深部高应力软岩巷道锚注支护技术研究

【摘 要】随着煤矿采深的加大，高地应力使巷道支护问题日益严重，稳定性也难以保证。研究高地应力软岩环境下巷道合理的支护方式显得尤为关键。本文就高应力软岩的基本概念及形成条件进行了讨论，在掌握高应力软岩巷道的变形特征和支护问题的基础上，提出了以内注浆锚杆为核心的锚注联合支护技术，以解决深部高应力极软岩巷道支护难题。

【关键词】深部高应力；软岩巷道；锚注支护

随着大规模的矿山开采深度的加大，深部高应力软岩巷道支护问题日益突出，如淮北、淮南、龙口、徐州、铁法、肥城、枣庄等地区的矿区[1]。深部高应力极软岩巷道一般具有：（1）巷道埋深大、受采动影响或构造应力大；（2）围岩松软破碎、流变性大；（3）来压时间快、初期变形量大、持续时间长；围岩遇水易于崩解、强度急剧降低等特点。而砌碹、金属支架等均属于被动支护，若仅依靠支护本身强度，很难承受高地应力的作用。但因锚固的岩体为一些破碎或松散岩体，围岩的可锚性较差，锚杆、锚索也很难满足深部高应力极软岩巷道的支护要求。为此，本文提出了以内注浆锚杆为核心的锚注支护体系，以解决深部高应力极软岩巷道支护难题。

早在20世纪80年代，前苏联就已经开始了锚注支护技术的研究工作，只是由于没有解决好注浆锚杆的密封性问题而没有得到大规模应用[1]。近几年来，也对软岩巷道、不良岩层巷道、软弱围岩巷道锚注支护问题进行了研究和工程实践，取得了丰硕的成果，较好地解决了这类巷道的支护问题。

1.高应力软岩的概念及其形成条件

1.1 高应力软岩的概念

长期以来岩石力学与工程界仍未就软岩的概念达成共识认为，在高地应力区经常遇到一类特殊岩体，当其处于地表浅部或低地应力条件下，岩体显示出较坚硬的特征；处于高地应力环境时，当围压较低时，岩体尚具有较高的强度和弹性模量，当围压较高时，岩体表现出“软岩”特征。显然，它有别于一般意义上的软岩，是一种特殊的、在高应力环境下的工程软岩体，称这类软岩为高应力软岩。[2]

1.2 高应力软岩的形成条件

通过前人的研究总结，高应力软岩形成的基本条件为：

（1）除少量岩石为较软弱岩石外，组成高应力软岩的大多数岩石均为较坚硬的岩石，单轴饱和抗压强度R≥25MPa。

（2）岩体破碎，强度和弹性模量相对较低，流变性强。因为高地应力环境使开挖前的岩体处于高围压环境，岩体结构面处于闭合状态，是稳定的，且有一定的强度和模量；开挖后围岩处于低围压环境，结构面不闭合，岩体强度和模量较低。

（3）埋深大、水平应力大于自重应力。从目前全国煤矿开采深度来看，由自重产生的应力不足以使岩体达到高应力状态，只有在埋深很大且水平构造应力存在并大于自重应力条件下，才能使岩体达到高应力状态。

2.高应力软岩巷道变形破坏特征

高应力软岩一旦形成，在这些软岩体中掘进的巷道和硐室显示出来的变形特征与硬岩巷道的截然不同，具体表现为：

（1）围岩变形量大。高应力软岩自身特征决定了该区域的巷道变形量大的特点，其中巷道的水平收敛量要比拱顶下沉量要大得多。一般为数厘米至数十厘米，表现形式有两帮内移、尖顶和底鼓。

（2）初期变形速率大。由于水平构造压应力大于垂直应力，巷道在掘进时卸载迅速，来压快，表现为巷道的初期变形速率大。

（3）巷道变形具有时效性。巷道围岩具有显著的流变性，表现为明显的时效性。当岩体流变所产生的围岩变形过大，使得巷道支护体无法适应而失效，围岩再次恶化并剧烈变形。

3.深部高应力软岩巷道支护问题

进入深部开采以后，许多原来认为是硬岩的矿井也都部分或全部进入软岩状态。常规的锚喷支护、U型钢支架等难以控制深部高应力围岩软化等引起的过量变形与破坏。其问题所在主要有以下几个方面：[3]

