注浆加固软岩巷道策略及稳定性

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1引言

地下巷道开掘诱发应力重新分布而导致的巷道变形趋于稳定后，围岩的流变速率及流变引起的围岩变形量，不仅和围岩的应力水平有关，而且和围岩本身的物理力学性质以及巷道所受到的人为扰动因素也密切相关。当巷道围岩为软岩时，由于围岩变形具有明显的流变特征，巷道变形长期难以趋于稳定，导致巷道由于变形量过大而不得不一次次地重复翻修。实践证明，注浆加固是改变软岩性质、特别是软岩流变性质的最有效手段之一。特别是近4O年来，随着新奥法隧洞施工理念、锚喷加固技术、注浆加固技术的广泛推广和应用，人们对软岩的水理性质、软岩巷道的围岩变形特征以及软岩巷道支护的基本原则等都有了一定程度的认识与了解。然而，由于软岩巷道的围岩变形具有明显的随时间增长而增加的时间效应，而且围岩变形对应力扰动和环境变化非常敏感等特点，使得一些传统的巷道支护方式(包括按目前较为流行的新奥法原理设计的锚喷支护)无法满足巷道围岩的变形要求，从而造成巷道顶板塌落、侧帮大面积开裂、底板膨起和支架折损等一系列问题。

2软岩巷道普通锚喷支护形式存在的问题

相对于传统的框架式结构支架而言，锚喷支护仍然是软岩条件下的最佳巷道支护形式，也是软岩巷道首选的支护形式之一。但限于目前人们对软岩巷道及其支护性质认识上的不足，加之普通的锚喷支护(包括普通锚喷加各种形式的框架形式支架的联合支护)形式无法满足软岩巷道大变形量的要求，采用普通锚喷(联合)支护的软岩巷道往往也由于收敛变形过大而失稳破坏。通过大量的现场实际观测与实验室测试，软弱围岩条件下普通锚喷支护形式主要存在以下三方面的问题：

(1)无法完全阻隔围岩与水的接触，围岩遇水软化、强度显著降低。当巷道围岩为软弱围岩时，许多情况下喷层所允许的变形量及变形特征都无法和软弱围岩所要求的变形量与变形特征相适应，常常造成喷层开裂、破坏、甚至剥落，导致巷道围岩无法完全隔绝与水及潮湿空气的接触，致使围岩遇水软化、强度降低。

(2)普通锚杆的加固作用无法充分发挥。全长粘结金属树脂锚杆锚固情况的现场调查结果表明：当喷层破坏，岩层塌落时，锚杆实际上有很长一段处于悬空无黏结状态。即便在有树脂同锚杆杆体黏结的地方也不是连续和完全充满的，其结果是导致锚杆总的有效黏结长度的降低，降低了锚杆的黏结阻力；不但锚杆的承载作用无法充分发挥，同时也难以充分调动围岩自身的承载能力。

(3)未加处理的巷道底板成为巷道支护体系的最薄弱环节之一。软弱围岩条件下，巷道底板加固处理的重要意义是十分显见的。但由于目前国内受钻孔机具等问题的影响，底板孔眼的钻凿工作比较困难，现场大多数地下巷道的底板都未进行支护或加固处理。在巷道周边集中应力及底板水的浸蚀作用下，底板往往成为整个巷道支护系统的薄弱环节，成为围岩变形破坏的突破点，继而引发巷帮、顶板的变形破坏，最终导致整个支护系统的破坏失稳。以上三方面问题的存在，充分暴露了使用普通锚喷支护技术维护软岩巷道的缺点。这就促使人们必须在全面分析软岩巷道变形特点的基础上，寻找一些以提高围岩自身承载能力为技术途径、以支护与围岩联合共同发挥作用为目的、更适合软弱围岩变形特点的支护或加固方式来解决软岩巷道的维护问题。

