軟巖巷道支護

第十二章軟巖巷道支護第一節(jié)基本概念及變形特征一、軟巖及軟巖巷道的定義與分類目前對軟巖及軟巖巷道（工程）的定義及其基本特征尚未完全統(tǒng)一，但一般認為軟巖是指強度低的巖體，是松散、軟弱、破碎、膨脹、流變、強風化蝕變，以及高地應力巖體的統(tǒng)稱。軟巖巷道，則指布置于上述軟巖中難支護、需多次翻修和多次支護的巷道。軟巖的基本特性包括重塑性、崩解性、脹縮性、觸變性、流變性。其中，重塑性是軟巖的基本屬性，崩解和脹縮性是環(huán)境效應，觸變性是空間效應，流變性是時間效應。在實際工程中，往往是各種效應的綜合，但有主有次，故應針對具體條件采取相應或綜合措施。軟巖的工程分類，對工程設計、施工管理、定額制度、支護方式的合理選擇以及改變軟巖礦井技術面貌都有十分重要的意義，國內外專家學者提出的分類方案有十幾種之多，應用較多的有以下幾種。1、煤礦巷道分類方案表12-1為我國《煤礦巷道軟巖分類的建議》中的分類方案，將軟巖分為3類，其中累計得分一項由表12-2給出。表12-1煤礦軟巖巷道綜合分類方案4軟巖分類判別III田前期累計得分1?34?6N7后期水平變形量/mm<150150?300N300圍巖松動圈/m1.5?2.02.0?3.0N3.0支護難易程度架棚、直墻拱碹出現(xiàn)破壞架棚、直墻拱碹經1?2次翻修穩(wěn)定架棚，直墻拱碹經多次翻修仍難穩(wěn)定注：水平變形是指巷道掘出后，一次錨噴支護時，兩側墻位移的總和取大值；圍巖松動圈指巷道掘進后，測得圍巖縱波速度降低范圍的平均值。表12-2煤礦巷道軟巖分類判別指標同巖屬性1級（1分）2級（2分）3級（3分）松散破碎松散弱膠結松散巖體無膠結松散巖體有水有泥松散巖體破碎破碎塊體塊度＜ 0.3?0.4m碎塊之間含＜30%的斷層泥碎塊間含＜30%軟泥，含飽和水塑性流變R=20?8Mpa軟弱致密流變R=8?1Mpa軟弱裂隙易流變R＜1Mpa軟弱致密極易流變膨脹W=25?50%W=50?90%W>90%

地應力yh/R=0.3?0.4yh/R=0.4?0.6巷道在高地應力區(qū)注：r為圍巖點載荷強度；w為巖塊干燥飽和吸水率；y為上覆巖層平均容重；h為巷道埋深。2、國家軟質巖分類標準《工程巖體分級標準》（1991年送審稿）中關于軟質巖的國家標準是:1） 巖石堅硬程度巖石堅硬程度按表12-3定性劃分為較軟巖、軟巖和極軟巖3類。2） 巖石風化程度巖石風化程度按表12-4劃分為未風化至全風化5類。表12-3軟質巖堅硬程度的定性劃分較軟巖錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎，浸水后指甲可刻出印痕強風化的極堅硬巖、堅硬巖；弱風化的較堅硬巖；未風化到微風化的凝灰?guī)r、千枚巖、砂質泥巖、泥灰?guī)r、泥質砂巖、粉砂巖、頁巖等。軟巖錘擊聲??；無回彈，有凹痕，易擊碎，浸水后，手可掰開強風化的極堅硬巖、堅硬巖；弱風化到強風化的較堅硬巖；弱風化的較軟巖；未風化的的泥巖等極軟巖錘擊聲啞，無回彈，有較深凹痕，手可捏碎，浸水后可捏成團全風化的各種巖石各種半成巖表12-4巖石風化程度的劃分名稱風化特征未風化巖質新鮮，結構構造未變微風化結構構造未變，沿節(jié)理面有鐵錳質渲染，礦物色澤基本未變，無松散物質弱風化結構構造基本未變，礦物色澤稍微變化，裂隙面風化較重，出現(xiàn)風化礦物，張開裂隙中有少量松散物質強風化結構構造部分破壞，長石、云母等多風化成次生礦物，色澤明顯變化，張開裂隙中有許多松散物質全風化結構構造大部分破壞，礦物成分除石英外，大部分風化成土狀，基本不含堅硬塊體3）巖體完整程度的定性劃分巖體完整程度可按表12-5定性劃分為完整至極破碎5類。結構面的結合程度，可根據結構面特征按表12-6劃分為結合好至結合很差4類。表12-5巖體完整程度的定性劃分名稱結構面發(fā)-育程度主要結構面的結合主要結構面組數(shù)平均間距（m）程度類型完整1?2>1.0結合好節(jié)理、裂隙較完整2?31.0?0.4結合好節(jié)理、裂隙較破碎>30.4?0.2 結合好 結合一般 構造節(jié)理、小斷層

破碎>330.2<0.2結合差小斷層、構造節(jié)理、軟弱層面極破碎結合很差表12-6結構面結合程度的劃分名稱結構面特征結合好張開度小于1mm，無充填物張開度1~3mm，為硅質或鐵質膠結張開度大于3mm，結構面粗糙，為硅質膠結結合一般張開度1?3mm，為鈣質或泥質膠結張開度大于3mm，結構面粗糙，為鐵質或鈣質膠結結合差張開度1?3mm，結構面平直，為泥質或鈣質膠結，張開度大于3mm，多為泥質、鈣質膠結或充填巖屑結合很差泥質充填或泥夾巖屑充填，充填物質厚度大于起伏差4）定量指標的確定和劃分巖石堅硬程度的定量指標采用巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）。Rc應采用實測值，當無條件取得實測值時，也可采用實測的巖石點荷載強度指數(shù)（/游）的換算值，并按下式換算：s（50）Rc=22.821o（75）巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）與定性劃分的巖石堅硬程度的對應關系，參照表12-7。巖體完整程度的定量指標采用巖體完整系數(shù)（Kv）。Kv應采用實測值，當無條件取得實測值時，也可用巖體體積節(jié)理數(shù)（匕）按表12-8確定相應的kv值。巖體完整性系數(shù)（Kv）與定性劃分的巖體完整程度的對應關系見表12-9。具有特殊變形破壞特性的巖體，如膨脹性強的巖類和溶蝕巖類等，當其特殊性成為影響巖體穩(wěn)定的主要因素時，其特性對工程巖體級別的影響應作專門研究。表12-7Rc與定性劃分的軟質軟巖堅硬程度的對應關系R(MPa)30?1515?5<5堅硬程度較軟巖軟巖極軟巖表12-8J與K對照表Jv(條/m3)<3 V-3?10 V 10?2020?35>35K v >0.750.75?0.550.55?0.350.35?0.15<0.15表12-9K,與定性劃分的巖體完整程度的對應關系K>0.75 V 0.75?0.550.55?0.350.35?0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎二、軟巖巷道變形破壞機制與特點關于軟巖“膨脹”的概念有兩個含義，即狹義和廣義。前者專指那些含有膨脹性礦物（如蒙脫石）的軟巖所產生的膨脹變形；后者則是指軟巖巖體向巷道空間的變形，它包括膨脹性礦物的變形，同時也包括其它力學機制的變形。這里采用后者。從理論上分析軟巖的膨脹機制，可分8種情況，即晶粒膨脹、膠體膨脹、毛細膨脹、水脹、構造應力擴容、重力擴容、工程偏應力機制以及結構面變形機制。1、 晶粒膨脹機制含有蒙脫石和伊蒙混層礦物的泥質巖類往往膨脹性頗為顯著。