松軟破碎巖體中巷道支護(hù)的探討

李仁義

【摘 要】本文分析了松軟破碎巖體中巷道失穩(wěn)及破壞機(jī)理，探討了其支護(hù)方法和加固原則。

【關(guān)鍵詞】破碎巖體；巷道支護(hù)

在松軟破碎巖體中開掘巷道，由于地壓大，圍巖強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，給掘進(jìn)和支護(hù)增加了難度，常常發(fā)生巷道嚴(yán)重變形、破壞，需要反復(fù)翻修的情況，既耗費(fèi)人力，物力和財(cái)力，又嚴(yán)重地影響礦井建設(shè)和正常生產(chǎn)。特別是近些年來，隨著勘探技術(shù)和采煤技術(shù)的發(fā)展，采場正在逐漸向井下深部延深，而越往礦井深部地壓越大，圍巖越難維護(hù)。以上均存在松軟破碎巖體中巷道支護(hù)的問題。下面就此談幾點(diǎn)看法。

1.軟破碎巖體的概念及特征

松軟破碎巖體一般指巖體中的巖石結(jié)構(gòu)疏松、容重小、孔隙率大、強(qiáng)度低、硬度小，容易產(chǎn)生塑性變形及流變變形，且?guī)r體內(nèi)層理，裂隙發(fā)育，小斷層縱橫交錯，擠壓錯動極為明顯，各種巖石分布雜亂無章，組成這種巖體的巖石不僅抗壓強(qiáng)度低，而且工程巖體自身的不連續(xù)面和被連續(xù)面分割而成的結(jié)構(gòu)體也影響其強(qiáng)度，例如巖體中的斷層剩隙，層理等構(gòu)成了巖體中的弱面，因此松軟破碎程度是顯然的。

此外，巖層在地下，受地應(yīng)力，地下水，地溫等的作用影響，相對強(qiáng)度低的巖層也屬軟巖。礦井深部，雖然巖體本身強(qiáng)度較高，但在埋藏深度大，地質(zhì)應(yīng)力大的情況下，也會發(fā)生類似軟巖的問題，即圍巖壓力大，使井巷圍巖周邊應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過圍巖的極限強(qiáng)度時，就會發(fā)生破壞，圍巖體積擴(kuò)張，膨脹，向井巷空間內(nèi)移，擾動范圍較大，故作用在支架上的壓力增力口，使支護(hù)困難。

2.松軟破碎巖體中巷道失穩(wěn)，破壞機(jī)理

在巖體中開掘巷道后，改變了原巖體在地下的三軸向應(yīng)力平衡狀態(tài)，地應(yīng)力重新調(diào)整，在巷道周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，周邊圍巖在集中應(yīng)力作用下向巷道的空間內(nèi)移動，產(chǎn)生應(yīng)變。對松軟破碎巖體來說，圍巖由于二次應(yīng)力大于該巖體的極限強(qiáng)度，使用圍巖產(chǎn)生塑性變形和流變變形，從而使巖體的強(qiáng)度下降，全部或部分喪失巖體自身承載能力。

我們知道，巷道支護(hù)是指包括支護(hù)體與巷道周圍巖體的支承作用在內(nèi)的聯(lián)合支承系統(tǒng)。在松軟破碎巖體中，支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的承受載荷Pu與巷道圍的自身承載能力σd又有如圖1所示的關(guān)系。由于松軟破碎巖體變形具有明顯的時間效應(yīng)，且初期變形劇烈，若采取傳統(tǒng)支護(hù)方式，支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨時被推移，在載荷作用下，支承能力逐漸降低，而圍巖的自身承載能力σd也要降低，與此同時支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承受的載荷Pu增大，這樣又引起圍巖自身承載能力σd，降低，隨之Pu又增大，當(dāng)支護(hù)系統(tǒng)承受的載荷超過支護(hù)系統(tǒng)本身所能承受的載荷時，支承系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，造成巷道片冒坍塌。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)載荷與巷道圍的自身承載能力曲線

3.松軟破碎巖體中巷道支護(hù)原則

根據(jù)松軟破碎巖體的力學(xué)特征及巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理，以及現(xiàn)場實(shí)踐，可以從以下三個原則人手，來確定支護(hù)方案。

（1）封團(tuán)圍巖原則。對于易風(fēng)化和遇水膨脹的松軟破碎巖體，應(yīng)在巷道開掘后盡早維護(hù)，一般在圍巖表面噴射一薄層混凝土，封閉圍巖，防止同空氣、水接觸，這樣不僅能避免圍巖風(fēng)化、膨脹，同時還可以避免片冒情況的發(fā)生，保證安全生產(chǎn)。噴射混凝土厚度根據(jù)實(shí)踐，一般為20-30mm，總的原則是不宜過厚，但又必須封閉住圍巖。因?yàn)樗绍浧扑閹r體具有流變的特點(diǎn)，如果混凝土層過厚，則會具有一定的剛性，限制了圍巖的適度形變，進(jìn)而產(chǎn)生圍巖壓力增高點(diǎn)，破壞噴層，使圍巖暴露于空氣中，失去封閉作用。

