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软岩巷道围岩强化支护技术简介 2007-01-17 172405 中国矿业大学教授 张农 1.引言 淮北矿区长期致力于软岩巷道地压治理工作，特别是1999年以来煤巷的系统攻关根本改变了煤巷依赖于棚式支护的状况，解决了大量典型条件下煤巷锚杆支护技术问题，开展了分类研究，形成了较为合理的支护方案和参数，并在2003年初步形成了煤巷高强预应力树脂锚杆成套支护技术体系。2004年以来在南部5个矿复杂煤巷综合治理研究中又总结出大倾角高帮控制技术、钢绞线预拉力桁架系统在复合顶板及松散煤帮的应用技术、围岩泥化过程中锚杆支护的适应性及控制技术、新型化学注浆加固围岩的应用等一批新技术，进一步丰富和推动了矿区煤巷锚杆支护技术。2006年高强锚杆支护系统及新型锚架组合支护在朱仙庄矿二水平上山软破岩体段的应用性试验取得阶段性成功，推动了南部矿井软岩巷道的治理工作。在这一不断推进的矿区支护工程实践中，科学的支护理念在潜移默化地变革，传统的静态的设计思想、局限在掘进头的支护理念逐渐被抛弃，单一支护在软岩巷道治理中的局限性一再地被证实，大断面、高能效组合支护、“个性化”针对性设计等科学的动态的过程控制的新设计理念正在影响着支护工作涉及到的安全、技术、管理等各个方面，复杂条件巷道的动态稳定理论初步形成，深井高应力软岩及煤巷强化支护技术和分步加固的施工过程控制技术开始实施。但从另一方面看，矿区支护技术水平处在一个技术的平台期、稳定期，剩下的问题解决难度大，新提出的问题技术上有很大挑战，特别是部分南部矿井软岩巷道维护期短，修复工作量大，制约安全生产，需要采区新的措施，注入新的激情，才能取得新的突破。在这个大背景下，结合行业支护技术的发展变化趋势谈些体会，作为生产部领导发言的补充。 2. 强化支护技术体系 2.1强化支护的概念 强化支护通常是指支护材料规格的加大、材质的改性、力学性能的提高等。这里进一步拓展到三个方面1锚杆等支护手段的强化，包括技术手段的升级和创新。高性能预拉力锚杆向超强锚杆方向发展。2围岩强度的强化锚杆支护可以提高锚固体破坏前和破坏后的力学参数，改善被锚固体的力学性能，实现对不同性态及破裂程度的岩体强度的直接提高，或通过提高径向应力及应力在径向的增加速度，促使围岩由2向应力状态向3向应力状态转化，从而达到提高围岩强度的目的。 3承载结构强化针对层状赋存特点、岩体不均衡性产生的弱化区补强，促成围岩承载结构的形成或强化，包括含弱面或软弱夹层的顶板离层控制，帮角岩体破坏区、软弱煤体、开放的底板等采取加固措施。强化支护是在高阻让压的支护原则下分步实施，在分步实施过程中让压变形。强化支护思想是随着支护材料、机具和工艺的进步而逐渐形成的，二十世纪八十年代以来，高强预应力树脂锚杆支护技术在国内外获得广泛的应用，就是以锚杆杆体材料和树脂锚杆技术、施工机具的进步为基础，实践证明在不断探索软岩支护机理的同时，通过支护手段的创新、升级常常可以解决很多实际问题。 2.2基于强化支护的巷道围岩稳定控制技术体系 包括三个方面支护手段的强化、围岩强度的强化和围岩承载结构的强化。 2.2.1锚杆及配套支护手段的强化 这里特别强调锚杆预拉力（初锚力）的大小对巷道围岩稳定性具有决定性的作用，在水平应力条件下巷道表面的剪切破坏是不可避免的，而预拉力锚杆可以有效提高围岩整体的抗剪强度，阻止其破坏向纵深发展，并形成预应力结构。