1、专题部分 第17页松软破碎巷道注浆加固技术摘要：煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个重要组成部分。软岩工程是指与塑性大变形岩体有关的岩体工程，如软岩边坡，软岩隧道及软岩巷道工程等。由于软岩巷道工程所处的复杂工程地质条件，其支护问题一直是困扰我国煤炭生产的一个主要问题。本文系统论述了软岩的定义、工程地质特征和力学属性，分析了软岩巷道围岩的变形破坏特征及影响因素；就注浆加固技术国内外研究现状及目前存在的问题进行分析探讨；深入分析了围岩锚注加固机理；最后对松软破碎巷道注浆加固技术工程应用进行了设计。关键词：松软破碎；巷道；注浆加固；软岩； 1引言 矿井深部开采是煤矿和非煤矿山未来发展必然趋势。据不完全统
2、计，国外开采超千米深的金属矿山有80多座，其中南非最多。南非绝大多数金矿的开采水平都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深水平金矿，采矿深度达3700m;WestDriefovten金矿，矿体赋存地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的科拉尔(Kolar)金矿区，已有3座金矿一采深超2400m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3260m。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，己有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8座矿山采准深度达910m，开拓深度到1570m，将来要达到2000一2500m。另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过I000m。我国已探明的
3、煤炭资源量占世界总量的11.1%，我国煤炭资源埋深在1000m以下的为29500万亿吨，占煤炭资源总量的53%。目前煤矿开采深度以每年8一12m的速度增加，东部矿井正以每10年100一250m的速度发展，预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度。在我国的能源构成中，煤炭约占总能源的70%。为了满足日益增长的能源需求，我国在今后相当长的时间内煤炭开采的任务十分艰巨，而且经过长期大规模地开发之后，开采条件较为优越的煤炭资源己接近枯竭，因此提高产量的出路在于开采那些赋存条件差、埋藏很深的煤炭资源，这就意味着今后的采掘工作将在高地应力、围岩条件很差的环境中进行。而围岩稳定性差、巷道
4、变形破坏比较严重的软岩问题在煤矿开采中早己存在:“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6X10喻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。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。这里所说的二次支护与新奥法的二次支护有本质上的区别。新奥法的二次支护是当掘进迎头放炮后，立即喷一层浆并打上锚杆，目的是放炮后尽快阻止岩块的初始移动。他们认为如果初始移动一旦开始，则需要几倍乃至几十倍力才能控制围岩移动
5、。故为阻止岩块的初始移动，需尽快提供第一次支护，然后进行二次支护即永久支护。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，当释放到到一定程度后根据观测结果，当避过压力峰值、变形速率减缓后再进行二次支护。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型全封闭可缩性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
6、锚杆、套管摩擦阻力可伸缩式锚杆、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，一旦被压坏，维修极为困难，因而未获推广。U29、工字钢等重型全封闭可缩性金属支架，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，有的虽经多
7、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，提高再生围岩岩体弹性模量来使极不稳定围岩巷道保持稳定。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、铜室，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、析架锚杆、锚索等支护形式也
8、逐渐引入我国，以解决不稳定、极不稳定巷道支护问题，并己为不少矿采用。从施工技术要求来看，析架锚杆、锚索只要设计合理是可以解决极不稳定围岩巷道的支护问题的。但这时要求析架锚杆、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大影响，广泛应用受到限制。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，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、金属支架处，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
9、锚网、组合锚杆(网)、高强超长锚杆(网)等支护形式;对于极不稳定围岩主要采用组合锚杆析架、锚索支护;对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，性能可靠，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。目前，各类不同的锚杆、组合锚杆、锚杆析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类型的金属支架，对极不稳定围岩也是采用翻修的
