高应力软岩巷道支护技术探讨

李 彬

（国投新集能源股份有限公司新集二矿,安徽 凤台 232100）

0 引言

由相关数据得知，目前我国已探明的埋深在1000m以下的煤炭储量所占比例为53%，因此我国矿井的开采深度正在不断的增加，平均矿井采深以大约8～12m/年的速度持续增加着。而深部开采存在着地应力高、岩溶水压高以及地温高等特点，对矿井进行深部开采很容易使得巷道出现明显变形并面临着支护困难等问题。因此，要对高应力软岩巷道的支护技术进行深入的研究，以求提高煤炭的开采速度以及安全性，并降低支护所需的成本。

1 国内外高应力软岩支护技术概况

软岩指的是具有松脆、膨胀以及出现风化现象等的岩层，其具有十分不稳定的特点，并且矿压显现较为明显。当在软岩中进行采掘活动时常常会出现较大的变形，有的变形甚至达到几米。软岩巷道所面临的支护问题对于各个国家的采矿界来说都是一个技术难题。

部分西欧国家对于高应力软岩的巷道支护问题运用“新奥法”理论，将不同断面的矿用型钢设计为可缩性金属支架，而像俄罗斯、土耳其等国家则仍然运用多种不同类型的金属支架来对高应力软岩巷道支护问题进行处理。然而，这些进行支护的方式往往都存在一定程度的局限性：首先，这并不能从根本上来解决高应力作用下的巷道支护问题；其次，这些支护方式都存在着施工十分复杂的问题，并且一但原有的巷道支护遭到破坏再进行支护的修护就会更加困难；最后，运用这些支护方式都面临着成本较高的问题。在美国以及澳大利亚等国家则运用以锚杆为主要组成的支护体系，体系中包括高强、超高强锚杆、组合锚杆以及全长锚固锚杆等形式，并且还推出锚索来对支护材料的强度进行提高，还能够增强锚固着力点所能到达的深度。当开采的深度不断增加时，对在高应力作用下的软岩巷道进行支护的难度也逐渐增大，原有的锚杆支护体系也面临着一些新的挑战。

近年来我国高应力软岩巷道支护所运用的技术主要是锚索支护技术，这种支护技术能够将深部的围岩共同调动起来并使其与浅部的围岩进行共同作用，来对围岩的稳定性进行一定的控制。

2 软岩巷道变形原因分析

对高应力作用下的软岩巷道进行有效的支护是进行煤矿开采时要面临的一大难题。巷道两帮位移以及顶板下沉等问题都容易导致巷道的断面出现变形。巷道底板的失稳容易影响到巷道顶板的稳定性，巷道底鼓若持续发展则会使得底板的岩石更加松动而遭到破坏，会使得顶板的下沉以及两帮变形的问题更加严重。目前由于支护技术的发展已经能对顶板下沉以及两帮移近的问题进行一定的控制，然而对于底鼓仍然没有较为有效的处理方法。

下面以新集二矿-750m水平水仓施工巷道为例进行巷道变形原因的分析。该巷道所穿过的岩层具有一定的特点，除1煤顶板砂岩以外所穿过的岩层都较软，例如粉砂岩，具有性脆、强度低等特点，是显著的软岩特性；细砂岩下部则呈现互层状，在浸水或者吸潮之后会出现较为明显的强度降低的特点，甚至可能出现破碎，使得岩层强度完全丧失。若该岩层的强度不断降低，围岩具有的强大载荷作用会使得其发生较大的变形而导致岩层破坏。岩性差是导致巷道出现变形破坏的内部原因。

从底板岩层所面对的受力来看，巷道底板的位置处于不支护的状态，而巷道的不断挖掘则会使得原本作用于底板岩层上的垂直应力出现卸载，底板岩层就必定会出现弹性恢复，并且底板岩层的垂直应力出现降低而水平应力却增加，这就会导致应力偏量出现增加。若应力偏量超过岩层的屈服强度，巷道就会出现变形破坏的现象。

由最大水平应力理论可知，若巷道的挖掘方向和最大水平主应力方向处于斜交状态，巷道顶底板位置的岩层就会出现破坏并偏向巷道一侧。由之前的分析可知，巷道顶底板的岩层会受到较大的水平应力的影响，从而导致巷道顶板出现破坏以及底鼔的出现。

底鼔的出现会使得底板的岩层出现内移，这会对巷帮产生一定的连带作用，导致巷帮岩体向底板挤压破坏。目前在-750m水平水仓的部分地段就能够看到巷帮煤岩体所出现的开裂，部分开裂甚至到了较为严重的地步。

底鼔的出现还会使得底板岩层在应力作用之下出现扩容而使得体积增加，这就会使得岩石多方面的参数出现变化，如岩石孔隙率的变化，这会导致水要进入岩体的内部变得更加容易，从而导致岩体出现较大程度的膨胀以及软化现象。若底板岩层在遇水之后发生膨胀软化的现象就会使得岩石的强度降低，导致岩层在比较小的应力作用之下就会出现扩容的情况。由此可知，软岩的扩容以及膨胀软化之间的作用会使得底板岩层的强度遭到较大的破坏，破坏的范围处于不断扩展的状态，就会使得巷道变形持续发展下去。

