缓释、阻断围岩复杂应力和增强软弱围岩强度的动态支护技术的研究与应用

贺军豪 樊俊豪

（平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南 平顶山 467000）

在目前煤炭市场极其困难的时期，为了既能使矿井生产成本降低，又能解决深部矿井复杂应力状态下巷道支护难以长期稳定的难题、通畅行人运输安全生产环境、减少巷道修复人员，项目针对平煤股份十矿研发“深部矿井复杂应力缓释阻断和增强围岩强度”支护技术，以反复提升、改造围岩自身强度；构建多单元支护容错的支护体系；完善主动、动态的软岩支护技术是十分必要的。根据多方考察、调研后领导研究决定：采用淮北市平远软岩支护技术工程有限公司的“缓释、阻断矿井复杂应力和增强软弱围岩强度的动态支护技术”进行修复施工。

一、研究报告

（一）深部复杂高应力巷道围岩变形破坏特性

1.深部围岩力学环境

深部围岩埋藏深度大，地质构造复杂，处于原始平衡状态的围岩体己经历过复杂多变的地壳运动、岩浆活动、沉积作用、变质作用等物理化学过程。泥岩、页岩等软质岩石，在地质历史作用过程中，形成连续介质，沉积过程中的层理差异逐渐减弱，在深部高应力作用下存储了大量的变形能，埋藏深度越大、围岩体存储的变形能越大。粉砂岩、砂质泥岩、砂质页岩、砂岩、石灰岩等坚硬岩石，在深部高应力地质作用过程中，由于层间填充矿物与上下层岩石组成结构差异较大，没有融合成连续介质。此类岩体层理结构明显，在深部高应力作用下，填充矿物压缩变得致密，但仍然是层间弱面，整个岩层也存储了变形能，埋藏深度越大，围岩体存储的变形能越大，与软岩相比，由于体积应变及组成结构的巨大差异，存储的能量较小。深部围岩力学环境复杂，不仅具有浅部围岩体固有的垂直应力、水平应力，还包含复杂的地质构造及其诱发的复杂应力，构造应力作用将更加明显，高地压、高地温更加突出。围岩变形结构复杂、变形能来源组合效应明显。

2.变形破坏机理

巷道开挖是打破原始平衡状态的卸荷过程，在此过程中，围岩体必然经历应力重新分步、调整，直至再次达到新的平衡状态，卸荷圈作用范围内的围岩体由原始的复杂受压状态变为拉、剪状态，应力来源于两方面：一是卸荷圈作用范围内的围岩由于平衡状态被打破，释放的弹性变形能、剪胀扩容能、构造错动能等，这部分应力是直接作用力;二是卸荷圈作用范围以外岩体变形压力导致的应力，这部分应力是围岩体变形压力间接传递作用。围岩结构、组成特性、破坏应力构成不同，破坏过程及特性不同，强度衰减速度不同。

3.变形破坏特征

在深部地层中，围岩处于高地应力环境中，并且由于软岩的强度低，单轴饱和抗压强度在5Mpa～15Mpa 之间，甚至更低。因此，围岩变形破坏非常强烈。

4.破碎岩煤体支护困难分析

（1）破碎岩煤体，断层区域，极软弱岩煤体的本质结构和组织结构抗压、抗拉和抗剪强度及其它各项指标都是最弱小的。所以其本身就给巷道支护带来极大的困难。

（2）由于岩煤体的松动导致锚杆的着力点（锚杆根部）松动，锚杆的锚固力难以得到充分发挥。

（3）在软弱岩煤体中采用架棚支护巷道时，支架的棚腿就插入松散破碎的岩煤体中，稍受采动力影响支护极易失稳，巷道断面缩变较快，影响矿井的安全生产。

（4）巷道处在软弱岩煤体中,极易冒落和片帮，加上超前采动的水平应力影响，形成巷道底鼓严重，特别影响安全生产。

（5）极软弱岩煤体的岩石密度极高，孔隙率底，给注浆固化带来特有的困难条件。

（二）影响软岩大变形的主要因素

造成软岩巷道围岩变形破坏的影响因素是多方面的，既有客观的，也有人为的，主要有以下几个方面：

1.客观因素

（1）岩性的影响

岩性是影响围岩稳定性的最基本因素，是物质基础。由于矿物组成，岩石结构构造的不同，不同岩石的物理力学性质差别很大。依照岩石特性可将围岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类。塑性围岩，主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸水膨胀的岩石，通常具有风化速度快，力学强度低以及遇水易于软化，崩解等不良性质，因此对巷道围岩稳定性最为不利。脆性围岩，主要包括各类坚硬岩体，由于岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类围岩的强度主要取决于岩体结构，岩性本身的影响不十分显著。而我国矿区主要分布于开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上株罗纪的褐煤矿区，煤层顶底板岩石都非常松软破碎，易风化，多属于塑性围岩，因此怕风，怕水，怕震。

