对于深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用分析

2014-12-11苏礼冲

中国科技纵横 2014年15期

关键词：软岩应力场高强

苏礼冲

(山东东山王楼煤矿有限公司,山东济宁 272000)

对于深部软岩巷道锚喷注
强化承压拱支护机理及其应用分析

苏礼冲

(山东东山王楼煤矿有限公司,山东济宁 272000)

近年来,我国大部分地区煤矿均已进入深部开采阶段,各类高新技术的应用为煤矿开采工作的顺利开展添加了源动力。在本文中,笔者主要结合深部软岩巷道受矿压影响形成的结构特点,对复杂应力场与高渗透压作用下的变形破坏原理进行深入研究,以“恢复应力、增强围岩、修复固结以及主动卸压”为重要前提,制定了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱以及滞后注浆加固拱于一身的锚喷注强化承压拱支护技术,并对该技术促进成拱与强化支护机理进行简单介绍,通过案例实践,为该技术的应用价值提供可靠依据。

深井软岩巷道成拱支护机理应用研究

1 深部巷道破坏机制与处理措施

1.1 复杂围岩应力场作用

七采下车场巷道埋深700m以上，原岩应力高达25Mpa，深部煤系地层应力场由于构造应力的影响，因此势必会更高。深部应力场较为复杂，因此巷道经掘进后会呈现出围岩应力集中、非固有属性恶化、强度不高等现象。普通的支护系统在这种环境下无法发挥出应有作用。通常施工人员在面对这一情况时，会通过促进围岩不断变形，失稳进入围岩破裂损伤地带的方式，使应力受压向深部扩展，直至达到新的平衡。

1.2 深部岩体的流变特性

受到深部复杂应力场的影响，部分普通岩石开始逐渐朝着软岩演化，呈现出易碎、柔软、膨胀以及流变等特点。为确保巷道能够正常使用，施工人员一般会专门委派专业人员在施工期间对其进行反复修整，为后期的工程施工打下坚实的基础。

1.3 高渗透压力作用

在深部巷道中，高应力与高渗透压产生耦合作用，岩体裂隙越来越大，裂化程度日益加剧。因此，七采下车场巷道围岩在高渗透压作用下，软弱结构面的强度特性与变形特性会进一步呈现出不同程度的差异。结合七采下车场巷道这一特点，笔者提出了锚喷注强化承压拱支护技术，旨在缓解锚固区围岩裂化程度，加强稳定，并进一步通过稳定锚固实现对非锚固区的径向限制，以确保巷道保持稳定，解决深部巷道难于控制的问题。

2 深井巷道强化承压拱支护原理

2.1 密集高强锚杆承压拱支护机理

在拱形断面巷道锚杆锚固区域中，高预紧力高强锚杆加固的作用范围比较类似于一段相互叠加的圆弧，从而形成一个连续压应力承压拱，辅助围岩承担上部岩体的附和。

常规锚杆支护与集中式锚杆支护的承压拱形形成机制如图1所示。从图1可发现，拱形巷道设定的锚杆深部间距越大，有效成拱厚度越小。使用集中式锚杆支护后，地压应力承压拱范围得以扩展，锚杆深度间距缩小，有效成拱厚度也越大，最终形成高压应力连续承压拱。该承压拱能大幅度提升围岩受力性能，增强岩体残余强度，进而实现巷道围岩的高稳定性。

图1 不同锚杆密度支护承压拱形成原理

2.2 厚层钢筋网喷层拱支护机理

巷道经开采后，向锚杆施加高预应力，增强围岩应力性能，对保持围岩结构的完整性大有裨益。就目前使用的锚喷支护技术，由于围压不均，效能不高，因此无法真正实现对围岩强度的改善，并不利于维持深部软岩巷道围岩的稳定性。而本文所提出的喷浆封闭围岩技术却能有效解决这一问题，使用这一技术，能有效增加喷层厚度，使钢筋网混凝土结构更稳定，抗弯性能与刚性也得以提升，具有极强的适应能力。而集中式高强锚杆所施加的整体预应力的功能也为此得以充分发挥，有效分散了复杂应力，使围岩支护的应用性更强。

2.3 滞后注浆加固拱支护原理

七采下车场巷道施工周期长，巷道围岩塑性区获得扩展，围岩结构经劣化后，巷道深部裂隙更为严重。所以，在密集高强锚杆压厚层钢筋网喷层拱封闭围岩条件下，予以注浆很有必要。经注浆后，巷道围岩残余注浆压力将获得缓解，围岩应力性能得以改善，并有效避免了水头压降等现象的发生，成功削弱了深部高渗透压对围岩裂隙的不利影响。使用残余力较高的注浆压力，使浆液填满围岩裂隙的各个角落，弥补了锚杆与孔壁间隙以及深部裂隙区，使承压拱的整体结构更加完整，作用范围得以延伸，有利于维护巷道深部支护系统的稳定性。另外，最终形成的密度高强锚杆，能够辅助节理充分发挥抗剪作用，限制了结构弱面的发展，提高了结构的控制力与适应能力。

3 工程应用效果分析

七采下车场巷道采用锚喷注强化承压拱支护技术，对深井巷道支护系统进行了加固。为了解该技术的应用情况，施工人员特设监测装置，对巷道表面位移情况进行检测。检测数据显示，七采下车场巷道顶板收敛速率保持在1.34mm/d，并在45d后出现减速趋势。两帮收敛率为3.12mm/d，并在30d后出现减速趋势，平均速率保持在0.43mm/d左右，明显低于原有锚固支护的3.1mm/d。监测所得各项指标数据表明，锚喷注强化承压拱支护技术有效缓解了围岩变形速率，增强了支护效果，在深井软岩巷道中充分发挥出了控制功能。