軟巖巷道支護(hù)

第十二章軟巖巷道支護(hù)第一節(jié)基本概念及變形特征一、軟巖及軟巖巷道的定義與分類目前對(duì)軟巖及軟巖巷道（工程）的定義及其基本特征尚未完全統(tǒng)一，但一般認(rèn)為軟巖是指強(qiáng)度低的巖體，是松散、軟弱、破碎、膨脹、流變、強(qiáng)風(fēng)化蝕變，以及高地應(yīng)力巖體的統(tǒng)稱。軟巖巷道，則指布置于上述軟巖中難支護(hù)、需多次翻修和多次支護(hù)的巷道。軟巖的基本特性包括重塑性、崩解性、脹縮性、觸變性、流變性。其中，重塑性是軟巖的基本屬性，崩解和脹縮性是環(huán)境效應(yīng)，觸變性是空間效應(yīng)，流變性是時(shí)間效應(yīng)。在實(shí)際工程中，往往是各種效應(yīng)的綜合，但有主有次，故應(yīng)針對(duì)具體條件采取相應(yīng)或綜合措施。軟巖的工程分類，對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工管理、定額制度、支護(hù)方式的合理選擇以及改變軟巖礦井技術(shù)面貌都有十分重要的意義，國內(nèi)外專家學(xué)者提出的分類方案有十幾種之多，應(yīng)用較多的有以下幾種。1、煤礦巷道分類方案表12-1為我國《煤礦巷道軟巖分類的建議》中的分類方案，將軟巖分為3類，其中累計(jì)得分一項(xiàng)由表12-2給出。表12-1煤礦軟巖巷道綜合分類方案4軟巖分類判別III田前期累計(jì)得分1?34?6N7后期水平變形量/mm<150150?300N300圍巖松動(dòng)圈/m1.5?2.02.0?3.0N3.0支護(hù)難易程度架棚、直墻拱碹出現(xiàn)破壞架棚、直墻拱碹經(jīng)1?2次翻修穩(wěn)定架棚，直墻拱碹經(jīng)多次翻修仍難穩(wěn)定注：水平變形是指巷道掘出后，一次錨噴支護(hù)時(shí)，兩側(cè)墻位移的總和取大值；圍巖松動(dòng)圈指巷道掘進(jìn)后，測(cè)得圍巖縱波速度降低范圍的平均值。表12-2煤礦巷道軟巖分類判別指標(biāo)同巖屬性1級(jí)（1分）2級(jí)（2分）3級(jí)（3分）松散破碎松散弱膠結(jié)松散巖體無膠結(jié)松散巖體有水有泥松散巖體破碎破碎塊體塊度＜ 0.3?0.4m碎塊之間含＜30%的斷層泥碎塊間含＜30%軟泥，含飽和水塑性流變R=20?8Mpa軟弱致密流變R=8?1Mpa軟弱裂隙易流變R＜1Mpa軟弱致密極易流變膨脹W=25?50%W=50?90%W>90%

地應(yīng)力yh/R=0.3?0.4yh/R=0.4?0.6巷道在高地應(yīng)力區(qū)注：r為圍巖點(diǎn)載荷強(qiáng)度；w為巖塊干燥飽和吸水率；y為上覆巖層平均容重；h為巷道埋深。2、國家軟質(zhì)巖分類標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（1991年送審稿）中關(guān)于軟質(zhì)巖的國家標(biāo)準(zhǔn)是:1） 巖石堅(jiān)硬程度巖石堅(jiān)硬程度按表12-3定性劃分為較軟巖、軟巖和極軟巖3類。2） 巖石風(fēng)化程度巖石風(fēng)化程度按表12-4劃分為未風(fēng)化至全風(fēng)化5類。表12-3軟質(zhì)巖堅(jiān)硬程度的定性劃分較軟巖錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎，浸水后指甲可刻出印痕強(qiáng)風(fēng)化的極堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖；弱風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖；未風(fēng)化到微風(fēng)化的凝灰?guī)r、千枚巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、頁巖等。軟巖錘擊聲?。粺o回彈，有凹痕，易擊碎，浸水后，手可掰開強(qiáng)風(fēng)化的極堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬巖；弱風(fēng)化到強(qiáng)風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖；弱風(fēng)化的較軟巖；未風(fēng)化的的泥巖等極軟巖錘擊聲啞，無回彈，有較深凹痕，手可捏碎，浸水后可捏成團(tuán)全風(fēng)化的各種巖石各種半成巖表12-4巖石風(fēng)化程度的劃分名稱風(fēng)化特征未風(fēng)化巖質(zhì)新鮮，結(jié)構(gòu)構(gòu)造未變微風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造未變，沿節(jié)理面有鐵錳質(zhì)渲染，礦物色澤基本未變，無松散物質(zhì)弱風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本未變，礦物色澤稍微變化，裂隙面風(fēng)化較重，出現(xiàn)風(fēng)化礦物，張開裂隙中有少量松散物質(zhì)強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造部分破壞，長石、云母等多風(fēng)化成次生礦物，色澤明顯變化，張開裂隙中有許多松散物質(zhì)全風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，礦物成分除石英外，大部分風(fēng)化成土狀，基本不含堅(jiān)硬塊體3）巖體完整程度的定性劃分巖體完整程度可按表12-5定性劃分為完整至極破碎5類。結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度，可根據(jù)結(jié)構(gòu)面特征按表12-6劃分為結(jié)合好至結(jié)合很差4類。表12-5巖體完整程度的定性劃分名稱結(jié)構(gòu)面發(fā)-育程度主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合主要結(jié)構(gòu)面組數(shù)平均間距（m）程度類型完整1?2>1.0結(jié)合好節(jié)理、裂隙較完整2?31.0?0.4結(jié)合好節(jié)理、裂隙較破碎>30.4?0.2 結(jié)合好 結(jié)合一般 構(gòu)造節(jié)理、小斷層

破碎>330.2<0.2結(jié)合差小斷層、構(gòu)造節(jié)理、軟弱層面極破碎結(jié)合很差表12-6結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度的劃分名稱結(jié)構(gòu)面特征結(jié)合好張開度小于1mm，無充填物張開度1~3mm，為硅質(zhì)或鐵質(zhì)膠結(jié)張開度大于3mm，結(jié)構(gòu)面粗糙，為硅質(zhì)膠結(jié)結(jié)合一般張開度1?3mm，為鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)張開度大于3mm，結(jié)構(gòu)面粗糙，為鐵質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)結(jié)合差張開度1?3mm，結(jié)構(gòu)面平直，為泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，張開度大于3mm，多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或充填巖屑結(jié)合很差泥質(zhì)充填或泥夾巖屑充填，充填物質(zhì)厚度大于起伏差4）定量指標(biāo)的確定和劃分巖石堅(jiān)硬程度的定量指標(biāo)采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）。Rc應(yīng)采用實(shí)測(cè)值，當(dāng)無條件取得實(shí)測(cè)值時(shí)，也可采用實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)（/游）的換算值，并按下式換算：s（50）Rc=22.821o（75）巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，參照表12-7。巖體完整程度的定量指標(biāo)采用巖體完整系數(shù)（Kv）。Kv應(yīng)采用實(shí)測(cè)值，當(dāng)無條件取得實(shí)測(cè)值時(shí)，也可用巖體體積節(jié)理數(shù)（匕）按表12-8確定相應(yīng)的kv值。巖體完整性系數(shù)（Kv）與定性劃分的巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表12-9。具有特殊變形破壞特性的巖體，如膨脹性強(qiáng)的巖類和溶蝕巖類等，當(dāng)其特殊性成為影響巖體穩(wěn)定的主要因素時(shí)，其特性對(duì)工程巖體級(jí)別的影響應(yīng)作專門研究。表12-7Rc與定性劃分的軟質(zhì)軟巖堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系R(MPa)30?1515?5<5堅(jiān)硬程度較軟巖軟巖極軟巖表12-8J與K對(duì)照表Jv(條/m3)<3 V-3?10 V 10?2020?35>35K v >0.750.75?0.550.55?0.350.35?0.15<0.15表12-9K,與定性劃分的巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系K>0.75 V 0.75?0.550.55?0.350.35?0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎二、軟巖巷道變形破壞機(jī)制與特點(diǎn)關(guān)于軟巖“膨脹”的概念有兩個(gè)含義，即狹義和廣義。