松软破碎巷道注浆加固技术专题报告

松软破碎巷道注浆加固技术摘要：煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个重要组成部分。软岩工程是指与塑性大变形岩体有关的岩体工程，如软岩边坡，软岩隧道及软岩巷道工程等。由于软岩巷道工程所处的复杂工程地质条件，其支护问题一直是困扰我国煤炭生产的一个主要问题。本文系统论述了软岩的定义、工程地质特征和力学属性，分析了软岩巷道围岩的变形破坏特征及影响因素；就注浆加固技术国内外研究现状及目前存在的问题进行分析探讨；深入分析了围岩锚注加固机理；最后对松软破碎巷道注浆加固技术工程应用进行了设计。关键词：松软破碎；巷道；注浆加固；软岩； 1引言 矿井深部开采是煤矿和非煤矿山未来发展必然趋势。据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有80多座，其中南非最多。南非绝大多数金矿的开采水平都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深水平金矿，采矿深度达3700m;WestDriefovten金矿，矿体赋存地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的科拉尔(Kolar)金矿区，已有3座金矿一采深超2400m，其中钱皮恩里夫金矿共开拓112个阶段，总深3260m。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区，己有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8座矿山采准深度达910m，开拓深度到1570m，将来要达到2000一2500m。另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过I000m。我国已探明的煤炭资源量占世界总量的11.1%，我国煤炭资源埋深在1000m以下的为29500万亿吨，占煤炭资源总量的53%。目前煤矿开采深度以每年8一12m的速度增加，东部矿井正以每10年100一250m的速度发展，预计在未来20年很多煤矿将进入到1000m到1500m的深度。在我国的能源构成中，煤炭约占总能源的70%。为了满足日益增长的能源需求，我国在今后相当长的时间内煤炭开采的任务十分艰巨，而且经过长期大规模地开发之后，开采条件较为优越的煤炭资源己接近枯竭，因此提高产量的出路在于开采那些赋存条件差、埋藏很深的煤炭资源，这就意味着今后的采掘工作将在高地应力、围岩条件很差的环境中进行。而围岩稳定性差、巷道变形破坏比较严重的软岩问题在煤矿开采中早己存在:“九五”期间，我国10个能源建设基地中有8个相继出现了软岩问题，每年约有6X10喻的巷道在软弱围岩中开掘。随着今后开采深度的不断增大，常规支护方式难以维护巷道稳定，软岩问题将会更加突出，在相当程度上影响了煤矿的安全生产。在国家“六五”期间，建设北皂煤矿时采用锚网喷、锚网架喷，配合二次支护基本上解决了北皂煤矿极不稳定围岩巷道的支护问题。这里所说的二次支护与新奥法的二次支护有本质上的区别。新奥法的二次支护是当掘进迎头放炮后，立即喷一层浆并打上锚杆，目的是放炮后尽快阻止岩块的初始移动。他们认为如果初始移动一旦开始，则需要几倍乃至几十倍力才能控制围岩移动。故为阻止岩块的初始移动，需尽快提供第一次支护，然后进行二次支护即永久支护。这里所指的二次支护是在第一次支护变形到适当时候，再用二次支护。目的是当围岩受压后，第一次支护不能抗拒，先让压，即先让压力释放，当释放到到一定程度后根据观测结果，当避过压力峰值、变形速率减缓后再进行二次支护。这种支护方法一般能使巷道保持稳定。北皂矿及其他一些矿应用这一技术均获得成功。这种方法使北皂矿顺利投产，并基本维持正常生产。在“七五”攻关期间，除继续改善上述支护体系处理软岩支护问题外，重点研究了用可伸缩锚杆、预应力高强度大弧板、U29型全封闭可缩性金属支架来解决极不稳定围岩巷道的支护问题。可伸缩锚杆有三种类型，即蛇形锚杆、套管摩擦阻力可伸缩式锚杆、锚杆托盘外设弹簧式锚杆。实践证明，这类锚杆由于其伸缩量难以与围岩变形相适应，很难使围岩保持稳定而未能获得推广。预应力高强度大弧板是引进的国外巷道支护技术，仅限于东北大桥煤矿、安徽淮南矿务局、广西右江矿务局等少数矿井进行工业性试验。试验表明，这种支护结构加工要求高，对矿井巷道而言运输安装困难，进度慢，成本高，一旦被压坏，维修极为困难，因而未获推广。U29、工字钢等重型全封闭可缩性金属支架，自80年代开始应用以来，至今仍然是许多矿在不稳定、极不稳定围岩巷道支护中首选的支护形式。以上支护结构在解决不稳定围岩巷道支护时，有的往往需要多次翻修才能使巷道保持稳定，有的虽经多次翻修也难使巷道保持稳定。在国家“八五”重大科技攻关中，提出两类支护体系，一是由中国矿业大学提出的利用可伸缩锚杆、U型钢金属支架，配合高水速凝材料注浆来解决极不稳定巷道的支护;一是由山东科技大学提出的在锚喷支护基础上，通过锚注加固围岩，提高再生围岩岩体弹性模量来使极不稳定围岩巷道保持稳定。