摘 要：針對(duì)陜西某礦一采區(qū)皮帶巷開掘后在深部高應(yīng)力條件下，軟巖巷道變形難以控制的難題，基于深部軟巖巷道變形破壞規(guī)律，通過對(duì)巷道圍巖力學(xué)進(jìn)行分析，提出了采用注漿錨桿加固控制圍巖變形的支護(hù)技術(shù)。通過注漿加固可以改善圍巖結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)、顯著提高圍巖強(qiáng)度和承載能力，降低支護(hù)成本，有效控制巷道變形，改善巷道的支護(hù)效果，為巷道的安全快速掘進(jìn)創(chuàng)造條件。工程實(shí)踐證明，這種巷道圍巖控制技術(shù)是有效的且是可行的。

關(guān)鍵詞：深部高應(yīng)力；軟巖巷道；注漿錨桿；注漿參數(shù)；圍巖加固

煤礦軟巖問題一直是困擾煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的重大難題之一。深井條件下的高應(yīng)力作用會(huì)使軟巖巷道出現(xiàn)較大的變形，發(fā)展到一定程度造成巷道圍巖的深度破壞。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)如果支護(hù)手段和支護(hù)參數(shù)不合理，將會(huì)導(dǎo)致巷道出現(xiàn)破壞-修復(fù)-破壞的惡性循環(huán)。不僅增大了支護(hù)費(fèi)用和管理費(fèi)用，而且延長了掘進(jìn)周期，嚴(yán)重影響了礦井采掘的正常接續(xù)，制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。

陜西某礦一采區(qū)皮帶下山位于2煤層，底板埋深-600～-750m的范圍內(nèi)，該區(qū)域?yàn)榇酉锏?，穿過的巖層主要有砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，大部分區(qū)段為砂質(zhì)泥巖，地層構(gòu)造非常復(fù)雜，是一條典型的深井高應(yīng)力軟巖巷道。巷道周圍圍巖巖性較差，圍巖強(qiáng)度低，易風(fēng)化，承載性能較差。采區(qū)軌道下山和皮帶下山，自掘進(jìn)以來就出現(xiàn)較劇烈變形和破壞。因此，研究出一種安全可靠的巷道圍巖控制技術(shù)，解決深井軟巖巷道的支護(hù)難題，成為該礦提高生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)的迫切需要。

1 深部巷道圍巖力學(xué)分析

地下工程巖體未受采動(dòng)影響時(shí)，巖體處于彈性變形狀態(tài)，原始鉛直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，切向應(yīng)力等于零。巷道開掘之后，巖體中應(yīng)力將會(huì)重新分布，直至形成一個(gè)新的平衡狀態(tài)。巷道周邊的巖體側(cè)向應(yīng)力為零，巖體處于單向壓縮狀態(tài)。如果巷道周邊的圍巖應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度，巷道圍巖將會(huì)產(chǎn)生塑性變形。隨著向深部發(fā)展，圍巖逐漸變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，直到某一半徑R處圍巖恢復(fù)彈性狀態(tài)。從巷道周邊到半徑R位置處為巷道的塑性變形區(qū)。圖1為巷道圍巖力學(xué)分析模型。

