软弱泥岩巷道底板锚注加固技术研究

摘 要：针对陕西某矿一采区皮带巷开掘后在深部高应力条件下，软岩巷道变形难以控制的难题，基于深部软岩巷道变形破坏规律，通过对巷道围岩力学进行分析，提出了采用注浆锚杆加固控制围岩变形的支护技术。通过注浆加固可以改善围岩结构及其力学性质、显著提高围岩强度和承载能力，降低支护成本，有效控制巷道变形，改善巷道的支护效果，为巷道的安全快速掘进创造条件。工程实践证明，这种巷道围岩控制技术是有效的且是可行的。

关键词：深部高应力；软岩巷道；注浆锚杆；注浆参数；围岩加固

煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。深井条件下的高应力作用会使软岩巷道出现较大的变形，发展到一定程度造成巷道围岩的深度破坏。巷道支护设计时如果支护手段和支护参数不合理，将会导致巷道出现破坏-修复-破坏的恶性循环。不仅增大了支护费用和管理费用，而且延长了掘进周期，严重影响了矿井采掘的正常接续，制约着煤矿安全高效生产。

陕西某矿一采区皮带下山位于2煤层，底板埋深-600～-750m的范围内，该区域为穿层巷道，穿过的岩层主要有砂岩、泥岩、砂质泥岩，大部分区段为砂质泥岩，地层构造非常复杂，是一条典型的深井高应力软岩巷道。巷道周围围岩岩性较差，围岩强度低，易风化，承载性能较差。采区轨道下山和皮带下山，自掘进以来就出现较剧烈变形和破坏。因此，研究出一种安全可靠的巷道围岩控制技术，解决深井软岩巷道的支护难题，成为该矿提高生产效率和安全生产的迫切需要。

1 深部巷道围岩力学分析

地下工程岩体未受采动影响时，岩体处于弹性变形状态，原始铅直应力等于上覆岩层的重量，切向应力等于零。巷道开掘之后，岩体中应力将会重新分布，直至形成一个新的平衡状态。巷道周边的岩体侧向应力为零，岩体处于单向压缩状态。如果巷道周边的围岩应力超过岩体强度，巷道围岩将会产生塑性变形。随着向深部发展，围岩逐渐变为三向应力状态，直到某一半径R处围岩恢复弹性状态。从巷道周边到半径R位置处为巷道的塑性变形区。图1为巷道围岩力学分析模型。

对于巷道的塑性区，其静力平衡方程为：

（1）

根据莫尔-库伦准则，塑性区的极限平衡条件为：

（2）

其中：C、？渍分别为围岩体的内聚力和内摩擦角。

由边界条件，当r=r0时，侧向应力为0，即？滓r=0，则：

解得：

塑性区半径R=r0[■]■ （3）

对于巷道周边位移可以得到：

（4）

通过以上公式可知，对于巷道围岩来说，其稳定性主要取决于巷道原岩应力，以及围岩的内摩擦角和粘聚力等强度性质。巷道周边位移和塑性区半径随着原岩应力的增加而呈指数关系迅速增加，内摩擦角越小，增加越迅速；位移和塑性区半径随着内摩擦角和粘聚力的减小而显著增加，即巷道围岩强度越低，稳定性越差。深部高应力软岩巷道巷道，其原岩应力比较高，且围岩强度较低，因此采取加固围岩的技术手段改善围岩力学性能，提高围岩强度，增强围岩的承载能力，是解决深部软岩巷道支护难题的重要途径。

2 巷道围岩注浆加固原理

围岩注浆加固是利用浆液把围岩的各种弱面充实，并把弱面充填体和四周岩体重新胶结起来，形成浆液扩散加固拱，从而提高围岩的整体稳定性及其力学性能。利用浆液充填围岩裂隙，配合锚喷支护，充分发挥锚杆的作用，大大减少失锚现象，因此能使得巷道围岩能承受更大的载荷，提高支护结构的承载能力，扩大支护结构的有效承载范围，强化支护结构的整体性，改善支护结构的承压能力。（如图2所示）

1-普通金属锚杆；2-注浆锚杆；3-金属网喷层；4-浆液扩散范围；

5-锚杆作用形成的锚固拱；6-喷网层作用形成的组合拱；

图2 巷道帮顶注浆加固支护机理

3 巷道注浆参数设计

注浆参数设计包括注浆材料，注浆时间，注浆压力，注浆量，以及注浆孔布置参数的设计。注浆参数的合理选择决定着围岩的注浆加固效果。

3.1 注浆材料

围岩注浆材料分为悬浮性浆材和溶液型浆材，包括三大类材料：一类是水泥基材料，是注浆加固应用最广的材料，包括高水速凝材料，超细水泥，硅粉水泥浆材，纳米水泥材料；一类是化学基浆材，包括聚氨酯，脲醛树脂，丙烯酰胺等系列浆材，其中聚氨酯在煤矿应用比较多；一类是复合浆材，是将高分子聚合物与水泥配置成高分子复合化学注浆材料，聚合物作为水泥的添加剂，可以显著提高水泥浆的可注性和固结体强度。试验巷道采用的是标号525的硫铝酸盐快硬水泥，水灰比0.8～1.0。

