松軟破碎巖體中巷道支護的探討

李仁義

【摘 要】本文分析了松軟破碎巖體中巷道失穩及破壞機理，探討了其支護方法和加固原則。

【關鍵詞】破碎巖體；巷道支護

在松軟破碎巖體中開掘巷道，由于地壓大，圍巖強度低，穩定性差，給掘進和支護增加了難度，常常發生巷道嚴重變形、破壞，需要反復翻修的情況，既耗費人力，物力和財力，又嚴重地影響礦井建設和正常生產。特別是近些年來，隨著勘探技術和采煤技術的發展，采場正在逐漸向井下深部延深，而越往礦井深部地壓越大，圍巖越難維護。以上均存在松軟破碎巖體中巷道支護的問題。下面就此談幾點看法。

1.軟破碎巖體的概念及特征

松軟破碎巖體一般指巖體中的巖石結構疏松、容重小、孔隙率大、強度低、硬度小，容易產生塑性變形及流變變形，且巖體內層理，裂隙發育，小斷層縱橫交錯，擠壓錯動極為明顯，各種巖石分布雜亂無章，組成這種巖體的巖石不僅抗壓強度低，而且工程巖體自身的不連續面和被連續面分割而成的結構體也影響其強度，例如巖體中的斷層剩隙，層理等構成了巖體中的弱面，因此松軟破碎程度是顯然的。

此外，巖層在地下，受地應力，地下水，地溫等的作用影響，相對強度低的巖層也屬軟巖。礦井深部，雖然巖體本身強度較高，但在埋藏深度大，地質應力大的情況下，也會發生類似軟巖的問題，即圍巖壓力大，使井巷圍巖周邊應力集中，當應力超過圍巖的極限強度時，就會發生破壞，圍巖體積擴張，膨脹，向井巷空間內移，擾動范圍較大，故作用在支架上的壓力增力口，使支護困難。

2.松軟破碎巖體中巷道失穩，破壞機理

在巖體中開掘巷道后，改變了原巖體在地下的三軸向應力平衡狀態，地應力重新調整，在巷道周邊產生應力集中，周邊圍巖在集中應力作用下向巷道的空間內移動，產生應變。對松軟破碎巖體來說，圍巖由于二次應力大于該巖體的極限強度，使用圍巖產生塑性變形和流變變形，從而使巖體的強度下降，全部或部分喪失巖體自身承載能力。

我們知道，巷道支護是指包括支護體與巷道周圍巖體的支承作用在內的聯合支承系統。在松軟破碎巖體中，支護結構系統的承受載荷Pu與巷道圍的自身承載能力σd又有如圖1所示的關系。由于松軟破碎巖體變形具有明顯的時間效應，且初期變形劇烈，若采取傳統支護方式，支護結構系統隨時被推移，在載荷作用下，支承能力逐漸降低，而圍巖的自身承載能力σd也要降低，與此同時支護結構系統承受的載荷Pu增大，這樣又引起圍巖自身承載能力σd，降低，隨之Pu又增大，當支護系統承受的載荷超過支護系統本身所能承受的載荷時，支承系統產生破壞，造成巷道片冒坍塌。

圖1 支護結構載荷與巷道圍的自身承載能力曲線

3.松軟破碎巖體中巷道支護原則

根據松軟破碎巖體的力學特征及巷道失穩破壞機理，以及現場實踐，可以從以下三個原則人手，來確定支護方案。

（1）封團圍巖原則。對于易風化和遇水膨脹的松軟破碎巖體，應在巷道開掘后盡早維護，一般在圍巖表面噴射一薄層混凝土，封閉圍巖，防止同空氣、水接觸，這樣不僅能避免圍巖風化、膨脹，同時還可以避免片冒情況的發生，保證安全生產。噴射混凝土厚度根據實踐，一般為20-30mm，總的原則是不宜過厚，但又必須封閉住圍巖。因為松軟破碎巖體具有流變的特點，如果混凝土層過厚，則會具有一定的剛性，限制了圍巖的適度形變，進而產生圍巖壓力增高點，破壞噴層，使圍巖暴露于空氣中，失去封閉作用。