對(duì)于巷道的塑性區(qū)，其靜力平衡方程為：

（1）

根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則，塑性區(qū)的極限平衡條件為：

（2）

其中：C、？漬分別為圍巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

由邊界條件，當(dāng)r=r0時(shí)，側(cè)向應(yīng)力為0，即？滓r=0，則：

解得：

塑性區(qū)半徑R=r0[■]■ （3）

對(duì)于巷道周邊位移可以得到：

（4）

通過以上公式可知，對(duì)于巷道圍巖來說，其穩(wěn)定性主要取決于巷道原巖應(yīng)力，以及圍巖的內(nèi)摩擦角和粘聚力等強(qiáng)度性質(zhì)。巷道周邊位移和塑性區(qū)半徑隨著原巖應(yīng)力的增加而呈指數(shù)關(guān)系迅速增加，內(nèi)摩擦角越小，增加越迅速；位移和塑性區(qū)半徑隨著內(nèi)摩擦角和粘聚力的減小而顯著增加，即巷道圍巖強(qiáng)度越低，穩(wěn)定性越差。深部高應(yīng)力軟巖巷道巷道，其原巖應(yīng)力比較高，且圍巖強(qiáng)度較低，因此采取加固圍巖的技術(shù)手段改善圍巖力學(xué)性能，提高圍巖強(qiáng)度，增強(qiáng)圍巖的承載能力，是解決深部軟巖巷道支護(hù)難題的重要途徑。

2 巷道圍巖注漿加固原理

圍巖注漿加固是利用漿液把圍巖的各種弱面充實(shí)，并把弱面充填體和四周巖體重新膠結(jié)起來，形成漿液擴(kuò)散加固拱，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性及其力學(xué)性能。利用漿液充填圍巖裂隙，配合錨噴支護(hù)，充分發(fā)揮錨桿的作用，大大減少失錨現(xiàn)象，因此能使得巷道圍巖能承受更大的載荷，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的承壓能力。（如圖2所示）

1-普通金屬錨桿；2-注漿錨桿；3-金屬網(wǎng)噴層；4-漿液擴(kuò)散范圍；

5-錨桿作用形成的錨固拱；6-噴網(wǎng)層作用形成的組合拱；

圖2 巷道幫頂注漿加固支護(hù)機(jī)理

3 巷道注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

注漿參數(shù)設(shè)計(jì)包括注漿材料，注漿時(shí)間，注漿壓力，注漿量，以及注漿孔布置參數(shù)的設(shè)計(jì)。注漿參數(shù)的合理選擇決定著圍巖的注漿加固效果。

3.1 注漿材料

圍巖注漿材料分為懸浮性漿材和溶液型漿材，包括三大類材料：一類是水泥基材料，是注漿加固應(yīng)用最廣的材料，包括高水速凝材料，超細(xì)水泥，硅粉水泥漿材，納米水泥材料；一類是化學(xué)基漿材，包括聚氨酯，脲醛樹脂，丙烯酰胺等系列漿材，其中聚氨酯在煤礦應(yīng)用比較多；一類是復(fù)合漿材，是將高分子聚合物與水泥配置成高分子復(fù)合化學(xué)注漿材料，聚合物作為水泥的添加劑，可以顯著提高水泥漿的可注性和固結(jié)體強(qiáng)度。試驗(yàn)巷道采用的是標(biāo)號(hào)525的硫鋁酸鹽快硬水泥，水灰比0.8～1.0。

3.2 注漿時(shí)間

注漿時(shí)間包括注漿過程時(shí)間和注漿與掘進(jìn)間隔時(shí)間。對(duì)于裂隙發(fā)育的圍巖，為了防止?jié){液在巷道內(nèi)泄漏，注漿時(shí)間不宜過長；對(duì)于裂隙不發(fā)育的圍巖，漿液擴(kuò)散比較困難，為了提高注漿效果，應(yīng)適當(dāng)延長注漿時(shí)間。根據(jù)注漿與掘進(jìn)時(shí)間間隔，分為超前注漿，同時(shí)注漿和滯后注漿。對(duì)于圍巖極其破碎，工作面掘進(jìn)會(huì)引起冒頂片幫現(xiàn)象，應(yīng)采用超前注漿加固圍巖。一般條件下采用同時(shí)或者滯后注漿，這時(shí)候圍巖強(qiáng)度損失較小，注漿固結(jié)后巖體強(qiáng)度高，加固效果比較好；注漿過遲會(huì)導(dǎo)致圍巖變形嚴(yán)重，注漿加固作用難以充分發(fā)揮。