這種膨脹性與蒙脫石的分子結構特征關系十分密切。因此，也可將這種膨脹機制稱為蒙脫石型膨脹機制。蒙脫石的晶體是由很多相互平行的晶胞組成，屬由上下層的硅氧四面體和中間一層鋁氧八面體構成的2：1型硅酸鹽礦物。由于晶胞兩邊都為負電荷的硅氧四面體，晶胞與晶胞之間氧相接，連結力極弱，因此水分子及交換的陽離子可無定量地進入其間，致使顆粒急劇膨脹。晶胞中間的A13+可以被Fe2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+所取代，而形成本組中不同礦物。若為兩價離子取代，則在格架中出現(xiàn)多余的游離原子價，提高了吸附能力，有助于晶胞間的連結力增強。由于上述特性，蒙脫石組礦物具有吸附能力強，使體積大為膨脹，甚至使相鄰晶胞失去連結力的特性。另一方面，蒙脫石的晶胞之間的沸石水也有一些反離子。遇水時，沸石水的部分反離子逸出，吸引力減小，水分子擠入，晶胞間距加大，使礦物顆粒本身急劇膨脹。此外，礦物顆粒之間的結合水膜也增厚，這屬于膠體膨脹力學機制。由于蒙脫石具有遇水后顆粒內部晶胞間距劇增和顆粒間結合水膜加厚兩種膨脹機制，所以其膨脹量在粘土礦物中是最大的。據測定，。3蒙脫石可膨脹到原體積的7倍多不僅蒙脫石具有上述晶粒內部膨脹機制，而且伊蒙混層礦物、伊利石礦物也具有這種膨脹特性。只是伊利石的三層結構中的SiO2比蒙脫石少一些，其上下兩層硅氧四面體中的Si可以被Al、Fe所取代，因而游離原子價與蒙脫石不同，在相鄰晶胞間可出現(xiàn)較多的一價正離子，有時甚至二價正離子，以補償晶胞中正電荷之不足。故伊利石結晶格架活動性比蒙脫石小，晶粒內部膨脹也弱些。2、 膠體膨脹機制有些軟巖并不含蒙脫石、伊蒙混層礦物和伊利石礦物，卻也具有膨脹性。例如粘粒成分為高嶺石、腐植質和難溶鹽等時也具有一定的膨脹性，現(xiàn)僅以高嶺石為例說明其膨脹機制。高嶺石的結晶格架也是由互相平行的晶胞組成，屬1：1型硅酸鹽礦物。其晶胞之間是通過O2-與OH-連接，連結力較強，不允許水分子進入晶胞之間。所以它不具有晶格內部膨脹特性。盡管如此，但由于高嶺石通常以粘粒形式出現(xiàn)，這種粘粒為準膠體顆粒，具有膠體的特性，因而在其周圍可以形成一層很厚的水化膜吸附層。事實上，這種特性并非礦物獨有，只要粒徑小于0.002mm，則均具有這種吸附特性。軟巖一般是泥質巖類，基本是粘粒的集合體。相鄰的粘粒比較靠近時，各自形成的水化膜會有一部分重疊起來而形成公共水化膜。當各自水化膜加厚，公共水化膜消失，水膠連結力消失，軟巖產生膨脹而進入塑性；若各自水化膜變薄，公共水化膜形成，水膠連結可使軟巖變得相當堅硬。這就是現(xiàn)場見到的干軟巖十分堅硬之原因。軟巖遇水膨脹（膠體膨脹機制）的過程，可稱為軟巖膠體膨脹模式。固體狀態(tài)的軟巖粘粒周圍有公共強結合水化膜，故其硬度很大；吸水后，公共強結合水化膜逐漸消失，粘粒的弱結合水膜加厚而出現(xiàn)公共結合水膜，這時軟巖體積增大而變成塑性狀態(tài)；當粘粒進一步吸水膨脹，公共弱結合水膜隨水膜加厚并趨于消失或完全消失，代之出現(xiàn)了粘粒之間的自由水，這時軟巖體積進一步增大而進入平時所見的粘流狀態(tài)和液流狀態(tài)。3、 毛細膨脹機制軟巖的空隙頗為發(fā)育，如廣西那龍二號井軟巖空隙度為3.8?27.3%，空隙比為0.313?0.394。每克干樣品的空隙體積為109.96?140.29mm3。這些空隙包括裂隙和孔隙兩種。由于大量孔隙和裂隙的存在和水的表面張力，產生毛細壓力，使地下水通過軟巖的微小空隙通道吸入。其上升的高度和速度決定于土的孔隙、有效粒徑、空隙中吸附空氣和水的性質以及溫度等。據文獻試驗數(shù)據，卵石的毛細高度為零至幾厘米。砂土為數(shù)十厘米，而粘土（相當于泥質軟巖）則可達數(shù)百厘米。因此，在整個毛細帶內，事實上為軟巖的進一步化學膨脹和膠體膨脹準備了條件。正是由于這種毛細作用，才使水通過毛細空隙向各方向運動。4、 構造應力擴容機制在地質歷史時期，煤系地層經歷了多期地質構造應力場的作用，巖層本身以彈性變形的形式儲存了變形能。一旦地層中掘進巷道而挖空，這些變形能將以變形的形式向相鄰空區(qū)釋放，宏觀上表現(xiàn)出巖層的擴容膨脹。另一方面，巖層在巷道成形時應力狀態(tài)從三維向二維發(fā)生轉變，在構造應力作用下，又極易發(fā)生破壞而產生非線彈塑性變形，這是一種與時間有關的變形。這種變形往往導致軟巖支護的宏觀破壞。其特征是方向性破壞明顯，破壞程度與深度無關。構造應力一般以水平構造應力為主，在構造應力顯著地區(qū)，巷道兩幫的破壞往往頗為明顯。5、 水脹機制水的作用可分為兩部分，即力學作用和物理化學作用。水的力學作用又分靜水壓力作用和動水壓力作用。當在含水巖層中開挖巷道時，圍巖穩(wěn)定性首先受到含水層地下水泄出的影響，作為一種動水壓力作用使支護（如噴層）難度增大。而一旦支護體形成，又作為靜水壓力作用用于支護體，增加支護體變形和破壞的可能性。另一方面，地下水的泄出，增加了與泥質軟巖接觸的機會，使泥質軟巖中的具有膨脹潛能的礦物劇烈膨脹，其機制是前面討論過的晶粒化學膨脹機制和粘粒膠體膨脹機制。6、 重力擴容機制有些軟巖巷道的變形破壞明顯表現(xiàn)出與深度有關而與方向無前的特點。即在開挖淺部巷道時，按常規(guī)支護形式，巷道變形不很明顯；當開挖到深部巷道時，變形破壞變得嚴重起來，而破壞的方向性不甚明顯。這些特征往往是重力機制起作用的擴容膨脹。如廣西那龍煤礦二號井即具上述特點，在開挖B8煤層巷道（深度170m）時，采用直墻半圓拱支護形式，未出現(xiàn)破壞性變形；當開拓人3煤巷道時（深度280m），則變形破壞十分嚴重，屢支屢壞。7、 工程偏應力擴容機制巷道圍巖在開挖后應力狀態(tài)發(fā)生了較大改變，切向正應力發(fā)生在巖壁附近，出現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，愈遠則愈接近于原巖應力狀態(tài)。彈性理論表明，此時巷道圍巖中任一點的應力狀態(tài)可分解為球形應力張量和偏應力張量兩部分。球應力張量不引起形變，它是一種三向均壓狀態(tài)；偏應力張量引起巷道圍巖的變形破壞。因此工程開挖引起的偏應力局部集中是軟巖巷道變形破壞的主要原因之一。其特點是與開挖的斷面、巷道密度和交叉方式有前。巷道布置得，切割愈密，則其工程偏應力集中愈明顯，支護亦越困難。8、結構面變形機制有時不同巷道通過同一巖層，順層的巷道破壞甚為嚴重，穿層的巷道破壞較輕微。這實際上是受結構面的影響而呈現(xiàn)變形各向異性特征。特別是巖層中發(fā)育有軟弱夾層時尤為如此。綜上所述，引起軟巖巷道變形的力學原因有8種。但詳細考究，可劃分為三大類，即化學膨脹類、應力擴容類和結構變形類。