10、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、砌谴等。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。目前，尽管巷道支护在近些年中取得了巨大的发展，但是软岩巷道有效支护仍然是煤矿整个巷道支护的薄弱环节，也是目前国内外尚未很好解决的难题，因而引起了众多科研单位和生产部门的普遍关注。煤矿生产建设的发展趋势迫切需要对软岩巷道支护，特别是高应力软岩巷道支护问题继续进行深入研究，寻求解决高应力软岩巷道支护问题的合理方法和有效途径。因此，研究高应力围岩与支护相互间的作用机理，进行支护结构的优化设计，进而减少巷道返修量、降低工程造价、为井下创造良好的作
11、业环境是软岩巷道支护迫切需要解决的技术难题之一。注浆技术是用液压、气压或电化学的方法，把某些能与岩土体固结的浆液注入岩土体的空隙裂隙中去，使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性好的新结构体，从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。注浆技术的发展已有二百多年的历史。法国人开辟了注浆施工的先河，英国首次采用水泥注浆对井筒进行注浆堵水，成功的解决了井筒漏水问题，发明了硅酸盐水泥，从此水泥成为主要注浆材料，此后又有化学注浆、水玻璃注浆材料，双液单系统注浆法出现，促进了注浆技术的迅速发展，特别在1940年以后，注浆技术的研究和应用进入辉煌，各种注浆材料相继问世，注浆技术的应用越来越普遍。我国注浆技术应用较
12、晚，20世纪50年代初才开始应用，经过50年的发展，我国注浆技术己取得了较大的进步，特别在水泥注浆材料研制方面处于世界先进行列。注浆应用遍及隧道、矿业、水利、交通、铁路等多个行业。对于地下工程而言，注浆技术应用越来越广泛，遍及各类巷道，特别是软岩巷道，采用注浆后，岩体的力学性能有了很大的提高，加固效果十分显著。本论文正是在分析锚杆注浆与围岩相互作用机理。2软岩性质及其工程分类21软岩性质由于研究者的不同目的，给软岩赋予了不同的意义和标准，但总的可分为两种基本类型，一是关于应用方面的分类，一是关于岩体内在特性的分类。软岩，“软”体现了岩体内在特性，即岩石的硬度欠缺;“弱”体现了软岩在应用方面的能
13、力，即对于承受外载荷，它的承载能力和抗变形能力都较差。因此，可将软岩分为地质软岩和工程软岩。2.1.1地质软岩按地质学的岩性划分，地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质粘土岩等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度在0.5一25MPa之间的一类岩石，其分类依据基本上是按强度指标。按强度指标来定义软岩，往往在工程实践中会出现矛盾。例如地下隧洞所处深度足够的小，地应力水平足够的低，尽管岩石强度小于25MPa，但岩石不会产生软岩的特性;如粘土岩室内剪切流变试验时，只有剪切应
14、力达到一定值之后才出现软岩变形的特征;相反，大于25MPa的岩石，在较大荷载的条件下也会出现流变性。2.1.2工程软岩工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，而工程软岩是不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小。工程力是指作用在工程岩体上力的总和，它可以是重力，构造地应力，水的作用力，工程扰动力以及岩体膨胀应力等;显著塑性变形是包含显著的弹塑性变形，粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。工程软岩的变形特性的实质是相对性的，其变形性质取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体
15、强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性， 强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性;而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的变形特性;在较高工程力的作用下，则可能表现为软岩的变形特性。2.1.3工程软岩和地质软岩的关系工程软岩和地质软岩的关系是，当工程荷载相对于地质软岩(如泥质岩等)的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩;在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩也呈现了显著变形特征，则应视为工程软岩。综上所述，可将软岩定义叙述如下:软岩是一种特殊的岩类，从岩石固有的特性来说，它具有软
16、的形态;而从工程应用的观点来看，它又是“弱”的，具有较低的承载能力和较大的变形性。在工程力的作用下，具有明显的塑性变形或粘塑性变形特征。在工程实践中，我们着重研究是工程意义上的软岩。2.2软岩的工程特性及力学属性2.2.1软岩的工程特性软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的工程力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、触变性和易扰动性的特点。(1)可塑性软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形，这种性质称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的。节理化软岩是由于结构面滑动和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起的。(2)膨胀性软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有:内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。(3)崩解性软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因
