軟巖巷道支護技術現狀及發展趨勢

田沛博+楊建軍+賴鵬安+李佳楠+劉家順

摘 要：白堊系、侏羅系地層弱膠結軟巖巷道支護問題是西部地區礦井建設亟需解決的重要工程技術難題。以西部地區弱膠結軟巖巷道支護問題為工程背景，從軟巖巷道變形破壞理論、支護理論和現有支護技術等方面進行了歸納總結，結合西部地區弱膠結軟巖巷道的變形特性和支護難點，分析了目前巷道變形破壞理論、支護理論及現有支護技術存在的問題，指明未來弱膠結軟巖巷道支護技術應在現有支護理論的基礎上，開展多層次、全方位的耦合支護理論，支護技術應逐漸向空間耦合、錨網索噴架聯合支護技術發展。

關鍵詞：煤礦；軟巖巷道；變形；錨噴支護；聯合支護

引言

軟巖包括工程軟巖和地質軟巖兩大類，其中工程軟巖是指巷道開挖過程中因施工擾動、風化、浸水等外力作用形成的具有膠結性差、易風化、軟化系數低、自穩能力差等特點的一類巖體[1]。我國西部地區礦井建設中，穿過的白堊系志丹群、侏羅系安定組、直羅組和延安組地層，具有富水性強、巖性軟弱、地址條件復雜等特點。其中安定組含水軟巖層和延安組含水礫巖層為弱膠結軟巖巷道施工工程的技術難點。因此以西部地區弱膠結軟巖巷道支護工程為研究對象，提高含水條件下軟巖巷道的支護強度、整體穩定性、自身承載能力，具有重要的科學意義和工程實踐意義。

1 軟巖巷道變形破壞機理分析

西部地區礦井建設過程常遇到具有破碎性、高地應力、軟弱或極軟弱和膨脹性等特性的工程軟巖。該類工程掘進施工和支護難度極大，是西部地區礦建建設面臨的最為棘手的問題。對此類巷道機理的研究要從圍巖自身的力學特性、水對圍巖的影響以及外力作用的影響等方面展開[2-4]。

1.1 圍巖礦物成分和結構

西部地區礦井建設遇到的白堊系和侏羅系地層中，巖體中含有大量的蒙脫石和伊利石等大量親水礦物成分，此外軟巖多屬于泥狀結構或者凝膠結構，遇水和高地應力作用將發生較大的膨脹變形和碎脹變形，加劇巷道圍巖的變形。

1.2 水對圍巖的弱化作用

工程軟巖本身具有較低的強度，在水的浸泡作用下，圍巖發生強度弱化，強度明顯降低，進而使圍巖松動圈范圍擴大，導致圍巖自承能力下降，應力集中程度擴大，進而導致巷道發生底鼓和側脹等變形，誘發巷道支護結構破壞、失效。此外水對圍巖的弱化作用還體現在裂隙巖體受滲流水的影響將改變巖體應力場的分布，加之其對裂隙圍巖裂隙面起著潤滑作用，將使裂隙巖體裂隙加速擴展，加劇圍巖的變形速率和概率。

1.3 高地應力對圍巖的破壞作用

巷道開挖將打破原有巖體的三向受力平衡狀態，地應力將重新分布，特別是開采深度越深，地應力越大將加劇圍巖的應力集中，使巷道發生明顯的流變變形甚至出現塑性破壞。

1.4 圍巖流變特性的影響

圍巖流變包括蠕變、松弛和彈性后效等。圍巖的流變特性受外力作用影響明顯。西部地區礦井受富水條件影響較大，且開采深度大，地應力高將加速圍巖的流變變形，使得巷道的變形具有長期擴展的趨勢。

綜上可見，西部地區軟巖巷道變形機理主要為圍巖自身礦物成分和結構形式的影響、水對圍巖的弱化作用、高地應力對圍巖的破壞作用以及圍巖流變特性的影響。

2 軟巖巷道支護技術

2.1 錨桿支護

目前錨桿支護理論主要包括懸吊理論、組合梁理論和壓縮拱理論等[5]，錨桿支護技術主要包括金屬錨桿、非金屬錨桿和錨索三大類。金屬類錨桿主要為螺紋鋼樹脂錨桿、注漿錨桿（鎖）、鉆錨注錨桿以及錨桿桁架等，其中螺紋鋼樹脂錨桿和注漿錨桿（索）是我國軟巖巷道錨桿支護的主要形式，在我國西部地區礦井井筒建設和巷道支護中得到了廣泛的應用。但由于我國西部地區軟巖巷道地質條件具有復雜性和多變性等特點，軟弱圍巖與錨桿相互作用、錨桿與錨索協調作用機制以及錨注聯合加固機理尚未研究清楚，特別是缺少具有普遍使用性和定量化的錨桿支護參數設計理論。因此未來錨桿支護應注重錨桿作用機理、錨桿支護設計理論和錨桿支護新材料等方面展開新的嘗試和探究。