各類中又依據引起變形的嚴重程度分為A、B、C、D等級。顯然，1類機制均與軟巖物質本身分子結構的化學特性有關；II類機制則與力源有關；III類則與硐室結構與巖體結構面的組合特性有關。這三類機制基本概括了軟巖膨脹變形的主要動因。軟巖變形力學機制不同，引起的巷道變形破壞特點也不一樣，表12-10總結和分析了各種軟巖變形力學機制下巷道破壞特點。表12-10軟巖變形力學機制與特點類型類型控制性因素特征型軟巖巷道破壞特點IIA分子吸水機制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強蒙脫石型圍巖暴露后容易風化、軟化、裂隙化，因而怕風、怕水、怕震動。I型巷道底鼓、擠幫、難支護，其嚴重程度從IA—IAB—IB依次減弱；Ic型則看微隙發(fā)育程度。IdI.和I”決定于混層比伊/蒙混層型ABIBA B膠體吸水機制，晶胞間不允許進入水分子，粘粒表面形成水的吸附層高嶺石型U微隙一毛細吸水機制微隙型IICIIAIIB11C1D殘余構造應力自重應力地下水工程開挖擾動構造應力型重力型水力型工程偏應力型變形破壞與方向有關，與深度無關。與方向無關，與深度有關。僅與地下水有關。與設計有關，巷道密集，巖柱偏小，則變形嚴重。田II【aIIIbmcILm斷層、斷裂帶軟弱夾角層理優(yōu)勢節(jié)理隨機節(jié)理斷層型弱層型層理型節(jié)理型隨機節(jié)理型塌方、冒頂。超挖、平頂。規(guī)則鋸齒狀。不規(guī)格鋸齒狀。掉塊。三、軟巖巷道變形破壞特征圍巖變形速度快，變形量大圍巖變形持續(xù)很長甚至持久變形四面來壓、底鼓嚴重隨巷道斷面加大、或埋藏深度增大，或鄰近采動影響，變形將顯著增大。支護方式及支護阻力對圍巖變形影響較大。第二節(jié)軟巖巷道支護的經驗教訓軟巖巷道支護問題開始僅在褐煤田礦井比較嚴重。直到兩淮礦區(qū)建設中出現(xiàn)嚴重的巷道支護問題，才引起普遍關注。軟巖支護應該汲取以下經驗教訓：1、 單純提高支護剛度得不償失軟巖巷道中，因巷道變形嚴重，支護不久就遭到破壞，經常出現(xiàn)前掘后翻的局面。此時一般的做法是不斷提高支護剛度，增加支護成本，而取得的效果卻是微不足道的。如梅河三井，料石碹采用3層半料石，砌碹厚度達1.225m，仍未阻止圍巖的嚴重變形和支護體失效；金川礦區(qū)井底車場巷道，現(xiàn)澆混凝土支護用重軌作筋，發(fā)碹厚度達1.5m，同樣遭致嚴重破壞；淮南潘集二礦，巷道支護采用西德進口36kg/m的U型鋼每米3架支護，成本高達1.2?2.6萬元/m，仍造成U型鋼壓扁、裂開等破壞，反復翻修。大量經驗表明，對軟巖與極軟巖巷道，單純提高支護剛度，采取以剛克剛的方法是錯誤的，其結果支護費用巨大，但支護效果卻不理想，巷道不得不多次返修，嚴重影響巷道正常使用。2、 單一支護方式無能為力軟巖強度低，自穩(wěn)定性差，易受環(huán)境效應、結構效應、空間效應以及時間效應等影響，圍巖性質變化大，軟巖巷道支護結構與圍巖結構之間相互調節(jié)、相互控制作用較大，等等。這些特點要求支護具有多種與軟巖變形相適應的功能，如及時封閉圍巖的功能、與圍巖協(xié)調變形的功能、加固圍巖殘余強度的功能、讓壓與支撐相結合的功能，等等。顯然單一支護形式，如木支架、金屬支架、U鋼支架、錨噴支護、料石碹等支護形式，一般都很難同時滿足以上要求，因此單一支護對軟巖特別是極軟巖巷道一般是無能為力。3、 單靠一次成巷達不到預期目的傳統(tǒng)支護一般均采取短掘短砌、立即支護、一次成巷的方式，但軟巖巷道圍巖變形最劇烈迅速的時期，恰好是巷道掘進初期的幾個小時或幾天甚至幾個月。上述一次支護方式，必然使支護承受巨大的變形壓力的同時產生嚴重的結構性破壞，而喪失進一步承載和可縮性能，或直接影響巷道的正常使用與安全，而不得不返修。只有采用二次支護與聯(lián)合支護理論，充分利用各種支護的優(yōu)勢，克服其缺點，采取適應軟巖變形和控制軟巖變形相結合的綜合方法，逐步地將圍巖變形量和變形速度控制在支護許可的范圍內，最后形成圍巖與支護結構體實現(xiàn)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，方能取得預期的支護效果。4、 多次翻修常使巷道愈修愈壞一般巷道經一次翻修后壓力得以釋放，因而修復后的巷道一般較易維護。而軟巖或極軟巖巷道治理中，常出現(xiàn)每次修復后支護受力與變形有所減小，但隨著時間推移變形壓力又迅速增長，新修巷道重新被破壞，并出現(xiàn)屢修屢壞，越修越壞的現(xiàn)象。這主要是由于軟巖或極軟巖巷道，一般都位于厚層甚至巨厚軟弱巖體內，在很大范圍內不存在穩(wěn)定結構承擔外層壓力，因而即使多次翻修也難以使圍巖結構達到穩(wěn)定狀態(tài)，經過較短時間后巨大地應力就又會通過軟弱的外層集中作用在支護結構之上，使支護與上次支護一樣遭到破壞，而且每次破壞的形式及破壞周期也基本一致。第三節(jié)軟巖巷道大變形控制的總體原則和基本方法一、軟巖巷道支護的總體原則1、 綜合治理全面地動態(tài)地針對現(xiàn)場具體條件進行有效地軟巖巷道支護，應首先掌握圍巖的工程地質情況、巖石力學性質、物理化學性質以及水理性質，掌握地應力大小及方向，進而考慮巷道位置的選擇。在圍巖早期封閉、開挖工藝、各種支護參數(shù)的確定、對水及底板的處理以及后期加固等方面，應使支護體系和圍巖特性相匹配，以便克服環(huán)境效應對巷道穩(wěn)定的影響。如在老第三紀未膠結的含水砂巖中，必須采取地面排水、小階段排水及打反孔提前排水等措施。在含水砂巖中如不及時排水就會經常發(fā)生潰砂，舒蘭礦務局曾發(fā)生多起淹井事故。2、 聯(lián)合支護聯(lián)合支護是采用多種不同性質的單一支護的組合結構，能夠發(fā)揮各種支護形式的優(yōu)點，揚長避短，共同作用，以適應松軟巖層地壓與變形的要求，最終達到圍巖及巷道穩(wěn)定的目的。3、 長期監(jiān)控煤礦生產不確定性與模糊性強，如材料、工藝、工人素質、環(huán)境動態(tài)及生產管理等因素。井下條件比較惡劣，監(jiān)測手段又比較落后，質量保證是很難做到的。因此，確保圍巖的長期強度和支護體的穩(wěn)定，根據支架一圍巖作用原理，當一次支護穩(wěn)定后，再進行二次支護，是保證巷道始終處于良好狀態(tài)的基礎。由于軟巖工程的復雜性，圍巖的外載荷條件是經常變化的，而且很難正確估算，只有根據監(jiān)控所提供的信息，及時修正設計參數(shù)，采取相應補強措施（甚至出現(xiàn)一些補噴、補錨的現(xiàn)象都是正常的），才能取得良好的支護效果。4、 因地制宜因松軟巖層性質的多樣性，我國煤礦體制的多層次，其裝備、投資、井型的不同，不可能用一種模式。