1、 第40页专题部分浅析深部软岩巷道锚注支护技术研究摘要：软岩巷道支护问题一直是国内外地下工程支护的难题之一，随着开采深度的增加，软岩巷道的维护问题越来越突出。然而，目前对软岩的破坏机理、软岩锚注支护机理和力学行为的认识还没有统一，锚注支护的设计大多处于经验和类比阶段，分析结果与实际工程相差较大。因此，研究深部软岩巷道锚注支护结构力学特征具有非常重要的理论意义和工程实践价值。本文通过对软岩巷道变形机理的研究，在原有的将巷道围岩分为弹性区、塑性区和残余强度区的基础上，提出了将对残余强度区进行锚注后的锚注体分为锚注体弹性区、塑性区和残余强度区，并根据弹塑性力学分析，给出了原岩各分区和锚注体各分区的应
2、力、位移及范围的表达式。根据表达式分析了围岩及注浆参数与各分区应力、位移及范围的关系，从而给出了定量的锚注体结构设计方法和步骤。通过对比得出锚注支护是一种非常好的主动支护形式，可以较好的解决深部软岩巷道的支护问题。关键字：深部软岩巷道；锚注支护；锚注体分区1 绪论1.1问题的提出深部软岩巷道支护一直是国内外地下工程支护的难题之一，由于开采深度的增加，地层压力也逐渐增大，这类巷道的数量在不断地增加。如果采取不适当的维护措施，巷道围岩变形愈加剧烈，支护也会愈加困难，最终将导致巷道失稳破坏，破坏后的巷道围岩将更加破碎，再生裂隙更加发育，致使巷道掘进与支护也变得十分困难。我国煤矿的巷道总量有3000万
3、米，深部软岩巷道长达180万米，是浩大的地下工程。目前的支护方式，巷道服务期间屡遭破坏，需多次翻修，每米巷道每年的修复费就需要2000元左右，因此，深部软岩巷道每年的翻修费用高达36亿元。“九五”期间，我国10个能源建设基地中有8个相继出现了软岩问题，每年约有6105m的巷道在软弱围岩中开掘。随着今后开采深度的不断增大，常规支护方式难以维护巷道稳定，软岩问题将会更加突出，在相当程度上影响了煤矿的安全生产1-3。为解这一问题，国内外岩土工程相关各界都投入了大量的人力、物力进行软岩支护方面的研究工作。特别近几十年来“新奥法”隧道施工理念、锚喷加固技术、注浆加固技术等在世界范围的广泛推广，人们对软岩
4、巷道的围岩变形规律和压力特征的认识上升到了一个新的台阶。与软岩特性及软岩巷道围岩变形规律和压力特征相适应的许多支护和加固措施也应运而生，锚注加固技术是最成功和最典型的技术手段之一。目前对软岩的破坏机理、软岩锚注支护机理和力学行为的认识还没有统一，锚注支护的设计大多处于经验和类比阶段，分析结果与实际工程相差较大。因此，对深部软岩工程，尤其对锚注支护结构进行符合实际的理论分析和计算是目前急待解决的重大问题。1.2国内外研究历史及现状1.2.1国外研究现状总的来看，国外支护技术与我国支护技术相比并不先进。为适应不同围岩的需要，我国的支护技术类型更多，但国外支护设计、制造更规范，安装、检测设备也更先进
5、，更可靠，但因国家不同其支护体系也有很大差异。美国、澳大利亚除早期在煤矿支护中应用过砌碹、锚喷、金属支架外，近几十年来一直以锚杆支架为主体。对于稳定、较稳定围岩重点采用普通锚杆支护；对不稳定围岩一般采用锚网、组合锚杆（网）、高强超长锚杆（网）等支护形式；对于极不稳定围岩终于采用组合锚杆桁架、锚索支护；对于一些特殊地点如随掘随冒、淋水大又破碎的地方采用金属支架。西欧如英、法、德等国直到80年代仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金属支架。他们的金属支架是根据不同围岩进行设计，并有专门工厂统一加工。其加工质量好，性能可以机械化安装，效果好，但在80年代后期，他们开始引进美国澳大利亚的锚杆技术。目