前者專指那些含有膨脹性礦物（如蒙脫石）的軟巖所產(chǎn)生的膨脹變形；后者則是指軟巖巖體向巷道空間的變形，它包括膨脹性礦物的變形，同時(shí)也包括其它力學(xué)機(jī)制的變形。這里采用后者。從理論上分析軟巖的膨脹機(jī)制，可分8種情況，即晶粒膨脹、膠體膨脹、毛細(xì)膨脹、水脹、構(gòu)造應(yīng)力擴(kuò)容、重力擴(kuò)容、工程偏應(yīng)力機(jī)制以及結(jié)構(gòu)面變形機(jī)制。1、 晶粒膨脹機(jī)制含有蒙脫石和伊蒙混層礦物的泥質(zhì)巖類往往膨脹性頗為顯著。這種膨脹性與蒙脫石的分子結(jié)構(gòu)特征關(guān)系十分密切。因此，也可將這種膨脹機(jī)制稱為蒙脫石型膨脹機(jī)制。蒙脫石的晶體是由很多相互平行的晶胞組成，屬由上下層的硅氧四面體和中間一層鋁氧八面體構(gòu)成的2：1型硅酸鹽礦物。由于晶胞兩邊都為負(fù)電荷的硅氧四面體，晶胞與晶胞之間氧相接，連結(jié)力極弱，因此水分子及交換的陽離子可無定量地進(jìn)入其間，致使顆粒急劇膨脹。晶胞中間的A13+可以被Fe2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+所取代，而形成本組中不同礦物。若為兩價(jià)離子取代，則在格架中出現(xiàn)多余的游離原子價(jià)，提高了吸附能力，有助于晶胞間的連結(jié)力增強(qiáng)。由于上述特性，蒙脫石組礦物具有吸附能力強(qiáng)，使體積大為膨脹，甚至使相鄰晶胞失去連結(jié)力的特性。另一方面，蒙脫石的晶胞之間的沸石水也有一些反離子。遇水時(shí)，沸石水的部分反離子逸出，吸引力減小，水分子擠入，晶胞間距加大，使礦物顆粒本身急劇膨脹。此外，礦物顆粒之間的結(jié)合水膜也增厚，這屬于膠體膨脹力學(xué)機(jī)制。由于蒙脫石具有遇水后顆粒內(nèi)部晶胞間距劇增和顆粒間結(jié)合水膜加厚兩種膨脹機(jī)制，所以其膨脹量在粘土礦物中是最大的。據(jù)測(cè)定，。3蒙脫石可膨脹到原體積的7倍多不僅蒙脫石具有上述晶粒內(nèi)部膨脹機(jī)制，而且伊蒙混層礦物、伊利石礦物也具有這種膨脹特性。只是伊利石的三層結(jié)構(gòu)中的SiO2比蒙脫石少一些，其上下兩層硅氧四面體中的Si可以被Al、Fe所取代，因而游離原子價(jià)與蒙脫石不同，在相鄰晶胞間可出現(xiàn)較多的一價(jià)正離子，有時(shí)甚至二價(jià)正離子，以補(bǔ)償晶胞中正電荷之不足。故伊利石結(jié)晶格架活動(dòng)性比蒙脫石小，晶粒內(nèi)部膨脹也弱些。2、 膠體膨脹機(jī)制有些軟巖并不含蒙脫石、伊蒙混層礦物和伊利石礦物，卻也具有膨脹性。例如粘粒成分為高嶺石、腐植質(zhì)和難溶鹽等時(shí)也具有一定的膨脹性，現(xiàn)僅以高嶺石為例說明其膨脹機(jī)制。高嶺石的結(jié)晶格架也是由互相平行的晶胞組成，屬1：1型硅酸鹽礦物。其晶胞之間是通過O2-與OH-連接，連結(jié)力較強(qiáng)，不允許水分子進(jìn)入晶胞之間。所以它不具有晶格內(nèi)部膨脹特性。盡管如此，但由于高嶺石通常以粘粒形式出現(xiàn)，這種粘粒為準(zhǔn)膠體顆粒，具有膠體的特性，因而在其周圍可以形成一層很厚的水化膜吸附層。事實(shí)上，這種特性并非礦物獨(dú)有，只要粒徑小于0.002mm，則均具有這種吸附特性。軟巖一般是泥質(zhì)巖類，基本是粘粒的集合體。相鄰的粘粒比較靠近時(shí)，各自形成的水化膜會(huì)有一部分重疊起來而形成公共水化膜。當(dāng)各自水化膜加厚，公共水化膜消失，水膠連結(jié)力消失，軟巖產(chǎn)生膨脹而進(jìn)入塑性；若各自水化膜變薄，公共水化膜形成，水膠連結(jié)可使軟巖變得相當(dāng)堅(jiān)硬。這就是現(xiàn)場(chǎng)見到的干軟巖十分堅(jiān)硬之原因。軟巖遇水膨脹（膠體膨脹機(jī)制）的過程，可稱為軟巖膠體膨脹模式。固體狀態(tài)的軟巖粘粒周圍有公共強(qiáng)結(jié)合水化膜，故其硬度很大；吸水后，公共強(qiáng)結(jié)合水化膜逐漸消失，粘粒的弱結(jié)合水膜加厚而出現(xiàn)公共結(jié)合水膜，這時(shí)軟巖體積增大而變成塑性狀態(tài)；當(dāng)粘粒進(jìn)一步吸水膨脹，公共弱結(jié)合水膜隨水膜加厚并趨于消失或完全消失，代之出現(xiàn)了粘粒之間的自由水，這時(shí)軟巖體積進(jìn)一步增大而進(jìn)入平時(shí)所見的粘流狀態(tài)和液流狀態(tài)。3、 毛細(xì)膨脹機(jī)制軟巖的空隙頗為發(fā)育，如廣西那龍二號(hào)井軟巖空隙度為3.8?27.3%，空隙比為0.313?0.394。每克干樣品的空隙體積為109.96?140.29mm3。這些空隙包括裂隙和孔隙兩種。由于大量孔隙和裂隙的存在和水的表面張力，產(chǎn)生毛細(xì)壓力，使地下水通過軟巖的微小空隙通道吸入。其上升的高度和速度決定于土的孔隙、有效粒徑、空隙中吸附空氣和水的性質(zhì)以及溫度等。據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，卵石的毛細(xì)高度為零至幾厘米。砂土為數(shù)十厘米，而粘土（相當(dāng)于泥質(zhì)軟巖）則可達(dá)數(shù)百厘米。因此，在整個(gè)毛細(xì)帶內(nèi)，事實(shí)上為軟巖的進(jìn)一步化學(xué)膨脹和膠體膨脹準(zhǔn)備了條件。正是由于這種毛細(xì)作用，才使水通過毛細(xì)空隙向各方向運(yùn)動(dòng)。4、 構(gòu)造應(yīng)力擴(kuò)容機(jī)制在地質(zhì)歷史時(shí)期，煤系地層經(jīng)歷了多期地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，巖層本身以彈性變形的形式儲(chǔ)存了變形能。一旦地層中掘進(jìn)巷道而挖空，這些變形能將以變形的形式向相鄰空區(qū)釋放，宏觀上表現(xiàn)出巖層的擴(kuò)容膨脹。另一方面，巖層在巷道成形時(shí)應(yīng)力狀態(tài)從三維向二維發(fā)生轉(zhuǎn)變，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，又極易發(fā)生破壞而產(chǎn)生非線彈塑性變形，這是一種與時(shí)間有關(guān)的變形。這種變形往往導(dǎo)致軟巖支護(hù)的宏觀破壞。其特征是方向性破壞明顯，破壞程度與深度無關(guān)。構(gòu)造應(yīng)力一般以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，在構(gòu)造應(yīng)力顯著地區(qū)，巷道兩幫的破壞往往頗為明顯。5、 水脹機(jī)制水的作用可分為兩部分，即力學(xué)作用和物理化學(xué)作用。水的力學(xué)作用又分靜水壓力作用和動(dòng)水壓力作用。當(dāng)在含水巖層中開挖巷道時(shí)，圍巖穩(wěn)定性首先受到含水層地下水泄出的影響，作為一種動(dòng)水壓力作用使支護(hù)（如噴層）難度增大。而一旦支護(hù)體形成，又作為靜水壓力作用用于支護(hù)體，增加支護(hù)體變形和破壞的可能性。另一方面，地下水的泄出，增加了與泥質(zhì)軟巖接觸的機(jī)會(huì)，使泥質(zhì)軟巖中的具有膨脹潛能的礦物劇烈膨脹，其機(jī)制是前面討論過的晶?；瘜W(xué)膨脹機(jī)制和粘粒膠體膨脹機(jī)制。6、 重力擴(kuò)容機(jī)制有些軟巖巷道的變形破壞明顯表現(xiàn)出與深度有關(guān)而與方向無前的特點(diǎn)。即在開挖淺部巷道時(shí)，按常規(guī)支護(hù)形式，巷道變形不很明顯；當(dāng)開挖到深部巷道時(shí)，變形破壞變得嚴(yán)重起來，而破壞的方向性不甚明顯。這些特征往往是重力機(jī)制起作用的擴(kuò)容膨脹。如廣西那龍煤礦二號(hào)井即具上述特點(diǎn)，在開挖B8煤層巷道（深度170m）時(shí)，采用直墻半圓拱支護(hù)形式，未出現(xiàn)破壞性變形；當(dāng)開拓人3煤巷道時(shí)（深度280m），則變形破壞十分嚴(yán)重，屢支屢壞。7、 工程偏應(yīng)力擴(kuò)容機(jī)制巷道圍巖在開挖后應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大改變，切向正應(yīng)力發(fā)生在巖壁附近，出現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，愈遠(yuǎn)則愈接近于原巖應(yīng)力狀態(tài)。彈性理論表明，此時(shí)巷道圍巖中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可分解為球形應(yīng)力張量和偏應(yīng)力張量兩部分。球應(yīng)力張量不引起形變，它是一種三向均壓狀態(tài)；偏應(yīng)力張量引起巷道圍巖的變形破壞。因此工程開挖引起的偏應(yīng)力局部集中是軟巖巷道變形破壞的主要原因之一。其特點(diǎn)是與開挖的斷面、巷道密度和交叉方式有前。巷道布置得，切割愈密，則其工程偏應(yīng)力集中愈明顯，支護(hù)亦越困難。8、結(jié)構(gòu)面變形機(jī)制有時(shí)不同巷道通過同一巖層，順層的巷道破壞甚為嚴(yán)重，穿層的巷道破壞較輕微。