“支-护-注”协同支护技术在围岩控制中的应用

2021-08-02刘玉卫商铁林刘应然张亚峰龚

煤 2021年8期

刘玉卫，商铁林，刘应然，张亚峰龚剑

(1.郑州工程技术学院，河南郑州 450044；2.郑煤集团工程技术研究院, 河南郑州 450042；3.榆林学院能源工程学院，陕西榆林 719000)

随着矿井开采范围的扩大，开采深度不断增加，开采条件也变得越来越复杂，尤其是大埋深、复杂构造及采动应力等叠加应力影响，给巷道支护带来了极大的困难。目前的巷道支护方式很难保证巷道的稳定。巷道支护的不稳定，首先影响到巷道的施工速度和施工安全，对矿井的安全生产带来极大的危害，过去普遍采用金属支架或U型+锚索等主被动支护[1]来解决巷道支护的问题，但对复杂条件的围岩巷道来说并不适用。国内专家学者开展了多方面研究，靖洪文等人[2]提出了“三锚”支护技术，即对深埋巷道通过锚喷、锚注和锚索耦合作用使其形成一个稳定的承载圈。张农等[3]经过研究提出了以锚杆、锚索、注浆等为主体的整体封闭式支护技术。杨本生等[4]利用相似模拟试验提出了巷道连续双壳加固技术，即浅孔注浆(浅壳)、深孔锚索束注浆(深壳)，来控制围岩变形。

国内近些年软岩支护技术主要是围绕锚杆展开多种组合支护研究，如“三高一低”强力支护、耦合支护技术、注浆联合支护技术、协同支护技术等[5]。而国外支护呈多样性。美、澳国采用锚杆+额外补强，英国采用全长树脂锚固，德国道采用“锚杆+拱形支架”组合支护，波兰“拱形支架+锚杆”等，这为我国软岩支护理论完善、多元化发展特别是深部围岩控制带来了有益的启发[5]。

1 协同作用中的支与护

协同概念由德国科学家Hermann Haken在1971年提出，并于1976年对该理论进行了系统阐述，主要指两个或两个以上不同资源的相互协调或能够协调一致地完成某一目标的过程或能力[6]。在围岩支护方面，借鉴了协同理念将围岩支护理论、锚固理论、围岩承载机理等理论[7]相互组织在了一起，开展地下空间支护方面的研究。

1.1 “支”的协同作用

1) 锚杆与锚索的协同。锚杆与锚索的协同主要通过预应力为桥梁纽带。将高强度锚杆的预应力与锚索预应力相适应，使之相互搭配形成整体作用，产生协同效应。

经李元等人[8-9]研究可知：锚杆与锚索预应力匹配有一个合理区间范围，锚杆预应力40 kN时，锚索在140～160 kN的支护效果较好；锚杆增强到60 kN以上、锚索预应力达180～230 kN时可将巷道收敛率控制在10%以内，巷道支护效果差别也不大。一般预应力锚索应是锚杆应力的3～4倍为宜，二者配合较好。

锚杆、锚索的预应力协同作用可以控制围岩早期的变形，减小甚至消除由于巷道开挖产生的围岩弱面。所以高强锚杆必须与预应力相结合，锚杆的预应力必须与锚索的预应力相结合，只有它们之间相互合理匹配，避免锚杆或锚索单独承载，才能使锚杆、锚索的个体作用达到最大，并产生协同支护作用的效果[5]。

锚杆与锚索的协同作用可以有效地控制围岩的早期变形。锚杆预应力只有与锚索预应力合理匹配，才能使锚杆或锚索不单独受力，使之发挥最大的合力，产生协同效应。

2) 锚杆、锚索与围岩的协同[5]。锚杆和锚索的协同是通过预应力锚杆的浅部加固和预应力锚索深部悬吊作用协同配合实现的。通过预应力锚杆轴向围压的作用提高了破碎围岩的残余强度，增大了围岩的内聚力和内摩擦角；通过杆体横向抗剪作用提高了围岩弱面的抗剪强度；再通过锚索的悬吊作用，最终将顶板锚杆作用下形成的较完整的浅部松动区岩石悬吊于深部稳定的岩层，提高了围岩的整体承载能力。

