摘要：巷道支护对煤矿井下安全生产意义重大，传统的锚杆锚索支护技术对浅埋软岩巷道支护的针对性差，难以满足矿井精细化生产要求。利用注浆加固技术结合钢筋混凝土衬砌结构对浅部软岩巷道进行支护，增强了软弱围岩的强度和自稳性能，提高了巷道围岩的整体性和稳定性，同时由于注浆加固的扩散作用，对巷道掘进前方的煤岩体产生一定的加固作用，提高了巷道掘进的安全性，实践表明，该支护技术对浅部软弱围岩巷道具有很强的针对性。
关键词：浅埋软弱围岩,巷道支护,注浆加固,衬砌结构
0引言
锚杆锚索支护技术因操作方便，加固效果好，在井下巷道支护作业中运用广泛，但巷道掘进的地质情况极为复杂，对各种不同的巷道围岩特征都采用锚杆锚索支护技术的方法没有针对性，不可避免造成巷道支护系统效能低的问题[1]。在浅埋软弱围岩巷道采掘过程中，巷道埋深浅，巷道所处地层的水土压力相对较小，巷道的变形破坏原因主要是由于软弱围岩膨胀易破碎的特性导致的变形破坏[2]。对于软岩巷道支护技术，目前应用较多的是“棚索”耦合支护技术，通过棚索（杆）耦合，从外部约束围岩的变形。在软弱围岩中，锚杆锚杆挤压加固作用有限，在软弱围岩很难形成连续的加固层或者加固效果较差，锚杆锚索加固支护技术对围岩强度大、自成拱能力强的坚硬围岩作用效果明显，能显著减少围岩的离层现象，但在浅部软弱围岩中控制围岩变形的能力较差，同时锚杆锚索成本高、工序复杂，在浅埋软弱围岩巷道支护应用中具有一定的局限性[3]。利用在浅部软弱围岩内注浆加固，在巷道内施做钢筋混凝土衬体结构，提高了软弱围岩的强度，充分发挥巷道围岩的自稳性能，同时确保巷道围岩的整体性，避免了局部掉块对巷道围岩整体性的破坏，注浆浆液在围岩内扩散的过程中，对巷道掘进前方的围岩产生一定的加固作用，对浅部软弱围岩巷道支护具有很强的针对性，实践表明，具有一定的使用价值。
1软岩破坏机理
1.1软岩巷道支护特征
当巷道在坚硬围岩内掘进时，巷道掘进后，坚硬围岩本身具有很高的强度和完整性，能后在巷道掘进后形成稳定的拱形结构，对抗上覆岩土的水土压力[4]。与坚硬岩石相比，软岩具有高应力、膨胀性、较为破碎的特点，整体性差、强度低，巷道掘进后很难依靠软岩自身的结构特点形成稳定的拱形结构来对抗上覆岩层的水土压力，巷道掘进后支护更加困难。在浅埋软弱围岩巷道中，巷道埋深较浅，上覆岩层水土压力相对较小，巷道的变形更多的与软岩本身的破碎性质和膨胀性质有关。对于软岩巷道，目前应用较多的锚索和管棚相结合的支护技术，把锚索植入围岩弹性区，加固围岩同时减少离层问题；利用在巷道内施做管棚，控制巷道围岩的有限变形和掉块现象，保持巷道围岩的完整性，在软岩巷道中具有一定的实用性。但是锚索结合管棚的支护方式，是一种外部支护方式，并不改变巷道围岩的软弱易变形特性，在现场生产过程中，仍然存在一定的安全隐患，锚索成本较高，对矿井生产成本控制产生不利影响。利用打孔注浆和衬砌技术对浅部软岩巷道进行支护，通过在巷道围岩内打孔注浆的方法，增强软弱围岩的强度，提高围岩抵抗上覆水土压力的能力；通过在巷道内施做钢筋混凝土衬砌结构，从围岩外部约束软弱围岩的变形，提高围岩的整体性和稳定性，从巷道围岩内外两方面提高巷道支护系统的安全性和耐久性，实践证明，具有一定的使用价值。
1.2软岩巷道变形特征
巷道掘进后在围岩内形成塑性区和弹性区，塑性区在上覆水土压力作用下产生不可逆的塑性变形，弹性区在上覆水土作用下产生微小的、可恢复的弹性变形，塑性区的塑性变形不可逆、变形量大，是导致巷道变形破坏的主要原因。巷道应力场简图，如图1所示。
如图1所示，巷道掘进后在地下岩土内形成半径r2的空腔结构，巷道为进行支护时，巷道围岩利用自身的物理特性抵抗上覆岩层的水土压力，在上覆岩层水土压力作用下，形成宽度r0的弧形带形式的塑性区，塑性区内围岩变形速度快、变形量大，是巷道变形的主要原因；在半径r1外形成弹性区，弹性区内围岩产生微小的弹性变形，对巷道变形影响较小。巷道围岩塑性区计算公式如式（1）、式（2）所示：