這實(shí)際上是受結(jié)構(gòu)面的影響而呈現(xiàn)變形各向異性特征。特別是巖層中發(fā)育有軟弱夾層時(shí)尤為如此。綜上所述，引起軟巖巷道變形的力學(xué)原因有8種。但詳細(xì)考究，可劃分為三大類，即化學(xué)膨脹類、應(yīng)力擴(kuò)容類和結(jié)構(gòu)變形類。各類中又依據(jù)引起變形的嚴(yán)重程度分為A、B、C、D等級(jí)。顯然，1類機(jī)制均與軟巖物質(zhì)本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性有關(guān)；II類機(jī)制則與力源有關(guān)；III類則與硐室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)。這三類機(jī)制基本概括了軟巖膨脹變形的主要?jiǎng)右?。軟巖變形力學(xué)機(jī)制不同，引起的巷道變形破壞特點(diǎn)也不一樣，表12-10總結(jié)和分析了各種軟巖變形力學(xué)機(jī)制下巷道破壞特點(diǎn)。表12-10軟巖變形力學(xué)機(jī)制與特點(diǎn)類型類型控制性因素特征型軟巖巷道破壞特點(diǎn)IIA分子吸水機(jī)制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強(qiáng)蒙脫石型圍巖暴露后容易風(fēng)化、軟化、裂隙化，因而怕風(fēng)、怕水、怕震動(dòng)。I型巷道底鼓、擠幫、難支護(hù)，其嚴(yán)重程度從IA—IAB—IB依次減弱；Ic型則看微隙發(fā)育程度。IdI.和I”決定于混層比伊/蒙混層型ABIBA B膠體吸水機(jī)制，晶胞間不允許進(jìn)入水分子，粘粒表面形成水的吸附層高嶺石型U微隙一毛細(xì)吸水機(jī)制微隙型IICIIAIIB11C1D殘余構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力地下水工程開挖擾動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力型重力型水力型工程偏應(yīng)力型變形破壞與方向有關(guān)，與深度無關(guān)。與方向無關(guān)，與深度有關(guān)。僅與地下水有關(guān)。與設(shè)計(jì)有關(guān)，巷道密集，巖柱偏小，則變形嚴(yán)重。田II【aIIIbmcILm斷層、斷裂帶軟弱夾角層理優(yōu)勢(shì)節(jié)理隨機(jī)節(jié)理斷層型弱層型層理型節(jié)理型隨機(jī)節(jié)理型塌方、冒頂。超挖、平頂。規(guī)則鋸齒狀。不規(guī)格鋸齒狀。掉塊。三、軟巖巷道變形破壞特征圍巖變形速度快，變形量大圍巖變形持續(xù)很長甚至持久變形四面來壓、底鼓嚴(yán)重隨巷道斷面加大、或埋藏深度增大，或鄰近采動(dòng)影響，變形將顯著增大。支護(hù)方式及支護(hù)阻力對(duì)圍巖變形影響較大。第二節(jié)軟巖巷道支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)軟巖巷道支護(hù)問題開始僅在褐煤田礦井比較嚴(yán)重。直到兩淮礦區(qū)建設(shè)中出現(xiàn)嚴(yán)重的巷道支護(hù)問題，才引起普遍關(guān)注。軟巖支護(hù)應(yīng)該汲取以下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：1、 單純提高支護(hù)剛度得不償失軟巖巷道中，因巷道變形嚴(yán)重，支護(hù)不久就遭到破壞，經(jīng)常出現(xiàn)前掘后翻的局面。此時(shí)一般的做法是不斷提高支護(hù)剛度，增加支護(hù)成本，而取得的效果卻是微不足道的。如梅河三井，料石碹采用3層半料石，砌碹厚度達(dá)1.225m，仍未阻止圍巖的嚴(yán)重變形和支護(hù)體失效；金川礦區(qū)井底車場(chǎng)巷道，現(xiàn)澆混凝土支護(hù)用重軌作筋，發(fā)碹厚度達(dá)1.5m，同樣遭致嚴(yán)重破壞；淮南潘集二礦，巷道支護(hù)采用西德進(jìn)口36kg/m的U型鋼每米3架支護(hù)，成本高達(dá)1.2?2.6萬元/m，仍造成U型鋼壓扁、裂開等破壞，反復(fù)翻修。大量經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)軟巖與極軟巖巷道，單純提高支護(hù)剛度，采取以剛克剛的方法是錯(cuò)誤的，其結(jié)果支護(hù)費(fèi)用巨大，但支護(hù)效果卻不理想，巷道不得不多次返修，嚴(yán)重影響巷道正常使用。2、 單一支護(hù)方式無能為力軟巖強(qiáng)度低，自穩(wěn)定性差，易受環(huán)境效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)、空間效應(yīng)以及時(shí)間效應(yīng)等影響，圍巖性質(zhì)變化大，軟巖巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)之間相互調(diào)節(jié)、相互控制作用較大，等等。這些特點(diǎn)要求支護(hù)具有多種與軟巖變形相適應(yīng)的功能，如及時(shí)封閉圍巖的功能、與圍巖協(xié)調(diào)變形的功能、加固圍巖殘余強(qiáng)度的功能、讓壓與支撐相結(jié)合的功能，等等。顯然單一支護(hù)形式，如木支架、金屬支架、U鋼支架、錨噴支護(hù)、料石碹等支護(hù)形式，一般都很難同時(shí)滿足以上要求，因此單一支護(hù)對(duì)軟巖特別是極軟巖巷道一般是無能為力。3、 單靠一次成巷達(dá)不到預(yù)期目的傳統(tǒng)支護(hù)一般均采取短掘短砌、立即支護(hù)、一次成巷的方式，但軟巖巷道圍巖變形最劇烈迅速的時(shí)期，恰好是巷道掘進(jìn)初期的幾個(gè)小時(shí)或幾天甚至幾個(gè)月。上述一次支護(hù)方式，必然使支護(hù)承受巨大的變形壓力的同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，而喪失進(jìn)一步承載和可縮性能，或直接影響巷道的正常使用與安全，而不得不返修。只有采用二次支護(hù)與聯(lián)合支護(hù)理論，充分利用各種支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，克服其缺點(diǎn)，采取適應(yīng)軟巖變形和控制軟巖變形相結(jié)合的綜合方法，逐步地將圍巖變形量和變形速度控制在支護(hù)許可的范圍內(nèi)，最后形成圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定，方能取得預(yù)期的支護(hù)效果。4、 多次翻修常使巷道愈修愈壞一般巷道經(jīng)一次翻修后壓力得以釋放，因而修復(fù)后的巷道一般較易維護(hù)。而軟巖或極軟巖巷道治理中，常出現(xiàn)每次修復(fù)后支護(hù)受力與變形有所減小，但隨著時(shí)間推移變形壓力又迅速增長，新修巷道重新被破壞，并出現(xiàn)屢修屢壞，越修越壞的現(xiàn)象。這主要是由于軟巖或極軟巖巷道，一般都位于厚層甚至巨厚軟弱巖體內(nèi)，在很大范圍內(nèi)不存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)承擔(dān)外層壓力，因而即使多次翻修也難以使圍巖結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過較短時(shí)間后巨大地應(yīng)力就又會(huì)通過軟弱的外層集中作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)之上，使支護(hù)與上次支護(hù)一樣遭到破壞，而且每次破壞的形式及破壞周期也基本一致。第三節(jié)軟巖巷道大變形控制的總體原則和基本方法一、軟巖巷道支護(hù)的總體原則1、 綜合治理全面地動(dòng)態(tài)地針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具體條件進(jìn)行有效地軟巖巷道支護(hù)，應(yīng)首先掌握圍巖的工程地質(zhì)情況、巖石力學(xué)性質(zhì)、物理化學(xué)性質(zhì)以及水理性質(zhì)，掌握地應(yīng)力大小及方向，進(jìn)而考慮巷道位置的選擇。在圍巖早期封閉、開挖工藝、各種支護(hù)參數(shù)的確定、對(duì)水及底板的處理以及后期加固等方面，應(yīng)使支護(hù)體系和圍巖特性相匹配，以便克服環(huán)境效應(yīng)對(duì)巷道穩(wěn)定的影響。如在老第三紀(jì)未膠結(jié)的含水砂巖中，必須采取地面排水、小階段排水及打反孔提前排水等措施。在含水砂巖中如不及時(shí)排水就會(huì)經(jīng)常發(fā)生潰砂，舒蘭礦務(wù)局曾發(fā)生多起淹井事故。2、 聯(lián)合支護(hù)聯(lián)合支護(hù)是采用多種不同性質(zhì)的單一支護(hù)的組合結(jié)構(gòu)，能夠發(fā)揮各種支護(hù)形式的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短，共同作用，以適應(yīng)松軟巖層地壓與變形的要求，最終達(dá)到圍巖及巷道穩(wěn)定的目的。3、 長期監(jiān)控煤礦生產(chǎn)不確定性與模糊性強(qiáng)，如材料、工藝、工人素質(zhì)、環(huán)境動(dòng)態(tài)及生產(chǎn)管理等因素。井下條件比較惡劣，監(jiān)測(cè)手段又比較落后，質(zhì)量保證是很難做到的。