（2）加固巖體原則。由于松軟破碎巖體節(jié)理，裂隙，層理發(fā)育，斷層交錯，呈松散和松軟結(jié)構(gòu)，巖體強(qiáng)度低，因此必須加固圍巖，改變巖體結(jié)構(gòu)，提高巖體的整體性，調(diào)整巷道周圍的應(yīng)力場和圍巖的力學(xué)特征，把作用在支承系統(tǒng)上的外力盡可能地轉(zhuǎn)移到圍巖的更深處，同時，使巷道周圍的巖體從載荷轉(zhuǎn)化為承載結(jié)構(gòu)的一部分，提高圍巖的自身承載能力。

1）注漿加固。松軟破碎巖體的穩(wěn)定性主要取決于巖體內(nèi)磨擦角和巖體結(jié)構(gòu)面。巖體注漿后，由于漿液的網(wǎng)絡(luò)膠結(jié)作用，增大了巖體的內(nèi)磨擦角，不僅增加了結(jié)構(gòu)面間的磨擦力，又改善了巖體的連續(xù)性，使應(yīng)力均勻分布，避免應(yīng)力集中。另外，注漿還能使巖體的彈性模量增大，相對地降低了巖體的塑性，圍巖塑性變形范圍縮小，注漿一般有水泥漿和化學(xué)漿液，后者普遍應(yīng)用的為聚氨酯材料，注漿需要有注漿專用設(shè)備。

2）錨桿擠壓加固作用。在松軟破碎巖體中安裝錨桿，即構(gòu)。成了錨桿—圍巖支擴(kuò)體系，使本采松軟的沒有多大聯(lián)結(jié)力的巖塊之間，借助于擠壓和磨擦力而加強(qiáng)彼此的聯(lián)結(jié)，從而提高了巖體強(qiáng)度。另外，錨桿的加固作用，使圍巖由二向受力狀態(tài)，變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，圍巖的殘余強(qiáng)度也相對地提高了。由于井下圍巖經(jīng)常是在殘余強(qiáng)度的條件下，承擔(dān)載荷的。所以說提高了圍巖的自身承載能力。近些年，由于高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度錨桿的研制，在松軟破碎巖體中施工巷道時，可以得以應(yīng)用，既保證錨桿發(fā)揮懸吊軟巖層的作用，又可以使錨桿與巖體之間形成的擠壓加固拱厚度增加，進(jìn)而提高圍巖的強(qiáng)度。

3）讓壓緩沖原則。在松軟破碎巖體中掘進(jìn)巷道時，圍巖處在二向應(yīng)力的調(diào)：整中，圍巖向井巷空間移動，圍巖壓力通過圍巖形變得以釋放。不允許圍巖壓力釋放是不可能的，單純采用立即封閉的剛性支護(hù)是有害的。剛性封閉支護(hù)往往因圍巖壓力釋放而招致變形壓力的破壞。桃山礦二井-450環(huán)行車場，-300軌道石門在過松軟破碎帶時先采用封閉碹體支擴(kuò)，最終導(dǎo)致碹體開裂，巷道被推垮即為例證）。為適應(yīng)井巷既有支護(hù)又不能硬抗的要求，可以考慮選取“讓—支”結(jié)合的支護(hù)方式，保證既能提供一定的支護(hù)抗力，限制圍巖大幅度塑性流變，又允許圍巖有一定的應(yīng)變，釋放壓力，從而減少作用在支擴(kuò)上的載荷。

4.松軟破碎巖體中巷道支護(hù)的確定

依據(jù)以上所述松軟破碎巖體中巷道支護(hù)的原則，以及實(shí)踐中所得經(jīng)驗(yàn)。目前能符合要求的支護(hù)方式有以下兩種：

（1）注漿—錨網(wǎng)噴支護(hù)。對于節(jié)理、裂隙、層理、斷層發(fā)育的圍巖體，通過向巖體內(nèi)注漿，可以使巖體中產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)膠結(jié)作用，提高圍巖的整體性；錨桿的應(yīng)用，可以在圍巖體的一定范圍內(nèi)形成一個受擠壓的承載環(huán)（擠壓加固拱），從而使巖體強(qiáng)度提高，金屬網(wǎng)與噴漿聯(lián)合可以增加噴體的抗拉強(qiáng)度，而錨桿本身在承載過程中有10%—15%的伸長量，金屬網(wǎng)與噴漿組成酌聯(lián)合體又具有一定的柔性，故在松軟巖層中既可以起到緩沖壓力的作用，同時又具有封閉。圍巖和支護(hù)巖體的功效。

（2）U型鋼可縮支架加噴混凝土支護(hù)。U型鋼支架具有可縮性，且混凝土噴層初期具有較大的塑性形變，二者的特性允許圍巖在地應(yīng)力作用下作適量的收斂變形。當(dāng)U型鋼支架可縮性喪失時，即變成強(qiáng)力鋼性支護(hù)，最終既達(dá)到了釋壓的目的，又起到了支護(hù)圍巖的作用。一般在易風(fēng)化，膨脹的圍巖中使用這種支護(hù)方式。