（1）围岩自承载圈厚度小。常规支护多采用端锚锚杆，其所形成的围岩自承载圈厚度较小，一般情况，锚固后围岩的自承载圈厚度约为0.16 m，远小于锚杆杆体长度，造成锚杆的浪费，同时难以抵抗较大的围岩压力。

（2）初期支护刚度过大。巷道开挖后由于围岩应力重新分布和发生变形而对支护体产生较大的压力，它与支护体的刚度有较大的关系，支护体的刚度越大，其抵抗围岩压力越大，如图1所示。如果支护刚度偏大，则不能适应巷道开控初期变形速度快，变形量大的特点，进而导致巷道围岩支护变形不协调而发生破坏。

（3）围岩表面约束能力差。由于高应力或构造应力的影响，使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区，破碎区的发展导致围岩自承载圈破坏。对于深部高应力软岩巷道，采用普通的锚网喷支护时，由于喷层强度相对较低，对围岩约束能力差，不能有效地扼制围岩的局部破坏和破碎区向纵深发展，进而导致围岩破坏。

图1围岩与支架共同作用图

（4）仅1次锚网喷作为巷道的永久支护不符合深部高应力软岩巷道地压显现规律。深部巷道开挖后，表现为地压大，变形持续时间长等特点，1次支护往往难于奏效。

（5）开放式支护结构不适应深部高应力软岩巷道地压要求。对于深部高应力软岩巷道，围岩变形量一般较大，由于是开放式支护，底板未加处理致使发生很大的底鼓，在落底的同时，巷道两帮发生进一步的松动，两帮底角发生破坏，导致巷道的支护状况恶化，造成巷道失稳。

（6）锚网喷支护结构不合理。在锚网喷支护中，现场一般习惯于先安装锚杆挂网，后喷射混凝土，这样一来，金属网的位置处于混凝土的内层，不利于金属网的抗拉性能和混凝土抗压性能的发挥。

4.锚注联合支护机理[4]

（1）注浆后浆液将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体强度，实现利用围岩本身作为支护结构的一部分，充分调动围岩的自承能力。

（2）采用注浆锚杆注浆，可以利用浆液封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的强度，提高围岩的稳定性。

（3）注浆后使得喷层壁后围岩松动圈充填密实，保证荷载均匀地作用在喷层和支护围岩上，避免出现应力集中点而首先破坏。

（4）利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，从而扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。

（5）注浆加固后能使普通端锚杆实现全长锚固，从而提高了锚杆的锚固力和可靠性，保证了支护结构的稳定，且注浆锚杆的本身亦为全长锚固锚杆，它们共同将多层组合拱连成一体，共同承载，提高了支护结构的整体性。

（6）注浆后使得作用在拱顶上的压力能有效地传递到墙，通过对墙的加固，又能把荷载传到底板，同时由于组合拱厚度的加大，又能减少作用在底板上的荷载集中度，有利于减小底板岩石中的应力，减轻底鼓，从而提高支护结构的承载能力，扩大了支护结构的适应性。锚注支护施工易行，可通过浆液种类、浓度来控制粘结力，通过注浆压力来控制加固围岩的厚度，因此可以获得足够的承压拱厚度及强度来控制软岩的变形压力。

5.锚注支护技术

锚杆和注浆都是巷道支护的基本形式，利用锚杆兼做注浆管，将锚杆和注浆有机地结合起来，可以更有效地加固巷道围岩，尤其适合于软岩巷道。前苏联和西德很早就提出这种思路，并且开发了相应的技术，用于巷道底鼓治理等工程。但由于其采用橡胶材料及其配套装置封孔，技术复杂，成本高，只能用于少量特殊的工程，不能作为常规技术推广应用。而且由于软岩巷道围岩表面往往已完全破裂，形成了一定宽度的破裂圈，注浆无法在围岩表面进行，只能在围岩的一定深度进行，采用橡胶材料在锚杆孔口封孔进行注浆往往造成浆液首先沿孔口和巷道表面流失，无法在围岩内形成注浆加固圈，加固效果差。