3锚喷支护软岩巷道围岩变形实测分析

软弱围岩条件普通锚喷支护形式存在的各种问题，最终都将直接反映到巷道围岩的长期变形上，以巷道围岩变形量大，变形速率长期不能趋于稳定等方式表现出来。根据采用普通锚喷支护形式维护的某煤矿回风大巷和运输大巷软岩地段，围岩变形的现场实际测量结果，新掘出的巷道初始变形速度高达每天几十毫米，围岩变形趋于稳定的时间较长，并且变形速度趋于稳定后，围岩仍以较高的速率持续流变，巷道的累计变形量短期内即可高达几百毫米。经过翻修的巷道，虽然变形与破坏比新掘巷道轻微一些，但巷道的变形量仍然很大，且巷道的收敛变形仍不能迅速地稳定下来。为进一步分析普通锚喷支护软岩巷道围岩的变形破坏规律，紧跟巷道掘进工作面设置测点，测量巷道的水平移近和垂直变形情况。连续半年多观测所得到的巷道水平和垂直变形结果如表1所示。根据函数逼近和回归分析理论，以及实测的巷道水平位移及水平变形速度的变化曲线(图1中的1线和3线)，以巷道的水平位移总量为例分析巷道变形随时间的变化规律。设u=At(1)y=lgu，C=lgA，x=lgt(2)则式(1)可化为式(3)所示的直线型式：Y=C+Bx(3)式中，u为水平位移总量，mm；t为时间，d；A、B为待定常数。根据表1中的数据，通过回归计算，得到待定回归系数A、B，以及相关系数R分别为：A=128．8；B=0．21；R=0．997。将回归所得的系数A、B代人式(1)中，可以得到普通锚喷支护巷道围岩水平位移量随时间变化的函数关系为：u=AtB=128．8t(R=0．997)(4)根据极值分析原理，分析式(4)可以看出：由于巷道水平变形量M在t>0的区域内是一个发散函数(如图1中的线2所示)。因此随着时间的增加，巷道水平移近量将持续增加，最终超过支护系统的允许变形量，引起巷道破坏失稳。同样，对巷道水平变形速度进行回归分析，得到水平变形速度t，随时间t的变化关系(图1中的4线所示)。函数关系如式(5)所示：v=0．5611exp(35．33／0(R=0．969)(5)式中：v为水平变形速度，mm／d；t为时间，d。利用极值分析原理，分析式(5)可以看出：由于v一。。=0．5611(mm／d)，所以，v在t>0的区域内是一个收敛于O．5611的收敛函数，说明巷道的长期水平变形速度并不趋向于零，而趋向于O．5611这一定值。从物理意义上讲，巷道水平变形速度所趋向的这一定值，应当是软弱围岩的流变速率。由于软岩所特有的流变特征，造成巷道的变形速度不能趋向于零，这也是巷道开掘影响趋于稳定后，巷道位移量仍无法收敛的主要原因之一。同样，利用表l中的巷道垂直方向的变形速度和变形量，以相同的数学分析方法，可以分析得到巷道的垂直变形量和垂直变形速度随时问变化的函数关系，分别如式(6)和式(7)所示。Ul=109．6to．尺=O．957)(6)v1=0．619exp(30．87／t)(R=0．933)(7)式中：u为巷道的垂直变形量，mm．vl为垂直变形速度，mm／d：其他符号意义同前。分析巷道的垂直变形量式(6)和垂直变形速度式(7)，可以得出同巷道水平变形速度和变形量相似的结论，即：由于巷道的垂直变形速度最终收敛于不为零的软岩流变速度，因此巷道的垂直变形量随时间的增长而发散，最终导致巷道因变形量超过其支护系统所允许的变形范围而破坏失稳，不得不多次进行巷道的整理和翻修。

4锚注加固软岩巷道围岩变形实测与分析

作为控制软岩巷道矿压显现与巷道维护的有效手段之一，近年来锚注加固技术，特别是全断面锚注加固技术受到了人们越来越多的重视。软岩巷道实施全断面锚注加固以后，由于巷道周围岩体中的裂隙被水泥浆液所充填。水泥浆液凝结后，岩体的物理力学性质得以改善，岩体自身的承载能力得到加强，从而使锚注加固巷道围岩的变形速度和变形量基本上得到了控制，从根本上解决了软岩巷道围岩变形速度太大，巷道变形长期不能稳定的问题。巷道的水平变形速度收敛于零，巷道的水平变形量随时间的增长会是收敛的，巷道的水平变形量也将趋于某一定值，最终使整个巷道支护系统能够长期地稳定下来。受巷道受底板水的影响等，巷道的水平变形收敛得会快些，而垂直变形收敛的会相对慢些。

5结束语

(1)采用普通锚喷支护手段维护软岩巷道时，无法由于喷层无法完全阻隔围岩与水的接触，围岩遇水软化、强度显著降低。不但使普通锚杆的加固作用无法充分发挥，同时也难以充分调动围岩自身的承载能力。此外未加处理的巷道底板也成为巷道支护体系的最易破坏的环节之一。

(2)由于普通锚喷支护软岩巷道的长期变形速率不趋向于零，而趋向于软弱岩体的流变速率。由于软岩流变速率是不为零的某一定值，因此巷道的长期变形量是随着时间的增长而发散的，这就是巷道开掘影响趋于稳定后，巷道位移量仍无法收敛的主要原因之一。

(3)采用锚注加固手段维护软岩巷道时，由于注浆浆液改善了岩体的物理力学性质，使巷道围岩的长期变形速率趋向于零，从而使巷道围岩的长期变形量趋向于某一定值。这就使得锚注加固巷道围岩的变形速度和变形量基本上得到了有效地控制，从根本上解决了软岩巷道围岩变形速度太大，巷道变形长期不能稳定的问题。