采用高性能预应力技术可以有效改善深部岩巷围岩变形，改善巷道周边围岩应力分布，提高其稳定性，同时发挥锚杆的主动支护作用和其本身的强度和刚度来维护巷道围岩的稳定。锚杆强化技术应注意以下问题1）锚杆支护系统整体强度要高，在选择锚杆杆体强度高的同时要求其附件也同样要具有高的强度和稳定性，同时在锚杆结构设计上要考虑到能够充分发挥高强度锚杆的支护作用。超强杆体、超大托盘、超强大扭矩阻尼螺母是实现大扭矩安装、提高锚杆承载性能的关键因素，配合气扳机可以实现50100kN的预紧力，并保持高荷载的工作状态。采用等强度加工技术保证锚杆杆体强度不会因加工而损失其强度。2钢带、网等支护材料的刚度倍受关注，高强塑网、钢塑复合带、冷拔电弧网等高强度高刚度护表材料可以解决软破岩体的网兜现象，提高支护的整体结构稳定性，防治锚杆松弛、锚固失效。3）锚固方式必须牢固可靠，提高锚杆锚固力的可靠性，使锚杆的锚固力大于锚杆杆体的破断荷载，保证锚杆支护强度不因锚固方式而受影响。4）与之配套的f1822大直径锚索的应用。不仅提高了锚索的破断力，为施加高预紧力创造条件，而且解决了“三径”匹配问题，保证了安装的可靠。5 与之组合的U型钢可缩支架承载性能必须相应提高。滑动段的精细加工、高强高阻限位卡兰及壁后充填技术是实现U型钢支架高阻让压可缩的关键。提高支护产品技术性能的主要途径是研究新产品、新结构，使其适应煤巷破碎围岩条件，提高锚杆支护能效。如果采用特定的钢材作杆体材料，强度还可大大提高；再加上适当的锚杆布置方法，能确保对深部巷道围岩进行有效支护。目前市场上的f22Ⅲ级建筑螺纹钢杆体可以提供342 kN 极限锚固力，比Ⅱ级螺纹钢锚杆高50，比Q235 普通锚杆材料高3～4 倍见表1，而且价格低廉，这就为深部岩巷采用高强、超高强锚杆提供了便利条件。表1 各种锚杆材料强度指标 锚杆材料 直径/mm 屈服强度/Mpa 极限强度/Mpa 屈服荷载/kN 极限荷载/kN 伸长率/ Q235 圆钢 16 240 410 48 82 26 Ⅱ级螺纹钢 22 410 600 156 228 17 Ⅲ级螺纹钢 22 650 900 247 342 17 2.2.2巷道周边低围压下破裂岩石的强度强化在较低围压下测试破裂岩石力学性能是针对巷道周边围岩特殊的赋存状态而进行的，巷道周边围岩处于围岩应力调整后的降低区和支护所能提供的低围压作用下的破坏状态，破坏后的承载能力对围压的变化十分敏感，并随围压的增加而迅速提高。 表2 泥岩测试结果 围压/MPa 0 0.5 1.0 3.0 5.0 峰值强度/MPa 12.2 13.8 16.2 24.0 25.0 残余强度/MPa 0 7.5 11.8 22.0 25.0 3.23 2.17 2.10 1.40 0.51 表3 砂岩测试结果 围压/MPa 0 1.2 2.2 3.0 4.0 峰值强度/MPa 63.3 73.0 98.5 109.5 111.2 残余强度/MPa 0 18.7 27.8 26.0 31.9 2.10 1.50 1.25 1.00 1.00 在单轴和低围压加载条件下，破坏阶段侧向变形增长很快， （横向应变 和竖向应变 ）比值远大于0.5，由此引起较大的体积变形。随着持续加载和连续变形，形成较大的宏观裂隙，并可能沿破裂面产生块问滑动。在低围压下这种宏观裂纹开度很大，形成一定的空隙，从而引起试块体积的膨胀，更大的变形将导致主破裂面失去传力机制，试块松散。残余阶段侧向变形主要受破坏结构控制，表现为沿主裂隙面的张开、滑移，能够维持残余强度的最大侧向变形与轴向变形比值随围压增加而减少。