式中：r1为塑性区半径，mm；r2为巷道半径，mm；p1为巷道周围水土压力，kPa；p2为巷道支护压力，kPa；R为巷道围岩单轴抗压强度，Pa/cm2；a为与围岩内摩擦角相关的常数。
如上式所示，公式（1）为巷道围岩塑性区计算的标准公式，把标准工时内的分子进行拆分，得到公式（2）为巷道围岩塑性区计算的简化公式。公式（2）表明，在巷道半径、巷道水土压力、巷道的支护压力和围岩的内摩擦角为常数时，围岩塑性区半径与围岩的单轴抗压强度呈反比，当巷道半径、巷道水土压力、巷道的支护压力和围岩的内摩擦角等参数一定时，软弱围岩塑性区半径大于坚硬围岩塑性区半径，相比之下，软弱围岩巷道比坚硬围岩巷道更加的容易失稳破坏。对于软弱围岩，目前应用较多的是锚索加管棚的支护措施，这种支护措施通过对围岩施加外部约束力来控制巷道围岩的变形，但是并不会改变软弱巷道围岩本身破碎易变形的物理特点，存在一定的安全生产隐患。利用注浆加固和钢筋混凝土衬砌支护结构，在增强巷道围岩强度的同时，在巷道内施做钢筋混凝土衬砌结构，维持巷道围岩的整体性和稳定性，同时由于注浆浆液的扩散作用，对巷道掘进掌子面前方的煤岩体产生一定的加固作用，内外两种措施结合，提高围岩强度，控制巷道变形。
2传统支护技术缺点分析
在对软弱围岩巷道进行支护的过程中，目前应用较多的是锚索（杆）支护技术结合管棚支护技术，利用锚杆锚索的挤压加固作用在巷道围岩内形成连续的加固带，一定程度上增强了围岩对抗水土压力的能力，管棚支护用以维持巷道围岩的整体性。但是在软岩巷道中，由于软岩的破碎性和膨胀性特点，在软岩巷道围岩内，锚杆锚索加固区很难连续，或者加固去连续后形成的加固区厚度较小，对巷道围岩的加固效果难以达到安全生产的需求，如图2所示。
如图2所示，AB为锚杆，abcd为锚杆挤压加固作用形成的菱形加固区。在硬岩内掘进巷道时，通过向巷道围岩内打入锚杆锚索AB，在锚杆锚索的挤压加固作用下，形成近似菱形的加固区abcd，在巷道围岩的空间结构内形成连续的加固带gh，加固带内存在指向围岩内部的应力F，用以抵抗巷道围岩的变形。在软弱围岩中掘进巷道时，软岩的破碎性和膨胀性大大降低了锚杆锚索的有效作用范围，使相邻锚杆锚索的菱形加固区abcd在围岩内不连续，或者重叠的面积较小，加固效果不明显。相邻的菱形加固区间的软岩受到的锚杆锚索加固效果较小，加固区外的软岩近似形成简支梁结构，软弱围岩抗剪强度低，在外力作用下极易产生剪切破坏。
与传统的锚杆锚索加固技术相比，利用注浆加固和施做钢筋混凝土结构对浅部围岩进行加固的方法，从改变围岩特性和维持围岩整体性两方面对浅部软岩巷道进行支护。浅部软岩巷道开挖后，通过向软岩内打孔注浆，改变了巷道围岩的膨胀易破碎特性，增强了围岩的单轴抗压强度；巷道初期变形稳定后，在巷道内施做钢筋混凝土衬砌结构，在巷道内提供阻止围岩变形的外部约束力，同时提高了巷道围岩的整体性和稳定性，避免因为局部失稳或掉块问题导致巷道围岩整体性被破坏。通过打孔注浆和施做钢筋混凝土结构的方法，从围岩内外两个方向提高巷道围岩的稳定性，通过打孔注浆提高了围岩的抗剪强度，通过施做钢筋混凝土衬砌结构增强了软岩巷道围岩的整体性。
3软岩巷道支护设计
浅埋软岩巷道具有水土压力小、破碎性和膨胀性特点，根据浅埋软岩巷道的结构特点，设计注浆加固技术和施做钢筋混凝土结构的方法，对巷道围岩进行加固，与传统的锚杆锚索支护效果相比，针对性更强。注浆加固和施做钢筋混凝土结构的施工过程是，在巷道初期变形稳定后，从巷道内向围岩打入注浆锚杆，注入水泥浆等加固浆液，软弱围岩内水泥浆等浆液初期凝固并具有一定强度后，在巷道内施做钢筋混凝土衬砌结构，其结构简图如图3所示：
如图3所示，ab为注浆孔。浅部软岩巷道掘进后，带巷道初期变形稳定后，在巷道内向围岩打入注浆孔ab，注入水泥浆或双液浆等液体加固软弱围岩，软岩加固后形成强度和自稳性能明显增大的加固带1~4，从改变围岩物理性质角度，增强了围岩的整体性和单轴抗压强度，避免软岩膨胀易破碎的特性对巷道支护结构的影响。注浆加固后的围岩起到一定作用后，在巷道内施做一定厚度的钢筋混凝土衬砌结构，从巷道内提供支撑力对抗巷道上覆岩土压力p1。通过增强软弱巷道围岩的物理性能，提高巷道围岩的强度，通过在巷道内施做钢筋混凝土结构，约束巷道内围岩的局部变形和掉块问题，确保巷道围岩的整体性，从而从内-外两个方面优化浅埋软弱围岩巷道的支护系统，实践表明，该支护系统对浅埋软弱围岩巷道支护施工具有很强的针对性。