锚注技术由于工艺简单、成本低，支护可靠性高而被广泛应用。它现在不仅用于岩巷、铜室，而且用于煤巷：不仅用于新掘巷道，而且广泛用于地下工程维修;不仅用于静压巷道，而且也用于动压巷道。它是目前处理极不稳定巷道支护优先选择的支护技术。在国家“七五”、“八五”期间，除上述支护形式外，组合锚杆、析架锚杆、锚索等支护形式也逐渐引入我国，以解决不稳定、极不稳定巷道支护问题，并己为不少矿采用。从施工技术要求来看，析架锚杆、锚索只要设计合理是可以解决极不稳定围岩巷道的支护问题的。但这时要求析架锚杆、锚索有相当的长度和较大的预应力，这对施工及成本均有很大影响，广泛应用受到限制。总的来看，国外支护技术与我国支护技术相比并不先进。为适应不同围岩的需要，我国的支护技术类型更多，但国外支护设计、制造更规范，安装、检测设备也更先进，更可靠，但因国家不同其支护体系也有很大差异。美国、澳大利亚除早期在煤矿支护中应用过砌碹、锚喷、金属支架处，近几十年来一直以锚杆支架为主体。对于稳定、较稳定围岩重点采用普通锚杆支护;对不稳定围岩一般采用锚网、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析架、锚索支护;对一些特殊地点如随掘随冒、淋水大又破碎的地方采用金属支架。西欧如英、法、德等国直到80年代仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同的金属支架。他们的金属支架是根据不同围岩进行设计，并有专门工厂统一加工。其加工质量好，性能可靠，机械化安装，效果好，但在80年代后期，他们开始引进美国、澳大利亚的锚杆技术。目前，各类不同的锚杆、组合锚杆、锚杆析架及锚索支护约占支护总量的90%，取得良好的经济效益和社会效益。俄罗斯、波兰等国至今仍以金属支架为主，对不同围岩采用不同类型的金属支架，对极不稳定围岩也是采用翻修的方法处理，金属支架用量约占支护总量的70%左右，其他部分为锚喷、木支架、砌谴等。但我们认为随着俄罗斯、波兰改革的发展，锚杆支护技术也将走进俄罗斯、波兰的煤矿。目前，尽管巷道支护在近些年中取得了巨大的发展，但是软岩巷道有效支护仍然是煤矿整个巷道支护的薄弱环节，也是目前国内外尚未很好解决的难题，因而引起了众多科研单位和生产部门的普遍关注。煤矿生产建设的发展趋势迫切需要对软岩巷道支护，特别是高应力软岩巷道支护问题继续进行深入研究，寻求解决高应力软岩巷道支护问题的合理方法和有效途径。因此，研究高应力围岩与支护相互间的作用机理，进行支护结构的优化设计，进而减少巷道返修量、降低工程造价、为井下创造良好的作业环境是软岩巷道支护迫切需要解决的技术难题之一。注浆技术是用液压、气压或电化学的方法，把某些能与岩土体固结的浆液注入岩土体的空隙裂隙中去，使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性好的新结构体，从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。注浆技术的发展已有二百多年的历史。法国人开辟了注浆施工的先河，英国首次采用水泥注浆对井筒进行注浆堵水，成功的解决了井筒漏水问题，发明了硅酸盐水泥，从此水泥成为主要注浆材料，此后又有化学注浆、水玻璃注浆材料，双液单系统注浆法出现，促进了注浆技术的迅速发展，特别在1940年以后，注浆技术的研究和应用进入辉煌，各种注浆材料相继问世，注浆技术的应用越来越普遍。我国注浆技术应用较晚，20世纪50年代初才开始应用，经过50年的发展，我国注浆技术己取得了较大的进步，特别在水泥注浆材料研制方面处于世界先进行列。注浆应用遍及隧道、矿业、水利、交通、铁路等多个行业。对于地下工程而言，注浆技术应用越来越广泛，遍及各类巷道，特别是软岩巷道，采用注浆后，岩体的力学性能有了很大的提高，加固效果十分显著。本论文正是在分析锚杆注浆与围岩相互作用机理。2软岩性质及其工程分类21软岩性质由于研究者的不同目的，给软岩赋予了不同的意义和标准，但总的可分为两种基本类型，一是关于应用方面的分类，一是关于岩体内在特性的分类。软岩，“软”体现了岩体内在特性，即岩石的硬度欠缺;“弱”体现了软岩在应用方面的能力，即对于承受外载荷，它的承载能力和抗变形能力都较差。因此，可将软岩分为地质软岩和工程软岩。2.1.1地质软岩按地质学的岩性划分，地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质粘土岩等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度在0.5一25MPa之间的一类岩石，其分类依据基本上是按强度指标。按强度指标来定义软岩，往往在工程实践中会出现矛盾。例如地下隧洞所处深度足够的小，地应力水平足够的低，尽管岩石强度小于25MPa，但岩石不会产生软岩的特性;如粘土岩室内剪切流变试验时，只有剪切应力达到一定值之后才出现软岩变形的特征;相反，大于25MPa的岩石，在较大荷载的条件下也会出现流变性。