6、前，各类不同的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总量的90%，取得良好的经济效益和社会效益。俄罗斯、波兰等国至今仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金属支架类型，对待深部高应力软岩也是采用翻修的方法处理，金属支架用量约占支护总量的70%左右，其他部分为锚喷、木支架。砌碹等。但我们认为随着俄罗斯、波兰改革的发展，锚杆支护技术也将走进俄罗斯、波兰的煤矿。1.2.2国内研究现状软岩巷道围岩的支护问题，过去被认为是世界煤矿巷道支护的难题，我国除煤炭行业多次组织专家攻关外，国家在“七五”“八五”重大科研攻关项目中，列入攻关课题。过去在处理这类深部软岩巷道支护时，大多采用料石砌碹、混凝土碹、钢筋
7、混凝土碹，后来又采用矿用工字钢、槽钢、U型钢金属支架，当这些支架均不能保持巷道稳定时，人们又设计用料石圆碹，加木砖可收缩料石圆碹，壁后充填粉煤灰等让压料石圆碹。还采用各种联合支护，如锚、网、喷；锚、带、喷；锚、网、梁、喷；锚、网、架、喷；锚、网、喷、碹联合支护；碹、锚、网、喷支护等也不能完全解决深部软岩支护问题。在国家“六五”期间，建设北皂煤矿时采用锚网喷、锚网架喷，配合二次支护基本上解决了北皂煤矿极不稳定围岩巷道的支护问题。这里所指的二次支护是在第一次支护变形到适当时候，再用二次支护。目的是当围岩受压后，第一次支护不能抗拒，先让压，即先让压力释放，当释放到一定程度后根据观察结果，当避过压力峰
8、值、变形速率减缓后进行二次支护。这种支护方法一般能使巷道保持稳定。北皂矿及其他一些矿应用这一技术均获得成功。这种方法使北皂矿顺利投产，并基本维持正常生产。在“七五”攻关期间，除继续改善上述支护体系处理软岩支护问题外，重点研究了用可伸缩锚杆、预应力高强度大弧板、U29型全封闭可伸缩金属支架来解决极不稳定围岩巷道的支护问题。可伸缩锚杆有三种类型，即蛇形锚杆、套管摩擦阻力可伸缩锚杆、锚杆托盘外设弹簧式锚杆。实践证明，这类锚杆由于其伸缩量难以与围岩变形相适应，很难使围岩保持稳定而未能获得推广。预应力高强度大弧板是引进的国外巷道支护技术，仅限于东北大桥煤矿、安徽淮南矿务局、广西右江矿务局等少数矿井进行工
9、业性试验。试验表明，这种支护结构加工要求高，对矿井巷道而言运输安装困难，进度慢，成本高，一定被压坏，维修极为困难，因而也未获得推广。U29、工字钢等重型全封闭可伸缩金属支架，自80年代开始应用以来，至今仍然是许多矿在不稳定，极不稳定围岩巷道支护中首选的支护形式。以上支护结构在解决不稳定围岩巷道支护时，有的往往需要多次翻修才能使巷道保持稳定，有的虽然多次翻修也难使巷道保持稳定。在国家“八五”重大科技攻关中，提出两类支护体系，一是由中国矿业大学提出的利用可伸缩锚杆、U型钢金属支架，配合高水速凝材料注浆来解决极不稳定巷道的支护；一是由山东科技大学提出的在锚喷支护基础上，通过锚注加固围岩，提高再生围岩
10、岩体弹性模量来使极不稳定围岩巷道保持稳定。实践证明，可伸缩锚杆、金属支架、高水速凝材料注浆加固法，由于成本高，工艺复杂，高水速凝材料生产厂家很少，质量不稳定而未能推广应用；锚注技术由于工艺简单、成本低，支护可靠性高而被广泛应用。它现在不仅用于岩巷、硐室，而且用于煤巷；不仅用于新掘巷道，而且广泛用于地下工程维修；不仅用于静压巷道，而且也用于动压巷道。它是目前处理极不稳定巷道支护优先选择的支护技术。在国家“七五”、“八五”期间，除上述支护形式外，组合锚杆、桁架锚杆、锚索等支护形式也逐渐引入我国，以解决不稳定、极不稳定巷道支护问题，并已为不少矿采用。从施工技术要求来看，桁架锚杆、锚索只要设计合理是可
