淺談深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)

1、    淺談深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)    朱紅亮摘要：近年來，隨著礦井生產(chǎn)的發(fā)展，開采深度不斷增加，地層壓力逐漸增大，這不僅給煤礦安全生產(chǎn)帶來危害，延誤了工期，而且造成了大量的資金浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了礦井正常生產(chǎn)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是制約煤炭工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵，為此有必要研究深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)。關(guān)鍵詞：高應(yīng)力；軟巖巷道；支護(hù)技術(shù)中圖分類號(hào)：tu18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：2095-3178（2018）20-0081-01深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)一直是國內(nèi)外地下工程支護(hù)的難題之一。該類巷道的主要特征表現(xiàn)為圍巖松軟破碎、塑性破壞范圍大，變形嚴(yán)重

2、，難支護(hù)、維護(hù)和返修率高。如果采取的支護(hù)措施不適當(dāng)，將導(dǎo)致巷道圍巖變形愈加劇烈，維護(hù)也會(huì)愈加困難，最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。1 高應(yīng)力軟巖的概念長期以來巖石力學(xué)與工程界仍未就軟巖的概念達(dá)成共識(shí)認(rèn)為，在高地應(yīng)力區(qū)經(jīng)常遇到一類特殊巖體，當(dāng)其處于地表淺部或低地應(yīng)力條件下，巖體顯示出較堅(jiān)硬的特征；處于高地應(yīng)力環(huán)境時(shí)，當(dāng)圍壓較低時(shí)，巖體尚具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，當(dāng)圍壓較高時(shí)，巖體表現(xiàn)出“軟巖”特征。顯然，它有別于一般意義上的軟巖，是一種特殊的、在高應(yīng)力環(huán)境下的工程軟巖體，稱這類軟巖為高應(yīng)力軟巖。2 高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞特征高應(yīng)力軟巖一旦形成，在這些軟巖體中掘進(jìn)的巷道和硐室顯示出來的變形特征與硬巖巷道的截

3、然不同，具體表現(xiàn)為：2.1 圍巖變形量大高應(yīng)力軟巖自身特征決定了該區(qū)域的巷道變形量大的特點(diǎn)，其中巷道的水平收斂量要比拱頂下沉量要大得多。一般為數(shù)厘米至數(shù)十厘米，表現(xiàn)形式有兩幫內(nèi)移、尖頂和底鼓。2.2 初期變形速率大由于水平構(gòu)造壓應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，巷道在掘進(jìn)時(shí)卸載迅速，來壓快，表現(xiàn)為巷道的初期變形速率大。2.3 巷道變形具有時(shí)效性巷道圍巖具有顯著的流變性，表現(xiàn)為明顯的時(shí)效性。當(dāng)巖體流變所產(chǎn)生的圍巖變形過大，使得巷道支護(hù)體無法適應(yīng)而失效，圍巖再次惡化并劇烈變形。3 深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)3.1 國外深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)英國、德國、法國、俄羅斯、波蘭等西歐國家直到20世紀(jì)80年代仍以金屬支

4、架為主，以其良好的支護(hù)效果，在淺部開采中得到了發(fā)展。隨著采深的增大，賦存條件的復(fù)雜化，深部高應(yīng)力軟巖巷道采用傳統(tǒng)支護(hù)已不能控制其穩(wěn)定性，需不斷進(jìn)行翻修處理，甚至報(bào)廢，已不適應(yīng)煤礦深部開采的需求。后來，引進(jìn)美國、澳大利亞的錨桿支護(hù)技術(shù)。目前，西歐大多數(shù)國家各類不同類型的錨桿、組合錨桿、錨桿桁架及錨索支護(hù)約占支護(hù)總量的90%；而比利時(shí)在深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)中利用全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，并使用高強(qiáng)砼弧板，并且大弧板支架的成本不到u型鋼可縮性支架的一半，而其承載能力比后者高約2倍，因施工中壁后充填緩沖層預(yù)留大變形層的施工工藝及設(shè)備的不配套，未能得到大力推廣。美國、澳大利亞在近幾十年的煤礦深部開采中，一直以