故軟巖支護應依據各地成功經驗，結合具體條件，因地制宜地合理選擇，然后再進行優(yōu)化組合，方能取得應有的效果。因此，軟巖支護的設計原則和施工方法歸納為：調查研究，綜合治理；聯(lián)合支護，共同作用；監(jiān)控施工，因地制宜。只有使地質、科研、設計、施工、監(jiān)測等各部門的工作融為一體，避免工程中的盲目性，提高施工的科學性，這樣軟巖巷道支護技術才會健康發(fā)展。二、軟巖巷道支護的基本方法1、 選擇合理的層位和巷間距在設計階段應合理選擇煤系地層的巖性，選擇巷道位置。在地質勘探過程中，要掌握巖石物理力學性質、巖石物理化學性質以及巖石水理性質，掌握主應力的大小及方向，為合理選層、選位提供依據。在設計中布置主要巷道盡量“躲”開軟巖。為避免巷道間的相互干擾，軟巖礦井禁止雙巷掘進，平行巷道純巖柱卡40m，在垂直布置上要避免上下巷重疊，垂直巖柱卡25m。2、 選擇合理的支護斷面目前普遍采用的直墻半圓拱斷面，適用于頂壓大、側壓小、無底膨的條件。馬蹄形斷面用于圍巖松軟，有膨脹性，頂壓側壓很大，并有一定底壓的巷道。圓形斷面用于膨脹性軟巖，四周壓力均很大的巷道中。當四周壓力很大但分布不均時，采用橢圓形并根據頂壓和側壓的大小，采用豎直或水平布置。斷面尺寸要按設計尺寸加兩側收斂及頂沉量、底膨量。預留巷道空間對，減少巷道維修，保證巷道正常使用是非常必要的。3、 優(yōu)化巷道水溝位置，加強礦井水管理軟巖巷道支護對圍巖穩(wěn)定性的控制，現(xiàn)場總結出的經驗是：“治幫先治底，治底先治水”。因此，對水的處理是保證軟弱圍巖穩(wěn)定的基礎工作。在地下水管理方面要采取疏、導、排、截、堵措施，做到有水必冶，用水必管，積水必排。常規(guī)設計中，水溝往往在巷旁一側，經常導致側墻不均勻下沉，造成碹體破壞。因此，在軟巖巷道中水溝位置應與巷幫保持一定距離，在雙軌巷道中應放在巷道中部為宜。4、 巷道底板管理防止底臌首先要治水，以防止底板軟化。大水、急水對底板影響較小，而小水、積水則很容易使底板泥化。因此軟巖巷道支護要“頂管住，幫加固，底板要封住”底板要管好，底角錨桿應帶插角。底板是巷道支護一部分，設計時要整體考慮綜合治理。5、 選擇能主動加固圍巖的高阻可縮支護軟巖巷道支護體結構及強度設計時，應與加固圍巖，提高圍巖支承能力相結合，與圍巖變形及強度相匹配，故必須采取卸壓、讓壓與加固和支護相結合的方法。對于高地應力，要卸得充分；對于大變形，要讓得適度；對于軟弱部分，要進行圍巖加固；對于圍巖整體，要有足夠剛度支護。因此，盡管具有劇膨脹性的鱗片狀頁巖，在有足夠抗力支撐下，其破碎圈是有限的，不可能擴大，其膨脹勢能也受到限制而不可能發(fā)展。因為，膨脹巖的膨脹是有條件的，如果圍巖不松脫，那么圍巖由表及里，其膨脹勢能是條阻尼曲線。只有不斷片幫冒落，不斷暴露新的膨脹巖，經過風干脫水后再吸水方能產生強裂膨脹。如果膨脹源被封閉，則其膨脹勢能是恒定的。如果巷道外載荷不變（如動壓），支護強度又足夠，通過U型鋼的可縮性又可整體地均勻讓壓，那么巷道長期穩(wěn)定是有保證的。6、 采用二次支護方法為適應軟巖變形特征，支護設計必須采用以錨噴網為主的二次支護、多次支護及聯(lián)合支護方法。同時必須采取底板加固措施，以防止支護體失效。二次支護時間在圍巖變形出現(xiàn)第一個拐點后進行。傳統(tǒng)的開啟式支護對支護結構整體穩(wěn)定性是不利的。7、 合理選擇掘進工藝及輸送機械軟巖抗震動性能差，除開挖時應采用機掘及風鎬掘進外，而且在輸送機械上也不應采用扒斗機及礦車運輸，以減少對圍巖的擾動。據測量，絞車道每提升一次能導致圍巖變形0.5?1mm，電機車重載每行駛一次促使圍巖變形0.01?0.03mm。而工作面爆破，其影響范圍達20m，每放炮一次可便周圍巷道頂板下沉0.02?0.03mm。當然軟巖的變形是個綜合影響指標，它和巖石本身強度，與震動頻度和強度有關，但炮震可使軟巖強度下降60%，因此，在沈陽礦區(qū)規(guī)定不準采用炮掘。對于輸送機械，最好采用膠帶輸送機，以防止底膨。8、 強調監(jiān)控量測指導施工應把軟巖巷道支護視為一個過程，通過量測信息反饋調整支護參數(shù)。當前國內外施工均以允許收斂變形量和收斂變形速度來監(jiān)控地下工程的穩(wěn)定性。我國《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GBJ86-85）中規(guī)定，地下工程的后期支護施工前，實測收斂速度與收斂值必須同時滿足以下條件。1） 巷道周邊收斂速度明顯下降。2） 收斂值已達總收斂值的80?90%；3） 收斂速度V0.15mm/d或拱頂位移V0.1mm/d。同時該規(guī)范也對不同圍巖的允許收斂量做了相應規(guī)定。日本《NATM指南》中規(guī)定，當圍巖收斂速度＞20mm/d，就需要采取特殊補強措施。第四節(jié)新奧法在軟巖中的應用一、新奧法的概念和定義新奧法是地下工程設計與施工新技術，目前已廣泛應用于鐵路、公路、隧道、礦山井巷、軍工及水電等地下工程。我國煤礦軟巖巷道支護科研項目大都采用新奧法施工并取得可喜成績。新奧法全名為“新的奧地利隧道施工法”，英文名為“NewAusrtrianTunnellingeMethod”，簡稱“NATM”。是1957?1965年在歐洲德文語系地區(qū)修筑阿爾卑斯山脈的隧道中，通過實踐而逐步建立起來的一種立論正確、施工科學的新方法。1980年新奧法發(fā)源地一一奧地利土木工程學會地下空間分會把新奧法定義為：“在巖體或土體中設置的使地下空間的周圍巖體形成一個中空筒狀支承環(huán)結構為目的設計施工方法”。這個定義扼要地提示了新奧法最核心的問題一一調動圍巖的承載能力，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo結構的重要組成部分，使圍巖與構筑的支護結構共同形成為堅固的支承環(huán)。“NATM”是一種科學的經驗方法，稱之“經驗尺度”，其理論基礎是隧道周圍應力與變形關系，稱為地層響應曲線原則。目前，在隧道和巷道施工中，主要通過打錨桿和噴射混凝土來實現(xiàn)“變圍巖本身為支護結構的重要組成部分”這一目標。但是，這并不意味著錨噴支護就是新奧法的全部，它只是新奧法的主要手段。新奧法的主要特點是通過許多精密的量測儀器對開挖后的巷道及硐室進行圍巖動態(tài)監(jiān)測，并以此指導地下支護結構的設計、施工全過程。二、新奧法的基本思想和主要原則新奧法是起源于奧地利，發(fā)展于西歐諸國，70代后期在日本蓬勃盛行，隨后逐漸用于世界各地的隧道施工中。它的理論屬于粘、彈、塑性理論學派，是以研究圍巖中應力再分配為中心來解決隧道支護結構設計問題的。米勒教授比較全面地論述了這種方法的基本指導思想和主要原則。他總結出了22條主要原則。1、 隧道是以其自身的圍巖來支護的，初砌與圍巖應緊密地貼合在一起，使圍巖與初砌形成整體性結構。