3.3 注漿壓力

注漿壓力是漿液在圍巖中的擴(kuò)散動(dòng)力，是加固效果的直接影響因素。因此，合理的選擇注漿壓力至關(guān)重要，注漿壓力選取應(yīng)綜合考慮地層條件，注漿方式，注漿材料和圍巖條件等因素。一采區(qū)下山二聯(lián)巷試驗(yàn)巷道采用的是水泥漿液，根據(jù)圍巖條件，破碎嚴(yán)重時(shí)選擇0.5MPa的注漿壓力，比較破碎時(shí)選擇1MPa的注漿壓力，裂隙較小時(shí)選擇1-2MPa的壓力，試驗(yàn)巷道最大注漿壓力要求不超過1.5MPa。

3.4 注漿量

注漿量的原則是保證漿液能充滿圍巖裂隙，鉆孔不吃漿。注漿量與圍巖的裂隙發(fā)育和松動(dòng)范圍相關(guān)，實(shí)驗(yàn)過程中，各個(gè)鉆孔注漿相差很大，消耗的水泥從1.5-5.5袋不等，平均每個(gè)鉆孔需要注漿消耗2袋水泥。

3.5 注漿孔布置

幫底采用自固式注漿錨桿進(jìn)行加固，巷道兩幫分別布置2根，兩幫最下面一個(gè)注漿錨桿斜向下30°左右布置，另外兩根垂直巖面布置，底板布置2根，靠幫1000mm處施工鉆眼，錨桿斜向下30°左右布置。幫底注漿錨桿加固參數(shù)：每排6套錨桿，排距為1400mm。

4 巷道加固效果分析

為檢測(cè)巷道注漿后的加固效果，在巷道中布置了測(cè)站，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和總結(jié)，主要包括兩幫移近和頂板下沉，得出相應(yīng)圍巖變形量曲線。

由圖3可以得出巷道表面位移特征：巷道在掘進(jìn)后的一周以內(nèi)，頂板下沉速度和兩幫相對(duì)移近速度都比較大，巷道表面位移急劇增大；半個(gè)月以后，圍巖移近速度變慢，巷道表面位移緩慢增加；一個(gè)月以后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但巷道仍有較小的變形量。從巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果可以看出，由于采用了合理的注漿錨桿圍巖加固技術(shù)，改善圍巖結(jié)構(gòu)，提高圍巖承載能力，有效的控制了巷道的變形，經(jīng)過注漿加固后的圍巖變形較小并且變形趨于穩(wěn)定，說明這一技術(shù)對(duì)深部軟巖巷道圍巖變形的控制效果良好。

5 結(jié)束語

通過建立巷道圍巖力學(xué)模型，分析知巷道周邊位移和塑性區(qū)半徑與圍巖內(nèi)摩擦角和粘聚力的大小有關(guān)，巷道圍巖強(qiáng)度越低，穩(wěn)定性越差。即提高圍巖強(qiáng)度，增強(qiáng)圍巖的承載能力，是解決深部軟巖巷道支護(hù)難題的重要途徑。分析了巷道圍巖注漿加固原理，通過對(duì)巷道圍巖進(jìn)行注漿加固，漿液在裂隙中充填、固結(jié)后不但封閉了裂隙，也阻止了水浸入巖體對(duì)圍巖的弱化作用，同時(shí)阻止了圍巖的進(jìn)一步風(fēng)化，能夠提高圍巖的強(qiáng)度和承載能力，改善圍巖結(jié)構(gòu)，使巷道圍巖的變形破壞得到控制。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，試驗(yàn)巷道中采取的高應(yīng)力軟巖注漿加固技術(shù)，通過與巷道錨固支護(hù)有機(jī)結(jié)合，得了顯著的成效，大大減少了巷道表面的位移量，有效的解決了深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題。為今后類似工程地質(zhì)條件的巷道工程提供了重要的參考價(jià)值。

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作者簡介：白天社（1967-），男，陜西澄城人，現(xiàn)任陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司綜掘一隊(duì)隊(duì)長。