因此，確保圍巖的長期強(qiáng)度和支護(hù)體的穩(wěn)定，根據(jù)支架一圍巖作用原理，當(dāng)一次支護(hù)穩(wěn)定后，再進(jìn)行二次支護(hù)，是保證巷道始終處于良好狀態(tài)的基礎(chǔ)。由于軟巖工程的復(fù)雜性，圍巖的外載荷條件是經(jīng)常變化的，而且很難正確估算，只有根據(jù)監(jiān)控所提供的信息，及時(shí)修正設(shè)計(jì)參數(shù)，采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施（甚至出現(xiàn)一些補(bǔ)噴、補(bǔ)錨的現(xiàn)象都是正常的），才能取得良好的支護(hù)效果。4、 因地制宜因松軟巖層性質(zhì)的多樣性，我國煤礦體制的多層次，其裝備、投資、井型的不同，不可能用一種模式。故軟巖支護(hù)應(yīng)依據(jù)各地成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體條件，因地制宜地合理選擇，然后再進(jìn)行優(yōu)化組合，方能取得應(yīng)有的效果。因此，軟巖支護(hù)的設(shè)計(jì)原則和施工方法歸納為：調(diào)查研究，綜合治理；聯(lián)合支護(hù)，共同作用；監(jiān)控施工，因地制宜。只有使地質(zhì)、科研、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等各部門的工作融為一體，避免工程中的盲目性，提高施工的科學(xué)性，這樣軟巖巷道支護(hù)技術(shù)才會(huì)健康發(fā)展。二、軟巖巷道支護(hù)的基本方法1、 選擇合理的層位和巷間距在設(shè)計(jì)階段應(yīng)合理選擇煤系地層的巖性，選擇巷道位置。在地質(zhì)勘探過程中，要掌握巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖石物理化學(xué)性質(zhì)以及巖石水理性質(zhì)，掌握主應(yīng)力的大小及方向，為合理選層、選位提供依據(jù)。在設(shè)計(jì)中布置主要巷道盡量“躲”開軟巖。為避免巷道間的相互干擾，軟巖礦井禁止雙巷掘進(jìn)，平行巷道純巖柱卡40m，在垂直布置上要避免上下巷重疊，垂直巖柱卡25m。2、 選擇合理的支護(hù)斷面目前普遍采用的直墻半圓拱斷面，適用于頂壓大、側(cè)壓小、無底膨的條件。馬蹄形斷面用于圍巖松軟，有膨脹性，頂壓側(cè)壓很大，并有一定底壓的巷道。圓形斷面用于膨脹性軟巖，四周壓力均很大的巷道中。當(dāng)四周壓力很大但分布不均時(shí)，采用橢圓形并根據(jù)頂壓和側(cè)壓的大小，采用豎直或水平布置。斷面尺寸要按設(shè)計(jì)尺寸加兩側(cè)收斂及頂沉量、底膨量。預(yù)留巷道空間對(duì)，減少巷道維修，保證巷道正常使用是非常必要的。3、 優(yōu)化巷道水溝位置，加強(qiáng)礦井水管理軟巖巷道支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的控制，現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)是：“治幫先治底，治底先治水”。因此，對(duì)水的處理是保證軟弱圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)工作。在地下水管理方面要采取疏、導(dǎo)、排、截、堵措施，做到有水必冶，用水必管，積水必排。常規(guī)設(shè)計(jì)中，水溝往往在巷旁一側(cè)，經(jīng)常導(dǎo)致側(cè)墻不均勻下沉，造成碹體破壞。因此，在軟巖巷道中水溝位置應(yīng)與巷幫保持一定距離，在雙軌巷道中應(yīng)放在巷道中部為宜。4、 巷道底板管理防止底臌首先要治水，以防止底板軟化。大水、急水對(duì)底板影響較小，而小水、積水則很容易使底板泥化。因此軟巖巷道支護(hù)要“頂管住，幫加固，底板要封住”底板要管好，底角錨桿應(yīng)帶插角。底板是巷道支護(hù)一部分，設(shè)計(jì)時(shí)要整體考慮綜合治理。5、 選擇能主動(dòng)加固圍巖的高阻可縮支護(hù)軟巖巷道支護(hù)體結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)與加固圍巖，提高圍巖支承能力相結(jié)合，與圍巖變形及強(qiáng)度相匹配，故必須采取卸壓、讓壓與加固和支護(hù)相結(jié)合的方法。對(duì)于高地應(yīng)力，要卸得充分；對(duì)于大變形，要讓得適度；對(duì)于軟弱部分，要進(jìn)行圍巖加固；對(duì)于圍巖整體，要有足夠剛度支護(hù)。因此，盡管具有劇膨脹性的鱗片狀頁巖，在有足夠抗力支撐下，其破碎圈是有限的，不可能擴(kuò)大，其膨脹勢(shì)能也受到限制而不可能發(fā)展。因?yàn)?，膨脹巖的膨脹是有條件的，如果圍巖不松脫，那么圍巖由表及里，其膨脹勢(shì)能是條阻尼曲線。只有不斷片幫冒落，不斷暴露新的膨脹巖，經(jīng)過風(fēng)干脫水后再吸水方能產(chǎn)生強(qiáng)裂膨脹。如果膨脹源被封閉，則其膨脹勢(shì)能是恒定的。如果巷道外載荷不變（如動(dòng)壓），支護(hù)強(qiáng)度又足夠，通過U型鋼的可縮性又可整體地均勻讓壓，那么巷道長期穩(wěn)定是有保證的。6、 采用二次支護(hù)方法為適應(yīng)軟巖變形特征，支護(hù)設(shè)計(jì)必須采用以錨噴網(wǎng)為主的二次支護(hù)、多次支護(hù)及聯(lián)合支護(hù)方法。同時(shí)必須采取底板加固措施，以防止支護(hù)體失效。二次支護(hù)時(shí)間在圍巖變形出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)后進(jìn)行。傳統(tǒng)的開啟式支護(hù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性是不利的。7、 合理選擇掘進(jìn)工藝及輸送機(jī)械軟巖抗震動(dòng)性能差，除開挖時(shí)應(yīng)采用機(jī)掘及風(fēng)鎬掘進(jìn)外，而且在輸送機(jī)械上也不應(yīng)采用扒斗機(jī)及礦車運(yùn)輸，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。據(jù)測(cè)量，絞車道每提升一次能導(dǎo)致圍巖變形0.5?1mm，電機(jī)車重載每行駛一次促使圍巖變形0.01?0.03mm。而工作面爆破，其影響范圍達(dá)20m，每放炮一次可便周圍巷道頂板下沉0.02?0.03mm。當(dāng)然軟巖的變形是個(gè)綜合影響指標(biāo)，它和巖石本身強(qiáng)度，與震動(dòng)頻度和強(qiáng)度有關(guān)，但炮震可使軟巖強(qiáng)度下降60%，因此，在沈陽礦區(qū)規(guī)定不準(zhǔn)采用炮掘。對(duì)于輸送機(jī)械，最好采用膠帶輸送機(jī)，以防止底膨。8、 強(qiáng)調(diào)監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)施工應(yīng)把軟巖巷道支護(hù)視為一個(gè)過程，通過量測(cè)信息反饋調(diào)整支護(hù)參數(shù)。當(dāng)前國內(nèi)外施工均以允許收斂變形量和收斂變形速度來監(jiān)控地下工程的穩(wěn)定性。我國《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GBJ86-85）中規(guī)定，地下工程的后期支護(hù)施工前，實(shí)測(cè)收斂速度與收斂值必須同時(shí)滿足以下條件。1） 巷道周邊收斂速度明顯下降。2） 收斂值已達(dá)總收斂值的80?90%；3） 收斂速度V0.15mm/d或拱頂位移V0.1mm/d。同時(shí)該規(guī)范也對(duì)不同圍巖的允許收斂量做了相應(yīng)規(guī)定。日本《NATM指南》中規(guī)定，當(dāng)圍巖收斂速度＞20mm/d，就需要采取特殊補(bǔ)強(qiáng)措施。第四節(jié)新奧法在軟巖中的應(yīng)用一、新奧法的概念和定義新奧法是地下工程設(shè)計(jì)與施工新技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、隧道、礦山井巷、軍工及水電等地下工程。我國煤礦軟巖巷道支護(hù)科研項(xiàng)目大都采用新奧法施工并取得可喜成績。新奧法全名為“新的奧地利隧道施工法”，英文名為“NewAusrtrianTunnellingeMethod”，簡稱“NATM”。是1957?1965年在歐洲德文語系地區(qū)修筑阿爾卑斯山脈的隧道中，通過實(shí)踐而逐步建立起來的一種立論正確、施工科學(xué)的新方法。1980年新奧法發(fā)源地一一奧地利土木工程學(xué)會(huì)地下空間分會(huì)把新奧法定義為：“在巖體或土體中設(shè)置的使地下空間的周圍巖體形成一個(gè)中空筒狀支承環(huán)結(jié)構(gòu)為目的設(shè)計(jì)施工方法”。這個(gè)定義扼要地提示了新奧法最核心的問題一一調(diào)動(dòng)圍巖的承載能力，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使圍巖與構(gòu)筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成為堅(jiān)固的支承環(huán)?！癗ATM”是一種科學(xué)的經(jīng)驗(yàn)方法，稱之“經(jīng)驗(yàn)尺度”，其理論基礎(chǔ)是隧道周圍應(yīng)力與變形關(guān)系，稱為地層響應(yīng)曲線原則。