2、 在隧道的開挖過程中，應最大限度地保持圍巖的原始強度。3、 盡可能地防止圍巖松動，因圍巖松動必將導致其強度降低。以往慣用的木支架、石材支架及鋼拱支架不能與圍巖緊密貼合，故不可避免地出現(xiàn)圍巖松動，而采用噴射混凝土可以及時封閉圍巖，因此可以防止圍巖松動。4、 應盡量避免圍巖出現(xiàn)單向或雙向應力狀態(tài)。井巷開挖后，巖體由三向應力狀態(tài)轉變?yōu)殡p向應力狀態(tài)，巖體強度大大下降。若能及時錨噴，可提供較大的徑向支護抗力，使圍巖從最不利的雙向應力向三向應力狀態(tài)轉化。5、 恰當?shù)乜刂茋鷰r變形，即一方面要允許圍巖向巷道空間收縮變形，以便形成巖石支承環(huán)，而另一方面，又要限制其產生過大變形造成圍巖強度降低。其措施是在圍巖壁面施以支護結構來阻圍巖發(fā)生松動破壞。6、 應適時地進行支護，不能過早，也不能過晚。支護結構的剛度不宜太大，也不要過柔，以便充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。7、 應該正確地確定巖體或巖體支護系統(tǒng)的特定的時間因素。圖12-1是以隧道開挖后圍巖能保持穩(wěn)定的時間為基礎，對圍巖進行分類，根據不同的圍巖其自承時間不同而采用不同的支護方式。在圖中給出了1秒到100年的時間范圍，根據圍巖的自承時間將圍巖分為A?G共7類。A、B、C三類圍巖的自承時間在三個月以上，主要支護形式為錨噴支護。D類為錨噴網支護，E、F、G三類為鋼拱噴射混凝土支護。圖12-1按圍巖穩(wěn)定時間對圍巖分類8、 如果預計在隧道開挖時圍巖將產生較大變形或松動，則所采用的支護應能覆蓋全部開挖巖面并能與圍巖緊密貼合。使用噴射混凝土能夠達到這兩點要求，而木支架或鋼拱支架與圍巖點支承，它只能起到預防松脫巖塊掉落的作用，而不能有效地阻止圍巖變形或松動。9、 第一次支護應該是薄壁柔性結構，以便最大限度地限制彎矩和由彎矩而引起的拉裂破壞。一般采用的支護厚度為150~250mm。10、 如果第一次支護的噴層的承載能力不能保證圍巖的穩(wěn)定性，應通過打錨桿、掛金屬網或增設鋼拱架聯(lián)合支護來解決。11、 從力學角度上看，新奧法構筑的隧道可以認為是由圍巖支承環(huán)與第一次支護、第二次支護構成的厚壁圓筒。圍巖支承環(huán)和支護結構是在形變協(xié)調條件下共同工作的結構物，而傳統(tǒng)的觀點則是把隧道看成是雙墩拱，認為該拱是承擔圍巖荷載的結構物。新奧法把圍巖從加載的因素（或把支護從支撐概念）轉變成承載的因素（或把支護轉變?yōu)榧庸谈拍睿┦莻€飛躍。12、 當隧道為雙層支護時，內圈支護不宜太厚，且內外兩層支護要緊密貼合，粘結為一個整體，不要成為磨擦結合，要使兩層支護之間僅能傳遞徑向力。13、 若采用二次支護時，第一次支護所形成的圍巖支護系統(tǒng)就應該是穩(wěn)定的。第二次支護（內襯砌）的作用在于進一步提高工程的安全性。但在有大量涌水時，或在圍巖變形尚未穩(wěn)定前就構筑二次支護時，則一次支護與二次支護都需要考慮結構的穩(wěn)定性問題。當滲水具有侵蝕性，只有采取防腐蝕措施時才把錨桿看成是永久性支護的一個組成部分。14、 從力學上看，圓筒只有在全圓周上沒有任何縫隙才能起到圓筒的作用，因此隧道要封底（圍巖非常堅硬除外），形成閉合圓筒。封底要及時，一般為仰拱。15、 圍巖的性態(tài)受封底時間的影響較大，若掘進工作面推進過快而延長了封底時間，側使上拱圈承受不利的縱向彎矩，下拱圈的巖石則會承受很高的應力。16、 隧道開挖后，破壞了原巖應力狀態(tài)，圍巖應力重新分布。為了不使應力重新分布過程復雜化并損壞巖體，應該采用全斷面一次開挖。17、 隧道的施工方法影響著圍巖的時間效應。因此，正確的施工方法對保證隧道的穩(wěn)定性起著決定性作用。例如，一次掘進的長度、第一次支護的時間、封底時間、頂板上拱圈長度以及支護的反力等，均應系統(tǒng)地調整，以便控制圍巖與支護系統(tǒng)的穩(wěn)定過程。18、 為了避免隧道斷面上尖角處出現(xiàn)應力集中，應采用光滑的圓形斷面。19、 正確確定圍巖自承時間的手段是室內實驗、現(xiàn)場試驗、圍巖變形量測等。此外，圍巖的裸露時間、變形速度和巖石分類也可以為確定巖體或巖體支護系統(tǒng)的特定的時間因素（參見第7條）提供重要數(shù)據。對圍巖的變形量測工作應成為新奧法施工不可缺少的工作內容。20、 第一次支護的形式及設置的時間應根據所測得的巖體變形來確定。21、 混凝土應力測定、支護與圍巖接觸面應力測定以及施工期間進行的收斂變形量測等測得的數(shù)據反饋到設計與施工中，是指導設計與施工的重要依據。22、 圍巖的滲流壓力以及作用于支護上的靜水壓力可通過各種排水設施或手段使之消除，必要時要在第一次支護和第二次支護之間，設置專門的防水層來解決防水問題。上述的22條基本原理表明，不能把新奧法單純地看成是一種施工方法或支護方法，而是一系列思想的綜合化和系統(tǒng)化，是一個具體應用巖體動態(tài)性質的完整的力學概念。而認識和理解圍巖動態(tài)的基本途徑是施工中的量測監(jiān)視。因此，量測監(jiān)視也就成為了新奧法的基本特征之一。第五節(jié)幾種常用的軟巖道支護技術一、碹體支護技術碹體支護一般采用直墻半圓拱，所采用的砌筑材料多種多樣，如毛料石、條石、規(guī)格料面、紅磚、混凝土砌塊等。碹體支護在我國各種地下工程中的應用有著悠久的歷史，碹體支護具體結構簡單，操作方便，巷道成形好，承載能力大等優(yōu)點，故曾在一切難支護的巷道中廣泛應用。但碹體支護工人勞動量大，施工速度慢，難以實現(xiàn)機械化，特別是碹體支護剛性大，允許變形量小，不適應軟巖巷道大變形要求，在軟巖礦井中應用已有不勝枚舉的失敗教訓。近年來，為適應軟巖巷道變形量大、地壓大的需要，發(fā)展了多種新型碹體支護，主要包括：1、 離壁碹離壁碹體支護是碹體砌筑與圍巖之間保留一定變形空間，所留空隙由圍巖擴容、膨脹、破碎片落自行充填，從而避開圍巖急劇變形階段，避免承受圍巖的形變地壓，而只承受其松散地壓，使碹體保持穩(wěn)定。預留空間大小應根據圍巖變形值確定，一般拱頂250~400mm，兩墻150~300mm。2、 重縫碹重縫碹是對縫砌筑的全圓形碹體支護。重縫碹砌筑方便，抗變形能力強。它像一條無數(shù)個環(huán)狀結構來支撐巷道壓力，而環(huán)和環(huán)之間是弱連接，因此很容易釋放圍巖壓力，同時由于牽動力小，不會出現(xiàn)碹體縱向斷裂。3、 條帶碹條帶碹是不連續(xù)的碹體砌筑。料石或混凝土砌筑成一定長度的碹體，稱為條帶，條帶之間留有一定寬度的空隙，叫“卸壓通道”。條帶寬2~6m，卸壓通道寬0.4?0.6m。