軟巖巷道錨注支護機理研究

陳素彬

(山西焦煤西山煤電集團呂梁公司，山西 太原 030053)

1 概 述

軟弱巷道圍巖的松動范圍大、巖體強度低，在普通錨網噴索支護方案中，錨桿在掘進期及掘進影響早期，由于圍巖未充分破碎，錨桿起到組合加固作用。錨索保持良好的懸吊作用，到了掘進影響中期、圍巖流變期，由于裂隙充分發育、變形進一步增大，進而超過錨桿的應變、應力協調范圍，錨桿的組合加固作用將進一步減弱，錨桿形成的組合加固層的自承能力逐步降低。此時，錨索的懸吊荷載逐步增大，如果不采用適當的后路加固措施，軟巖巷道將持續變形，造成斷面變形過大、噴層開裂、局部冒頂等不利于巷道穩定的現象[1]。要保持巷道穩定和滿足正常生產，必須采用合理可行的支護對策和支護方案，以適應和改善各種圍巖特性，以取得技術上可行、經濟上合理的效果。

本文對錨注支護機理、錨注支護與圍巖耦合作用原理、錨注支護的應力應變作用做了深入分析。認為錨注加固技術能保證巷道變形在控狀態下，實現良好加固效果，保持巷道總體穩定。

2 注漿加固機理

注漿錨桿采用無縫鋼管冷拔或焊接而成，從錨注原理來看，既可起到錨固作用，又可作為注漿管進行注漿，它將錨固和注漿結合在一起，用于軟弱破碎巖層[2-5]。

注漿加固在原有支護結構的基礎上，通過對在控松動圍巖注漿，增強圍巖本身的完整性和自承能力，起到了柔性讓壓和剛性支護的作用，與原有支護結構組成協調互補的耦合支護體系，使圍巖、支護結構形成的矛盾統一，系統保持整體穩定。錨網噴索+錨注“三維協控耦合”支護結構如圖1所示。

圖1 三維協控耦合支護結構圖

加固機理主要有以下幾個方面[4]。

①注漿封堵裂隙，防止風、水對圍巖自身強度的瓦解。②注漿將松散破碎圍巖膠結成整體，提高巖體自身強度，增強自承能力。③錨固作用能夠作為由于變形對前期錨桿組合功能損耗的補償，消除因錨桿組合層變形的延伸作用對錨索懸吊荷載及效果的不利影響。④注漿與噴層耦合，使荷載均勻分布。⑤錨注與原有支護結構形成交叉疊加承載圈，使圍巖與支護結構協調為矛盾統一體，共同保持巷道穩定。

錨注加固施工須注意以下兩點。

①必須結合現場觀測及圍巖物理力學特性，準確把握圍巖變形過程，使其既形成裂隙又保持在控。需要恰當把握注漿加固時間及其與迎頭的距離，在圍巖處于殘余應力、應變之前，實現在控錨注。②注漿參數要視具體情況，動態調整，做到填充已有裂隙，不產生新的有害裂隙。

3 錨注支護和圍巖共同作用分析

錨注支護的簡化流程為：巷道成形→臨時支護→初噴→打錨桿→掛梁鋪網→全斷面錨桿質量檢查→滯后迎頭20～30m或7d左右安裝錨索→復噴→滯后迎頭50～80m或15～20d左右注漿。

從支護時間來看，注漿支護要滯后巷道開掘50～80m或15～20d左右。當圍巖變形處于塑性軟化段或塑性軟化段與殘余強度的臨界段較合理，具體時間要結合巷道圍巖變形實際。因為過早錨注，巷道處于掘進影響期，圍巖裂隙處于發展階段，一方面注漿難，另一方面漿液強度較低時，會被繼續形成裂隙的較大應力破壞；殘余強度之后錨注，圍巖殘余強度已大幅降低，變形量過大對前期支護已形成破壞，前期支護不能發揮應有作用，后期錨注缺少前期支護必備的耦合結構，不能形成協調在控耦合支護整體，對巷道整體穩定不利。

3.1 在殘余應力區錨注后的應力應變及位移的變化

3.2 錨注區的應力和位移

3.2.1 應力、位移計算

該區處于塑性區與殘余強度區之間，應力和位移的表達式同殘余強度區的應力和位移表達式，故先推倒殘余強度區的應力和位移公式。

邊界條件

基本條件

假定殘余強度區體積變形為零，即

(1)

殘余強度區圍巖變形符合塑性力學理論，幾何方程、庫侖準則極限方程和平衡微分方程如下：

(2)

(3)

(4)

式(4)代入式(1)，解得位移

(5)

將式(3)代入式(2)，應力計算得

(6)

3.2.2 應力、位移和錨注參數的關系

三維協控耦合支護技術中，后路錨注加固前后“三區”對比，如圖2所示。

圖2 錨注加固前后“三區”對比

4 結 論

通過以上分析，對軟巖巷道錨注支護機理研究得到以下結論：

(1)對于軟巖巷道，單純提高支護強度和剛度不能從根本上解決問題，簡單的聯合支護方式也不能取得預期效果，關鍵在于在適當的時空過程中改善圍巖特性。

(2)由于軟巖巷道具有長期流變性，巷道支護必須采用三維協控耦合理論進行設計，即首先采用必要的錨噴網，保證及時支護，保證巷道在可控狀態下的變形，在后路采用加固措施，以提高圍巖的自承能力，并阻止長期流變。

(3)錨注加固能從根本上改善圍巖力學特性，減小圍巖的變形，提高自承能力。而加固效果好壞的關鍵，是施工時間、空間與圍巖特性的耦合程度。

[1] 李明遠，王連國，易恭猷，等．軟巖巷道理論與實踐[M]．北京：煤炭工業出版社，2001.

[2] 王連國．錨注支護技術在砌碹巷道修復加固中的應用[J]．礦業研究與開發，2000,20(3)：45-48.

[3] 陸士良，湯雷，楊新安．錨桿錨固力與錨固技術[M]．北京：煤炭工業出版社，1998.

[4] 張農．軟巖巷道滯后注漿圍巖控制研究[D]．徐州：中國礦業大學，1999.

[5] 楊新安．軟巖巷道錨注支護機理與技術的研究[D]．徐州：中國礦業大學，1995.