目前，在隧道和巷道施工中，主要通過打錨桿和噴射混凝土來實(shí)現(xiàn)“變圍巖本身為支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分”這一目標(biāo)。但是，這并不意味著錨噴支護(hù)就是新奧法的全部，它只是新奧法的主要手段。新奧法的主要特點(diǎn)是通過許多精密的量測(cè)儀器對(duì)開挖后的巷道及硐室進(jìn)行圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并以此指導(dǎo)地下支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工全過程。二、新奧法的基本思想和主要原則新奧法是起源于奧地利，發(fā)展于西歐諸國，70代后期在日本蓬勃盛行，隨后逐漸用于世界各地的隧道施工中。它的理論屬于粘、彈、塑性理論學(xué)派，是以研究圍巖中應(yīng)力再分配為中心來解決隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的。米勒教授比較全面地論述了這種方法的基本指導(dǎo)思想和主要原則。他總結(jié)出了22條主要原則。1、 隧道是以其自身的圍巖來支護(hù)的，初砌與圍巖應(yīng)緊密地貼合在一起，使圍巖與初砌形成整體性結(jié)構(gòu)。2、 在隧道的開挖過程中，應(yīng)最大限度地保持圍巖的原始強(qiáng)度。3、 盡可能地防止圍巖松動(dòng)，因圍巖松動(dòng)必將導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。以往慣用的木支架、石材支架及鋼拱支架不能與圍巖緊密貼合，故不可避免地出現(xiàn)圍巖松動(dòng)，而采用噴射混凝土可以及時(shí)封閉圍巖，因此可以防止圍巖松動(dòng)。4、 應(yīng)盡量避免圍巖出現(xiàn)單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)。井巷開挖后，巖體由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，巖體強(qiáng)度大大下降。若能及時(shí)錨噴，可提供較大的徑向支護(hù)抗力，使圍巖從最不利的雙向應(yīng)力向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化。5、 恰當(dāng)?shù)乜刂茋鷰r變形，即一方面要允許圍巖向巷道空間收縮變形，以便形成巖石支承環(huán)，而另一方面，又要限制其產(chǎn)生過大變形造成圍巖強(qiáng)度降低。其措施是在圍巖壁面施以支護(hù)結(jié)構(gòu)來阻圍巖發(fā)生松動(dòng)破壞。6、 應(yīng)適時(shí)地進(jìn)行支護(hù)，不能過早，也不能過晚。支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度不宜太大，也不要過柔，以便充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。7、 應(yīng)該正確地確定巖體或巖體支護(hù)系統(tǒng)的特定的時(shí)間因素。圖12-1是以隧道開挖后圍巖能保持穩(wěn)定的時(shí)間為基礎(chǔ)，對(duì)圍巖進(jìn)行分類，根據(jù)不同的圍巖其自承時(shí)間不同而采用不同的支護(hù)方式。在圖中給出了1秒到100年的時(shí)間范圍，根據(jù)圍巖的自承時(shí)間將圍巖分為A?G共7類。A、B、C三類圍巖的自承時(shí)間在三個(gè)月以上，主要支護(hù)形式為錨噴支護(hù)。D類為錨噴網(wǎng)支護(hù)，E、F、G三類為鋼拱噴射混凝土支護(hù)。圖12-1按圍巖穩(wěn)定時(shí)間對(duì)圍巖分類8、 如果預(yù)計(jì)在隧道開挖時(shí)圍巖將產(chǎn)生較大變形或松動(dòng)，則所采用的支護(hù)應(yīng)能覆蓋全部開挖巖面并能與圍巖緊密貼合。使用噴射混凝土能夠達(dá)到這兩點(diǎn)要求，而木支架或鋼拱支架與圍巖點(diǎn)支承，它只能起到預(yù)防松脫巖塊掉落的作用，而不能有效地阻止圍巖變形或松動(dòng)。9、 第一次支護(hù)應(yīng)該是薄壁柔性結(jié)構(gòu)，以便最大限度地限制彎矩和由彎矩而引起的拉裂破壞。一般采用的支護(hù)厚度為150~250mm。10、 如果第一次支護(hù)的噴層的承載能力不能保證圍巖的穩(wěn)定性，應(yīng)通過打錨桿、掛金屬網(wǎng)或增設(shè)鋼拱架聯(lián)合支護(hù)來解決。11、 從力學(xué)角度上看，新奧法構(gòu)筑的隧道可以認(rèn)為是由圍巖支承環(huán)與第一次支護(hù)、第二次支護(hù)構(gòu)成的厚壁圓筒。圍巖支承環(huán)和支護(hù)結(jié)構(gòu)是在形變協(xié)調(diào)條件下共同工作的結(jié)構(gòu)物，而傳統(tǒng)的觀點(diǎn)則是把隧道看成是雙墩拱，認(rèn)為該拱是承擔(dān)圍巖荷載的結(jié)構(gòu)物。新奧法把圍巖從加載的因素（或把支護(hù)從支撐概念）轉(zhuǎn)變成承載的因素（或把支護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸谈拍睿┦莻€(gè)飛躍。12、 當(dāng)隧道為雙層支護(hù)時(shí)，內(nèi)圈支護(hù)不宜太厚，且內(nèi)外兩層支護(hù)要緊密貼合，粘結(jié)為一個(gè)整體，不要成為磨擦結(jié)合，要使兩層支護(hù)之間僅能傳遞徑向力。13、 若采用二次支護(hù)時(shí)，第一次支護(hù)所形成的圍巖支護(hù)系統(tǒng)就應(yīng)該是穩(wěn)定的。第二次支護(hù)（內(nèi)襯砌）的作用在于進(jìn)一步提高工程的安全性。但在有大量涌水時(shí)，或在圍巖變形尚未穩(wěn)定前就構(gòu)筑二次支護(hù)時(shí)，則一次支護(hù)與二次支護(hù)都需要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。當(dāng)滲水具有侵蝕性，只有采取防腐蝕措施時(shí)才把錨桿看成是永久性支護(hù)的一個(gè)組成部分。14、 從力學(xué)上看，圓筒只有在全圓周上沒有任何縫隙才能起到圓筒的作用，因此隧道要封底（圍巖非常堅(jiān)硬除外），形成閉合圓筒。封底要及時(shí)，一般為仰拱。15、 圍巖的性態(tài)受封底時(shí)間的影響較大，若掘進(jìn)工作面推進(jìn)過快而延長了封底時(shí)間，側(cè)使上拱圈承受不利的縱向彎矩，下拱圈的巖石則會(huì)承受很高的應(yīng)力。16、 隧道開挖后，破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重新分布。為了不使應(yīng)力重新分布過程復(fù)雜化并損壞巖體，應(yīng)該采用全斷面一次開挖。17、 隧道的施工方法影響著圍巖的時(shí)間效應(yīng)。因此，正確的施工方法對(duì)保證隧道的穩(wěn)定性起著決定性作用。例如，一次掘進(jìn)的長度、第一次支護(hù)的時(shí)間、封底時(shí)間、頂板上拱圈長度以及支護(hù)的反力等，均應(yīng)系統(tǒng)地調(diào)整，以便控制圍巖與支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定過程。18、 為了避免隧道斷面上尖角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)采用光滑的圓形斷面。19、 正確確定圍巖自承時(shí)間的手段是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、圍巖變形量測(cè)等。此外，圍巖的裸露時(shí)間、變形速度和巖石分類也可以為確定巖體或巖體支護(hù)系統(tǒng)的特定的時(shí)間因素（參見第7條）提供重要數(shù)據(jù)。對(duì)圍巖的變形量測(cè)工作應(yīng)成為新奧法施工不可缺少的工作內(nèi)容。20、 第一次支護(hù)的形式及設(shè)置的時(shí)間應(yīng)根據(jù)所測(cè)得的巖體變形來確定。21、 混凝土應(yīng)力測(cè)定、支護(hù)與圍巖接觸面應(yīng)力測(cè)定以及施工期間進(jìn)行的收斂變形量測(cè)等測(cè)得的數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)與施工中，是指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù)。22、 圍巖的滲流壓力以及作用于支護(hù)上的靜水壓力可通過各種排水設(shè)施或手段使之消除，必要時(shí)要在第一次支護(hù)和第二次支護(hù)之間，設(shè)置專門的防水層來解決防水問題。上述的22條基本原理表明，不能把新奧法單純地看成是一種施工方法或支護(hù)方法，而是一系列思想的綜合化和系統(tǒng)化，是一個(gè)具體應(yīng)用巖體動(dòng)態(tài)性質(zhì)的完整的力學(xué)概念。而認(rèn)識(shí)和理解圍巖動(dòng)態(tài)的基本途徑是施工中的量測(cè)監(jiān)視。因此，量測(cè)監(jiān)視也就成為了新奧法的基本特征之一。第五節(jié)幾種常用的軟巖道支護(hù)技術(shù)一、碹體支護(hù)技術(shù)碹體支護(hù)一般采用直墻半圓拱，所采用的砌筑材料多種多樣，如毛料石、條石、規(guī)格料面、紅磚、混凝土砌塊等。