2.1.2工程软岩工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，而工程软岩是不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小。工程力是指作用在工程岩体上力的总和，它可以是重力，构造地应力，水的作用力，工程扰动力以及岩体膨胀应力等;显著塑性变形是包含显著的弹塑性变形，粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。工程软岩的变形特性的实质是相对性的，其变形性质取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性， 强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性;而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的变形特性;在较高工程力的作用下，则可能表现为软岩的变形特性。2.1.3工程软岩和地质软岩的关系工程软岩和地质软岩的关系是，当工程荷载相对于地质软岩(如泥质岩等)的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩;在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩也呈现了显著变形特征，则应视为工程软岩。综上所述，可将软岩定义叙述如下:软岩是一种特殊的岩类，从岩石固有的特性来说，它具有软的形态;而从工程应用的观点来看，它又是“弱”的，具有较低的承载能力和较大的变形性。在工程力的作用下，具有明显的塑性变形或粘塑性变形特征。在工程实践中，我们着重研究是工程意义上的软岩。2.2软岩的工程特性及力学属性2.2.1软岩的工程特性软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的工程力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、触变性和易扰动性的特点。(1)可塑性软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形，这种性质称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的。节理化软岩是由于结构面滑动和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起的。(2)膨胀性软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有:内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。(3)崩解性软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。(4)流变性软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形;节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移;高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态;或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变化而降低。除了弹性变形外，岩石变形不是瞬时完成的，它与时间有密切关系。当应力不变时，岩石应变随时间延续而增长，当应变保持不变时，应力随时间延续而减少。前一现象称为蠕变，后一现象称为松驰。岩石的蠕变和松驰现象称为岩石的流变。由于岩石具有明显的流变特性，所以在围岩的稳定性分析中，必须涉及到围岩应力、变形、破坏失稳及围岩压力形成的时间过程。(5)易扰动性软岩的易扰动性指由于软岩软弱裂隙发育、吸水膨胀等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。2.2.2软岩的力学属性软岩有两个基本力学属性:软化临界荷载和软化临界深度，它揭示了软岩的相对性实质。(l)软化临界荷载随着应力水平的提高，特别是围压的增大，岩石产生的塑性变形明显增加，使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石，在高应力水平下显示出显著的塑性变形。对于给定的工程围岩，均由弹性变形为主的工程状态向以塑性变形为主的工程状态转化的临界点，我们称之为软化突变点，而与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。当岩石种类一定，其软化临界荷载也是客观存在的。