试块在低围压下的破坏型式为张拉向剪切过渡型，主破裂面的倾斜角度对 值有较大影响，显示出破裂岩体的结构特征。巷道围岩的变形主要是在浅部岩石破裂过程产生的，包括碎胀扩容及破裂岩体沿软弱岩层的滑移变形，前者是松动变形，后者主要是结构性变形。围岩的稳定性既取决于围岩的完整性和岩体强度，又取决于其所处的应力状态。根据岩石力学试验结果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态下的强度；当围岩处于三向应力状态时，随着侧向压力增大，其峰值强度和残余强度都会得到提高，并且峰值以后的应力-应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡，岩石由脆性向延性转化图1。因此，要维护巷道的稳定，首先必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态，将巷道开挖后因二次应力调整形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。改善和恢复应力状态的措施越及时，围岩破裂扩展的程度越轻，围岩的完整性保持得越好，围岩越稳定；巷道自由面上的压应力恢复得越高，围岩强度越高，自我承载能力越高，围岩越稳定。这就要求巷道开挖后必须立即支护，而且支护力必须达到足够的量值。以树脂药卷作锚固剂的高强、超高强锚杆支护应属于目前最能符合以上要求的支护形式。快速固化的树脂药卷能在最短的时间内提供粘结锚固力，高强杆体能够提供足够高的锚固力，能在最短的时间内使围岩恢复到有利于稳定的三向应力状态，而且较大的轴向刚度限制了围岩的张开变形；同时，高强锚杆具有足够的抗剪强度与抗剪刚度，能有效阻止围岩内部的剪切变形与剪切滑动，提高围岩体自身的峰值强度、残余强度、粘聚力c 值和内摩擦角f值。巷道自由面附近的三个主应力分别与巷道轴线、巷道自由面法线和巷道自由面切线平行。一般情况下，沿巷道自由面切线方向的主应力为最大主应力，沿自由面法线方向的主应力为最小主应力等于0。当二次应力接近岩体强度时，围岩内部形成两组正交的潜在滑移面。潜在滑移面与巷道自由面的法线方向通常呈45，因此不同的锚杆布置方式对围岩支护的效果有很大差别，当锚固体厚度相同时，锚杆与滑移面呈22.5布置的支护效果最佳。所以，选择适当的锚杆布置方式对围岩稳定也是至关重要的。除了采用高强锚杆支护外，实践证明，辅助以高强并具有一定韧性的混凝土喷层，并在靠近巷道表面300～500 mm 范围内注入适量的浆液，能将巷道表面由于破裂松动的岩体予以有效的固结与损伤修复，有利于改善围岩应力状态和岩体完整性、提高岩体自身强度，维护围岩长期稳定，大大延长巷道翻修周期、减少翻修量，提高生产率。光面爆破是确保高强锚杆有效支护的一项关键技术措施。凡是光面爆破做得成功的巷道，锚杆支护都非常有效，能确保巷道长期稳定。反之，则锚杆的作用难以发挥，围岩难以稳定。 2.2.3 巷道围岩结构的强化 浅部低应力状态，以顶板为主的支护方案，随深度增加逐渐过渡到顶帮同治、治顶先治帮，随深度的进一步增加，必须构建整体支护围岩结构，底板、帮角等关键承载部位的加强成为必然。1顶板的安全保障煤层及其相临近的顶底板多是强度低、厚度小的薄层状岩层组成，顶板的失稳表现为向上渐次垮冒的动态发展过程，煤巷采用以锚杆为基础的支护形式时，其顶板的稳定性取决于锚固区内外的离层状况。