1.2 “护”的作用机理

1) 喷射混凝土作用。混凝土喷层在支护中有显著的作用，其作用机理有以下几点[12]：①保护围岩表面防止风化和防水；②喷层与围岩粘结密贴能改善围岩表面受力状态；③填平表面凹处补强裂隙，提高粘结力，缓解应力集中；④初期支护力能防止围岩松动过快发生大变形；⑤能间接提高围岩环向应力，增强组合拱支撑能力；⑥喷层能承载一定的塑性变形起到“卸载”作用。

2) 钢筋网护表作用。钢筋网护表作用主要体现在：①同喷射混凝土一起作用，防止出现收缩裂缝；②金属网将锚杆锚索串联在一起，提高了支护的整体性能；③能使喷层应力均匀分布，防止围岩出现局部破坏；④能增强喷层柔性，防止喷射混凝土喷层开裂；⑤金属网能防止巷道顶板松碎岩块脱落和片帮。

2 支护固的协同效应关系

2.1 锚注到“固”的形成

1) 浅部加固圈的形成机理。针对复杂应力状态下，易造成围岩破碎、变形、蠕变、流变、支护压力增大等情况，把岩体中松软破碎及在外力作用下松动的岩石用喷射混凝土予以置换，再结合锚杆和注浆，把浅部原来非均质、非连续、各向异性的岩体构建成抗压、抗拉、抗剪能力都提高的较均质、同性、连续的高强度新岩体形成浅部加固圈。

2) 深部加固圈的形成机理。当围岩松动圈较大时，破裂范围大于锚杆长度，单靠锚杆无法锚定破碎围岩。当巷道断面较大时，拱基线以上的破碎围岩，锚杆支护的组合拱强度效应不明显，不能维持围岩的稳定。在膨胀过程中，锚固范围外的深部裂隙岩体对岩体和锚杆施加较大的剪切力，往往导致锚杆挤压、锚杆破碎、围岩松动、垮落，最终导致顶板垮落事故[12]。因此，充分利用松动圈外相对稳定岩体一起抵抗围岩变形，为围岩内侧提供应力和位移约束，通过锚注和预应力锚索的协同作用，限制围岩变形，改变松动圈内围岩松散破碎、完整性差的状况，提高围岩的完整性和强度，使破碎围岩与深部完整岩体形成有机整体，形成深部加固圈。

2.2 支-护与注浆加固的协同

根据单支护理论，锚杆支护是通过锚杆的作用，将破碎岩体组合成组合拱或梁，从而提高围岩的支撑能力[13]；而锚索支护是通过在大跨度截面增加锚索来达到减跨和悬吊的目的；喷混凝土是对围岩表面进行封闭加固，防止风化，进水；注浆加固是将水泥浆充填围岩裂隙区来提高松散破碎岩体的残余强度，改善了力学性能和支护结构的完整性[13-14]。

由前述可知，锚杆和注浆能在巷道围岩浅部形成一定厚度的加固圈，而在深部松动圈范围内，通过注浆和锚索再形成深部加固圈，锚索把加固圈锚在深部岩体中，使之形成共同的承载能力，最终形成“支-护-注”的协同作用关系。

2.3 “支-护-注”协同支护关键技术

1) 预留空隙技术。根据巷道断面设计，施工时提前预留扩展变形空间，即”预空”，预空范围控制在设计断面的10%～15%.预留空隙能促使巷道在成巷后，复杂叠加应力的释放，对具有流变和膨胀性软弱岩体巷道支护十分必要，也为下一步封层提供良好的基础。

2) 喷浆封层技术。巷道开挖后，通过喷浆在巷道围岩表面先形成胶结护层，然后施工锚杆，进行挂网，以钢丝网为筋骨，间距350 mm×350 mm，使其高强密贴于围岩表面，进行喷浆封层，封层的初次喷浆厚度一般不小于80 mm，第一层次封层就要达到较高的承载力，多次喷层形成强韧的组合承载体。

3) 混凝土置换技术。对复杂应力状态下围岩破碎、蠕变、流变的巷道，采取针对性措施把岩体中在外力作用下极松软破碎的岩石部分，用喷射混凝土予以置换。实际操作中，巷道底板和帮脚是置换的重点，帮脚是围岩垂直应力和水平应力的集中区，也是巷道支护中最薄弱的地方，深挖巷道两底脚，留出空间释放应力可起到卸压的作用，然后再喷施混凝土填充，即用混凝土置换此处不稳定的软岩。