3 对软岩巷道进行地质力学评估

地质力学的评估包括地应力测试以及围岩力学性质测试，能够较为准确的研究巷道围岩的稳定性。地应力是导致围岩、支护发生变形破坏的根本原因，当采矿深度不断增加时地应力对采矿的影响也会不断的增加。若不对地应力造成的影响进行考虑就进行设计以及施工就很容易导致巷道围岩发生变形甚至坍塌破坏的情况发生，这不仅会影响采矿进度的进行，还会对矿井的安全生产造成很大的影响。

目前对于地应力的测量方法有很多，主要有应力恢复法、水压致裂法以及应力解除法等，目前对于应力解除法的应用最为广泛。

应力解除法的基本原理为，若将一块岩石从受力状态下的岩体中取出，其岩石的弹性就会发生一定的膨胀变形，对于应力解除之后该岩石的三维膨胀变形进行测量，并且运用现场的弹模率对弹性模量进行确定，再应用现行虎克定律就能够将应力解除之前岩体当中应力的大小以及方向计算出来。并且，在岩体中进行钻孔，在钻孔中进行应变传感器的安装，使其对孔壁的应变进行测量就能够将岩体中的应力状态计算出来，计算可以由计算机程序来完成。

原岩应力的测量则一般于巷道中来进行，应力钻孔通常在巷道之内采用一定的仰角向巷道顶板岩体进行施工，在完整的岩体之中安装应力传感器进行应力的测量。

4 巷道支护的关键技术措施

从理论上来讲，运用锚杆进行支护的阻力比金属梯形支架要大5-10倍。能否使用锚杆支护对软岩进行控制的关键技术措施有：

（1）要解决锚杆在围岩损伤过程中出现的锚固力丧失问题以及在软岩处锚固力较低的问题。

（2）应当实现高锚固力、急增阻，要保证锚杆的实际工作性能能够和岩层具有的自承特性相互协调，在岩层出现比较大的变形之前就对锚杆的支护阻力以及顶板岩层具有的自承性能进行充分的发挥，即要做到在软岩的原始强度未受到损伤之前锚杆就具有较大的锚固力，此时锚固之后的岩层具有的结合强度会比原始的强度高出许多，这能够更好的对岩层的完整性以及围岩的变形问题进行控制。

在软弱岩层运用高强度锚杆进行巷道支护来防止围岩出现变形破坏的关键技术措施有：

对目前的锚杆支护方式进行一定程度的改进，将端头锚固变为全长、加长锚固。全锚固锚杆较之端头锚固锚杆具有更高的初锚力，当围岩变形的增阻速度加快，出现最大锚固力之后，若围岩出现移动，工作锚固力也会在较长的一段时间内处于比较稳定的状态。锚杆在工作时的锚固力越大，对围岩变形的控制效果就更好。

5 巷道支护材料的选择

传统的锚杆具有加工粗糙、附件不匹配以及整体强度较低等特点，由于是通过人工来进行锚杆的分布安装，因此不能对锚杆的质量进行保证，初锚力也较难实现，无法形成主动支护。在对锚杆的实际使用当中容易出现由于匹配不合理而造成的锚固力低等现象，使得对软弱煤岩体的变形较难进行有效控制，在复杂困难的环境之中锚杆支护容易出现失效，其安全性能较差，在锚杆的螺纹端强度不够，锚杆受力过程中经常出现螺纹端破断的情况，杆体则容易处于弹性状态。这些问题都会影响锚杆的支护作用。

高强锚杆则无论在性能方面还是加工精度方面都较传统锚杆来说有了显著的提高，在一些附件性能例如锚固性能、螺母托盘等方面都具有较大程度的改善。高强锚杆支护技术对在复杂困难的条件下具有较强的适应性，尽管运用高强锚杆进行支护的成本也会随着采深的增加以及环境恶劣程度的增加而上升，但提高幅度不会像架棚支护一样上升极快，而是随着采深的增加和环境的恶化，运用锚杆支护直接材料相比于金属支架的投入降低更多，支护效果也更加显著。

巷道在变形破坏之后需要进行修复，可以通过注浆加固的方法来对破碎围岩的强度进行提高，对巷道破坏范围之内的破碎围岩采用锚注还能够提高围岩的整体性和强度。二次加固主要用注浆锚杆或者注浆锚索进行联合支护，首先可以通过锚杆或者锚索来起到一定的锚固作用，随后再通过注浆来使得围岩得到进一步的加固。