碹體支護(hù)在我國各種地下工程中的應(yīng)用有著悠久的歷史，碹體支護(hù)具體結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，巷道成形好，承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，故曾在一切難支護(hù)的巷道中廣泛應(yīng)用。但碹體支護(hù)工人勞動(dòng)量大，施工速度慢，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，特別是碹體支護(hù)剛性大，允許變形量小，不適應(yīng)軟巖巷道大變形要求，在軟巖礦井中應(yīng)用已有不勝枚舉的失敗教訓(xùn)。近年來，為適應(yīng)軟巖巷道變形量大、地壓大的需要，發(fā)展了多種新型碹體支護(hù)，主要包括：1、 離壁碹離壁碹體支護(hù)是碹體砌筑與圍巖之間保留一定變形空間，所留空隙由圍巖擴(kuò)容、膨脹、破碎片落自行充填，從而避開圍巖急劇變形階段，避免承受圍巖的形變地壓，而只承受其松散地壓，使碹體保持穩(wěn)定。預(yù)留空間大小應(yīng)根據(jù)圍巖變形值確定，一般拱頂250~400mm，兩墻150~300mm。2、 重縫碹重縫碹是對(duì)縫砌筑的全圓形碹體支護(hù)。重縫碹砌筑方便，抗變形能力強(qiáng)。它像一條無數(shù)個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)來支撐巷道壓力，而環(huán)和環(huán)之間是弱連接，因此很容易釋放圍巖壓力，同時(shí)由于牽動(dòng)力小，不會(huì)出現(xiàn)碹體縱向斷裂。3、 條帶碹條帶碹是不連續(xù)的碹體砌筑。料石或混凝土砌筑成一定長度的碹體，稱為條帶，條帶之間留有一定寬度的空隙，叫“卸壓通道”。條帶寬2~6m，卸壓通道寬0.4?0.6m。要求條帶必須砌筑成齊頭的，卸壓通道不要?jiǎng)x木拌，應(yīng)該用金屬網(wǎng)軟掩護(hù)，以保證卸壓效果。4、 弧板與錨噴聯(lián)合支護(hù)利用錨噴作一次支護(hù)，弧板作二次支護(hù)。弧板由4?5塊鋼筋混凝土弧形組裝而成，各弧塊間墊20mm厚木板?；“迮c錨噴支護(hù)間留100~200mm間隙并以低標(biāo)號(hào)混凝土或充填袋充填。曾試驗(yàn)過300#、400#、600#和1000#不同承載能力的弧板。盡管采取了以上種種改進(jìn)措施，使碹支技護(hù)對(duì)軟巖巷道的適應(yīng)性有所增強(qiáng)，但實(shí)踐表明，隨著地下開采深度的不斷增加，軟巖礦井的大量開發(fā)，碹體支護(hù)暴露出的問題仍日益突出。如金川有色金屬公司軟巖巷道支護(hù)后一再翻修，多達(dá)5次，二次區(qū)1974?1980年間，翻修巷道量達(dá)13017.3m,占掘進(jìn)總長的46.7%，耗資1474.6萬元，占巷道施工投資的24%，再如淮南局新莊孜礦開拓巷道13725m中，軟巖有6065m，占44%，采用碹體支護(hù)有一半巷道變形破壞。如該礦四水平北運(yùn)道，掘進(jìn)新面13.42m2，凈寬2.9m，采用底仰拱直墻半圓拱雙層料石碹，碹體厚度0.6m，開挖一個(gè)月巷道就嚴(yán)重變形，幾個(gè)月就通不過礦車。后采取短掘砌施工工藝，通過斷層帶，但雙層碹體當(dāng)月就壓垮。再翻修后，每隔一年翻修一次，每年維修費(fèi)約5?6萬元。梅河三井采用碹體支護(hù)不斷提高剛度，增加支護(hù)抗力，3層半碹體支護(hù)厚度達(dá)1225mm，但7d就破壞，35d全部壓垮。淮南潘一、潘二，在建井過程中已施工的碹體支護(hù)巷道均遭到嚴(yán)重破壞，主要巷道都經(jīng)過一次以上的返修。因此，碹體支護(hù)不宜在軟巖礦井、斷層破碎帶、接觸破碎帶、節(jié)理密集帶、強(qiáng)烈觸變帶等工程地質(zhì)惡劣的松軟破碎巖體中應(yīng)用。圖12-2為金川一組受構(gòu)造應(yīng)力影響，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的碹體支護(hù)破壞形態(tài)。金川采用碹體支護(hù)必須采用封閉形的，即對(duì)底板控制，否則兩墻在水平應(yīng)力作用下，很容易收斂變形破壞。支護(hù)斷面應(yīng)采用扁橢圓形以提高約束水平孔力的能力。碹體支護(hù)對(duì)高地應(yīng)力巷道支護(hù)是不成功的。十幾年來在這方面的投入是極大的，教訓(xùn)是深刻的，應(yīng)認(rèn)真總結(jié)并吸取。圖12-2金川鎳礦料石碹支護(hù)破壞形態(tài)二、U型鋼可縮性支架壁后充填支護(hù)1、存在問題國內(nèi)外都認(rèn)為u型鋼可縮性支架是軟巖巷道及受動(dòng)壓影響巷道比較理想的支護(hù)型式。但在軟巖巷道實(shí)際使用中，u型鋼支架遭到嚴(yán)重破壞的事例是很多的。通過分析發(fā)現(xiàn)，u型鋼可縮性支架不能有效控制軟巖大變形的主要原因是支架未能按設(shè)計(jì)特性進(jìn)行工作，實(shí)際支護(hù)阻力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)支護(hù)阻力。可縮性能得不到充分發(fā)揮。其影響因素包括：1）所用卡纜型式不合理及支架與圍巖之間存在較大空間，導(dǎo)致支架的初撐力低、增阻速度慢、支架縮動(dòng)阻力低。連接件是影響可縮性金屬支架可縮性能和工作阻力的關(guān)鍵。普通螺桿夾板式卡纜，存在滑移困難、阻力低且不穩(wěn)、連接件易損壞或卡死等缺陷，受力狀況很差。加上人工擰緊力矩較小、各卡纜擰緊力矩大小差別又較大，使支架縮動(dòng)變形阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)阻力。例如，遼寧鐵法礦務(wù)局小康礦S1W3回風(fēng)巷29U拱形支架的整架阻力平均只有177.48KN，僅為設(shè)計(jì)阻力的1/4?1/6。支架與巷道圍巖之間存在較大的架后空間，使支架架設(shè)后很長時(shí)間不能向圍巖提供有效支護(hù)。據(jù)井下實(shí)測(cè)，支架支護(hù)后1個(gè)月以上圍巖變形達(dá)200?300mm左右，支架載荷才有明顯增加，支架的初撐力和增阻速度都相當(dāng)?shù)汀?）支架受力不均，使支架的承載能力和可縮性能受到嚴(yán)重影響軟巖巷道掘進(jìn)中，片幫冒頂都比較嚴(yán)重，在支架背后形成大小不等的架后空間，支架與圍巖表面之間呈不規(guī)則的點(diǎn)、線接觸，使支架受力狀態(tài)十分惡劣，往往在支架內(nèi)產(chǎn)生很大的附加扭矩，導(dǎo)致支架接頭被卡死，影響支架的可縮性能；或使支架發(fā)生永久性彎曲、扭曲和斷裂。軟巖巷道U型鋼支架破壞形式主要有四種：①受頂部集中載荷作用被壓平；②支架頂部存在較大的架后空間，在側(cè)壓作用下形成尖桃形破壞；③受偏載作用破壞和④棚腿內(nèi)移出現(xiàn)“倒葫蘆狀”破壞等。如圖12-3所示，它們都與支架受力不均有關(guān)。圖12-3U型鋼支架破壞形式a一因空頂出現(xiàn)塵桃形破壞；b一受偏載作用破壞；C一棚腿內(nèi)移出現(xiàn)“扣頭”破壞；d-頂壓作用下的破壞進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室支架加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)卡纜螺栓扭矩為300N.m時(shí)，拱形支架受拱頂集中載荷作用時(shí)，承載能力僅120KN；受均布載荷作用時(shí)，拱形支架承載能力達(dá)到710KN，圓形支架為1460KN；采用壁后充填時(shí)拱形支架承載能力提高到2480KN，為受集中載荷時(shí)的15倍。3） 對(duì)底板變形控制不力，影響支架的承載性能底鼓嚴(yán)重是軟巖巷道變形與破壞的重要特征，也是影響U型鋼支架實(shí)際承載能力的重要因素，井下支護(hù)實(shí)踐表明，拱形支架鉆底非常嚴(yán)重，不得不經(jīng)常臥底維修，而頻繁的臥底維修又使支架棚腿不斷內(nèi)移，甚至出現(xiàn)“扣頭”現(xiàn)象（圖12-3（c）），使支架的承載能力和可縮性能都受到嚴(yán)重影響。4） 加間拉桿使用不力，影響了支架整體性能和承載性能支架整體性能差是影響U型鋼支護(hù)阻力發(fā)揮的又一重要因素?，F(xiàn)用U型鋼支架大多沒有安裝架間拉桿或雖裝有拉桿但拉桿的強(qiáng)度及拉桿數(shù)量不足，不能保證支架的整體性能，支架之間不能協(xié)調(diào)變形，而被各個(gè)擊破。受上述因素影響，使U型鋼可縮性支架的實(shí)際工作特性嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)特性，支架控制變形的能力嚴(yán)重降低。圖12-4為根據(jù)井下實(shí)測(cè)結(jié)果得到的拱形支架和圓形支架工作特性曲線。圖12-5為圓形支架實(shí)驗(yàn)室整架加載得到的理想特性曲線（圖中1、2曲線的卡纜螺母擰緊力矩分別為300m.N和250m.N）。圍巖變形量/mm 斷面收縮率/%圖12-4普通U型鋼支架實(shí)際工作特性 圖12-5圓形支架理想特性曲線由圖12-5可以看出，由于支護(hù)受力差等原因，拱形和圓形支架，不僅支護(hù)阻力很低，只有0.04?0.06MPa,而且由于支架不能實(shí)現(xiàn)均勻可縮，而發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，使支架的實(shí)際工作特性嚴(yán)重偏離其設(shè)計(jì)的特性曲線(圖12-5)，這是支架不能有效控制軟巖巷道劇烈變形的主要原因。