软岩大断面巷道支护技术研究

软岩大断面巷道支护技术研究

【摘要】通过阐述软岩的特性和软岩巷道支护技术，结合具体实例，新河矿软岩大断面巷道采用锚网喷+绑钢筋喷射混凝土的支护方案，然后通过现场试验，该支护技术取得了良好的效益，不仅使支护强度超过了原设计强度。同时节约了施工经费、加快了支护速度、缩短了工期，赢得了宝贵的时间。

【关键词】高应力；破碎带；大断面；锚喷

引言

20世纪60年代到现在，国内外专家、学者提出的软岩定义多达几十种，但总的可分为以下三种：

(1)描述性定义：①陆家梁认为松软岩层系指松散、软弱的岩层。它是相对于坚硬岩层而言的。松软岩层由于成岩的时间短、结构疏松、胶结程度差，故自身强度很低；②郑雨天、王明恕等认为软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称；③朱效嘉教授认为松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为松软岩层，简称软岩。

(2)工程定义：①中国矿业大学董方庭教授提出，松动圈厚度大于1.5m的围岩，称为软岩；②中国矿业大学鹿守敏教授指出，围岩松动圈大于1.5m，并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩；③松钦岩层是指“难支护的围岩”或“多次支护，需要重复翻修的围岩”。

(3)指标化定义：①isrm(国际岩石力学学会，1990～1993)定义：

软岩定义为单轴抗压强度(σc)在0.5～25mpa之间的岩石；②

g.russo(1994)定义：软岩指单轴抗压强度小于17mpa的岩石；③抗压强度小于20mpa的岩层称为软岩。

因此可以总结出软岩具有以下的属性：岩石强度低，单向抗压强度一般都在15～30mpa以下；大多属粘聚力很弱的泥质胶结，因此，在外力作用下，岩石总是沿胶结物破坏；结构面发育；岩石的空隙率大，通常都在15％以上；含水率高，一般都在5%～10%以上；吸水膨胀性强；软化系数大等。

1、软岩支护理论与技术研究

1.1新奥法

新奥法在国际上简称为natm，我国在20世纪70年代引入，并且在铁路、水电、煤炭等工程领域得到推广应用。新奥法的主要思想是调动围岩自身的承载能力，尽可能地控制围岩变形，防止围岩松动，以达到施工最大安全度和最好的经济效果。新奥法主要内容包括：围岩与支护共同发挥承载环的作用；初始支护应采用柔性结构；建立二次支护的概念；调整支护参数和重视涌水处理等。

在煤矿井下工程实践中，新奥法对提高软岩支护效果有以下重要意义：①实施密贴支护，使围岩与支护共同承载围岩应力；②充分调动围岩自支承能力，开挖过程最大限度的保护原岩强度；③恰当的控制围岩变形，一方面允许围岩向巷道空间位移，以便形成岩石支承环，另一方面控制其产生过大的变形造成围岩强度降低；④二次支护，一次支护使巷道基本稳定，二次支护进一步提高巷道的

安全性；⑤全断面一次施工，采用光面爆破，避免出现对围岩的反复扰动和出现棱角造成应力集中；⑥采用全封闭支护及时控制底板。

1.2二次支护理论

实践表明，在高应力、膨胀性软岩巷道用一次支护，特别是使用强刚性支护均不可行。包括双料石碹，400mm厚的钢筋混凝土支护等等，原因是它们都不适应软岩初期大变形的特点。因此一次支护主要是提高围岩自身承载能力，保证巷道在安全的条件下允许围岩在控制下释压变形，以适应软岩的变形力学机制。为了保证巷道的较长时间的稳定和服务期的安全，在围岩变形稳定后必须进行二次支护，给巷道围岩提供最终支护强度和刚度。软岩巷道支护仅设计合理而施工质量不到位还是要失败的，所以对软岩巷道的施工质量保证，从掘进、支护和材质都要严格把关，确保工程质量。保证做到材料合格，光面爆破，锚杆安装到位，挂网喷浆平整均匀。严格水的管理，地下工作面水要及时处理；工程用水要严格控制。