6 支护时间的确定

对于具体的煤矿软岩巷道支护技术的实际应用来说，其支护时间的确定也是极为重要性，准确的选择支护的时间能够最大程度上保障其支护的效果，一旦其时间的选择过晚则很可能会导致安全事故的发生，而支护技术采用过早的话又会造成较大的资源浪费。具体来说，要想把握好支护时间就应该明确两个基本的定义，塑性区和松动破坏区，对于塑性区来说主要就是指煤矿软岩巷道内部的巷壁出现了较大的切向应力集中现象，进而就会造成巷道内壁的岩层出现相应的变化，这种变化在很大程度上来说是不利于其稳定性的，这种巷道内壁区间就成为塑性区，而对于松动破坏区来说，顾名思义主要就是指塑性区出现之后，巷道内壁进一步的出现变形，而随着这种变形的加深就会在较大程度上导致其内壁出现松动，进而形成破坏效果，成为松动破坏区，从承载力的基本状况进行分析可以发现，塑性区仍然具备着一定的承载能力，具备一定的支护效果，而松动破坏区则根本不具备承载能力，很容易造成整个巷道内壁的坍塌。

针对塑性区和松动破坏区进行分析可以发现，如果在松动破坏区再进行支护技术的实施就会存在较大的滞后性，很容易酿成较大的恶果，而对于塑性区来说因为其自身具备着一定的承载能力，所以在该区进行支护技术的实施还是比较及时有效地，因此，煤矿软岩巷道支护技术的最佳使用时间就是充分的发挥其塑性区的承载能力，但是不能导致其出现松动破坏，做好度的把握。

7 巷道变形破坏治理方案

通过对巷道变形的特征进行深入的分析，并对国外的成功治理经验进行一定的借鉴，对于多种治理方法进行优缺点的比较，最终决定以锚注支护为核心提出变形治理方案。

锚注技术指的是将锚杆、锚索支护以及注浆加固结合为一体，使用注浆锚索或者中空注浆锚杆来向岩体内部压注浆液，使得锚杆、锚索能够达到全长锚固的效果，能够更好的确保锚固的可靠性，并且浆液能够在泵压的作用之下渗透到锚孔周围的岩体当中，能够将已经破裂的岩层或者原本较为松散的围岩进行粘结固化，使得岩体能够重新成为整体，从而能够提高围岩自身的承受能力，并且锚杆、锚索能够利用其轴向、径向的约束来对围岩起到支护和加固的作用，能够对变形地压以及膨胀地压起到一定的抵抗作用，不仅能够对围岩的受力状态进行改善，还能够与四周岩体形成更加可靠的承载结构，能够更好的保证巷道处于长期稳定的状态。与传统的锚杆支护相比较，锚注支护不仅能够通过注浆使得岩层得到进一步的加固，还能够为锚杆提高更具有可靠性的着力基础。由试验数据可知，锚注支护能够达到的锚固力可以高出普通锚杆2-3倍。可以看出，锚注支护是一种十分有效的主动支护形式，其同时具有锚杆支护和注浆加固的优点，具有高承载、急增阻等特性。

锚注支护的实质，一方面运用注浆将岩体本身的力学性能进行了改善，另一方面又给锚杆、锚索提供了更为有力的着力基础，能够很大程度的提高最终的支护效果。其支护机理主要包括：

（1）运用注浆锚杆和注浆锚索，能够较好的利用浆液将围岩裂隙进行封堵，可以防止围岩受到水的侵蚀而导致岩层的自身强度降低。

（2）注浆之后能够将原本较为松散的围岩重新结合成为整体，能够更好的提升岩层的强度和岩体自身的内聚力和弹性模量，从而使得岩体强度得到提高。

（3）注浆能够将普通端锚杆变为全长锚固锚杆，能够使得锚杆更好的与围岩融合成为整体，能够更好的发挥锚杆、锚索具有的锚固作用，由于共同承载，可以更好的提高支护结构具有的整体性。

（4）使用注浆将围岩的裂隙进行填充，并利用注浆锚杆、锚索支护，再以锚网支护进行相应的配合，能够形成一个多层有效的组合拱支护体系，即为浆液扩散加固拱、锚杆压缩去组合拱以及锚网组合拱，这种支护体体系能够十分有效的扩大支护结构的承载范围，从而使得支护结构的承载能力得到一定程度的提高。

（5）注浆之后还能保证原本作用在顶板上的垂直载荷更为有效的传递到两帮，对两帮的加固作用又能够使得其将荷载再次传递到底板，并且组合拱厚度的增加还能够减少作用于底板上的荷载集中程度，从而能够使得底板岩石受到的应力减小，能够降低底板的塑性变形，减轻底鼔现象。

8 小结

通过对巷道围岩的力学特性以及支护机理进行较为深入的研究，并对支护的材料以及支护参数进行较为合理的选择，运用锚注支护技术，能够更好的发挥支护体的强支撑、高承载等作用，从而较为有效的解决高应力软岩巷道面临的支护技术难题，能够避免巷道遭到破坏后再进行修复而造成的人力、物力以及财力的浪费。

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