围岩所处的地应力场的应力水平是否超过软化临界荷载是判断围岩是否为软岩的标准，一当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，则该岩石属于硬岩范畴;而只有当荷载水平高于软化临界荷载时，该岩石表现出了软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。(2)软化临界深度与软化临界荷载相对应，岩石亦存在着一个软化临界深度。对给定巷道，软化临界深度也是一个客观量。当巷道埋深大于软化临界深度时，围岩出现大变形，大地压和难支护现象;当巷道埋深小于该临界深度时，则围岩的大变形，大地压现象消失，巷道支护容易，这一临界深度被称之为岩石软化临界深度。(3)软化临界荷载与软化临界深度的关系软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载，故软化临界软化临界深度可以相互推求，在无构造残余应力的地区，其关系为： (2-1)在构造应力较大的地区，其关系为： (2-2)式中：软化临界深度(m);软化临界荷载(MPa);残余构造应力(MPa);工程岩体容重(t/m3)。2.3软岩大变形特征及影响因素2.3.1软岩的变形特点(1)强度低、自稳时间短、变形速度快，破坏前总变形量大。软岩层中最典型的是泥岩，一般软泥岩单轴抗压强度小于10MPa，最低的0.6MPa左右。由于其强度低，所以开挖后自稳时间短，变形速度快，破坏前总应变量一般超过5%。(2)容重小、孔隙率小、含水率高，吸水或减水膨胀力大。软岩一般结构疏松、容重小(2000Kg/m3左右)，孔隙率大(14%以上)，致使含水率增高(19%以上)，所以一般软岩开挖后，其膨胀率随时间呈增长趋势。许多软岩地下工程的膨胀压力值可由每平方米数吨至数百吨。软岩含有成分不同，吸水和减水都可使膨胀力增加。(3)对震动的敏感性强。软岩由于本身结构松散，胶结程度差，强度低等特点，对低频弹性波的吸引能力强，因此抗震性能低，疲劳强度小，所以在低频重复性荷载爆轰波的作用下，对其本身的完整性和强度影响很大。(4)流变性明显。松软岩层的流变性大，有的软岩只处于塑性流变阶段，当含水大时，流变性更加明显。有的软岩工程开挖后，其流变性象砂涌，会出现越挖涌得越多，以至不可收拾。(5)开挖后产生大松动圈。软岩地下工程开挖后，由于围岩强度低，或围岩处在高应力区等原因，应力很容易超过其自身强度，使周围产生松动，出现一个大的松动圈，松动圈厚度一般大于15m。2.3.2影响软岩大变形的主要因素(1)岩性因素。岩石本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能，膨胀性矿物的含量等，这均是影响软弱围岩大变形的内在因素。(2)围岩应力。这是造成围岩变形的直接因素，包括垂直应力、构造残余应力及工程环境和施工的扰动应力，邻近巷(隧)道施工，采动影响等，特别是多种应力的迭加情况影响更大。(3)水的影响。其包括地下水及工程用水，尤其是对膨胀岩，水不仅造成粘土成分的膨胀，同时降低岩石强度。(4)时间因素。流变是软弱围岩特性之一，巷道变形和时间密切相关。2.3.3软岩巷道变形破坏的一般特征 软岩巷道的变形破坏特征不仅受围岩的力学性质影响，而且受巷道所处的地应力环境和工程因素等影响。一般情况下，软岩巷道破坏具有如下特征：(1)变形破坏方式多:变形破坏方式一般有拱顶下沉、坍塌、片帮和底鼓，巷道表现出强烈的整体收敛和破坏，变形破坏形式既有结构面控制型，又有应力控制型，主要以应力控制型为主。 (2)变形量大:巷道的收敛变形从数厘米到数十厘米，最大可达1.0米以上，严重者可封堵整个巷道。从变形破坏来看，岩体以挤出大变形为主，有巷道侧帮的张拉挤出破坏，有巷道顶板挤出下沉，也有巷道的强烈底鼓。 (3)初期变形速率大:软岩巷道初期收敛速度达到3cm/d，即使在施工常规的锚喷支护以后，软岩巷道的收敛速度仍可达到2cm/d，而且其变形收敛速度降低缓慢。(4)持续时间长:由于软岩具有强烈的流变性和低强度，软岩巷道掘进后，围岩的应力重分布持续时间长，软岩巷道变形破坏持续时间很长，具有明显的时间效应，往往长达1一2年。如果不采取有效的支护措施，围岩变形的急剧增大，势必导致巷道的失稳破坏。 (5)围岩破坏范围大:由于软岩巷道中围岩的强度与地应力的比值很小，因此，软岩巷道围岩的破坏范围大，特别是当支护不及时或不当时，围岩破坏区的范围可达2.5倍洞径，甚至更大。 (6)各位置破坏不一:在巷道周边不同部位，变形破坏程度不同，这反映了软岩巷道所处的地应力强度因方向而异和软岩具有强烈的各向异性。变形破坏在方向上的差异性往往导致支护结构受力不均，支护结构中产生巨大的弯矩，这对支护结构稳定是非常不利的。 (7)来压快:软岩巷道变形收敛速度高，在很短时间内，围岩即与支护结构接触，产生压力。围岩与支护结构相互作用后，围岩的变形破坏并不立即停止，而是继续下去，这是因为软岩具有流变性，在围岩流变过程中，围岩的强度降低，因此，地压随时间而逐步增长。 (8)对应力扰动和环境变化非常敏感:主要表现为巷道受临近开掘、水的侵蚀、爆破震动及采动影响时，都会引起巷道围岩变形破坏的急剧增长。3注浆理论的研究现状 注浆浆液的流动过程是浆液和被注介质共同作用的结果，因此，对注浆浆液和被注介质的认识是研究注浆渗流过程的基础。