(2)上覆岩层压力

任何地下工程都将受到上覆岩层压力的影响，随着开采深度的增加，上覆岩层压力有增大的趋势。巷道所处地层越深，巷道所受围岩静压就越大，且巷道如果不受其它因素的影响，其四周围岩静压力是均匀的，因此巷道支护体的破坏总是在强度最薄弱的地方开始(如直墙拱顶断面的直墙底角处，喷层最薄处等)。

(3)采动压力

当巷道支护体承载达到极限时，受采动压力影响，可以在两个月内使巷道无法正常运输，甚至行人困难。巷道破坏严重。在工作面停采或初采一个月后，不仅上下顺槽被压坏，而且距工作面停采线或切眼百米外上山也受压破坏。由于软岩在宏观上具有一定的流体特性，相对于工作面下部的巷道受采动压力的影响更严重，巷道破坏区域总体偏下。

(4)断层构造的影响

穿过断层的巷道在开掘时压力大，变形大，难以维护。经卸压后，在一段时间内巷道相对稳定。但一旦支护体破坏后，巷道变形很快，且在断层下盘容易发生局部冒顶。沿断层掘进的巷道，靠断层侧巷帮变形特别严重。

(5)地下水的影响

围岩岩体中地下水的赋存、活动状况，既影响围岩的应力状态，又影响围岩的强度。结构面中的空隙水压力的增大能减小结构面上的有效正应力，因而降低岩体沿结构面的抗滑强度。特别是巷道两帮在受到地下水的作用后，支护会慢慢失效，巷道两帮发生近似整体向内平移的变形，巷道两帮的移近量大于顶板下沉量。

(6)冲击地压

由于地震、地层活动、岩爆、煤爆等均可能形成冲击地压，受冲击地压影响的巷道将会出现严重变形或破坏。

2.主观因素

(1)施工质量因素

爆破掘进中的错误操作由于管理上的愿因及操作素质问题，“多打眼少装药原则”没有得到规范实施，并且由于缺少准确试验数据，以致措施中的爆破图表难以在现场实施，结果巷道围岩破坏，围岩自身的承载力大大降低；同时巷道形成凸凹不平，使巷道支护力远低于设计值，在这种情况下，巷道凸起的地方就会首先破坏。

(2)支护设计不合理

巷道支护形式单一不根据围岩地质条件、巷道服务时间、巷道用途来选择支护形式，造成巷修力量及巷修资金投入过大的被动局面，严重影响了煤矿的发展。巷道断面形式单一巷道断面过多的采用直墙半圆拱，而没有根据具体的地质情况，采用多种形式。一般来讲，直墙半圆拱型巷道的破坏会首先从支护薄弱的底角处开始，使反底拱和两帮过早破坏。支护构件设计不合理以锚、喷、带联合支护中的钢带为例，通常的设计往往起到反作用。当巷道拱顶处采用钢带，拱顶下沉时，如果两锚杆间距缩小，钢带不是受拉力，而是受压弯曲，并将外围喷层破坏；当巷道平顶采用钢带，拱顶下沉时，钢带受到张拉，但两条钢带在锚杆连接处对锚杆产生剪切力，将连接锚杆剪断，造成此处支护体的破坏。

(3)爆破震动

爆破产生的冲击波对围岩支护体产生震动祌击作用，当巷道支护体承载力接近临界值时，如果经多次震动冲击，就会使本来显得较为脆弱的支护体迅速破坏。虽然客观条件不可以改变，但只要通过科学的施工设计、严格的施工管理就可以延长巷道使用寿命，避免多次返修对围岩的破坏作用，保持巷道支护的稳定性。

二、项目方案设计与实施

（一）中区瓦斯专用风道围岩变形破坏特征与机理分析

十矿中区瓦斯专用风道位于-320 水平中部采区，巷道全长790 米。巷道的层位位于戊8 煤层的顶板之上，巷道底板距戊8 煤层的顶板8～10m。该巷道采用锚网喷联合支护。戊8 煤层直接顶是砂质泥岩，由于受附近回采动压的影响较大，本次试验地点巷道曾多次扩修，开帮、拉底，背金属四节拱形棚子，在巷道围岩中形成一个很大的松动圈。巷道松动圈的范围，已经超过了锚杆锚固长度，致使巷道基本上处于“裸体”状态，由于锚杆锚固功能的减弱、消退，引起巷道变形加速。2012 年还在该区域试验了“D 型管”支护，也未达到预期效果。从现场观察看到，巷道的变形状况因围岩岩性的不同而呈现较大的差别，部分区段变形量较小，但大部分区段变形严重，尤其是受采动影响的区段，不仅强烈底鼓，而且两帮产生大变形。顶板与肩部产生了严重的压剪破坏，直墙部分出现了贯通性裂缝，裂缝最宽达到50mm。