2.2 錨網噴支護

錨網噴支護技術是在錨桿（索）支護基礎之上聯合鋼筋網和噴射混凝土等形成的聯合支護體系。錨網噴支護技術主要機理是充分發揮錨桿的懸吊作用，同時在圍巖表面掛設金屬網片防止軟弱圍巖脫落，形成剛柔并濟的聯合支護形式。噴射混凝土既可以在圍巖開挖后立即封閉圍巖，防止圍巖風化，同時又可以充填圍巖裂隙，防止圍巖裂隙水滲流。其與錨網支護結構共同作用將顯著提高支護結構的整體穩定性，增強支護效果，同時通過噴射混凝土可將錨桿外漏部分褒住，增加巷道的美觀度和舒適度。錨網噴支護結構對對淺埋軟巖巷道具有良好的支護效果。

2.3 錨注支護

錨注支護是在充分發揮錨桿支護作用的前提下結合注漿技術有效加固松動圈范圍內圍巖的穩定性，從而達到增強軟巖巷道支護效果的一種重要支護方案。錨注支護使用的錨桿（索）主要為中空注漿錨桿

（索），注漿漿液主要為水泥、水玻璃、CS砂漿和化學漿液等。錨注支護機理主要是通過中空注漿錨桿（索）泵送高壓漿液，使漿液在破碎圍巖范圍內充分擴散，對圍巖裂隙進行填充，通知阻止裂隙水的流動。待漿液凝固后，漿液、錨桿和圍壓三者形成統一的支護結構，有效提高圍巖強度、控制圍巖變形。錨注支護技術在極為軟弱破碎的圍巖巷道具有較好的支護效果，但支護成本較高，且注漿漿液的適用性受到工程條件的限制。

2.4 錨網噴架支護

對深部軟巖巷道，僅采用錨桿（索）支護或錨網噴支護往往并不能有效控制圍巖變形，特別是對于具有顯著流變特性的軟弱巖體來說，流變變形將使巷道產生較大的收縮變形。因此對于深部軟巖巷道以及受水影響大、錨桿（索）施工質量難以保證的軟巖巷道而言，在錨網噴支護形式基礎上加設型鋼鋼棚支護，將有效提高支護結構的整體剛度，特別是對于限制軟巖的流變變形將起到較好的支護效果。目前型鋼鋼棚支護主要形式包括：工字鋼、U型鋼和鋼管混凝土支架等形式，上述型鋼鋼棚支護與錨網噴支護形式的聯合支護結構將充分發揮錨桿主動剛性支護和型鋼支架被動柔性支護的各自優點，實現剛性支護和柔性支護、主動支護和被動支護耦合聯合支護，是目前深井軟巖巷道支護常用的支護形式。

3 結束語

目前我國在軟巖巷道破壞機理、支護理論和支護方法方面取得了很大成就，但由于軟巖巷道巖體力學強度低、水和地應力影響作用大、軟巖流變特性顯著，軟巖巷道支護問題尚未得到有效解決，對軟巖巷道支護方案選擇和參數確定尚未有明確的理論依據。因此開展以錨噴支護技術為基礎，綜合注漿、型鋼支架、管棚支護等聯合支護技術將是未來弱膠結軟巖巷道支護技術的發展方向。

參考文獻

[1]孔令輝.弱膠結軟巖巷道圍巖穩定性分析及支護優化研究[D].青島：山東科技大學，2011.

[2]孟慶彬，韓立軍，喬衛國，等.泥質弱膠結軟巖巷道變形破壞特征與機理分析[J].采礦與安全工程學報，2016，33（6）：1014-1022.

[3]何滿潮.深部軟巖工程的研究進展與挑戰[J].煤炭學報，2014，39（8）：1409-1417.

[4]Cheng A.G， Ning S.Z， Yuan T.X. Resarch on compresensive regionalization of China coal resources[J].China Coal Geology，2011，23（8）：5-8.

[5]康紅普.我國煤礦巷道錨桿支護技術發展60年及展望[J].中國礦業大學學報，2016，45（6）：1071-1081.