3.1岩体结构理论的研究现状 岩体孔隙或裂隙是浆液流动的通道，由于岩体结构的不同，造成浆液流经的方式和途径不同，从而产生不同的注浆效果。因此，对岩体结构的研究是整个注浆理论的基础。 (1)多孔介质理论。该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体的通道，根据其孔隙分布情况，又可分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介质。 (2)拟连续介质理论。该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过该理论应用等效原理处理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内每一点上都同时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流动的。 (3)裂隙介质理论。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内通过裂隙网络流动。 (4)孔隙和裂隙双重介质理论。该理论认为岩体由孔隙性差而透水性强的裂隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时，既可在裂隙中流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。3.2注浆渗流理论的研究现状 近凡十年来，国内外学者对渗透注浆法进行了广泛而深入的研究，发展了一系列注浆渗透理论，如马格理论(球形扩散理论)、柱形扩散理论、卡罗尔理论、刘嘉才的单平板裂隙注浆渗透模型、Bkaer公式，GLmobda公式等。3.3注浆加固体强度理论及本构关系研究现状 含裂隙岩体注浆加固后，其强度和抗渗透性将有所提高。被注岩体的强度、抗渗透性的提高程度以及对结构稳定性的影响，受岩体结构、注浆材料和注浆过程的控制。因此，对注浆加固后岩体力学特性的本构关系的研究，是研究注浆理论不可缺少的一个方面。目前，国内在这方面的研究不多，只有一些定性的结论，用从现场取得的不同胶结形式的注浆加固体进行了一系列试验，并得出了注浆后岩体的平均内摩擦角和粘聚力均有一所提高。.3.4合理注浆加固时间的确定 (1)理论上的确定 岩石力学理论和工程实际表明，铜室开挖以后，变形逐渐加大。以变形速度区分，可划分三个阶段:即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。软岩巷道支护和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由它们的本构关系不同所决定的。而软岩巷道的另一个独特之处是，其巨大的塑性能(如膨胀变形能)必须以某种形式释放出来。因此软岩巷道支护原理可以表示为: (3-1)式中： 挖掉巷道岩体后使围岩向临空区运动的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等; 以变形的形式转化的工程力，可以包括弹塑性转化(与时间无关);粘弹塑性转化(与时间有关);膨胀力的转化(与时间有关)。对于软岩来讲，主要是塑性能以变形的形式释放; 围岩自撑力，即围岩本身具有一定强度，可承担部分或全部荷载; 工程支护力。 显然，加速变形阶段可以使一Max，但却大大降低了，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是用最佳支护时间段确定最佳支护时间和最佳支护时段。 最佳支护时间系指可以使(+)同时达到最大的支护时间，其意义如图1.1示 图1.1表明，最佳支护时间就是(+)一t曲线峰值点所对应的时间TS。实践证明该点与一t曲线和一t曲线的交点所对应的时间基本相同。此时，支护在优化意义上充分地达到最大。最佳支护时间点的确定，在工程实践中是难以办到的，所以提出最佳支护时间段概念。最佳支护时间段的概念如图3-1所示，在TS1，一TS2之间。图3.1 最佳支护时间段巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重分布，切向应力增大的同时，径向应力减少，并在铜壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道空区变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下，切向应力在铜壁附近发生高度集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性状态。进入塑性状态的围岩称为塑性区。塑性区的出现，使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，又将出现新的塑性区，如此逐层推进，使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当支护措施，临空塑性区将随变形加大而出现松动破坏。