顶板表层软弱岩体的冒落属于松脱型垮冒，其范围一般在0.5～1.5m内，主要是岩层自重的作用，产生的负荷一般在15～25 kN/m2以内。目前常用的顶板控制方式为架棚支护和普通高强锚杆支护，都属于低初始支护力的支护形式，都不能阻止松动范围的进一步扩大，不能防止松脱型冒顶。松动范围的加大减少了有效锚固厚度，在水平应力和自重应力双重作用下，锚固区发生弯曲变形，上位弱面受水平剪切破坏，层间位移导致弱面离层，锚固区变形持续发展直至垮冒，我们称之为挤压型垮冒。第一种冒顶主要是破裂岩体在自重作用下发生的，第二种冒顶则主要是顶板次生水平应力的作用效应。相应地，支护的失效表现为两种情况松脱型垮冒得不到控制，锚固区产生裂隙，锚固强度衰减，进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏，称之为锚固区内离层；锚固区本身的完整性较好，但整体变形过大，不能阻止向上的渐进破坏，导致外层弱面离层，称之为锚固区外离层。锚固区外离层的持续发展将导致锚固区整体垮冒，由此可见顶板的失稳原因主要如下1）支护的及时有效性不够，软弱岩层在自重应力的作用下沿弱面脱落，逐层渐进破坏没有遏止住；2）整个加固范围没有形成结构效应，在大变形后失稳垮冒。强化支护就是针对复合顶板的渐进离层垮冒过程，充分调动围岩自身的稳定性，利用巷道特殊的结构效应，形成楔式挤压承载结构，控制顶板的两类离层和垮冒，其基本原理如下图1所示，包括如下几点1 通过提高锚杆的初始径向张力，及时将松脱区岩体与上位岩体挤压加固在一起，阻止顶板岩石松脱范围的进一步扩大。2 增大锚固范围，调动深部围岩的自身强度和稳定性，形成有效的加固厚度，提高锚固区岩体的强度和抗剪刚度，消弱顶板的渐次离层和垮冒。3 当锚固范围达到稳定岩层，并具有足够的强度时，即能保持顶板的安全；当顶板不稳定层厚很大，锚固范围不能达到深部稳定岩层区时，利用巷道上帮角的围岩挤压区，建立强化承载结构，形成向上的反力矩，平衡水平应力对顶板岩层的破坏作用，同时也预防顶板锚固结构失效时的突发垮冒。2底板是深井高应力巷道支护必须强化的关键区域对一般的浅部巷道，由于垂直应力量值不大，因而即使不采取支护措施，也能确保底板稳定，不至于发生大的底鼓量。但对深部巷道，情况则大大不同。由于上覆岩体自重及构造应力的共同作用，围岩体内垂直应力很高，在其作用下，巷道底部尤其是在应力高度集中的两角处岩体很容易破裂失稳，产生大的底鼓。因而必须对深部巷道的底板采取有效的支护措施。深部巷道的底板支护也可以采用高强锚杆，但可适当缩短锚杆长度。要实现巷道底板的锚杆支护，必须尽快研制出适用于底板锚杆施工机具。在围岩条件十分复杂、围岩应力高、矿压显现强烈的地段，以强力锚杆支护为基础支护，结合封闭U和壁后充填注浆是切实可行的办法，一方面进一步巩固了帮顶锚固区的稳定，另一方面通过有效控制底板而促进了巷道整体承载结构的形成。2.2.3分步实施的动态施工控制技术岩体的变形破坏与其内在结构和所处的应力环境密切相关，不遵循线性叠加原理。由于应力路径不同，导致的岩体变形破坏也不同，巷道的开挖与支护实际上是对围岩的卸荷和加载过程，开挖与支护方式、支护时机的不同组合导致的围岩变形和破坏也是不同的，软岩巷道的维护是围岩的非线性力学响应，因此有必要采取动态的支护观点优化分析。比如喷锚注架结合关键帮角、底板的加固方案综合治理某类软岩巷道，掘进迎头做那几步做到什么程度后续的加强措施何时实施围岩卸压的时机和程度如何把握等等问题都需要深入思考，显然不同的组合和施工顺序支护效果是不一样的，一蹴而就不行。