要求條帶必須砌筑成齊頭的，卸壓通道不要剎木拌，應該用金屬網軟掩護，以保證卸壓效果。4、 弧板與錨噴聯(lián)合支護利用錨噴作一次支護，弧板作二次支護。弧板由4?5塊鋼筋混凝土弧形組裝而成，各弧塊間墊20mm厚木板。弧板與錨噴支護間留100~200mm間隙并以低標號混凝土或充填袋充填。曾試驗過300#、400#、600#和1000#不同承載能力的弧板。盡管采取了以上種種改進措施，使碹支技護對軟巖巷道的適應性有所增強，但實踐表明，隨著地下開采深度的不斷增加，軟巖礦井的大量開發(fā)，碹體支護暴露出的問題仍日益突出。如金川有色金屬公司軟巖巷道支護后一再翻修，多達5次，二次區(qū)1974?1980年間，翻修巷道量達13017.3m,占掘進總長的46.7%，耗資1474.6萬元，占巷道施工投資的24%，再如淮南局新莊孜礦開拓巷道13725m中，軟巖有6065m，占44%，采用碹體支護有一半巷道變形破壞。如該礦四水平北運道，掘進新面13.42m2，凈寬2.9m，采用底仰拱直墻半圓拱雙層料石碹，碹體厚度0.6m，開挖一個月巷道就嚴重變形，幾個月就通不過礦車。后采取短掘砌施工工藝，通過斷層帶，但雙層碹體當月就壓垮。再翻修后，每隔一年翻修一次，每年維修費約5?6萬元。梅河三井采用碹體支護不斷提高剛度，增加支護抗力，3層半碹體支護厚度達1225mm，但7d就破壞，35d全部壓垮?；茨吓艘弧⑴硕诮ň^程中已施工的碹體支護巷道均遭到嚴重破壞，主要巷道都經過一次以上的返修。因此，碹體支護不宜在軟巖礦井、斷層破碎帶、接觸破碎帶、節(jié)理密集帶、強烈觸變帶等工程地質惡劣的松軟破碎巖體中應用。圖12-2為金川一組受構造應力影響，水平應力大于垂直應力的碹體支護破壞形態(tài)。金川采用碹體支護必須采用封閉形的，即對底板控制，否則兩墻在水平應力作用下，很容易收斂變形破壞。支護斷面應采用扁橢圓形以提高約束水平孔力的能力。碹體支護對高地應力巷道支護是不成功的。十幾年來在這方面的投入是極大的，教訓是深刻的，應認真總結并吸取。圖12-2金川鎳礦料石碹支護破壞形態(tài)二、U型鋼可縮性支架壁后充填支護1、存在問題國內外都認為u型鋼可縮性支架是軟巖巷道及受動壓影響巷道比較理想的支護型式。但在軟巖巷道實際使用中，u型鋼支架遭到嚴重破壞的事例是很多的。通過分析發(fā)現(xiàn)，u型鋼可縮性支架不能有效控制軟巖大變形的主要原因是支架未能按設計特性進行工作，實際支護阻力遠低于設計支護阻力?？煽s性能得不到充分發(fā)揮。其影響因素包括：1）所用卡纜型式不合理及支架與圍巖之間存在較大空間，導致支架的初撐力低、增阻速度慢、支架縮動阻力低。連接件是影響可縮性金屬支架可縮性能和工作阻力的關鍵。普通螺桿夾板式卡纜，存在滑移困難、阻力低且不穩(wěn)、連接件易損壞或卡死等缺陷，受力狀況很差。加上人工擰緊力矩較小、各卡纜擰緊力矩大小差別又較大，使支架縮動變形阻力遠遠低于設計阻力。例如，遼寧鐵法礦務局小康礦S1W3回風巷29U拱形支架的整架阻力平均只有177.48KN，僅為設計阻力的1/4?1/6。支架與巷道圍巖之間存在較大的架后空間，使支架架設后很長時間不能向圍巖提供有效支護。據井下實測，支架支護后1個月以上圍巖變形達200?300mm左右，支架載荷才有明顯增加，支架的初撐力和增阻速度都相當?shù)汀?）支架受力不均，使支架的承載能力和可縮性能受到嚴重影響軟巖巷道掘進中，片幫冒頂都比較嚴重，在支架背后形成大小不等的架后空間，支架與圍巖表面之間呈不規(guī)則的點、線接觸，使支架受力狀態(tài)十分惡劣，往往在支架內產生很大的附加扭矩，導致支架接頭被卡死，影響支架的可縮性能；或使支架發(fā)生永久性彎曲、扭曲和斷裂。軟巖巷道U型鋼支架破壞形式主要有四種：①受頂部集中載荷作用被壓平；②支架頂部存在較大的架后空間，在側壓作用下形成尖桃形破壞；③受偏載作用破壞和④棚腿內移出現(xiàn)“倒葫蘆狀”破壞等。如圖12-3所示，它們都與支架受力不均有關。圖12-3U型鋼支架破壞形式a一因空頂出現(xiàn)塵桃形破壞；b一受偏載作用破壞；C一棚腿內移出現(xiàn)“扣頭”破壞；d-頂壓作用下的破壞進行的實驗室支架加載實驗結果表明，當卡纜螺栓扭矩為300N.m時，拱形支架受拱頂集中載荷作用時，承載能力僅120KN；受均布載荷作用時，拱形支架承載能力達到710KN，圓形支架為1460KN；采用壁后充填時拱形支架承載能力提高到2480KN，為受集中載荷時的15倍。3） 對底板變形控制不力，影響支架的承載性能底鼓嚴重是軟巖巷道變形與破壞的重要特征，也是影響U型鋼支架實際承載能力的重要因素，井下支護實踐表明，拱形支架鉆底非常嚴重，不得不經常臥底維修，而頻繁的臥底維修又使支架棚腿不斷內移，甚至出現(xiàn)“扣頭”現(xiàn)象（圖12-3（c）），使支架的承載能力和可縮性能都受到嚴重影響。4） 加間拉桿使用不力，影響了支架整體性能和承載性能支架整體性能差是影響U型鋼支護阻力發(fā)揮的又一重要因素?，F(xiàn)用U型鋼支架大多沒有安裝架間拉桿或雖裝有拉桿但拉桿的強度及拉桿數(shù)量不足，不能保證支架的整體性能，支架之間不能協(xié)調變形，而被各個擊破。受上述因素影響，使U型鋼可縮性支架的實際工作特性嚴重偏離設計特性，支架控制變形的能力嚴重降低。圖12-4為根據井下實測結果得到的拱形支架和圓形支架工作特性曲線。圖12-5為圓形支架實驗室整架加載得到的理想特性曲線（圖中1、2曲線的卡纜螺母擰緊力矩分別為300m.N和250m.N）。圍巖變形量/mm 斷面收縮率/%圖12-4普通U型鋼支架實際工作特性 圖12-5圓形支架理想特性曲線由圖12-5可以看出，由于支護受力差等原因，拱形和圓形支架，不僅支護阻力很低，只有0.04?0.06MPa,而且由于支架不能實現(xiàn)均勻可縮，而發(fā)生嚴重的結構性破壞，使支架的實際工作特性嚴重偏離其設計的特性曲線(圖12-5)，這是支架不能有效控制軟巖巷道劇烈變形的主要原因。上述4個方面是相互影響相互聯(lián)系的，應該針對各個影響因素進行改進。但其中影響最大的是架后空間問題，架后空間的存在不僅嚴重影響支架的承載能力和可縮性能，而且惡化圍巖的受力狀態(tài)和變形條件，降低圍巖的自承能力，是許多U型鋼支護巷道失敗的最主要原因。(二)提高U型鋼支架支護阻力和改善支架工作特性的措施針對上述影響U型支架支護阻力和工作特性的因素，軟巖巷道支護中應采取如下改進措施：采用圓形或馬蹄形封閉式支架，使支護能適應軟巖巷道四面來壓和底鼓嚴重的特點；在采用馬蹄形封閉式支架時，底梁與柱腿之間鑲嵌式連接，利于安裝和底梁可縮。支架間用強力拉桿和鋪設鋼筋網，改善支架的整體效果。采用新的經過熱處理的雙槽形夾板式卡纜(帶限位塊)，并使用風動扭力扳手，卡纜的擰緊力矩保持300N-m，使卡纜阻力與支架的承載能力相匹配。在支架與圍巖之間實施壁后充填，提高支架的初撐力和增阻速度，改善支架的受力狀態(tài)，并使支架一充填體一圍巖三者形成一個共同的力學承載體系，大幅度提高支架對圍巖的支護強度和圍巖的自承能力。另外，當圍巖非常破碎、掘進冒頂嚴重(如一側采空巷道或過斷層破碎帶)時，為保證壁后充填質量和新型支護效果，同時也為了提高圍巖強度，還可采取錨注等輔助其它加固措施。采取上述措施后將明顯改善U型鋼支架的工作特性，支護阻力顯著提高，圖12-6是根據井下實測結果得到的新型支護工作特性。(a) (b)圖12-6壁后充填后新型支護實際特性(a)-全封閉馬蹄型支架；(b)-圓形支架

