平表面凹處補強裂隙，提高粘結力，緩解應力集中；④初期支護力能防止圍巖松動過快發生大變形；⑤能間接提高圍巖環向應力，增強組合拱支撐能力；⑥噴層能承載一定的塑性變形起到“卸載”作用。

2) 鋼筋網護表作用。鋼筋網護表作用主要體現在：①同噴射混凝土一起作用，防止出現收縮裂縫；②金屬網將錨桿錨索串聯在一起，提高了支護的整體性能；③能使噴層應力均勻分布，防止圍巖出現局部破壞；④能增強噴層柔性，防止噴射混凝土噴層開裂；⑤金屬網能防止巷道頂板松碎巖塊脫落和片幫。

2 支護固的協同效應關系

2.1 錨注到“固”的形成

1) 淺部加固圈的形成機理。針對復雜應力狀態下，易造成圍巖破碎、變形、蠕變、流變、支護壓力增大等情況，把巖體中松軟破碎及在外力作用下松動的巖石用噴射混凝土予以置換，再結合錨桿和注漿，把淺部原來非均質、非連續、各向異性的巖體構建成抗壓、抗拉、抗剪能力都提高的較均質、同性、連續的高強度新巖體形成淺部加固圈。

2) 深部加固圈的形成機理。當圍巖松動圈較大時，破裂范圍大于錨桿長度，單靠錨桿無法錨定破碎圍巖。當巷道斷面較大時，拱基線以上的破碎圍巖，錨桿支護的組合拱強度效應不明顯，不能維持圍巖的穩定。在膨脹過程中，錨固范圍外的深部裂隙巖體對巖體和錨桿施加較大的剪切力，往往導致錨桿擠壓、錨桿破碎、圍巖松動、垮落，最終導致頂板垮落事故[12]。因此，充分利用松動圈外相對穩定巖體一起抵抗圍巖變形，為圍巖內側提供應力和位移約束，通過錨注和預應力錨索的協同作用，限制圍巖變形，改變松動圈內圍巖松散破碎、完整性差的狀況，提高圍巖的完整性和強度，使破碎圍巖與深部完整巖體形成有機整體，形成深部加固圈。

2.2 支-護與注漿加固的協同

根據單支護理論，錨桿支護是通過錨桿的作用，將破碎巖體組合成組合拱或梁，從而提高圍巖的支撐能力[13]；而錨索支護是通過在大跨度截面增加錨索來達到減跨和懸吊的目的；噴混凝土是對圍巖表面進行封閉加固，防止風化，進水；注漿加固是將水泥漿充填圍巖裂隙區來提高松散破碎巖體的殘余強度，改善了力學性能和支護結構的完整性[13-14]。

由前述可知，錨桿和注漿能在巷道圍巖淺部形成一定厚度的加固圈，而在深部松動圈范圍內，通過注漿和錨索再形成深部加固圈，錨索把加固圈錨在深部巖體中，使之形成共同的承載能力，最終形成“支-護-注”的協同作用關系。

2.3 “支-護-注”協同支護關鍵技術

1) 預留空隙技術。根據巷道斷面設計，施工時提前預留擴展變形空間，即”預空”，預空范圍控制在設計斷面的10%～15%.預留空隙能促使巷道在成巷后，復雜疊加應力的釋放，對具有流變和膨脹性軟弱巖體巷道支護十分必要，也為下一步封層提供良好的基礎。

2) 噴漿封層技術。巷道開挖后，通過噴漿在巷道圍巖表面先形成膠結護層，然后施工錨桿，進行掛網，以鋼絲網為筋骨，間距350 mm×350 mm，使其高強密貼于圍巖表面，進行噴漿封層，封層的初次噴漿厚度一般不小于80 mm，第一層次封層就要達到較高的承載力，多次噴層形成強韌的組合承載體。

3) 混凝土置換技術。對復雜應力狀態下圍巖破碎、蠕變、流變的巷道，采取針對性措施把巖體中在外力作用下極松軟破碎的巖石部分，用噴射混凝土予以置換。實際操作中，巷道底板和幫腳是置換的重點，幫腳是圍巖垂直應力和水平應力的集中區，也是巷道支護中最薄弱的地方，深挖巷道兩底腳，留出空間釋放應力可起到卸壓的作用，然后再噴施混凝土填充，即用混凝土置換此處不穩定的軟巖。

4) 均布注漿技術。均布注漿就是通過深、淺注漿孔和被注加固巖體巖性相匹配的注漿材料對松動巖體進行適時注漿，使被加固的松動巖體應力趨于均勻分布，圍巖趨于均質同性，結構趨于整體承載。注漿錨桿一定要深封孔，封孔深度一般不小于600 mm，封孔長度不小于200 mm，底腳注漿壓力要高于頂部和幫部，一般控制在2.5～3.5 MPa，第一次注漿，終壓控制在1.5～2.5 MPa，二次注漿壓力要大于第一次，使注漿漿液的擴散半徑能達到設計的要求。為確保底板的注漿效果，實現底鼓控制的目標，特別要做到加強底腳混凝土噴漿層，保證巷道幫腳的基礎深度向幫外側延伸300 mm以上，并加大底腳的注漿壓力，調整好底腳注漿漿液的粘度，穩壓注漿。

