浅谈深部高应力软岩巷道支护技术

朱红亮

摘要：近年来，随着矿井生产的发展，开采深度不断增加，地层压力逐渐增大，这不仅给煤矿安全生产带来危害，延误了工期，而且造成了大量的资金浪费，严重影响了矿井正常生产和企业的经济发展，是制约煤炭工业进一步发展的技术关键，为此有必要研究深部高应力软岩巷道支护技术。

关键词：高应力；软岩巷道；支护技术

中图分类号：TU18 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0081-01

深部高应力软岩巷道支护一直是国内外地下工程支护的难题之一。该类巷道的主要特征表现为围岩松软破碎、塑性破坏范围大，变形严重，难支护、维护和返修率高。如果采取的支护措施不适当，将导致巷道围岩变形愈加剧烈，维护也会愈加困难，最终导致巷道失稳破坏。

1 高应力软岩的概念

长期以来岩石力学与工程界仍未就软岩的概念达成共识认为，在高地应力区经常遇到一类特殊岩体，当其处于地表浅部或低地应力条件下，岩体显示出较坚硬的特征；处于高地应力环境时，当围压较低时，岩体尚具有较高的强度和弹性模量，当围压较高时，岩体表现出“软岩”特征。显然，它有别于一般意义上的软岩，是一种特殊的、在高应力环境下的工程软岩体，称这类软岩为高应力软岩。

2 高应力软岩巷道变形破坏特征

高应力软岩一旦形成，在这些软岩体中掘进的巷道和硐室显示出来的变形特征与硬岩巷道的截然不同，具体表现为：

2.1 围岩变形量大

高应力软岩自身特征决定了该区域的巷道变形量大的特点，其中巷道的水平收敛量要比拱顶下沉量要大得多。一般为数厘米至数十厘米，表现形式有两帮内移、尖顶和底鼓。

2.2 初期变形速率大

由于水平构造压应力大于垂直应力，巷道在掘进时卸载迅速，来压快，表现为巷道的初期变形速率大。

2.3 巷道变形具有时效性

巷道围岩具有显著的流变性，表现为明显的时效性。当岩体流变所产生的围岩变形过大，使得巷道支护体无法适应而失效，围岩再次恶化并剧烈变形。

3 深部高应力软岩巷道支护技术

3.1 国外深部高应力软岩巷道支护技术

英国、德国、法国、俄罗斯、波兰等西欧国家直到20世纪80年代仍以金属支架为主，以其良好的支护效果，在浅部开采中得到了发展。随着采深的增大，赋存条件的复杂化，深部高应力软岩巷道采用传统支护已不能控制其稳定性，需不断进行翻修处理，甚至报废，已不适应煤矿深部开采的需求。后来，引进美国、澳大利亚的锚杆支护技术。目前，西欧大多数国家各类不同类型的锚杆、组合锚杆、锚杆桁架及锚索支护约占支护总量的90%；而比利时在深部高应力软岩巷道支护中利用全断面掘进机掘进，并使用高强砼—弧板，并且大弧板支架的成本不到U型钢可缩性支架的一半，而其承载能力比后者高约2倍，因施工中壁后充填缓冲层预留大变形层的施工工艺及设备的不配套，未能得到大力推广。美国、澳大利亚在近几十年的煤矿深部开采中，一直以锚杆支架为主體进行联合支护[33]。深部围岩一般采用锚网、组合锚杆（网）、高强超长锚杆（网）等支护形式；对于极不稳定围岩主要采用组合锚杆桁架、锚索支护、锚喷网与锚索联合支护等形式。

3.2 我国深部高应力软岩巷道支护技术

20世纪80年代以来，我国从支护材料、支护形式和支护工艺改革等方面着手对深部高应力软岩巷道支护进行研究，发展形成了锚喷支护、可缩性金属支架和高强度砼弧板支架及锚注加固等软岩巷道支护体系。

3.2.1 锚喷支护

锚喷支护先后形成了单一的木锚杆、金属锚杆、砂浆锚杆支护，到喷砼支护并进行光面爆破；在此基础上形成了锚喷支护技术，在煤炭工业部大力支持，锚喷支护相继在淮南、开滦、阜新、抚顺、鹤壁、大同、新汉等软岩巷道中得到了广泛应用。工程实践使锚喷支护得到不断完善，开展针对性的软岩巷道支护试验研究，最大成功就是锚喷支护与光面爆破得到了有机结合，最大限度地保护围岩的强度和整体性，充分发挥围岩的自承能力。锚喷支护对浅部巷道仍发挥起重要作用，但对于深部高应力软岩巷道的非线性大变形的特性已不相适应。

3.2.2 可缩性金属支架。可缩性金属支架广泛应用于铁法、充州、徐州、开滦、平顶山等矿区使用[35]，主要采用矿用工字钢、U型钢支架。采用钢性支架提高了支护力，而支架的可缩性又适应了围岩的大变形特性，同时不仅改善巷道的稳定性，而且减少了维护，提高使用率；但过高的支护成本，没有配套的机械设备，增加了劳动强度，已不能适应煤矿高产高效的发展。

3.2.3 高强砼弧板支架

在煤矿深部地层中，有断层及其它地质构造利用高强砼弧板支架能有效控制围岩大地压、小变形及流变引起失稳。全断面封闭和密集连续式的高强钢筋砼板块结构巷道支架，首先在淮南矿区得到成功利用并在东北大桥煤矿、广西右江矿务局加以推广[36]。其缺点是安装机械手不配套，壁后充填缓冲层预留大变形层的施工不配套，不能适应软岩巷道的大变形规律。

3.2.4 锚注加固技术

注浆技术在工程上第一次应用是200年前的法国土木工程师查理斯·贝里格尼（Charles Bering）进行地基加固。我国对注浆技术的研究和应用起步较晚，20世纪50年代初期开始矽化法在矿山行业中采用井巷注浆技术实践应用。“八五”重大科技攻关课题提出了将锚杆和注浆结合的锚注一体化支护技术。锚注加固技术实用性强、应用范围广，已广泛应用于矿山、地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁和土木工程等各个领域。锚注加固是一种新型支护加固方法，在深部软岩巷道应用中能充分发挥和调动围岩的承载能力[38]，为巷道稳定性控制提供良好的围岩环境，是深部软岩巷道支护一种重要技术。20世纪80年代以来，以支护为目的的巷道围岩注浆技术在苏联、德国等地开始研究与推行，我国同期也在深部复杂和不良岩体的巷道工程中采用注浆技术。

3.2.5 锚注联合支护技术

锚注联合支护技术是锚杆支护技术与锚注加固技术的有机结合，它充分利用二者各自的优点，改善围岩结构及其性质，提高围岩整体性和自承载能力，大大提高支护效果。它具有技术先进，实施方便，成本低廉、效果突出的优点，是解决深部高应力软岩巷道支护的一条有效途径。进行锚注联合支护的一般过程为：巷道开掘后，及时布置树脂锚杆，挂金属网及钢带，并用托盘压紧，对巷道进行一次支护；滞后10～20天，在巷道顶帮及底角布置注浆锚杆注浆加固，对巷道进行二次支护。

4 结束语

随着技术的进步，各地煤矿逐步进入深部开采，作为一名煤矿技术管理人员，要结合各地地区的地质条件等因素，采用科学合理适宜本矿井深部高应力软岩巷道支护技术，不断提高深部高应力软岩巷道支护技术，为煤矿安全生产做出更大的贡献。