塑性区和松动破坏区截然不同，松动破坏区没有承载能力，而塑性区具有承载能力。塑性区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围，称为稳定塑性区:出现了松动破坏区之后的塑性区，称为非稳定塑性区。稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形:非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为非稳定变形。塑性区的出现改变了围岩的应力状态，这种变化对支护来讲具有两个力学效应:围岩中切向应力和径向应力降低，减小了作用于支护体上的荷载;应力集中区向深层偏移，减小了应力集中的破坏作用。在巷道两帮发生应力集中时，两帮岩石处于极不利的单轴受力状态条件，极易产生片帮破坏。应力集中偏移深部后，一方面应力集中程度降低，另一方面深部岩石处于三轴受力状态，其破坏可能性大大减小.因此，对于高应力软岩巷道支护来讲，要允许出现稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间Ts。Ts之前出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间，它可以通过计算机监控计算得到，也可以通过现场特征判断直接得到。 (2)工程上的确定 根据软岩巷道支护原理的最佳支护时间的判断曲线，关键部位藕合支护时间的判断如图1.2所示。 巷道支护的一般变形特征可划分三个阶段:减速阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。显然，加速变形阶段可以使Max，但却大大降低了，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是确定最佳支护时间。显然，通过测量和有关方法求出图中一t曲线和一t曲线的交点是困难的，事实上，有更简捷的方法求得最佳祸合支护的时间(段)。研究表明，变形力学状态进入图1.2中A区时，支护体多产生鳞状剥落;变形力学状态进入B区时，伴随着片状剥落:进入C区后，将产生块状崩落和结构失稳。因此，判别最佳支护时间(段)就是鳞、片状剥落的高应力腐蚀现象出现的时间。 另外，根据现场调查研究，张性、张扭性裂缝，宽度达到1一3，即己进入A区和B区，即进入祸合支护的时间;巷道表面各点变形量达到设计余量的60%，即进入耦合支护的时间。4围岩锚注加固机理分析4.1锚注支护机理分析在锚喷支护基础上或在原金属支架、砌暄支护基础上，进行壁后注浆，可以强支护结构的整体性和承载能力。保证支护结构的稳定性，既具有锚喷支护的柔性与让压作用，又具有金属支架和砌暄等支护方式的刚性支架的作用，组成联合支护体系，共同维持巷道的稳定。其支护机理包括以下几个方面:(l)采用注浆锚杆注浆，可以利用浆液封堵围岩的裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度;(2)注浆锚杆注浆后将松散破碎的围岩胶结成整体，提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量，从而提高了岩体强度，可以实现利用围岩本身作为支护结构的一部分;(3)注浆锚杆注浆后使得喷层壁后充填密实，这样保证荷载能均匀地作用在喷层和支架上，避免出现应力集中点而首先破坏;(4)利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，形成的多层组合拱结构(图4一l)，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力;图4.1注浆加固支护机理图1一普通金属锚杆:2一注浆锚杆;3一金属网喷层:4一注浆扩散范围;5一锚杆作用形成的锚岩拱;6一喷网层作用形成的组合拱; (5)注浆后使得作用在拱顶上的压力能有效传递到两墙，通过对墙的加固，又能把荷载传递到底板。由于组合拱厚度的加大，这样又能减小作用在底板上的荷载集中度，从而减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减轻底朦。底板的稳定，有助于两墙的稳定，在底板、两墙稳定的情况下又能保持拱顶的稳定;顶板的稳定不仅仅取决于顶板荷载，在非破碎带中关键取决于底板和两墙的稳定，因此注浆支护的又一个重点就是保证两帮与底板的稳定，从而保证整个支护结构的稳定;(6)注浆锚杆本身为全长锚固的锚杆，通过注浆也使端锚的普通锚杆变成全长锚固锚杆，从而将多层组合拱联成一个整体，共同承载，提高了支护结构的整体性;(7)注浆使得支护结构面尺寸加大，围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯距减小，从而降低了支护结构中产生的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，提高了支护结构的承载能力，扩大了支护结构的适应性;(8)注浆后的围岩整体性好，与原岩形成一个整体，从而在大构造应力作用下保持稳定而不易产生破坏。