（2）加固巖體原則。由于松軟破碎巖體節理，裂隙，層理發育，斷層交錯，呈松散和松軟結構，巖體強度低，因此必須加固圍巖，改變巖體結構，提高巖體的整體性，調整巷道周圍的應力場和圍巖的力學特征，把作用在支承系統上的外力盡可能地轉移到圍巖的更深處，同時，使巷道周圍的巖體從載荷轉化為承載結構的一部分，提高圍巖的自身承載能力。

1）注漿加固。松軟破碎巖體的穩定性主要取決于巖體內磨擦角和巖體結構面。巖體注漿后，由于漿液的網絡膠結作用，增大了巖體的內磨擦角，不僅增加了結構面間的磨擦力，又改善了巖體的連續性，使應力均勻分布，避免應力集中。另外，注漿還能使巖體的彈性模量增大，相對地降低了巖體的塑性，圍巖塑性變形范圍縮小，注漿一般有水泥漿和化學漿液，后者普遍應用的為聚氨酯材料，注漿需要有注漿專用設備。

2）錨桿擠壓加固作用。在松軟破碎巖體中安裝錨桿，即構。成了錨桿—圍巖支擴體系，使本采松軟的沒有多大聯結力的巖塊之間，借助于擠壓和磨擦力而加強彼此的聯結，從而提高了巖體強度。另外，錨桿的加固作用，使圍巖由二向受力狀態，變為三向受力狀態，圍巖的殘余強度也相對地提高了。由于井下圍巖經常是在殘余強度的條件下，承擔載荷的。所以說提高了圍巖的自身承載能力。近些年，由于高強度、超高強度錨桿的研制，在松軟破碎巖體中施工巷道時，可以得以應用，既保證錨桿發揮懸吊軟巖層的作用，又可以使錨桿與巖體之間形成的擠壓加固拱厚度增加，進而提高圍巖的強度。

3）讓壓緩沖原則。在松軟破碎巖體中掘進巷道時，圍巖處在二向應力的調：整中，圍巖向井巷空間移動，圍巖壓力通過圍巖形變得以釋放。不允許圍巖壓力釋放是不可能的，單純采用立即封閉的剛性支護是有害的。剛性封閉支護往往因圍巖壓力釋放而招致變形壓力的破壞。桃山礦二井-450環行車場，-300軌道石門在過松軟破碎帶時先采用封閉碹體支擴，最終導致碹體開裂，巷道被推垮即為例證）。為適應井巷既有支護又不能硬抗的要求，可以考慮選取“讓—支”結合的支護方式，保證既能提供一定的支護抗力，限制圍巖大幅度塑性流變，又允許圍巖有一定的應變，釋放壓力，從而減少作用在支擴上的載荷。

4.松軟破碎巖體中巷道支護的確定

依據以上所述松軟破碎巖體中巷道支護的原則，以及實踐中所得經驗。目前能符合要求的支護方式有以下兩種：

（1）注漿—錨網噴支護。對于節理、裂隙、層理、斷層發育的圍巖體，通過向巖體內注漿，可以使巖體中產生網絡膠結作用，提高圍巖的整體性；錨桿的應用，可以在圍巖體的一定范圍內形成一個受擠壓的承載環（擠壓加固拱），從而使巖體強度提高，金屬網與噴漿聯合可以增加噴體的抗拉強度，而錨桿本身在承載過程中有10%—15%的伸長量，金屬網與噴漿組成酌聯合體又具有一定的柔性，故在松軟巖層中既可以起到緩沖壓力的作用，同時又具有封閉。圍巖和支護巖體的功效。

（2）U型鋼可縮支架加噴混凝土支護。U型鋼支架具有可縮性，且混凝土噴層初期具有較大的塑性形變，二者的特性允許圍巖在地應力作用下作適量的收斂變形。當U型鋼支架可縮性喪失時，即變成強力鋼性支護，最終既達到了釋壓的目的，又起到了支護圍巖的作用。一般在易風化，膨脹的圍巖中使用這種支護方式。