由圖12-6可以看出，采用壁后充填的支架，不僅支護阻力較高，達到達0.2MPa以上，還具有良好的可縮性能，使支架與圍巖之間始終保護良好的相互作用，從而有效地控制軟巖巷道的變形。壁后充填不僅顯著改善了支護受力條件，保證了支護均勻可縮，更主要的是使支護、充填層與圍巖三者共同形成一整體承載結構，能極大地發(fā)揮圍巖的自承能力，使圍巖由被動施載體變?yōu)橹鲃映休d體。這是新型支護能夠有效控制軟巖巷道劇烈變形的主要原因。（三）架后充填材料與工藝1、充填料的一般要求（1） 應具有一定的強度，以保證在支架極限承載能力范圍內，具有良好的力學傳遞性能，充填層始終保護完整不破壞。在目前我國所采用的金屬支架條件下，充填體的單軸抗壓強度只需3?4MPa即可滿足要求。（2） 應具有良好的隔水性及在細小巖石裂隙中的滲透性，以滿足封閉和加固圍巖的要求。（3） 應具有良好的工藝性能，例如良好的可泵送性能，以適應機械化充填作業(yè)的要求。一般采用泵送充填時，拌水后充填料的塌落度應在12?18cm的范圍，無論是濕式或干式充填，充填料中骨料的最大粒徑應小于輸送管內徑的1/3,以防堵管。（4） 最好具有一定的可縮性，以實現(xiàn)與圍巖變形、支架可縮三者之間的良好匹配。2、充填材料種類（1）低水充填材料通常將水灰比（水：骨料）低于0.25的充填材料稱為低水充填材料。目前我國已進行試驗和應用的實用型低水充填材料主要有兩大類：粉煤灰類充填材料粉煤灰是電廠的工業(yè)廢料，來源豐富，價格低廉，便于泵送或風力充填，同時又具有一定的化學活性，在一定的膠凝劑、添加劑的作用下，可水化成為具有一定強度的固體材料，是一種理想的充填材料。幾種經實驗室配比試驗而確定的粉煤灰類充填材料性能如表12-11所示。從表中可看出，粉煤灰類充填料的早期強度不大高，而后期強度隨水泥含量增加而提高，均可達到4.5MPa以上，符合架后充填的要求。矸石粉類充填材料用矸石粉作為架后充填材料，也可就地利用井下排出的大量矸石，且運輸方便，成本低廉。表12-12為幾種不同配比的矸石粉類充填材料的性能。表12-11幾種粉煤灰類充填材料性能 表12-12矸石粉類充填材料性能配比配比強度MPa1d3d7d28d粉煤灰：生石灰=1:10.61.82.54.5粉煤灰：=3生石灰：水泥:0.5:0.51.12.33.57.9粉煤灰:水泥=3:11.43.16.019.0配 比強度MPa1d3d7d28d矸石粉：水泥=5:10.82.23.210.0矸石粉：水泥=4:11.42.64.913.0矸石粉：水泥=3:12.16.19.122.0從表中可看出，隨水泥含量的增加，矸石粉類充填材料的強度也逐漸提高。此外，與粉煤灰類相比，在同樣的水泥含量下，矸石粉類充填料的早期和后期強度都較高，是一種經濟的工程實用充填材料。中水充填材料水灰比為0.25?0.6的充填材料通常稱為中水充填材料。目前國內外在架后充填中已試驗和應用過多種類型的中水充填材料。前蘇聯(lián)、英國、德國曾采用合成硬石膏，摻加速凝劑后，配制成水灰比為0.35左右的灰漿進行架后充填，取得了較好的巷道維護效果。我國一些礦井曾采用300號以上的硅酸鹽水泥配制成水灰比為0.3?0.4的水泥砂漿或混凝土漿作砌碹巷道的架后充填材料。其特點是固化后強度較高，剛度較大，但可縮性很小。此外，一些國家還試驗過利用聚氨酯等有機化學凝固材料，再摻入一定量的松散劑、速凝劑、硬化劑等添加劑后配制成充填材料進行架后充填，也收到了較好效果。膨脹發(fā)泡充填材料德國、前蘇聯(lián)、美國等國家煤礦井下已應用過多種這類充填材料。它具有良好的隔水隔熱性能，不燃燒不透氣，比重小，具有很高的可壓縮性，較好的封閉性能，但抗壓強度較低。主要用于以封閉圍巖、填充洞穴為目的的架后充填。袋裝松散充填材料3、架后充填工藝按所采用的充填材料的不同，架后充填工藝分泵送充填和手工填兩類，泵送充填工藝又分干式充填和濕式充填兩種。這里僅對濕式充填式工藝過程簡單介紹如下：濕式充填濕式充填適于充填較小顆粒，要求水灰比較大的充填材料。由于充填材料先在充填機內攪拌成漿糊狀，然后由管路泵送擠出，故阻力較大，輸送距離不能很遠。一般充填機設在離充填點不遠于50m的位置。掘巷后通常緊跟迎頭進行臨時支護或錨噴一次支護，隨后架設U型鋼支架作為永久支護，緊接進行以下各工序：鋪設鋼筋網背板鋪設隔離層隔離層應具有一定的抗拉強度，基本不滲水，成本低廉。通常可采用塑料編織布、黃麻布片、竹席等材料。設置充填隔斷在充填前將已架設支架的巷道在架后空間沿巷道縱向分隔成6?8m長的充填隔斷，從而使每一隔斷內的架后空間與相鄰隔斷隔離，充填工作分段獨立進行，以保證充填密實。充填隔斷可用充氣袋，也可用裝滿矸石的塑料編織帶在支架背后砌筑而成。制備充填材料泵送架后充填泵送架后充填可采取在掘進頭向架后沿巷道軸向充填，也可滯后掘進頭在支架內沿巷道徑向充填，現(xiàn)場以后者居多。三、注漿加固與錨注技術(一)注漿加固技術1、圍巖注漿的作用和機理煤系地層一般均存在地質結構上的弱面，如斷層、節(jié)理、裂隙、層理等，因此巖體本身是受各種弱面切割的非連續(xù)體。掘巷前，這種非連續(xù)介質由于四周的約束，處于原始平衡狀態(tài)。掘巷后這種非連續(xù)體賴以平衡的邊界條件被破壞，同時在掘巷造成的集中應力作用下圍巖中原有的弱面進一步擴大，新的弱面大量產生，結果在圍巖中不可避免地形成一個松動破碎圈。由于松動圈內巖體的非線性體積膨脹變形，將對巷道支護結構產生巨大的變形壓力并使巷道產生較大的收斂變形，圍巖松動圈范圍越大，巷道的收斂變形就愈嚴重，巷道支護也困難。利用聲波原理進行的實測發(fā)現(xiàn)，一些松軟圍巖在較高的地應力作用下，松動圈的深度常達1.5m以上，有的甚至高達5?6m。這種情況下，巷道頂?shù)准皟蓭偷囊平靠蛇_500?600mm，有的高達1000mm以上。這樣的大的巷道收縮量及相應的圍巖變形壓力對一般巷道支護結構是難以承受的。即使靠提高支護體的強度和可縮性來承受這樣大的變形和壓力，也是很不經濟的。如果將圍巖進行加固，提高其強度及變形模量，一方面可縮小圍巖松動圈的范圍，減小巷道的收縮變形，同時也可增加圍巖分擔的上覆巖層壓力，減小支架所承受的載荷，使支架圍巖系統(tǒng)易于達到新的力學平衡。