上述4個(gè)方面是相互影響相互聯(lián)系的，應(yīng)該針對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行改進(jìn)。但其中影響最大的是架后空間問題，架后空間的存在不僅嚴(yán)重影響支架的承載能力和可縮性能，而且惡化圍巖的受力狀態(tài)和變形條件，降低圍巖的自承能力，是許多U型鋼支護(hù)巷道失敗的最主要原因。(二)提高U型鋼支架支護(hù)阻力和改善支架工作特性的措施針對(duì)上述影響U型支架支護(hù)阻力和工作特性的因素，軟巖巷道支護(hù)中應(yīng)采取如下改進(jìn)措施：采用圓形或馬蹄形封閉式支架，使支護(hù)能適應(yīng)軟巖巷道四面來壓和底鼓嚴(yán)重的特點(diǎn)；在采用馬蹄形封閉式支架時(shí)，底梁與柱腿之間鑲嵌式連接，利于安裝和底梁可縮。支架間用強(qiáng)力拉桿和鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，改善支架的整體效果。采用新的經(jīng)過熱處理的雙槽形夾板式卡纜(帶限位塊)，并使用風(fēng)動(dòng)扭力扳手，卡纜的擰緊力矩保持300N-m，使卡纜阻力與支架的承載能力相匹配。在支架與圍巖之間實(shí)施壁后充填，提高支架的初撐力和增阻速度，改善支架的受力狀態(tài)，并使支架一充填體一圍巖三者形成一個(gè)共同的力學(xué)承載體系，大幅度提高支架對(duì)圍巖的支護(hù)強(qiáng)度和圍巖的自承能力。另外，當(dāng)圍巖非常破碎、掘進(jìn)冒頂嚴(yán)重(如一側(cè)采空巷道或過斷層破碎帶)時(shí)，為保證壁后充填質(zhì)量和新型支護(hù)效果，同時(shí)也為了提高圍巖強(qiáng)度，還可采取錨注等輔助其它加固措施。采取上述措施后將明顯改善U型鋼支架的工作特性，支護(hù)阻力顯著提高，圖12-6是根據(jù)井下實(shí)測(cè)結(jié)果得到的新型支護(hù)工作特性。(a) (b)圖12-6壁后充填后新型支護(hù)實(shí)際特性(a)-全封閉馬蹄型支架；(b)-圓形支架

由圖12-6可以看出，采用壁后充填的支架，不僅支護(hù)阻力較高，達(dá)到達(dá)0.2MPa以上，還具有良好的可縮性能，使支架與圍巖之間始終保護(hù)良好的相互作用，從而有效地控制軟巖巷道的變形。壁后充填不僅顯著改善了支護(hù)受力條件，保證了支護(hù)均勻可縮，更主要的是使支護(hù)、充填層與圍巖三者共同形成一整體承載結(jié)構(gòu)，能極大地發(fā)揮圍巖的自承能力，使圍巖由被動(dòng)施載體變?yōu)橹鲃?dòng)承載體。這是新型支護(hù)能夠有效控制軟巖巷道劇烈變形的主要原因。（三）架后充填材料與工藝1、充填料的一般要求（1） 應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，以保證在支架極限承載能力范圍內(nèi)，具有良好的力學(xué)傳遞性能，充填層始終保護(hù)完整不破壞。在目前我國所采用的金屬支架條件下，充填體的單軸抗壓強(qiáng)度只需3?4MPa即可滿足要求。（2） 應(yīng)具有良好的隔水性及在細(xì)小巖石裂隙中的滲透性，以滿足封閉和加固圍巖的要求。（3） 應(yīng)具有良好的工藝性能，例如良好的可泵送性能，以適應(yīng)機(jī)械化充填作業(yè)的要求。一般采用泵送充填時(shí)，拌水后充填料的塌落度應(yīng)在12?18cm的范圍，無論是濕式或干式充填，充填料中骨料的最大粒徑應(yīng)小于輸送管內(nèi)徑的1/3,以防堵管。（4） 最好具有一定的可縮性，以實(shí)現(xiàn)與圍巖變形、支架可縮三者之間的良好匹配。2、充填材料種類（1）低水充填材料通常將水灰比（水：骨料）低于0.25的充填材料稱為低水充填材料。目前我國已進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用的實(shí)用型低水充填材料主要有兩大類：粉煤灰類充填材料粉煤灰是電廠的工業(yè)廢料，來源豐富，價(jià)格低廉，便于泵送或風(fēng)力充填，同時(shí)又具有一定的化學(xué)活性，在一定的膠凝劑、添加劑的作用下，可水化成為具有一定強(qiáng)度的固體材料，是一種理想的充填材料。幾種經(jīng)實(shí)驗(yàn)室配比試驗(yàn)而確定的粉煤灰類充填材料性能如表12-11所示。從表中可看出，粉煤灰類充填料的早期強(qiáng)度不大高，而后期強(qiáng)度隨水泥含量增加而提高，均可達(dá)到4.5MPa以上，符合架后充填的要求。矸石粉類充填材料用矸石粉作為架后充填材料，也可就地利用井下排出的大量矸石，且運(yùn)輸方便，成本低廉。表12-12為幾種不同配比的矸石粉類充填材料的性能。表12-11幾種粉煤灰類充填材料性能 表12-12矸石粉類充填材料性能配比配比強(qiáng)度MPa1d3d7d28d粉煤灰：生石灰=1:10.61.82.54.5粉煤灰：=3生石灰：水泥:0.5:0.51.12.33.57.9粉煤灰:水泥=3:11.43.16.019.0配 比強(qiáng)度MPa1d3d7d28d矸石粉：水泥=5:10.82.23.210.0矸石粉：水泥=4:11.42.64.913.0矸石粉：水泥=3:12.16.19.122.0從表中可看出，隨水泥含量的增加，矸石粉類充填材料的強(qiáng)度也逐漸提高。此外，與粉煤灰類相比，在同樣的水泥含量下，矸石粉類充填料的早期和后期強(qiáng)度都較高，是一種經(jīng)濟(jì)的工程實(shí)用充填材料。中水充填材料水灰比為0.25?0.6的充填材料通常稱為中水充填材料。目前國內(nèi)外在架后充填中已試驗(yàn)和應(yīng)用過多種類型的中水充填材料。前蘇聯(lián)、英國、德國曾采用合成硬石膏，摻加速凝劑后，配制成水灰比為0.35左右的灰漿進(jìn)行架后充填，取得了較好的巷道維護(hù)效果。我國一些礦井曾采用300號(hào)以上的硅酸鹽水泥配制成水灰比為0.3?0.4的水泥砂漿或混凝土漿作砌碹巷道的架后充填材料。其特點(diǎn)是固化后強(qiáng)度較高，剛度較大，但可縮性很小。此外，一些國家還試驗(yàn)過利用聚氨酯等有機(jī)化學(xué)凝固材料，再摻入一定量的松散劑、速凝劑、硬化劑等添加劑后配制成充填材料進(jìn)行架后充填，也收到了較好效果。膨脹發(fā)泡充填材料德國、前蘇聯(lián)、美國等國家煤礦井下已應(yīng)用過多種這類充填材料。它具有良好的隔水隔熱性能，不燃燒不透氣，比重小，具有很高的可壓縮性，較好的封閉性能，但抗壓強(qiáng)度較低。主要用于以封閉圍巖、填充洞穴為目的的架后充填。袋裝松散充填材料3、架后充填工藝按所采用的充填材料的不同，架后充填工藝分泵送充填和手工填兩類，泵送充填工藝又分干式充填和濕式充填兩種。這里僅對(duì)濕式充填式工藝過程簡單介紹如下：濕式充填濕式充填適于充填較小顆粒，要求水灰比較大的充填材料。由于充填材料先在充填機(jī)內(nèi)攪拌成漿糊狀，然后由管路泵送擠出，故阻力較大，輸送距離不能很遠(yuǎn)。一般充填機(jī)設(shè)在離充填點(diǎn)不遠(yuǎn)于50m的位置。掘巷后通常緊跟迎頭進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)或錨噴一次支護(hù)，隨后架設(shè)U型鋼支架作為永久支護(hù)，緊接進(jìn)行以下各工序：鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)背板鋪設(shè)隔離層隔離層應(yīng)具有一定的抗拉強(qiáng)度，基本不滲水，成本低廉。通?？刹捎盟芰暇幙棽?、黃麻布片、竹席等材料。設(shè)置充填隔斷在充填前將已架設(shè)支架的巷道在架后空間沿巷道縱向分隔成6?8m長的充填隔斷，從而使每一隔斷內(nèi)的架后空間與相鄰隔斷隔離，充填工作分段獨(dú)立進(jìn)行，以保證充填密實(shí)。充填隔斷可用充氣袋，也可用裝滿矸石的塑料編織帶在支架背后砌筑而成。制備充填材料泵送架后充填泵送架后充填可采取在掘進(jìn)頭向架后沿巷道軸向充填，也可滯后掘進(jìn)頭在支架內(nèi)沿巷道徑向充填，現(xiàn)場(chǎng)以后者居多。三、注漿加固與錨注技術(shù)(一)注漿加固技術(shù)1、圍巖注漿的作用和機(jī)理煤系地層一般均存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)上的弱面，如斷層、節(jié)理、裂隙、層理等，因此巖體本身是受各種弱面切割的非連續(xù)體。掘巷前，這種非連續(xù)介質(zhì)由于四周的約束，處于原始平衡狀態(tài)。掘巷后這種非連續(xù)體賴以平衡的邊界條件被破壞，同時(shí)在掘巷造成的集中應(yīng)力作用下圍巖中原有的弱面進(jìn)一步擴(kuò)大，新的弱面大量產(chǎn)生，結(jié)果在圍巖中不可避免地形成一個(gè)松動(dòng)破碎圈。由于松動(dòng)圈內(nèi)巖體的非線性體積膨脹變形，將對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的變形壓力并使巷道產(chǎn)生較大的收斂變形，圍巖松動(dòng)圈范圍越大，巷道的收斂變形就愈嚴(yán)重，巷道支護(hù)也困難。利用聲波原理進(jìn)行的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，一些松軟圍巖在較高的地應(yīng)力作用下，松動(dòng)圈的深度常達(dá)1.5m以上，有的甚至高達(dá)5?6m。