4软岩巷道支护参数选择
根据浅部软岩巷道受到的水土压力较低，围岩具有膨胀性、易碎性的特点，设计采用注浆加固和施做钢筋混凝土衬砌结构的方法对浅部软岩巷道进行支护，其中，在巷道内打孔注浆，提高巷道围岩的自稳性能，是该支护系统发挥支护效果的主要支护措施；钢筋混凝土衬砌结构的功能主要是保证巷道围岩的完整性，防止因为围岩掉块或局部变形导致的巷道失稳，钢筋混凝土衬砌结构对巷道围岩的支撑力作为衬砌结构支护作用的补充。注浆压力应小于围岩强度p的1/10，防止注浆加固压力破坏围岩原本的完整结构；注浆孔深度与围岩的破碎区范围有关，破碎区越大，注浆孔深度越大，根据巷道30 d裂隙发育区半径的经验公式，注浆孔深度宜设计为2.0~2.5 m；注浆孔间排距应能保证相邻注浆孔的注浆范围重叠，实测数据表明，注浆孔间排距布置为1.2~2.2 m时，注浆加固效果较好，如表1所示：
利用注浆加固技术和钢筋混凝土衬砌结构对浅埋软弱围岩巷道进行支护，支护技术参数如上表所示。根据软弱巷道围岩特性，注浆加固工序中，注浆压力应小于1/10倍的围岩单轴抗压强度，防止产生注浆压力过大破坏围岩原本的结构，注浆孔深度设计为2.2~2.5 m，注浆孔间排距设计为1.2~2.2 m，在巷道断面内呈菱形布置。
5巷道支护应用
利用注浆加固技术和施做钢筋混凝土结构对某矿1173工作面运输巷道顶板进行加固，巷道埋深214 m，埋置深度较浅，运输巷道老顶为3.4~9.7 m厚的粉状砂岩，直接顶为1.1~3.2 m厚的黏土层，现场实测顶板平局强度为2.8 MPa，巷道支护参数如表2所示：
如上表所示，使用注浆加固技术和施做钢筋混凝土结构对该工作面进行注浆加固，巷道支护系统施做工序为：巷道掘进后，待无支护工作面初期变形稳定后，在巷道顶板打孔注浆，注浆压力0.25 MPa，注浆孔深度选定2 m，间排距选定1.8 m，呈菱形布置，与巷道轴线呈15°仰角注浆加固浆液使用水灰质量比为0.8的水泥浆。注浆作业完成后静置2 d，待注浆加固后的围岩具备一定强度后，架设钢筋网喷射C25混凝土，作为巷道内的初期支护，同时改善巷道内的渗漏水和掉块问题，初期支护具备强度后，在巷道内绑扎钢筋骨架浇筑C45混凝土，结构厚度30 cm。
使用注浆加固和施做钢筋混土结构对该工作面顶板进行加固后，顶板变形量变小、顶板变形速度趋于平缓，顶板最大变形量从支护前的800 mm降低为347 mm，满足矿井安全生产需求。
6结论
1）分析了浅部软岩巷道的围岩特点和变形机理，阐述了传统支护技术在浅部软岩巷道中应用的局限性，提出了注浆加固结合钢筋混凝土衬砌结构的支护方法，并阐明了其支护机理。
2）根据注浆加固结合钢筋混凝土衬砌结构的支护技术特点，设计了现场支护结构施工的特征参数，利用该技术对某矿1173工作面支护进行优化，结果表明，该支护技术能明显控制浅部软岩巷道的顶板变形量和变形速度。
参考文献
[1]赵燚，王路，王志诚.大断面巷道围岩变形机理及支护技术研究[J].陕西煤炭，2021，40（2）：57-61.
[2]孙辉，陈晨，马振乾，等.矿用高强锚索束在重复跨采软岩巷道中的应用[J].煤炭工程，2020，52（1）：49-53.
[3]刘垚鑫，高明仕，贺永亮，等.倾斜特厚煤层综放沿空掘巷围岩稳定性研究[J].中国矿业大学学报，2021，50（6）：1051-1059.
[4]刘树弟，刘建庄，杨拓，等.软岩巷道锚注卸支护技术应用与优化[J].煤炭工程，2020，52（7）：20-23.
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