研制开发的外锚内注式锚杆及其加固围岩新技术，利用锚杆兼做注浆管（图2），采用快硬空心水泥药卷进行密封和锚固，实现外锚内注，巧妙地解决了锚注支护的封孔难题。具有成本低、工艺简便、及实用性好等优点，是锚注支护的新发展。[4]

图2外锚内注式锚杆

5.1 注浆锚杆结构

见图2，注浆锚杆杆体用有缝钢管制作，锚杆内段为注浆段，钻有交叉出浆孔，锚杆尾部有螺纹可接注浆管；外段为锚固段，锚固段采用空心快硬水泥卷锚固，锚固段又是注浆密封段。锚杆总长和注浆段的长度根据巷道断面、岩性和注浆加固圈大小来确定。

5.2注浆材料及注浆泵

注浆材料为单液水泥浆，选用高标号普通硅酸盐水泥，并掺入适量速凝剂。注浆设备选单液注浆泵，注浆压力为4～6MPa，可多孔同时作业。

5.3 锚注工艺

5.3.1 内注浆锚杆施工工艺

内注浆锚杆施工工艺主要包括以下几点：

（1）钻孔：采用风钻钻孔（在煤层中采用煤电钻钻孔）。

（2）安装锚杆：将内注浆锚杆送至孔底。

（3）封孔止浆：采用软木止浆塞封孔，对于破碎围岩、钻孔孔口不规整的封孔，为防孔口漏浆，可在软木止浆塞缠绕2～3层黄麻，也可用再生橡胶塞或快硬水泥药卷等止浆。

（4）注浆：将注浆管路与内注式锚杆连接好，进行注浆作业，每孔注浆时间为3～5min，可多孔同时注浆。

（5）安设锚杆托盘：拆下孔口阀，安设托盘，上紧螺母。

5.3.2 注浆施工工艺

注浆施工工艺流程主要包括以下3个方面：

（1）运料与拌浆：即将水泥与水按规定水灰比拌制水泥浆，注浆实施前加入定量水玻璃，保证在注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞等现象，并根据需要调整浆液参数。

（2）注浆泵的控制：根据巷道注浆变化情况，即时开、停注浆泵，并时刻注意观察注浆泵的注浆压力，以免发生堵塞崩管现象。

（3）孔口管路连接：应注意前方注浆情况，及时发现漏浆、堵管等事故。掌握好注浆量及注浆压力并及时拆除和清洗注浆阀门。

6.结语

在高应力软岩环境下，巷道的支护已成为制约矿山企业向深部煤层发展的瓶颈。经理论与大量工程实践结果表明：锚注联合支护是一种非常有效的、适合高应力软岩下的巷道支护技术，在实际工程中得到了广泛的应用。

【参考文献】

[1]王连国，李明远，王学知.深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究.岩石力学与工程学报[J].2005，24（16）：2889-2893.

[2]尹光志，王登科，张东明.高应力软岩下矿井巷道支护.重庆大学学报[J] .2007，30（10）：87-90.

[3]景海河，孙庆国，李希勇等.深部高应力软岩巷道支护问题及对策.煤炭技术[J].2001，20（3）：34-35.

[4]杨新安，陆士良，葛家良.软岩巷道锚注支护技术及其工程实践.岩石力学与工程学报[J].1997，16（2）：171-176.

[5]张百红，韩立军，王延宁.深井软岩巷道锚注支护结构承载特性.采矿与安全工程学报[J].2007，24（2）：160-164.

[6]赵先刚.锚注联合支护技术在高应力松软围岩巷道中的应用.煤炭工程.2007（2）：38-4.