5、錨桿支架為主體進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)33。深部圍巖一般采用錨網(wǎng)、組合錨桿（網(wǎng)）、高強(qiáng)超長錨桿（網(wǎng)）等支護(hù)形式；對于極不穩(wěn)定圍巖主要采用組合錨桿桁架、錨索支護(hù)、錨噴網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)等形式。3.2 我國深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)20世紀(jì)80年代以來，我國從支護(hù)材料、支護(hù)形式和支護(hù)工藝改革等方面著手對深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)進(jìn)行研究，發(fā)展形成了錨噴支護(hù)、可縮性金屬支架和高強(qiáng)度砼弧板支架及錨注加固等軟巖巷道支護(hù)體系。3.2.1 錨噴支護(hù)錨噴支護(hù)先后形成了單一的木錨桿、金屬錨桿、砂漿錨桿支護(hù)，到噴砼支護(hù)并進(jìn)行光面爆破；在此基礎(chǔ)上形成了錨噴支護(hù)技術(shù)，在煤炭工業(yè)部大力支持，錨噴支護(hù)相繼在淮南、開灤、阜新、撫順、鶴壁、大

6、同、新漢等軟巖巷道中得到了廣泛應(yīng)用。工程實(shí)踐使錨噴支護(hù)得到不斷完善，開展針對性的軟巖巷道支護(hù)試驗(yàn)研究，最大成功就是錨噴支護(hù)與光面爆破得到了有機(jī)結(jié)合，最大限度地保護(hù)圍巖的強(qiáng)度和整體性，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。錨噴支護(hù)對淺部巷道仍發(fā)揮起重要作用，但對于深部高應(yīng)力軟巖巷道的非線性大變形的特性已不相適應(yīng)。3.2.2 可縮性金屬支架。可縮性金屬支架廣泛應(yīng)用于鐵法、充州、徐州、開灤、平頂山等礦區(qū)使用35，主要采用礦用工字鋼、u型鋼支架。采用鋼性支架提高了支護(hù)力，而支架的可縮性又適應(yīng)了圍巖的大變形特性，同時(shí)不僅改善巷道的穩(wěn)定性，而且減少了維護(hù)，提高使用率；但過高的支護(hù)成本，沒有配套的機(jī)械設(shè)備，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度

7、，已不能適應(yīng)煤礦高產(chǎn)高效的發(fā)展。3.2.3 高強(qiáng)砼弧板支架在煤礦深部地層中，有斷層及其它地質(zhì)構(gòu)造利用高強(qiáng)砼弧板支架能有效控制圍巖大地壓、小變形及流變引起失穩(wěn)。全斷面封閉和密集連續(xù)式的高強(qiáng)鋼筋砼板塊結(jié)構(gòu)巷道支架，首先在淮南礦區(qū)得到成功利用并在東北大橋煤礦、廣西右江礦務(wù)局加以推廣36。其缺點(diǎn)是安裝機(jī)械手不配套，壁后充填緩沖層預(yù)留大變形層的施工不配套，不能適應(yīng)軟巖巷道的大變形規(guī)律。3.2.4 錨注加固技術(shù)注漿技術(shù)在工程上第一次應(yīng)用是200年前的法國土木工程師查理斯·貝里格尼（charles bering）進(jìn)行地基加固。我國對注漿技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)50年代初期開始矽化法在礦山

8、行業(yè)中采用井巷注漿技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用?！鞍宋濉敝卮罂萍脊リP(guān)課題提出了將錨桿和注漿結(jié)合的錨注一體化支護(hù)技術(shù)。錨注加固技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣，已廣泛應(yīng)用于礦山、地下建筑、大壩、隧道、地鐵、橋梁和土木工程等各個(gè)領(lǐng)域。錨注加固是一種新型支護(hù)加固方法，在深部軟巖巷道應(yīng)用中能充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)圍巖的承載能力38，為巷道穩(wěn)定性控制提供良好的圍巖環(huán)境，是深部軟巖巷道支護(hù)一種重要技術(shù)。20世紀(jì)80年代以來，以支護(hù)為目的的巷道圍巖注漿技術(shù)在蘇聯(lián)、德國等地開始研究與推行，我國同期也在深部復(fù)雜和不良巖體的巷道工程中采用注漿技術(shù)。3.2.5 錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是錨桿支護(hù)技術(shù)與錨注加固技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它充分利用二者各自的優(yōu)點(diǎn)，改善圍巖結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)，提高圍巖整體性和自承載能力，大大提高支護(hù)效果。它具有技術(shù)先進(jìn)，實(shí)施方便，成本低廉、效果突出的優(yōu)點(diǎn)，是解決深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)的一條有效途徑。進(jìn)行錨注聯(lián)合支護(hù)的一般過程為：巷道開掘后，及時(shí)布置樹脂錨桿，掛金屬網(wǎng)及鋼帶，并用托盤壓緊，對巷道進(jìn)行一次支護(hù)；滯后1020天，在巷道頂幫及底角布置注漿錨桿注漿加固，