4) 均布注浆技术。均布注浆就是通过深、浅注浆孔和被注加固岩体岩性相匹配的注浆材料对松动岩体进行适时注浆，使被加固的松动岩体应力趋于均匀分布，围岩趋于均质同性，结构趋于整体承载。注浆锚杆一定要深封孔，封孔深度一般不小于600 mm，封孔长度不小于200 mm，底脚注浆压力要高于顶部和帮部，一般控制在2.5～3.5 MPa，第一次注浆，终压控制在1.5～2.5 MPa，二次注浆压力要大于第一次，使注浆浆液的扩散半径能达到设计的要求。为确保底板的注浆效果，实现底鼓控制的目标，特别要做到加强底脚混凝土喷浆层，保证巷道帮脚的基础深度向帮外侧延伸300 mm以上，并加大底脚的注浆压力，调整好底脚注浆浆液的粘度，稳压注浆。

3 工程中的应用

3.1 工程地质条件

以郑州矿区杨河煤业轨道运输大巷为研究对象，31水平轨道运输大巷主要布置于L7灰岩及下部的砂质泥岩中，上距二1煤层距离为23 m。

3.2 支护参数确定

原支护如图1所示。①巷道设计掘进断面为18.8 m2，净断面为16.1 m2，断面净高为3 930 mm，净宽为4 700 mm，其中墙高为1 800 mm，拱部净高为2 350 mm，基础深度为100 mm。②支护方式：锚网(索)+喷浆支护。③锚杆规格：D20 mm×2 000 mm，间排距700 mm×700 mm，三花布置，每孔装树脂药卷2卷；托盘规格10 mm×100 mm×100 mm，锚固力符合设计要求(≥50 kN)；金属网规格D6.5 mm×1 000 mm×2 000 mm，搭接长度100 mm，12号铁丝每200 mm绑扎1道。喷射混凝土标号为C15，厚度120 mm。④锚索间排距为3 000 mm×3 000 mm，锚索长为6 000 mm，直径为15.24 mm，托盘规格为：300 mm×300 mm×10 mm。

图1 巷道原支护方式(mm)

3.3 支护优化设计

1) 支护参数。①锚杆参数选择。锚杆采用左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，规格：D22 mm×2 200 mm加长锚固，预应力100 kN；顶板和两帮采用加长锚固，用Z2355树脂锚固剂2卷，锚固长度1 m；锚杆的间排距也取700 mm×700 mm。②锚注材料的选择。注浆锚杆选用外径22 mm，壁厚3.0 mm冷拔无锈钢管，长度2 500 mm；为便于注浆，在锚杆上钻有交叉布置的D6 mm出浆孔；锚杆端部切有M22细牙螺纹，螺纹长30 mm。注浆孔布置间距700 mm，排距1 400 mm。③锚索、注浆锚索材料的选择。普通锚索规格：D17.8 mm×8 000 mm，强度1 860 N/mm2，最低破断荷载353 kN，1支K2850树脂锚固剂，3支Z2850树脂锚固剂，锚索间排距1 400 mm。注浆锚索选用高强度螺旋肋预应力锚索，规格D22.6 mm中空注浆锚索，极限破断强度420 kN，长度选取8 000 mm，两底角设置锚索各1根，下扎30°。混凝土反拱砼强度等级C20，支护方案如图2所示。

图2 “支-护-注”协同支护方案(mm)

2) “支-护-注”协同锚固优化设计。①“支-护-注”协同支护技术试用的范围：跨度大于5 m的Ⅲ类围岩巷道；Ⅳ～Ⅴ类围岩巷道；断面在15 m2以上的岩石巷道；跨度大于5 m的硐室；穿越破碎带的岩石巷道；复修巷道且围岩松动圈大于1 m以上等类型的巷道。②深浅搭配注浆原理。根据实测的围岩松散破碎情况，针对破碎延伸带3.5～10 m范围的巷道，实施深浅部裂隙岩体交叉、组合均布注浆技术。先用“自固、内自闭注浆锚杆”进行全断面浅部注浆(注浆扩散范围在3.5～5 m)，待浅部围岩得到有效加固后，再实施中空注浆锚索进行深部注浆加固[8]。浅孔注浆采用高性能单液水泥-水玻璃浆液，强度不低于20 MPa；深孔注浆采用高渗透、高强水泥浆液，强度不低于30 MPa。③底脚注浆锚杆[15]。规格同顶板注浆锚杆，间距700 mm×700 mm，排距1 500 mm；距离底板高度不超过100 mm，下扎30～45°。④喷射混凝土：初喷厚度70～80 mm，复喷厚度50～70 mm，强度等级C20。