（二）注浆浆液选择

注浆材料的选取主要考虑下列原则：浆液的结石体最终强度高；浆液结石率高，与煤岩具有良好的粘附性；浆液流动性好，配比易调；浆液具有足够的稳定性，浆液成本低廉无毒无味。实践证明，高强度水泥是性能好，材料来源广泛，价格合理的浆液主材料。所以注浆材料采用525＃以上的水泥来制作浆液。

1.按高标号水泥（525 号）设计：除有淋水外一般不加速速凝剂，以确保浆液凝固后的长期强度。

2.浆液水灰比，第一次注浆浆液配比取 水泥：水为：1：06～7；第二次注浆浆液配，应略小于一次注浆浆液浓度；取水泥：水为：1:0.7～09。

3.浆液应采用机械搅拌，以保证浆液搅拌力度；人工搅拌力度以测定浆液浓度和粘度来保证。

4.浆和浆液要虑尽渣滓，确保注浆效果。

（三）压注浆液扩散形态分析

但就现实情况也或多或少地反映出一定关系，就上述注浆扩散半径公式及注浆时间表达式可知，浆液扩散半径和注浆时间及注浆压力之间存在密切的关系。在注浆压力一定的条件下，注浆时间越长浆液的扩散半径就越大；反之，就越小。据实际分析，注浆时间与注浆量、浆液扩散半径的关系。

（四）注浆参数

1.浆液扩散半径

浆液在岩石裂隙中扩散凝结后，能起到堵水或加固作用的范围通常用扩散半径来表示。浆液在岩石裂隙中的扩散，实际上是不规则的，它随着岩层渗透系数、裂隙宽度、注浆压力、注入时间的增加而增大；随着浆液浓度和粘度的增加而减小。通常以调节注浆压力，浆液注入量和浓度等参数来控制浆液扩散范围的大小，一般要求其扩散半径在0.8～1.0m 以上。根据此巷现场取样试验，锚注孔排距超过1000mm 时，浆液渗透力降低约20%，锚注孔排距超过1200mm 时，浆液渗透力降低约30%，当锚注孔超过1500mm 时，浆液渗透力只有约30%。

2.注浆压力

（1）第一次注浆终压可控制在20～25／公斤（2.0～2.5MPa）。

（2）底角的注浆压力要高于顶板和邦部注浆锚杆的压力一般控制在20～30 公斤（2.0～3.0MPa）。

（3）第二次注浆压力应高于第一次注浆压力，注浆终压可控制在 25～30 公斤（2.5～3.0MPa）。

3.注浆量

由于试验巷道围岩吸浆量差别较大，所以本着既有效地加固围岩达到一定的扩散半径，又要重视喷层的抗压强度和注浆时间的原则。

（1）第一次注浆量可控制在4～6 袋水泥；（根据现场实际巷道位移状态及打眼遇到特殊情况，以不跑浆为限制可适当提高注浆量）。

（2）第二次注浆量一般可控制在3～4 袋水泥，但压力达不到注浆终压要求应以满足注浆压力要求为止。

4.注浆时间

注浆时间一般取决于进浆量和注浆终压的要求应以满足，当时间过长和进浆量过大；一要查明原因，是否有跑浆、漏浆的情况；原因不能找到，也可停注一段时间后在对此段巷道复注。为了防止注浆在弱面浆液扩散较远，造成跑漏现象，在控制注浆压力和注浆量的同时，必须控制注浆时间，使注浆时间不宜过长、也不能太快以尽可能地实现稳压注浆。根据实际情况在作业规程中规定，可按20～30 分钟注一个孔进行要求。

三、项目应用产生的经济效益

缓释、阻断矿井复杂应力和增强软弱围岩强度的动态支护技术由于构成了多层次、多单元的喷层组合拱、锚杆压缩区组合拱和浆液扩散组合拱等多层组合拱结构，形成一个较大的承载结构，增加了承载结构的有效承载范围，从而使巷道变形量明显减少，基本满足了巷道安全使用的要求。同等条件下与其他支护相比，改善了井下作业环境，节省了大量的巷道维修费用，相对地提高了巷道综合单进水平，也提高了工效。