通常软岩巷道围岩变形的不同阶段，其围岩破坏的原因，破坏后的赋存状态各不相同，应针对性地采取分步加固、动态补强技术。第一阶段主要受掘进影响，初期以护让为主，优先选择喷层支护，及时封闭围岩并提供径向阻力是最佳的补强措施，掘进影响中后期以支限为主，优先选择锚喷支护，并以全长锚固方式为最可靠，经过掘进影响阶段应力和变形的最后调整，锚杆进入较合理的工作状态，与围岩共同形成承载圈，并对内部岩层提供较大的支护阻力，使围岩稳定在一个较低的变形水平，便于长期维护。这一时期主要通过锚杆提供横穿岩体结构弱面的岩块、区域间的剪切阻力、阻止破坏的发展，锚杆安装时机十分关键，应允许掘进影响后期围岩的充分变形，以发挥其固有的承载能力，同时要求在围岩变形趋于稳定时锚杆能及时起作用，达到最佳的工况。第二阶段围岩变形稳定，为阻止围岩长时流变，强度弱化，并保持一定的储备以适应应力扰动和采动影响，滞后一段时间再次注浆加固破裂岩体锚固圈层，以全面改善破裂区岩体的力学性能，消除岩体结构恶化效应，并强化锚杆支护结构。 综上所述，这种技术可以总结为及时喷层、适时锚固、滞后注浆和结构补强，它是针对围岩变形、破坏和强度特征而采取的动态分步加固技术，具有以下优点①能够直接作用于周边浅部围岩，并根据不同变形阶段强度弱化原因及时有效地补强，加固围岩，阻止围岩破坏；②能够充分利用和维持围岩的自承能力，改善破裂岩体的强度和完整性，强化围岩承载结构；③各阶段所采用支护形式都为主动加固围岩的形式，技术经济都很先进。这种分步加固技术不是锚喷与注浆的简单结合，必须深刻认识软岩的动态支护力学过程，各阶段分步加固所起的作用，加固补强的实质，正确把握锚杆安装和注浆时机，才能使其发挥作用 3. 几个问题的进一步说明3.1关于现阶段支护原则的理解 软岩巷道地压治理的基本原则是划分类别；大断面预留量、强力高效支护设计；过程控制。淮北矿区南部三个煤田十几个矿，条件复杂多样，导致围岩大范围破坏、大变形的因素很多，主要矛盾各不相同，因此客观上需要开展类别划分，分类指导，对症下药。建议矿区再立项补充几个典型条件开展系统研究，形成矿区软岩巷道的基本支护类别、对应的基本支护方案和合理参数选取范围，用于指导常规的生产，并作为安全管理的参考。预留断面是一个技术和经济平衡点的问题。软岩变形是难以从根本上消除的，通过有效支护仍然会发生一定变形，要预测变形、预先留出变形量，是即科学又经济的，这里应强调高阻让压的原则，变形要在高支护约束下发生，自由的、低约束状态下的让压不能很好的利用预留断面，对后续支护不利，围岩的承载能力也大大削弱。强力高效支护不是锚杆的简单升级，而是支护作用的根本提高和改善，主要有大锚固范围、高强锚杆（索）、高预紧力的锚杆支护，改性U型钢拱形或封闭型支架，滞后注浆加固破裂岩体等三种基本支护方式构成，形成三种常用的组合支护1 强力锚喷支护；2 强力锚喷和滞后裂隙加固注浆支护；强力锚喷、U型钢和滞后充填注浆加固支护。这三种常用的支护可以解决矿区大部分软岩支护技术难题，其中第一种最常用。将软岩治理由迎头扩展到掘进以后的一个时间段上来实施就是过程控制，客观上增加技术管理难度，同时要求技术管理人员必须对每一阶段技术实质准确把握。比如掘进头，就是要防止顶板拉应力区扩张，防治拉伸破坏，保护顶板安全，因而通过高预拉力支护补偿巷道开挖导致的径向应力卸荷就十分重要。过去煤巷强调2030kN的预紧力，现在软岩提倡50100kN的预紧力，都是根据技术发展水平适时提出的，通过努力可以做到的。