4.2注浆加固机理分析4.2.1网络骨架作用在注浆加固过程中，浆液在泵压及微裂隙的毛吸作用下挤压或渗透到岩体的大大小小的裂隙中去，浆液固结后，以固体的形式充填在裂隙中并与岩体固结，这些充填的材料在岩体内形成了新的网络状的骨架结构，如图4一3所示。注浆后的岩体增加了由加固材料形成的浆脉，现场观侧到的浆脉厚度为.01mm-18mm。这些浆脉在岩体中呈薄厚不一的片状或条状，但均互相联系形成网络骨架。网络骨架内则是均匀密实的岩体，形成网络骨架的充填材料具有较好的弹-粘性和粘结强度。图4.2加固材料在岩体中的分布4.2.2粘结补强作用下面我们采用莫尔强度理论对注浆的粘结补强作用作一分析。岩体的强度，通常用莫尔强度理论来描述。为简化计算，强度曲线采用直线形包络线即 (4-l)式中 岩体抗剪强度MPa;正应力，MPa;C一一岩体的内聚力，MPa;内摩擦角，度。由( 4-1)式可知岩体强度大小是c，尹两个指标确定的。当井巷掘进后，原岩体中应力平衡状态受到破坏，围岩应力重新调整，表现为巷道周边径向应力消失，切向应力增大，而出现应力集中出象。当集中的切向应力超过岩体强度极限时，巷道周边岩体首先破坏，产生裂隙，岩体原有的内聚力C及内磨擦角沪值下降，在巷道周围的一定范围内形成围岩破碎带，即所谓围岩松动圈。在此松动圈内的岩体，是具有一定残余强度的多裂隙岩体是塑性区的一个组成部分。注浆加固就是处理这一区域内的岩体，使其强度得到提高，从而使莫尔圆远离强度包络线(图4-3)，显然，这有利于围岩的稳定。岩体C和值的增值大小，视注浆材料的性能及注浆工艺是否合理而有所不同，一般来说，注浆材料本身固结强度高、稳定性好的，其C和值增加的较大，反之亦然，注浆工艺合理，能保证岩体裂隙充填密实，浆液与裂隙面粘结牢固，其C和值也增加的多。由于浆液在岩体内充实，固结强度提高，使巷道周围形成一完整的连续的承压体，围岩应力分布趋于均匀，减少了应力集中现象，提高了支架的承载能力。图4.3摩尔强度准则表示的注浆前后岩体强度变化根据前苏联B、C沙新的研究表明，岩体内内聚力C(r)随离开巷道周边向岩体深入的距离增加而逐步增大，可用下式近似表示: (4一2)式中： C未被破坏岩体的内聚力;Cr、n岩体裂隙性系数(C0 n =1.36);r一无量纲极坐标，r=R/R0R离巷道周边某点处的距离;Ro巷道净半径。注浆后，裂隙岩体固体起来，除开内聚力近似地如(4.3)式所示外，岩体的裂隙参数亦有变化。注浆前n=3，注浆后n=6。若假定r=R/R0=3，则注浆前后的分别为0.35及0. 015635。可见，巷道围岩注浆后，对其强度的影响是很大的。此外，根据前苏联M.卡姆别霍尔及B.中.别廖也夫等人的研究表明，岩体经注浆后，取样测定，其内聚力C值较原来增加了4070%。4.2.3充填密实作用注浆浆液在泵压作用下，不但可以将相互连通的岩体裂隙充满，同时在压力的作用下，还可将充填不到的封闭裂隙和孔隙压缩，从而对岩体整体起压密作用。压密作用的结果是使岩体的弹性模量提高，强度也相应提高。4.2.4转变破坏机制的作用从断裂力学的观点出发认为，连续介质(如岩体)内有裂隙时，在承载过程中会形成严重的应力集中，而最大的应力集中在裂隙端部，如图4.4所示。应力集中的程度(系数)K主要取决于裂隙端部半径p，裂隙长度C及岩体尺寸不之比，介质发生破坏就是在一定的应力条件下裂隙出现失稳扩展的结果。图4.4裂隙端部应力集中经过加固后，裂隙内将充满加固材料，而且由于加固材料对裂隙面的粘结作用，就会使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失，从而可使岩体的破坏机制发生转变。例如，由原来的裂隙扩展破坏转变为在最大剪应力作用下的剪切破坏，或在垂直于最小主应力方向上发生拉伸破坏等等。另外，当岩体中存在较大的裂隙，裂隙附近的岩石单元处于二向应力状态(裂隙面法相应力为零)，而当裂隙内充满加固材料后，应力发生变化，这些单元将转变成三向受力状态。岩石力学理论及岩块三轴实验结果都表明，在受压的情况下，岩石处于三向受力状态。岩石在三向受力状态下的强度极限将比在两向或单向时显著增大，并且脆性减弱，塑性增强。从这一角度来看，注浆加固也起到了转换破坏机制和增加岩体强度的作用。5 松软破碎巷道注浆加固设计5.1桨液选择注浆材料的选择与应用应根据锚注地段的地质条件、施工要求、原材料供应和成本等因素而定。目前注浆材料主要有两大类，即以水泥为主的水泥浆液和以各种化学材料为主的化学浆液。选用注浆材料应遵守两大基本原则:技术可靠性和经济合理性。具体地讲，理想的注浆材料应满足以下要求:(1)浆液粘度低，流动性好，可注浆性好，能够进入细小空隙和粉细砂层，这样可达到最大的扩散半径取得最好的注浆效果。(2)浆液凝固时间能够调节，并且可以准确控制，可达到定量注浆的目的。(3)浆液的稳定性好，无毒，无嗅，对环境无污染，对身体无害，非易燃易爆物。