軟巖巷道支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

田沛博+楊建軍+賴鵬安+李佳楠+劉家順

摘 要：白堊系、侏羅系地層弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)問題是西部地區(qū)礦井建設(shè)亟需解決的重要工程技術(shù)難題。以西部地區(qū)弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)問題為工程背景，從軟巖巷道變形破壞理論、支護(hù)理論和現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)等方面進(jìn)行了歸納總結(jié)，結(jié)合西部地區(qū)弱膠結(jié)軟巖巷道的變形特性和支護(hù)難點(diǎn)，分析了目前巷道變形破壞理論、支護(hù)理論及現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)存在的問題，指明未來弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)在現(xiàn)有支護(hù)理論的基礎(chǔ)上，開展多層次、全方位的耦合支護(hù)理論，支護(hù)技術(shù)應(yīng)逐漸向空間耦合、錨網(wǎng)索噴架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤礦；軟巖巷道；變形；錨噴支護(hù)；聯(lián)合支護(hù)

引言

軟巖包括工程軟巖和地質(zhì)軟巖兩大類，其中工程軟巖是指巷道開挖過程中因施工擾動(dòng)、風(fēng)化、浸水等外力作用形成的具有膠結(jié)性差、易風(fēng)化、軟化系數(shù)低、自穩(wěn)能力差等特點(diǎn)的一類巖體[1]。我國西部地區(qū)礦井建設(shè)中，穿過的白堊系志丹群、侏羅系安定組、直羅組和延安組地層，具有富水性強(qiáng)、巖性軟弱、地址條件復(fù)雜等特點(diǎn)。其中安定組含水軟巖層和延安組含水礫巖層為弱膠結(jié)軟巖巷道施工工程的技術(shù)難點(diǎn)。因此以西部地區(qū)弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)工程為研究對象，提高含水條件下軟巖巷道的支護(hù)強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性、自身承載能力，具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)踐意義。

1 軟巖巷道變形破壞機(jī)理分析

西部地區(qū)礦井建設(shè)過程常遇到具有破碎性、高地應(yīng)力、軟弱或極軟弱和膨脹性等特性的工程軟巖。該類工程掘進(jìn)施工和支護(hù)難度極大，是西部地區(qū)礦建建設(shè)面臨的最為棘手的問題。對此類巷道機(jī)理的研究要從圍巖自身的力學(xué)特性、水對圍巖的影響以及外力作用的影響等方面展開[2-4]。

1.1 圍巖礦物成分和結(jié)構(gòu)

西部地區(qū)礦井建設(shè)遇到的白堊系和侏羅系地層中，巖體中含有大量的蒙脫石和伊利石等大量親水礦物成分，此外軟巖多屬于泥狀結(jié)構(gòu)或者凝膠結(jié)構(gòu)，遇水和高地應(yīng)力作用將發(fā)生較大的膨脹變形和碎脹變形，加劇巷道圍巖的變形。

1.2 水對圍巖的弱化作用

工程軟巖本身具有較低的強(qiáng)度，在水的浸泡作用下，圍巖發(fā)生強(qiáng)度弱化，強(qiáng)度明顯降低，進(jìn)而使圍巖松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致圍巖自承能力下降，應(yīng)力集中程度擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致巷道發(fā)生底鼓和側(cè)脹等變形，誘發(fā)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、失效。此外水對圍巖的弱化作用還體現(xiàn)在裂隙巖體受滲流水的影響將改變巖體應(yīng)力場的分布，加之其對裂隙圍巖裂隙面起著潤滑作用，將使裂隙巖體裂隙加速擴(kuò)展，加劇圍巖的變形速率和概率。

1.3 高地應(yīng)力對圍巖的破壞作用

巷道開挖將打破原有巖體的三向受力平衡狀態(tài)，地應(yīng)力將重新分布，特別是開采深度越深，地應(yīng)力越大將加劇圍巖的應(yīng)力集中，使巷道發(fā)生明顯的流變變形甚至出現(xiàn)塑性破壞。

1.4 圍巖流變特性的影響

圍巖流變包括蠕變、松弛和彈性后效等。圍巖的流變特性受外力作用影響明顯。西部地區(qū)礦井受富水條件影響較大，且開采深度大，地應(yīng)力高將加速圍巖的流變變形，使得巷道的變形具有長期擴(kuò)展的趨勢。

綜上可見，西部地區(qū)軟巖巷道變形機(jī)理主要為圍巖自身礦物成分和結(jié)構(gòu)形式的影響、水對圍巖的弱化作用、高地應(yīng)力對圍巖的破壞作用以及圍巖流變特性的影響。

2 軟巖巷道支護(hù)技術(shù)

2.1 錨桿支護(hù)