11、以解决极不稳定围岩巷道的支护问题的。但这时要求桁架锚杆、锚索有相当的长度和较大的预应力，这对施工及成本均有很多影响，广泛应用受到限制。虽然近十年来，中国矿业大学等院校的专家和现场工程技术人员对锚注的理论和技术推广做了很多工作，但总的来说，人们对软岩巷道的变形破坏机制、锚注支护机理仍缺乏系统、深入的认识，这在一定程度上限制了锚注支护理论和技术的发展以及进一步的推广应用。1.3软岩性质及其工程分类1.3.1软岩性质软岩亦称松软岩层，不仅是指围岩体松软，而且指围岩不稳定或极不稳定。软岩只是我国煤炭系统的习惯用语，而我国冶金系统一般称不良围岩，国外一般称不稳定、地不稳定围岩或困难岩层。为了统一对松软岩
12、层的认识，1984年12月，我国煤炭部矿山压力情报中心站、煤炭学报编辑部、中国煤炭学会岩石力学专业委员联合发起的“煤矿矿山压力名词讨论会”。会议将松软岩层定义为“强度低、空隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层”。根据这一定义很难判别围岩的稳定性，更谈不上用量化指标来判断。因此对这一定义有待进一步研究。有许多专家学者对“软岩”定义提出自己的看法。本文引用王连国、李明远等人的定义，用模糊逻辑法，根据工程类比来定义软岩。即传统支护不能使巷道保持稳定的围岩为软岩。它具有以下属性：1. 一般属性松软：一般指普世系数f30%；遇水崩解、泥化：遇水几分钟
13、或几小时内崩解泥化。2. 特有属性强膨胀：蒙脱石含量，特别是纳蒙脱石含量15%，自由膨胀率30%；强流变：围岩点载荷强度R100mm，底臌量200mm；大变形量：可能是膨胀，可能是位移，或两种因素的影响，水平变形量200mm，垂直变形量400mm；高地应力：可以是上覆岩层压力、构造应力、弹塑性岩体、弹塑性膨胀应力、含有膨胀性能粘土矿物、饱和吸水膨胀应力、破碎岩体自重应力、破碎岩体残余应力等综合作用。所谓高地应力，即当地应力高于围岩岩体单轴抗压强度时称高地应力，数学表达式为：式中 岩块抗地应力系数；岩块单轴抗压强度，MPa；地应力，MPa。1为高地应力；0.75为超高地应力；0.5为极高地应力。
14、上述软岩的一般属性和特有属性是判断软岩的依据。仅具有软岩一般属性的围岩将不是“软岩”，因为巷道围岩仅具有一般属性，采用传统支护即可使巷道保持稳定，几乎所有矿井都存在这样的实例，而围岩具有部分或全部特有属性则采用传统的支护不能是巷道保持稳定4。1.3.2软岩工程分类1、软岩矿井分类在煤矿开发之前，能够科学地判定是否属于软岩矿井，对于准确地实施合理设计极为重要。根据实践摸索和理论研究，提出根据软岩临界深度(Hcs)指标判别软岩矿井的方案。根据软化临界深度，将矿井分为三类，一般矿井、准软岩矿井和软岩矿井。各种矿井的力学工作状态是不同的，因而其设计对策也有所不同，如表1-1所示。一般矿井的巷道围岩是弹
15、性工作状态，常规设计即可奏效。表1-1 软岩矿井的界定及设计对策软岩分类分类指标工程力学状态支护设计一般矿井H1.2Hcs塑性、流变性全断面实施软岩支护设计注：Hcs软化临界深度，m；H巷道所处的埋深，m。对于准软岩矿井，其工作状态是弹塑性(局部塑性)工作状态，其设计对策可采取两种：(1)仍采用常规设计，但要经过1-3次返修即可达到稳定；(2)在常规设计的基础上，对局部塑性区(两底角或底部处理)予以加固，即可一次成巷，不用返修。对于软岩矿井，常规设计绝不能奏效，返修多次也不会稳定，越返修，其稳定状态越不好，必须严格按照软岩工程力学的理论和支护对策进行设计，才能收到事半功倍的效果5。2、软岩及其工程分类虽然有关软岩的工程与研究已经进行了许多年，但迄今为止人们对软岩尚缺乏统一的认识，尚没有令所有岩土工作者都十分满意的具体定义。由于不同的行业对地下工程支护的要求不同，因而对软岩的认识也不尽相同。在煤炭系统，经过多年的研究与交流，于198