(4)浆液对注浆设备、管路无腐蚀性，并且易清洗。(5)浆液固化后有一定的粘性，能与岩面粘结。(6)结石体具有一定强度，抗渗性好，且具有耐老化性。(7)浆液的成分对围岩不起破坏作用。(8)材料来源丰富，价格便宜。一种材料能同时满足以上要求是困难的，现有的注浆材料都有某些方面的缺点，实际应用中应根据具体的要求，选用一种或几种配合使用，也可较理想地达到预期目的。5.1.1化学注浆国内外在50、60年代已开始将化学浆液材料用于防水堵水工程中，但用于加固技术的较少。化学浆液材料一般包括水玻璃浆液和其他一些高分子聚合物，如脉醛树脂类、铬木素类、聚氨酷类。化学浆液是一种溶液型材料，其颗粒极小，分散均匀，浆液不易离析沉降，容易进入地层的细小裂隙和孔隙之中，粘结性强，抗渗性强，但是其稳定性差，操作工艺要求严格，有的浆液有毒，对环境和人体不利，价格较高，一般用于局部堵水防渗中，在井巷支护中应用较少。1996年龙口局北皂煤矿曾做过一次用PM浆液加固巷道的实验，观察到较好的效果，取得了一些有益的经验。该实验根据围岩含有遇水易膨胀的蒙脱石的特点选用了易吸水、粘结性好、韧性强的聚氨脂类浆液即MP浆液。该浆液虽然相对其它注浆材料有一些优点，如渗透性好、扩散均匀等，但也存在一些问题，如操作不易控制，浆液的稳定性差，清洗设备较困难，成本高，材料来源匾乏等。5.1.2水泥浆液水泥浆液一般分为单液水泥浆和水泥一水玻璃双液浆。水泥作为注浆材料使用历史较长，在煤矿中应用也较为广泛。它具有来源丰富、价格低、结石强度高，抗渗性较好、操作简单、注浆设备品种齐全等特点。但由于其颗粒度大，可注性差从而扩散半径小，凝结时间不易控制，结石率低，所以目前采用了一些掺加剂制成水泥单液浆液。为了克服单液浆液的缺点，现在广泛采用了在水泥浆液中配合一定量的化学材料组成的双液浆。使用较广泛和成功的是水泥一水玻璃双液浆。该浆液既保持了单液浆的优点，又克服了单液水泥浆的凝结时间长，凝结时间不易控制，结石率低的缺点。但该浆液在注浆前应进行细致的实验测定，确定水灰比和水玻璃的浓度以及水泥浆与水玻璃的体积比等指标。双液浆在注浆工艺上较单液浆注浆复杂，在成本上也较单液浆高。故双液浆一般用于局部堵水和防水，而不用于大量的围岩注浆。不含膨胀性岩石的软岩巷道，只是由于本身的松软和低强度，以及地压及地质条件的影响而造成其支护困难。因此对无淋水的巷道，超前锚注巷道及锚注加固工程等没有必要采用价格昂贵、操作困难的化学浆液，采用单液水泥浆即可满足要求。单液水泥浆按其所添加的掺加剂不同，可配制出多种类型的水泥浆液。1. 水泥水玻璃单液浆在纯水泥浆液中掺加4.5%的45Be，水玻璃，常用配比见表5.1所示。表5.1水泥水玻璃单液浆(4.5%水玻璃)配制表序号水灰比水泥（kg）水（L）4.5%Be水玻璃（L）制成浆量10.6:15028.61.03-1.7246.720.7:15033.61.03-1.7251.730.8:15038.61.03-1.7256.741:15048.61.03-1.7266.72.水泥三乙醇胺单液浆在水泥浆中掺加三乙醇胺与氯化钠组成的混合溶液配制而成的单液水泥浆，常用配比见表5.2所示。表5.2水泥浆(加三乙醇胺和氯化钠混合溶液)配制表序号水灰比水泥（kg）水（L）4.5%Be水玻璃（L）制成浆量10.6:15028.731.2746.720.7:15033.731.2751.730.8:15038.731.2756.741:15048.731.2766.75.2 注浆参数.5.2.1浆液扩散半径浆液在岩石裂隙中扩散凝结后，能起到堵水或加固作用的范围通常用扩散半径来表示。浆液在岩石裂隙中的扩散，实际上是不规则的，它随着岩层渗透系数、裂隙宽度、注浆压力、注入时间的增加而增大;随着浆液浓度和粘度的增加而减小。通常以调节注浆压力，浆液注入量和浓度等参数来控制浆液扩散范围的大小，一般要求其扩散半径在0.8-1.Om以上。5.2.2注桨压力注浆压力是浆液扩散、充填、压实的动力，浆液在岩层裂隙中扩散、充填的过程，就是克服流动阻力的过程。注浆压力大，浆液扩散远，耗浆量大，会造成浪费，而且如果压力过大将引起劈裂注浆，很可能在注浆过程中导致围岩表面片帮冒顶等破坏。注浆压力小，浆液扩散近，耗浆量小，有封堵不严的可能，难以达到注浆加固的目的。因此，正确选择注浆压力及合理运用注浆压力是注浆成败的关键。内注浆锚杆为浅孔注浆，据经验初步设定注浆压力控制在1.5MPa以内。5.2.3浆液浓度水泥注浆浆液浓度的使用原则，总的来说是开始注浆，浆液较稀，注浆中浓度渐浓，最后封孔。试验中，通过改变水泥浆的水灰比而调节其浓度，先采用1Cl的稀浆注入，再用0.70.8:1水灰比的浆液注入，最后封孔时，为防止从孔口跑浆，改为0.6:1的稠浆封孔。但浆液浓度增加后，易粘住龙头，泵吸浆困难。浆液水灰比采用TBW型泥浆泵时，以0.8:1或1:1为好。5.2.4注浆量由于围岩裂隙发育，松动范围的不均匀性和围岩岩性的差异，围岩吸浆量差别较大，所以本着既有效地加固围岩达到一定的扩散半径，又要节省注浆材料和注浆时间的原则，对于单孔而言，为了保证合理的注浆量，一是控制泵压，在围