1.3锚网喷支护

锚网喷支护是目前软岩巷道有效且实用的支护形式，锚网喷支护具有以下优点与作用：喷射混凝土能及时封闭围岩和隔离水、风对围岩的破坏，减少膨胀泥化剥落的条件；锚杆能实现主动支护加固围岩，提高围岩自身承载能力和围岩一起形成一个加固圈。网不仅可以支承锚杆之间的围岩，同时将单个锚杆连结成整体锚杆群，和混凝土形成有一定柔性的薄壁钢筋混凝土支护圈，锚网喷总体和

围岩共同形成一个支承圈共同支承围岩，保持巷道稳定。锚网喷支护允许围岩有一定变形，所以锚网喷支护的性能十分符合软岩对支护的要求，特别是一次支护性能的要求。锚网喷支护是目前软岩巷道有效、经济、实用的支护形式。

2、工程实践

新河矿井中央变电所设计断面为净宽5100mm，净高4000mm，巷道所处岩层为砂质泥岩，岩性较软，原设计为现浇混凝土支护，支护厚度400mm，根据混凝土施工工艺，施工时间较长，但这样势必会影响中央泵房和中央变电所的安装时间，造成永久排水系统形成滞后。新河矿井为高承压水矿井，且主要巷道均要穿过f216及

f216-1断层，若注浆效果不好，出水的可能性很大。但中央变电所为主要供电硐室，支护强度要大，支护质量要高。鉴于该种情况，我们提出了锚网喷+绑钢筋喷射混凝土的支护方案，一次支护锚网喷，保证巷道在有效安全的支护条件下释压变形，二次支护绑双层钢筋喷射高强混凝土，给巷道围岩提供最终的支护强度和刚度。但由于正常的喷射混凝土强度一般为c20，低于设计的混凝土支护强度c30，经与有关专家探讨，决定采用增加mk-1增强剂来提高喷射混凝土的强度。主要设计内容如下：

（1）原变电所支护设计砼砌碹支护，支护厚度400mm。

（2）变更后的支护形式为：锚网喷+绑双层钢筋喷射高强混凝土联合支护。钢筋网采用为φ18螺纹钢绑扎。

（3）混凝土配比（重量比）：水：水泥：砂：石子：mk-1增强

剂：速凝剂—0.51:1:2:2:0.1:0.04。设计强度为c30。

2.1巷道支护技术特点

若采用普通喷射混凝土方法，喷射时掺入的各类速凝剂中均含有碱，碱化作用使强度损失率达30%，混凝土粘接性不强、回弹率高，密实度低，隔水阻潮性能差，其强度多为c20，经加入一定比值的mk-1增强剂后，经研究分析，混凝土的强度提高了50％左右，达c30以上，可以替代浇筑混凝土；粘结力强，喷射回弹率也降低了50％左右，且在喷射混凝土前用φ18螺纹钢绑扎钢筋网加强支护，解决了支护强度问题。喷射砼时应符合下列要求：（1）喷射应分段、分片由下而上螺旋顺序进行，每段长度一般不超过6m。喷射时，喷嘴要正对受喷面作均匀顺时针方向的螺旋转动，螺旋直径20-30cm，以使混凝土喷射密实。当岩面有较大坑洼时，应先喷凹处，然后找平。

（2）喷射砼的回弹物不能重复利用，应从工作面清除。

（3）后一层喷射应在前一层砼终凝后进行，若终凝后间隔1小时以上再次喷射时，受喷射面应用风、水清洗。

（4）混合料应随拌随喷。不掺速凝剂时，存放时间不应大于２小时，掺有速凝剂时存放时间不应大于20分钟。

（5）在砼终凝后2小时开始洒水养护，养护时间应在7天以上。

2.2巷道支护效果分析

在施工中，为保证喷射混凝土强度，每施工10m对混凝土进行取样强度试验。测试结果见下表。