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网壳锚喷支护在复合型软岩巷道中的应用 陈新明1， 3， 袁瑞甫1， 2， 赵兴东2， 贾明魁3 （1. 河南理工大学， 河南 焦作市 454159， 2. 东北大学， 辽宁 沈阳 110004， 3. 焦煤集团， 河南 焦作市 454100） 摘 要 通过对古汉山矿西大巷复合型软岩成分的分析， 针对复合型软岩强膨胀、 强流变 性的特点， 提出采用 “网壳锚喷” 的支护形式， 介绍了该支护形式的结构特征和施工工艺， 取得了有效控制软岩巷道围岩持续变形的良好效果。 关键词 网壳锚喷； 掘进支护； 软岩巷道 软岩井巷、 峒室的稳定性问题严重影响了矿井 的安全生产和机械化水平的提高， 支护费用也大幅 度增加。因此， 国内外专家学者为寻找一种行之有 效的支护形式作了大量的工作， 但是由于软岩问题 研究的复杂性， 目前不仅软岩支护设计仍然停留在 工程类比法的基础上， 甚至连软岩支护的范畴还在 争论着， 其观点的分歧在于 是依据岩体天然的基本 特征， 还是依据围岩变形破坏状况或是依据巷道支 护的难易程度来划分。而目前比较流行的分类是按 照软岩的强度特性、 泥质含量、 结构面特点及其塑性 变形力学特点来划分， 共分为4 大类， 即膨胀性软岩 （也称低强度软岩） 、 高应力软岩、 节理化软岩和复 合型软岩， 详见表 1。 表 1 软岩分类 软岩名称泥质含量σ“（MPa）塑性变形特点 膨胀性软岩 （低强度软岩） 2525 在工程力作用下， 沿片架状硅 酸盐粘土矿物产生滑移， 遇水 显著膨胀等 高应力软岩≤25≥25 遇水发生少许膨胀， 在高应力 状态下， 沿片架状粘土矿物发 生滑移 节理化软岩低 ～ 中等少含 沿节理等结构面产生滑移、 扩 容等塑性变形 复合型软岩低 ～ 高含 具有上述某种组合的复合型 机理 针对不同类型的软岩， 目前较为常用的支护形 式有 锚喷支护、 锚网 （索） 喷支护、 锚注支护、 全封 闭型钢支护或以上几种形式的联合支护等。 1 工程概况 1. 1 巷道的工程地质特征 古汉山矿为焦煤集团新建矿井， 设计生产能力 120 万 t， 一水平开采深度550 ～600 m。西大巷是古 汉山矿西翼采区的主要运输、 通风、 疏水巷道， 垂深 546 m。巷道在施工过程中揭露的大断层有 3 条， 最 大落差 47 m。目前该巷道位于团相断层所构成的 地堑构造内， 所处地层为二迭系石盒子组下部， 下距 二1煤层 90 m 左右， 现巷道揭露岩性主要为泥岩及 砂质泥岩， 深灰色， 呈碎裂结构， 层理不清， 节理十分 发育， 节理组数≥3， 岩体体积节理数平均为 12 ～32 条/ m3， 平均间距≤0. 2 m， 是典型的节理化软岩。 1. 2 围岩物化及力学特征 据 “焦作矿区复杂应力软岩巷道支护理论研 究” 课题鉴定材料提供的物化分析结果， 将全岩矿 物种类及含量列于表 2。 表 2 全岩矿物种类及含量 岩性层位 矿物种类及含量 （） 石英钠长石菱铁矿粘土矿物 泥岩c - p2575 泥岩 （风化） c - p21178 砂质泥岩c - p651134 砂质泥岩c - p4023422 从分析结果看， 泥岩中粘土矿物含量为 75 ～ 89， 其中伊蒙层含量为 25 ～ 33， 伊利石含量 为 2 ～4， 高岭土含量 33 ～ 46， 绿泥石含量 为 25 ～ 32， 其性状是吸水性强， 吸水率 为 0. 59 ～3. 88， 平均 2. 0， 遇水急剧膨胀泥化， 围岩暴露后， 很快就风化失去强度。根据以上分析 可以看出， 古汉山矿西大巷围岩为复合型软岩。 1. 3 工程应用及巷道破坏特征 西大巷于1998 年11 月开始施工， 至2000 年10 月， 共施工巷道 496 m， 支护形式采用 “锚网喷” 支 ISSN 1671 -2900 CN 43 -1347/ TD 采矿技术 第 5 卷 第 1 期 Mining Technology，Vol. 5， No. 1 2005 年 3 月 Mar. 2005 护。