即使圍巖能將上覆巖層壓力的總量多承擔1%，也可顯著改善巷道支護的受力條件和巷道維護狀況。圍巖注漿是加固圍巖的一種有效方法。我國自50年代起開始應用水泥注漿，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)到采用水泥漿、化學漿液等多種材料進行圍巖注漿的實用階段。圍巖注漿的實質是向存在大量裂隙的松軟破碎巖體中注入能膠結硬化的漿液，或在需要加固而本身并無大量裂隙存在的巖體中人為地先形成大量裂隙，然后向巖體中注入能夠滲入裂隙、并在裂隙中膠凝硬化的某種漿液，將巷道周邊的破碎巖體重新膠結成高強度的注漿殼，從而大幅度提高圍巖及巷道穩(wěn)定性。圍巖注漿的主要作用有：加大弱面上的摩擦力，相當于提高圍巖體的粘聚力和內摩擦角，增大巖塊間相對位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。漿液在裂隙中充填、固結后封閉裂隙，阻止水浸入巖體對圍巖的弱化作用，也阻止了圍巖的進一步風化。對破碎松散巖體，由于漿液在裂隙中的膠結作用，使破碎巖塊重新膠結成整體，形成一個可以承受外載的注漿殼，使之與巷道支架共同承載，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。根據撫順龍風礦對深井軟巖巷道采用卸壓加固的效果所進行的有限元分析，注漿加固對巷道的變形及圍巖應力分布有顯著影響。

圖12-7表示對巷道圍巖有無加固的情況下巷道底板應力的變化情況。由圖a可見，當?shù)装逦醇庸虝r，底板中出現(xiàn)深度達2m左右的拉斷破壞區(qū)，由于該區(qū)中底板巖體的結構已基本遭到破壞，巖體中的應力明顯降低。從圖b可見，由于對底板進行了加固，在底板中形成了3.0m深度的加固層，并承受了較大的應力，達原巖應力的1.6倍，使底板巖層的自承能力更好地得到發(fā)揮。由于底板加固增加了底板的強度和抗變形能力，使底鼓量大幅度降低。試驗結果表明，在初始時（即t=0時），無加固的巷道底鼓量是加固時的1.5倍。計算中采用的最終時間為118min時，加固時的巷道底鼓量比不加固時減小了68%。從拱腳的水平位移看，初始t=0時，加固后僅為不加固時的1/4,118min時，加固后僅為不加固時的1/8。由于拱腳水平位移極易造成巷道拱腳處的破壞，所以加固后不僅巷道底鼓量減小，而且底板的變形特征也有利于巷道的穩(wěn)定。圖12-7圍巖有無加固時巷道底板應力分布的有限元分析結果（a）-底板未加固；（b）-底板加固；1—1=0；2—t=1min；3—t=1h；4—t=30d對加固與不加固情況下巷道底板中點隨時間而產生的流變變形的觀測結果表明，加固后底板的穩(wěn)定變形速度僅為不加固時的1/5。在不加固圍巖時，底板巖體中主應力隨時間的延長不斷減小，并趨于受拉，試驗中觀測到在底板中產生了拉伸裂隙。在加固后底板中拉應力消失?？梢妵鷰r注漿加固可明顯改善圍巖應力分布及圍巖結構特征，提高巷道穩(wěn)定性。這一技術目前在我國已用于水電大壩工程的巖基處理，鐵路、公路及高層建筑的地基加固、金屬礦山及煤礦巷道的圍巖加固等領域，對破碎巖層進行加固，收到了良好的效果。2、注漿材料注漿材料種類水泥漿液單液水泥漿水泥-水玻璃漿水泥粘土漿化學漿液水玻璃類脲醛樹酯類銘木素類氧化鎂烯酰胺類聚氨酯類炕醛樹酯類環(huán)氧樹酯類甲基丙烯酸甲酯類表12-13注漿材料分類表按照材料的成分組成，目前國內外所使用的注漿材料大致可分為兩大類：即水泥漿液和化學漿液（表表12-13注漿材料分類表漿液在松散介質中滲透的難易程度，一方面取決于漿液本身的粘度，另一方面取決于松散介質滲透系數(shù)（與裂隙發(fā)育程度有關）的大小。實踐中主要根據以上兩個因素及成本因素來選取究竟采用何種注漿材料。試驗表明，水泥漿能注入到比它本身粒度大三倍的孔隙中去，目前國內常用的水泥最大粒度為0.085mm，在一般的壓力下只能注入最小寬度為0.255mm的孔隙中去。單純的水泥漿固化后粘結強較高，但凝結時間較長。注漿時漿液先沿圍巖中的大裂隙向遠處擴散，甚至擴散很遠也不會凝固，而小裂隙中漿液則難以進入，所以這種情況下注漿達到的范圍較大，漿液消耗量多，但小裂隙并未注入。若采用水泥水玻璃混合漿液，其膠凝時間短而且可以控制，注漿時漿液首先進入大裂隙，但擴散不太遠就會凝固封閉，堵塞大裂隙通道，而后漿液被壓注進小裂隙，注漿材料消耗量少而注漿效果更好。實際注漿時，單純水泥漿的濃度一般根據圍巖松散情況在(0.6?2.0):1范圍內選取水灰比。選用水玻璃-水泥混合漿時，水泥與水玻璃的體積比一般選為1：(0.3?1.0)。當圍巖含水量較多時選水玻璃含量較大的配比，根據實驗資料，采用600號水泥以及水泥與水玻璃體積比為1：1時，凝膠時間為3min，1h抗壓強度為0.5MPa以上，1d強度可達6MPa以上。粘土漿具有較好的可注性、觸變形及穩(wěn)定性，特別是有較好的阻水性能。水泥與粘土類混合漿液膠凝速度較慢，固化后強度較低，但由于其成本低，粘土來源廣泛，因此常用于一些要求不太高，以防堵水為主要目的的圍巖注漿工程中。由于化學漿液都是溶液，本身沒有顆粒，具有較強的滲透能力，可注性較好，一般均用于微裂隙較發(fā)育的圍巖加固和防堵水注漿。各種化學漿液的稠度不同，滲透能力也各異。目前在煤炭工業(yè)中實際應用較多的主要是聚氨酯類、脲醛樹酯類及氧化鎂類化學注漿材料聚氨酯是由多異氰酸酯和多元醇聚合而成的高分子化合物，對煤和巖石具有較好的粘結性，硬化時間短，而且可以調節(jié)。硬化時沒有水和溶劑析出。硬化后的聚氨酯具有一定的彈性、塑性和很高的抗彎強度與抗壓強度。受載后僅被壓縮而不會產生脆裂，在巖層運動時不會喪失其粘聚力。聚氨酯中加入一定量的水后會產生發(fā)泡反應，使其體積膨脹約3倍左右，在注漿時可在鉆孔中形成膨脹壓力，迫使樹脂被壓入裂隙。聚氨酯作為一種理想的化學注漿材料已在德國、英國及我國的一些煤礦中得到應用。氧化鎂膠結料的主要優(yōu)點是沒有任何毒性，成本比聚氨酯低93%?95%，比脲醛樹脂低66.6%?80%。注進巖石裂隙中的氧化鎂膠結料，在裂隙兩相邊界面上產生粘附力，使膠結料保留在裂隙中，并將巖塊膠結成整體。氧化鎂膠結料屬雜鏈聚合作，向其中摻入10%?20%的聚合物添加劑后可大幅度提高膠結劑的粘附強度，固結后具有很好的強度和穩(wěn)定性。脲醛樹酯類膠結材料在我國應用較多的是木銨注漿材料。這種材料是由脲醛樹酯與亞硫酸鹽紙漿廢液、硝酸銨按一定配比混合而成。例如當木銨漿液中脲醛樹酯含量為61%，紙漿廢液為32%，硝酸銨含量7%時，漿液的膠凝時間約為4?25min，固結強度約為9?13MPa。本銨注漿材料在我國的一些金屬和非金屬礦山、隧道工程的圍巖注漿中得到較多的應用，并取得了較好效