這種情況下，巷道頂?shù)准皟蓭偷囊平靠蛇_(dá)500?600mm，有的高達(dá)1000mm以上。這樣的大的巷道收縮量及相應(yīng)的圍巖變形壓力對(duì)一般巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)是難以承受的。即使靠提高支護(hù)體的強(qiáng)度和可縮性來承受這樣大的變形和壓力，也是很不經(jīng)濟(jì)的。如果將圍巖進(jìn)行加固，提高其強(qiáng)度及變形模量，一方面可縮小圍巖松動(dòng)圈的范圍，減小巷道的收縮變形，同時(shí)也可增加圍巖分擔(dān)的上覆巖層壓力，減小支架所承受的載荷，使支架圍巖系統(tǒng)易于達(dá)到新的力學(xué)平衡。即使圍巖能將上覆巖層壓力的總量多承擔(dān)1%，也可顯著改善巷道支護(hù)的受力條件和巷道維護(hù)狀況。圍巖注漿是加固圍巖的一種有效方法。我國自50年代起開始應(yīng)用水泥注漿，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)到采用水泥漿、化學(xué)漿液等多種材料進(jìn)行圍巖注漿的實(shí)用階段。圍巖注漿的實(shí)質(zhì)是向存在大量裂隙的松軟破碎巖體中注入能膠結(jié)硬化的漿液，或在需要加固而本身并無大量裂隙存在的巖體中人為地先形成大量裂隙，然后向巖體中注入能夠滲入裂隙、并在裂隙中膠凝硬化的某種漿液，將巷道周邊的破碎巖體重新膠結(jié)成高強(qiáng)度的注漿殼，從而大幅度提高圍巖及巷道穩(wěn)定性。圍巖注漿的主要作用有：加大弱面上的摩擦力，相當(dāng)于提高圍巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，增大巖塊間相對(duì)位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性。漿液在裂隙中充填、固結(jié)后封閉裂隙，阻止水浸入巖體對(duì)圍巖的弱化作用，也阻止了圍巖的進(jìn)一步風(fēng)化。對(duì)破碎松散巖體，由于漿液在裂隙中的膠結(jié)作用，使破碎巖塊重新膠結(jié)成整體，形成一個(gè)可以承受外載的注漿殼，使之與巷道支架共同承載，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。根據(jù)撫順龍風(fēng)礦對(duì)深井軟巖巷道采用卸壓加固的效果所進(jìn)行的有限元分析，注漿加固對(duì)巷道的變形及圍巖應(yīng)力分布有顯著影響。

圖12-7表示對(duì)巷道圍巖有無加固的情況下巷道底板應(yīng)力的變化情況。由圖a可見，當(dāng)?shù)装逦醇庸虝r(shí)，底板中出現(xiàn)深度達(dá)2m左右的拉斷破壞區(qū)，由于該區(qū)中底板巖體的結(jié)構(gòu)已基本遭到破壞，巖體中的應(yīng)力明顯降低。從圖b可見，由于對(duì)底板進(jìn)行了加固，在底板中形成了3.0m深度的加固層，并承受了較大的應(yīng)力，達(dá)原巖應(yīng)力的1.6倍，使底板巖層的自承能力更好地得到發(fā)揮。由于底板加固增加了底板的強(qiáng)度和抗變形能力，使底鼓量大幅度降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，在初始時(shí)（即t=0時(shí)），無加固的巷道底鼓量是加固時(shí)的1.5倍。計(jì)算中采用的最終時(shí)間為118min時(shí)，加固時(shí)的巷道底鼓量比不加固時(shí)減小了68%。從拱腳的水平位移看，初始t=0時(shí)，加固后僅為不加固時(shí)的1/4,118min時(shí)，加固后僅為不加固時(shí)的1/8。由于拱腳水平位移極易造成巷道拱腳處的破壞，所以加固后不僅巷道底鼓量減小，而且底板的變形特征也有利于巷道的穩(wěn)定。圖12-7圍巖有無加固時(shí)巷道底板應(yīng)力分布的有限元分析結(jié)果（a）-底板未加固；（b）-底板加固；1—1=0；2—t=1min；3—t=1h；4—t=30d對(duì)加固與不加固情況下巷道底板中點(diǎn)隨時(shí)間而產(chǎn)生的流變變形的觀測(cè)結(jié)果表明，加固后底板的穩(wěn)定變形速度僅為不加固時(shí)的1/5。在不加固圍巖時(shí)，底板巖體中主應(yīng)力隨時(shí)間的延長不斷減小，并趨于受拉，試驗(yàn)中觀測(cè)到在底板中產(chǎn)生了拉伸裂隙。在加固后底板中拉應(yīng)力消失?？梢妵鷰r注漿加固可明顯改善圍巖應(yīng)力分布及圍巖結(jié)構(gòu)特征，提高巷道穩(wěn)定性。這一技術(shù)目前在我國已用于水電大壩工程的巖基處理，鐵路、公路及高層建筑的地基加固、金屬礦山及煤礦巷道的圍巖加固等領(lǐng)域，對(duì)破碎巖層進(jìn)行加固，收到了良好的效果。2、注漿材料注漿材料種類水泥漿液單液水泥漿水泥-水玻璃漿水泥粘土漿化學(xué)漿液水玻璃類脲醛樹酯類銘木素類氧化鎂烯酰胺類聚氨酯類炕醛樹酯類環(huán)氧樹酯類甲基丙烯酸甲酯類表12-13注漿材料分類表按照材料的成分組成，目前國內(nèi)外所使用的注漿材料大致可分為兩大類：即水泥漿液和化學(xué)漿液（表表12-13注漿材料分類表漿液在松散介質(zhì)中滲透的難易程度，一方面取決于漿液本身的粘度，另一方面取決于松散介質(zhì)滲透系數(shù)（與裂隙發(fā)育程度有關(guān)）的大小。實(shí)踐中主要根據(jù)以上兩個(gè)因素及成本因素來選取究竟采用何種注漿材料。試驗(yàn)表明，水泥漿能注入到比它本身粒度大三倍的孔隙中去，目前國內(nèi)常用的水泥最大粒度為0.085mm，在一般的壓力下只能注入最小寬度為0.255mm的孔隙中去。單純的水泥漿固化后粘結(jié)強(qiáng)較高，但凝結(jié)時(shí)間較長。注漿時(shí)漿液先沿圍巖中的大裂隙向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，甚至擴(kuò)散很遠(yuǎn)也不會(huì)凝固，而小裂隙中漿液則難以進(jìn)入，所以這種情況下注漿達(dá)到的范圍較大，漿液消耗量多，但小裂隙并未注入。若采用水泥水玻璃混合漿液，其膠凝時(shí)間短而且可以控制，注漿時(shí)漿液首先進(jìn)入大裂隙，但擴(kuò)散不太遠(yuǎn)就會(huì)凝固封閉，堵塞大裂隙通道，而后漿液被壓注進(jìn)小裂隙，注漿材料消耗量少而注漿效果更好。實(shí)際注漿時(shí)，單純水泥漿的濃度一般根據(jù)圍巖松散情況在(0.6?2.0):1范圍內(nèi)選取水灰比。選用水玻璃-水泥混合漿時(shí)，水泥與水玻璃的體積比一般選為1：(0.3?1.0)。當(dāng)圍巖含水量較多時(shí)選水玻璃含量較大的配比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，采用600號(hào)水泥以及水泥與水玻璃體積比為1：1時(shí)，凝膠時(shí)間為3min，1h抗壓強(qiáng)度為0.5MPa以上，1d強(qiáng)度可達(dá)6MPa以上。粘土漿具有較好的可注性、觸變形及穩(wěn)定性，特別是有較好的阻水性能。水泥與粘土類混合漿液膠凝速度較慢，固化后強(qiáng)度較低，但由于其成本低，粘土來源廣泛，因此常用于一些要求不太高，以防堵水為主要目的的圍巖注漿工程中。由于化學(xué)漿液都是溶液，本身沒有顆粒，具有較強(qiáng)的滲透能力，可注性較好，一般均用于微裂隙較發(fā)育的圍巖加固和防堵水注漿。各種化學(xué)漿液的稠度不同，滲透能力也各異。目前在煤炭工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用較多的主要是聚氨酯類、脲醛樹酯類及氧化鎂類化學(xué)注漿材料聚氨酯是由多異氰酸酯和多元醇聚合而成的高分子化合物，對(duì)煤和巖石具有較好的粘結(jié)性，硬化時(shí)間短，而且可以調(diào)節(jié)。硬化時(shí)沒有水和溶劑析出。硬化后的聚氨酯具有一定的彈性、塑性和很高的抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。受載后僅被壓縮而不會(huì)產(chǎn)生脆裂，在巖層運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)喪失其粘聚力。聚氨酯中加入一定量的水后會(huì)產(chǎn)生發(fā)泡反應(yīng)，使其體積膨脹約3倍左右，在注漿時(shí)可在鉆孔中形成膨脹壓力，迫使樹脂被壓入裂隙。聚氨酯作為一種理想的化學(xué)注漿材料已在德國、英國及我國的一些煤礦中得到應(yīng)用。氧化鎂膠結(jié)料的主要優(yōu)點(diǎn)是沒有任何毒性，成本比聚氨酯低93%?95%，比脲醛樹脂低66.6%?80%。注進(jìn)巖石裂隙中的氧化鎂膠結(jié)料，在裂隙兩相邊界面上產(chǎn)生粘附力，使膠結(jié)料保留在裂隙中，并將巖塊膠結(jié)成整體。氧化鎂膠結(jié)料屬雜鏈聚合作，向其中摻入10%?20%的聚合物添加劑后可大幅度提高膠結(jié)劑的粘附強(qiáng)度，固結(jié)后具有很好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。脲醛樹酯類膠結(jié)材料在我國應(yīng)用較多的是木銨注漿材料。這種材料是由脲醛樹酯與亞硫酸鹽紙漿廢液、硝酸銨按一定配比混合而成。例如當(dāng)木銨漿液中脲醛樹酯含量為61%，紙漿廢液為32%，硝酸銨含量7%時(shí)，漿液的膠凝時(shí)間約為4?25min，固結(jié)強(qiáng)度約為9?13MPa。本銨注漿材料在我國的一些金屬和非金屬礦山、隧道工程的圍巖注漿中得到較多的應(yīng)用，并取得了較好效