由于受断层构造应力的影响， 围岩裂隙发育， 松 软破碎， 巷道施工后不久即发生破坏， 表现为混凝土 开裂、 脱落、 顶板下沉达 500 mm、 两侧墙内移达 600 mm、 底鼓达 800 mm、 断面收敛量达 20 ～45， 局 部发生片帮、 冒顶等剧烈破坏现象， 严重影响施工进 度及安全， 不得不停止掘进进行修理。但由于对巷 道变形破坏的机理认识不清， 误认为锚网喷支护强 度不够， 采用 “11 号矿用工字钢喷射混凝土” 支护， 可一个月后又发生两侧腿内收、 拱部与柱腿错口开 裂、 扭曲变形、 工钢棚折断等变形破坏。为此， 2002 年 6 月， 采取 “锚网喷 锚注” 的支护形式， 重新开 始对西大巷进行修理， 至 2002 年 11 月完工， 经半年 围岩变形跟踪监测， 围岩已趋于稳定， 说明西大巷修 复取得了成功。2002 年 12 月 ～ 2003 年 1 月， 恢复 掘进了59 m 巷道， 先进行了锚网喷一次支护。但由 于围岩皆为泥岩， 且富含伊利石、 蒙脱石等膨胀性极 强岩石， 围岩极为破碎， 自稳时间短， 巷道施工 7 ～ 15 d 即发生底板鼓起、 两帮内移、 顶板下沉、 锚杆托 盘螺丝压脱、 锚索拉断， 局部冒顶等剧烈破坏现象， 破坏情况见图 1， 变形观测数据详见表 3。不仅影响 了施工进度， 而且对安全构成极大的威胁， 因此， 决 定采用 “网壳锚喷” 支护。 2 “网壳锚喷” 支护及其应用 2. 1 网壳支架结构特征 钢筋网壳支架完全不同于普通金属支架， 其构 件是用钢筋在地面焊接而成的板壳结构， 外表面自 成一层钢筋网， 可承托围岩表面； 内部是立体纵横交 叉的钢筋网架支撑着外层钢筋网。每块构件的两端 焊接着带有螺栓孔的联接板， 每架由数块构件对接 拼装， 用螺栓连接而成， 使支架本身有一定的柔性。 此外， 还可以在对接处嵌入木垫板， 使支架具有一定 的可缩性。 图 1 西大巷变形破坏情况 表 3 西大巷围岩变形观测数据 测站及位置项目 观测时 长 （d） 变形量 平均 （mm/ d） 累计 （mm） 测站 1水平位移4325. 91114 （巷深 505 m 处） 顶板下沉3. 0129 底鼓45. 41419 测站 2水平位移2736. 0972 （巷深 530 m 处） 顶板下沉7. 7208 底鼓43. 91185 网壳支架安装不需要另加连接件。支架与围岩 表面直接接触， 超挖空隙需充填密实。架设完毕后， 其承载体不是钢筋梁拱， 而是众多纵横相连的小跨 度双向钢筋拱壳， 可充分削弱钢筋的弯曲变形， 增强 支架的 3 向承载能力。 2. 2 巷道断面选择及一次支护设计 根据围岩变形量观测， 巷道片帮、 底臌特别严 重， 为避免帮、 底发生大变形， 而导致整架支架失稳， 设计钢筋网壳采用封闭马蹄形断面， 网壳厚度为 210 mm。一次支护采用锚网喷支护形式， 锚杆采用 Φ20 mm 2400 mm， 螺纹钢树脂锚杆， 间排距 800 mm 800 mm， 每根锚杆用 2 卷树脂锚固剂锚固， 初 喷混凝土厚度 50 mm。 2. 3 回填层及喷层设计 由于西大巷围岩的膨胀及流变变形强烈， 在钢 筋网壳与围岩之间设置回填层， 其作用是缓冲变形 地压， 削弱其初期载荷的不均匀性。回填材料为水 泥、 石膏和粉煤灰， 其配合比为水泥 石膏 粉煤 灰 1 1 6， 回填层厚度200 mm。永久喷层采用 C20 喷射混凝土， 喷层厚度为 230 mm （钢筋外留 20 mm 厚的保护层） 。 2. 4 现场监测 为充分掌握支架受力状况和变形规律， 评判支 护效果， 在西大巷建立测站进行监测， 采取 “ ” 字 布点法， 主要监测两帮收敛和顶底板收敛。收敛量 与时间的关系见图 2。 图 2 网壳锚喷支护巷道收敛与时间的关系 从图 2 可以得出以下结论。 （下转第 35 页） 72 陈新明， 等 网壳锚喷支护在复合型软岩巷道中的应用 溜注入孔内， 适用于空洞充填； D 类为高水速凝浆， 其制备、 注入方式相对复杂， 但具有速凝、 水下不崩 解、 成本低等优点， 适合于较大规模的空洞充填注浆。 图 1 单液注浆工艺流程 图 2 双液注浆工艺流程 在进行塌陷治理前， 应进行材料、 制浆注浆工艺 的室内试验及现场试验， 这样方能确定最佳材料配 比及简单易行的注浆工艺。 2. 3 地表水下渗强烈 （或漏浆严重） 的处理措施 塌陷区注浆常遇到地表水下渗及孔内第四系水 下灌造成漏浆严重的情况， 一般情况下， 为防止浆液 被水稀释， 应尽量将地表水拦截， 引流至注浆地段以 外。如出现地表水 （或第四系水） 入渗强烈及地下 水流速较快的情况， 则可采取灌注粘土水泥浆、 水泥 水玻璃双液浆、 砂浆、 投料堵缝等措施。 3 结束语 经多项工程验证， 采用钻孔注浆法治理塌陷， 具 有效率高、 成本低、 塌陷复活率低等优点。对于塌陷 高发区， 经治理后能有效地控制塌陷复活， 改善塌陷 区地质环境。 参考文献 ［1］ 黄树勋. 岩溶地基软粘土的劈裂注浆实践 ［J］ . 采矿技术， 2002 （3） . （收稿日期 2004 -07 -09） 作者简介 王红 （1963 - ） ， 女， 湖南湘乡人， 工程师， 主要从 事岩土工程技术及管理工作 。 （上接第 27 页） （1）在网壳锚喷支护完成后的前 45 d 内巷道 变形量很小， 变形速率为 0. 8 mm/ d， 但 45 d 后巷道 两帮发生了较剧烈的变形， 30 d 内变形 240 mm， 平 均速率达8 mm/ d， 75 d 后围岩趋于稳定。这说明围 岩具有很强的膨胀性和流变性， 前 45 d 内由于网壳 壁后充填有 200 mm 厚的缓冲层， 使网壳有一个均 匀受压的过程， 网壳变形量小， 45 d 后， 缓冲层压 实， 压力开始传递到网壳上， 此阶段是一个压力平衡 过程， 网壳变形剧烈， 75 d 后， 围岩作用于网壳上的 压力小于网壳的支护强度， 围岩趋于稳定。由此可以 看出， 对于强膨胀、 强流变性的软岩， 若支护强度不 足， 这种流变产生的应力会对支护造成长期的破坏。 （2）顶底的收敛变形量非常小， 充分表明了网 壳锚喷支护有效地控制了高构造应力、 强膨胀性、 强 流变性软岩巷道的底臌问题。 3 效果评价 （1）从2003 年2 月份开始， 采用 “网壳锚喷” 支 护在西大巷新掘巷道 206 m， 在其它地点新掘和修 复巷道超过 2000 m， 经一年多时间的观测， 围岩已 完全稳定， 巷道变形量不大。 （2）对于复合型软岩巷道， 单纯采用锚网喷等 柔性支护或型钢等刚性支护， 很难控制住围岩的持 续变形， 而网壳支架在具有较大支护阻力的同时又 具有良好的可缩性， 其 “刚柔结合、 先让后抗” 的支 护性能， 符合软岩支护的基本思想。 （3）网壳锚喷支护结构与围岩相互作用的整体 性好， 能够延长围岩的自稳时间， 有利于发挥围岩的 自身作用。 （4）网壳锚喷支护施工安全、 工艺可行， 做到了 一次支护成功， 从根本上解决了复合型软岩巷道需 要不断维修或返修的问题， 大大节约了资金。 综上所述， 网壳锚喷支护在各种类型的软岩巷 道、 动压巷道、 及大断面硐室中都可以使用， 具有广 阔的推广应用前景。 参考文献 ［1］ 陈新明， 赵兴东， 刘一新， 等. 古汉山矿大断面软岩巷道支护技 术 ［J］ . 采矿技术， 2004， 4 （2） 18 ～19. ［2］ 陈新明， 李 楠， 刘一新， 等. 古汉山矿软岩巷道破坏原因及 其修复 ［J］ . 煤炭科学技术， 2004，（5） 32 ～33. （收稿日期 2004 -11 -03） 作者简介 陈新明 （1970 - ） ， 工程师， 在读博士， 从事煤炭开 采技术工作. 53 王 红 浅埋岩溶地区地面塌陷的注浆治理技术