目前錨桿支護(hù)理論主要包括懸吊理論、組合梁理論和壓縮拱理論等[5]，錨桿支護(hù)技術(shù)主要包括金屬錨桿、非金屬錨桿和錨索三大類。金屬類錨桿主要為螺紋鋼樹脂錨桿、注漿錨桿（鎖）、鉆錨注錨桿以及錨桿桁架等，其中螺紋鋼樹脂錨桿和注漿錨桿（索）是我國軟巖巷道錨桿支護(hù)的主要形式，在我國西部地區(qū)礦井井筒建設(shè)和巷道支護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于我國西部地區(qū)軟巖巷道地質(zhì)條件具有復(fù)雜性和多變性等特點(diǎn)，軟弱圍巖與錨桿相互作用、錨桿與錨索協(xié)調(diào)作用機(jī)制以及錨注聯(lián)合加固機(jī)理尚未研究清楚，特別是缺少具有普遍使用性和定量化的錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)理論。因此未來錨桿支護(hù)應(yīng)注重錨桿作用機(jī)理、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理論和錨桿支護(hù)新材料等方面展開新的嘗試和探究。

2.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)

錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)是在錨桿（索）支護(hù)基礎(chǔ)之上聯(lián)合鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土等形成的聯(lián)合支護(hù)體系。錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)主要機(jī)理是充分發(fā)揮錨桿的懸吊作用，同時(shí)在圍巖表面掛設(shè)金屬網(wǎng)片防止軟弱圍巖脫落，形成剛?cè)岵?jì)的聯(lián)合支護(hù)形式。噴射混凝土既可以在圍巖開挖后立即封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化，同時(shí)又可以充填圍巖裂隙，防止圍巖裂隙水滲流。其與錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用將顯著提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，增強(qiáng)支護(hù)效果，同時(shí)通過噴射混凝土可將錨桿外漏部分褒住，增加巷道的美觀度和舒適度。錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)對對淺埋軟巖巷道具有良好的支護(hù)效果。

2.3 錨注支護(hù)

錨注支護(hù)是在充分發(fā)揮錨桿支護(hù)作用的前提下結(jié)合注漿技術(shù)有效加固松動(dòng)圈范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，從而達(dá)到增強(qiáng)軟巖巷道支護(hù)效果的一種重要支護(hù)方案。錨注支護(hù)使用的錨桿（索）主要為中空注漿錨桿

（索），注漿漿液主要為水泥、水玻璃、CS砂漿和化學(xué)漿液等。錨注支護(hù)機(jī)理主要是通過中空注漿錨桿（索）泵送高壓漿液，使?jié){液在破碎圍巖范圍內(nèi)充分?jǐn)U散，對圍巖裂隙進(jìn)行填充，通知阻止裂隙水的流動(dòng)。待漿液凝固后，漿液、錨桿和圍壓三者形成統(tǒng)一的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效提高圍巖強(qiáng)度、控制圍巖變形。錨注支護(hù)技術(shù)在極為軟弱破碎的圍巖巷道具有較好的支護(hù)效果，但支護(hù)成本較高，且注漿漿液的適用性受到工程條件的限制。

2.4 錨網(wǎng)噴架支護(hù)

對深部軟巖巷道，僅采用錨桿（索）支護(hù)或錨網(wǎng)噴支護(hù)往往并不能有效控制圍巖變形，特別是對于具有顯著流變特性的軟弱巖體來說，流變變形將使巷道產(chǎn)生較大的收縮變形。因此對于深部軟巖巷道以及受水影響大、錨桿（索）施工質(zhì)量難以保證的軟巖巷道而言，在錨網(wǎng)噴支護(hù)形式基礎(chǔ)上加設(shè)型鋼鋼棚支護(hù)，將有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，特別是對于限制軟巖的流變變形將起到較好的支護(hù)效果。目前型鋼鋼棚支護(hù)主要形式包括：工字鋼、U型鋼和鋼管混凝土支架等形式，上述型鋼鋼棚支護(hù)與錨網(wǎng)噴支護(hù)形式的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)將充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)剛性支護(hù)和型鋼支架被動(dòng)柔性支護(hù)的各自優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)剛性支護(hù)和柔性支護(hù)、主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)耦合聯(lián)合支護(hù)，是目前深井軟巖巷道支護(hù)常用的支護(hù)形式。

3 結(jié)束語

目前我國在軟巖巷道破壞機(jī)理、支護(hù)理論和支護(hù)方法方面取得了很大成就，但由于軟巖巷道巖體力學(xué)強(qiáng)度低、水和地應(yīng)力影響作用大、軟巖流變特性顯著，軟巖巷道支護(hù)問題尚未得到有效解決，對軟巖巷道支護(hù)方案選擇和參數(shù)確定尚未有明確的理論依據(jù)。因此開展以錨噴支護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合注漿、型鋼支架、管棚支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)將是未來弱膠結(jié)軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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