必须强调过程控制绝对不能减少或弱化先期支护，每一步支护的质量都十分重要，强调步步到位，强调系统性。 3.2复杂地段的支护型式选择断层及围岩破碎带、应力集中区、顶板淋水区、裂隙发育区、巷道穿层地点、瓦斯突出异常区、大断面、大跨度巷道等复杂地段通常采用取消锚杆而改为直接架棚的的处理方式，这是很不科学的处理方法。遇到困难时尤其要考虑如何加强支护，简单地用棚式支护替代锚杆支护常常是降低了支护强度，弱化了对不稳定顶板的控制，顶板在无有效支护状态下更容易垮冒，而棚式支护是被动承载的，这样大范围的复合顶板离层失控只是一个时间问题，当棚式支护承载力不够时或稳定性不够时，冒顶就成为必然。因此复杂地段应明确采用锚架组合支护，而且必须先施工锚杆支护，在有效护顶的状态下架棚支护。当顶板自稳时间过短难以实施锚杆安装时，应采用短段爆破、超前锚杆护顶或超前预注浆固顶的办法，确保顶板的安全和锚杆支护的实施。3.3几个处理不当的问题1分步加固影响掘进速度过程控制通常采取分步实施的方式开展，有人担心会影响掘进速度，实际上掘进迎头的工作量更趋科学合理了，只要调整好劳动组织、调节施工工序，实施正规循环，反而有可能提高掘进速度。2 帮底不处理现阶段典型的软岩巷道支护设计中，锚杆（索）的布置方式大多数是集中在拱线以上，帮部支护强度相对较低，底板一般不处理。而深井高地应力下软岩支护是全断面来压，帮底是形成承载结构、维持围岩稳定的关键部位，不能由于施工机具难以满足底角钻孔，施工难度大就完全放弃。 3 泥化岩体段对淋水不作处理要注浆封闭淋水通道，导水钻孔，不能放任水在底板自流，架棚了事，翻修周期将会很短。4 轻视U型钢支架和锚杆加工质量5 锚注技术 岩体锚注加固技术是利用特种中空锚杆兼作注浆管，对岩体实施外锚内注的一种加固方式。近年，锚注技术在淮北软岩巷道中得到广泛应用，并取得一定成效，锚注技术作为单一的支护手段用在新掘迎头时，工艺较多，速度慢，特别是锚杆加固作用不明显，注浆固结也需要一段时间才能起作用，因此锚注技术一般不能及时起作用，时效性差，只能用在顶板自稳能力较好的围岩条件，该类顶板一般原生裂隙不发育，可注性相应较差，所以新掘巷道很少单独使用锚注技术。较为普遍的使用方法是前面紧跟迎头采用锚杆支护，后面用锚注加强，也就是说，在设计上并不依赖于后者的锚杆加固作用。同时由于薄壁钢管本身强度较低，有些结构设计进一步弱化了钢管的强度；钢管和水泥类浆液的黏结力很低，锚杆加固的作用也不大。近期研发的螺纹管式锚杆则克服了薄壁圆管注浆的主要缺陷，高强的杆体材料完全可以替代螺纹钢锚杆，先作为普通锚杆使用，替换需要注浆部位的锚杆，在滞后一定距离后实施注浆，减少了打眼和安装锚杆工序，提高了支护效果。 4．结束语煤矿开采深度的快速增加，开采条件的持续恶化，不断地对支护技术提出新的挑战，深部矿井支护技术的研究必须综合考虑安全、技术和经济因素，必须立足于施工工艺和机具的发展现状、趋势及可行性，立足于煤矿开采成本及经济的承受能力。本文提出巷道围岩高性能强化支护技术体系，来探讨锚杆类支护的技术现状和发展趋势及其对深井支护的适应性。从近期的工程应用研究和实践看，以不断提高其内在性能和品质的锚杆支护为基础，可以解决不断加深的煤矿支护，预期在今后20年内，1500m范围内的大多数煤矿可以依赖锚杆类支护，应该继续研究锚杆支护的规律，特别是研究不同破碎状态下岩体的锚固规律，在泥化和大变形条件下锚固力的衰减规律，及大范围破碎区大变形条件下锚杆支护结构的可靠性。