3.2 注浆时间

注浆时间包括注浆过程时间和注浆与掘进间隔时间。对于裂隙发育的围岩，为了防止浆液在巷道内泄漏，注浆时间不宜过长；对于裂隙不发育的围岩，浆液扩散比较困难，为了提高注浆效果，应适当延长注浆时间。根据注浆与掘进时间间隔，分为超前注浆，同时注浆和滞后注浆。对于围岩极其破碎，工作面掘进会引起冒顶片帮现象，应采用超前注浆加固围岩。一般条件下采用同时或者滞后注浆，这时候围岩强度损失较小，注浆固结后岩体强度高，加固效果比较好；注浆过迟会导致围岩变形严重，注浆加固作用难以充分发挥。

3.3 注浆压力

注浆压力是浆液在围岩中的扩散动力，是加固效果的直接影響因素。因此，合理的选择注浆压力至关重要，注浆压力选取应综合考虑地层条件，注浆方式，注浆材料和围岩条件等因素。一采区下山二联巷试验巷道采用的是水泥浆液，根据围岩条件，破碎严重时选择0.5MPa的注浆压力，比较破碎时选择1MPa的注浆压力，裂隙较小时选择1-2MPa的压力，试验巷道最大注浆压力要求不超过1.5MPa。

3.4 注浆量

注浆量的原则是保证浆液能充满围岩裂隙，钻孔不吃浆。注浆量与围岩的裂隙发育和松动范围相关，实验过程中，各个钻孔注浆相差很大，消耗的水泥从1.5-5.5袋不等，平均每个钻孔需要注浆消耗2袋水泥。

3.5 注浆孔布置

帮底采用自固式注浆锚杆进行加固，巷道两帮分别布置2根，两帮最下面一个注浆锚杆斜向下30°左右布置，另外两根垂直岩面布置，底板布置2根，靠帮1000mm处施工钻眼，锚杆斜向下30°左右布置。帮底注浆锚杆加固参数：每排6套锚杆，排距为1400mm。

4 巷道加固效果分析

为检测巷道注浆后的加固效果，在巷道中布置了测站，对观测数据进行整理和总结，主要包括两帮移近和顶板下沉，得出相应围岩变形量曲线。

由图3可以得出巷道表面位移特征：巷道在掘进后的一周以内，顶板下沉速度和两帮相对移近速度都比较大，巷道表面位移急剧增大；半个月以后，围岩移近速度变慢，巷道表面位移缓慢增加；一个月以后，围岩处于稳定状态，但巷道仍有较小的变形量。从巷道表面位移观测结果可以看出，由于采用了合理的注浆锚杆围岩加固技术，改善围岩结构，提高围岩承载能力，有效的控制了巷道的变形，经过注浆加固后的围岩变形较小并且变形趋于稳定，说明这一技术对深部软岩巷道围岩变形的控制效果良好。

5 结束语

通过建立巷道围岩力学模型，分析知巷道周边位移和塑性区半径与围岩内摩擦角和粘聚力的大小有关，巷道围岩强度越低，稳定性越差。即提高围岩强度，增强围岩的承载能力，是解决深部软岩巷道支护难题的重要途径。分析了巷道围岩注浆加固原理，通过对巷道围巖进行注浆加固，浆液在裂隙中充填、固结后不但封闭了裂隙，也阻止了水浸入岩体对围岩的弱化作用，同时阻止了围岩的进一步风化，能够提高围岩的强度和承载能力，改善围岩结构，使巷道围岩的变形破坏得到控制。通过现场应用，试验巷道中采取的高应力软岩注浆加固技术，通过与巷道锚固支护有机结合，得了显著的成效，大大减少了巷道表面的位移量，有效的解决了深部高应力软岩巷道支护问题。为今后类似工程地质条件的巷道工程提供了重要的参考价值。

参考文献

[1]康红普，王金华，等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007：144.

[2]于鲁海，周永辉，温润国，等.锚杆锚索联合支护在护巷中的推广应用[J].煤炭技术，2009，28（2）：78-79.

[3]柏建彪，王襄禹，姚 .高应力软岩巷道藕合支护研究[J].中国矿业大学学报，2007，36（4）：421-425.

[4]王连国，张健，李海亮.软岩巷道锚注支护结构蠕变分析[J].中国矿业大学学报，2009（9）：608-612.

作者简介：白天社（1967-），男，陕西澄城人，现任陕西彬长胡家河矿业有限公司综掘一队队长。