3 工程中的應用

3.1 工程地質條件

以鄭州礦區楊河煤業軌道運輸大巷為研究對象，31水平軌道運輸大巷主要布置于L7灰巖及下部的砂質泥巖中，上距二1煤層距離為23 m。

3.2 支護參數確定

原支護如圖1所示。①巷道設計掘進斷面為18.8 m2，凈斷面為16.1 m2，斷面凈高為3 930 mm，凈寬為4 700 mm，其中墻高為1 800 mm，拱部凈高為2 350 mm，基礎深度為100 mm。②支護方式：錨網(索)+噴漿支護。③錨桿規格：D20 mm×2 000 mm，間排距700 mm×700 mm，三花布置，每孔裝樹脂藥卷2卷；托盤規格10 mm×100 mm×100 mm，錨固力符合設計要求(≥50 kN)；金屬網規格D6.5 mm×1 000 mm×2 000 mm，搭接長度100 mm，12號鐵絲每200 mm綁扎1道。噴射混凝土標號為C15，厚度120 mm。④錨索間排距為3 000 mm×3 000 mm，錨索長為6 000 mm，直徑為15.24 mm，托盤規格為：300 mm×300 mm×10 mm。

圖1 巷道原支護方式(mm)

3.3 支護優化設計

1) 支護參數。①錨桿參數選擇。錨桿采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，規格：D22 mm×2 200 mm加長錨固，預應力100 kN；頂板和兩幫采用加長錨固，用Z2355樹脂錨固劑2卷，錨固長度1 m；錨桿的間排距也取700 mm×700 mm。②錨注材料的選擇。注漿錨桿選用外徑22 mm，壁厚3.0 mm冷拔無銹鋼管，長度2 500 mm；為便于注漿，在錨桿上鉆有交叉布置的D6 mm出漿孔；錨桿端部切有M22細牙螺紋，螺紋長30 mm。注漿孔布置間距700 mm，排距1 400 mm。③錨索、注漿錨索材料的選擇。普通錨索規格：D17.8 mm×8 000 mm，強度1 860 N/mm2，最低破斷荷載353 kN，1支K2850樹脂錨固劑，3支Z2850樹脂錨固劑，錨索間排距1 400 mm。注漿錨索選用高強度螺旋肋預應力錨索，規格D22.6 mm中空注漿錨索，極限破斷強度420 kN，長度選取8 000 mm，兩底角設置錨索各1根，下扎30°。混凝土反拱砼強度等級C20，支護方案如圖2所示。

圖2 “支-護-注”協同支護方案(mm)

2) “支-護-注”協同錨固優化設計。①“支-護-注”協同支護技術試用的范圍：跨度大于5 m的Ⅲ類圍巖巷道；Ⅳ～Ⅴ類圍巖巷道；斷面在15 m2以上的巖石巷道；跨度大于5 m的硐室；穿越破碎帶的巖石巷道；復修巷道且圍巖松動圈大于1 m以上等類型的巷道。②深淺搭配注漿原理。根據實測的圍巖松散破碎情況，針對破碎延伸帶3.5～10 m范圍的巷道，實施深淺部裂隙巖體交叉、組合均布注漿技術。先用“自固、內自閉注漿錨桿”進行全斷面淺部注漿(注漿擴散范圍在3.5～5 m)，待淺部圍巖得到有效加固后，再實施中空注漿錨索進行深部注漿加固[8]。淺孔注漿采用高性能單液水泥-水玻璃漿液，強度不低于20 MPa；深孔注漿采用高滲透、高強水泥漿液，強度不低于30 MPa。③底腳注漿錨桿[15]。規格同頂板注漿錨桿，間距700 mm×700 mm，排距1 500 mm；距離底板高度不超過100 mm，下扎30～45°。④噴射混凝土：初噴厚度70～80 mm，復噴厚度50～70 mm，強度等級C20。

4 支護效果驗證

在31水平軌道運輸大巷實施新的支護方案后，布置3組觀測點進行監測，監測數據如圖3所示。曲線表明，在采用優化方案后，巷道變形速率明顯降低，并在較短的時間內圍巖變形趨于收斂，底鼓量和兩幫收斂量也得到明顯的控制，新方案取得良好的支護效果，如圖4所示。

圖3 巷道新支護方案的變形曲線

圖4 支護效果

5 結 語

1) “支-護-注”協同支護技術的核心是預留空隙、封層置換和均布注漿技術的協同配合使用。充分發揮圍巖的自承能力，提高支護結構的承載力和適應性，提高圍巖的整體性和自承載能力。

2) 當錨桿與錨索產生協同效果時，圍巖收斂性明顯減小，應力分布均勻改善了巷道周圍的應力集中。結果表明，當錨索施加3～4倍錨桿預應力時具有較好的協同效應。

3) “支-護-注”協同支護的原則是優化斷面，提前加大松散圍巖的清理力度，合力擴大巷道的毛斷面，預留變形空間，對于含膨脹底軟地段，考慮底板實施反拱措施。著重加強兩幫肩腳的控制，維護頂板和底板的穩定。

4) 對強流變、膨脹性軟巖，要及時封閉圍巖表面，做好防水措施，加強防護。重視錨桿、錨索的預應力，增強其與圍巖加固圈的共同協同支護能力。