渦北煤礦1.2Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,1.2,Mta,設(shè)計(jì),CAD,采礦工程 松軟破碎巷道注漿加固技術(shù) 摘要：煤礦軟巖巷道工程是軟巖工程的一個重要組成部分。軟巖工程是指與塑性大變形巖體有關(guān)的巖體工程，如軟巖邊坡，軟巖隧道及軟巖巷道工程等。由于軟巖巷道工程所處的復(fù)雜工程地質(zhì)條件，其支護(hù)問題一直是困擾我國煤炭生產(chǎn)的一個主要問題。本文系統(tǒng)論述了軟巖的定義、工程地質(zhì)特征和力學(xué)屬性，分析了軟巖巷道圍巖的變形破壞特征及影響因素；就注漿加固技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及目前存在的問題進(jìn)行分析探討；深入分析了圍巖錨注加固機(jī)理；最后對松軟破碎巷道注漿加固技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：松軟破碎；巷道；注漿加固；軟巖； 1引言 礦井深部開采是煤礦和非煤礦山未來發(fā)展必然趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外開采超千米深的金屬礦山有80多座，其中南非最多。南非絕大多數(shù)金礦的開采水平都在1000m以下。其中，Anglogold有限公司的西部深水平金礦，采礦深度達(dá)3700m;WestDriefovten金礦，礦體賦存地下600m，并一直延伸至6000m以下。印度的科拉爾(Kolar)金礦區(qū)，已有3座金礦一采深超2400m，其中錢皮恩里夫金礦共開拓112個階段，總深3260m。俄羅斯的克里沃羅格鐵礦區(qū)，己有捷爾任斯基、基洛夫、共產(chǎn)國際等8座礦山采準(zhǔn)深度達(dá)910m，開拓深度到1570m，將來要達(dá)到2000一2500m。另外，加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過I000m。我國已探明的煤炭資源量占世界總量的11.1%，我國煤炭資源埋深在1000m以下的為29500萬億噸，占煤炭資源總量的53%。目前煤礦開采深度以每年8一12m的速度增加，東部礦井正以每10年100一250m的速度發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來20年很多煤礦將進(jìn)入到1000m到1500m的深度。 在我國的能源構(gòu)成中，煤炭約占總能源的70%。為了滿足日益增長的能源需求，我國在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)煤炭開采的任務(wù)十分艱巨，而且經(jīng)過長期大規(guī)模地開發(fā)之后，開采條件較為優(yōu)越的煤炭資源己接近枯竭，因此提高產(chǎn)量的出路在于開采那些賦存條件差、埋藏很深的煤炭資源，這就意味著今后的采掘工作將在高地應(yīng)力、圍巖條件很差的環(huán)境中進(jìn)行。而圍巖穩(wěn)定性差、巷道變形破壞比較嚴(yán)重的軟巖問題在煤礦開采中早己存在:“九五”期間，我國10個能源建設(shè)基地中有8個相繼出現(xiàn)了軟巖問題，每年約有6X10喻的巷道在軟弱圍巖中開掘。隨著今后開采深度的不斷增大，常規(guī)支護(hù)方式難以維護(hù)巷道穩(wěn)定，軟巖問題將會更加突出，在相當(dāng)程度上影響了煤礦的安全生產(chǎn)。 在國家“六五”期間，建設(shè)北皂煤礦時(shí)采用錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)架噴，配合二次支護(hù)基本上解決了北皂煤礦極不穩(wěn)定圍巖巷道的支護(hù)問題。這里所說的二次支護(hù)與新奧法的二次支護(hù)有本質(zhì)上的區(qū)別。新奧法的二次支護(hù)是當(dāng)掘進(jìn)迎頭放炮后，立即噴一層漿并打上錨桿，目的是放炮后盡快阻止巖塊的初始移動。他們認(rèn)為如果初始移動一旦開始，則需要幾倍乃至幾十倍力才能控制圍巖移動。故為阻止巖塊的初始移動，需盡快提供第一次支護(hù)，然后進(jìn)行二次支護(hù)即永久支護(hù)。這里所指的二次支護(hù)是在第一次支護(hù)變形到適當(dāng)時(shí)候，再用二次支護(hù)。目的是當(dāng)圍巖受壓后，第一次支護(hù)不能抗拒，先讓壓，即先讓壓力釋放，當(dāng)釋放到到一定程度后根據(jù)觀測結(jié)果，當(dāng)避過壓力峰值、變形速率減緩后再進(jìn)行二次支護(hù)。這種支護(hù)方法一般能使巷道保持穩(wěn)定。北皂礦及其他一些礦應(yīng)用這一技術(shù)均獲得成功。這種方法使北皂礦順利投產(chǎn)，并基本維持正常生產(chǎn)。 在“七五”攻關(guān)期間，除繼續(xù)改善上述支護(hù)體系處理軟巖支護(hù)問題外，重點(diǎn)研究了用可伸縮錨桿、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度大弧板、U29型全封閉可縮性金屬支架來解決極不穩(wěn)定圍巖巷道的支護(hù)問題。可伸縮錨桿有三種類型，即蛇形錨桿、套管摩擦阻力可伸縮式錨桿、錨桿托盤外設(shè)彈簧式錨桿。實(shí)踐證明，這類錨桿由于其伸縮量難以與圍巖變形相適應(yīng)，很難使圍巖保持穩(wěn)定而未能獲得推廣。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度大弧板是引進(jìn)的國外巷道支護(hù)技術(shù)，僅限于東北大橋煤礦、安徽淮南礦務(wù)局、廣西右江礦務(wù)局等少數(shù)礦井進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)加工要求高，對礦井巷道而言運(yùn)輸安裝困難，進(jìn)度慢，成本高，一旦被壓壞，維修極為困難，因而未獲推廣。U29、工字鋼等重型全封閉可縮性金屬支架，自80年代開始應(yīng)用以來，至今仍然是許多礦在不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定圍巖巷道支護(hù)中首選的支護(hù)形式。以上支護(hù)結(jié)構(gòu)在解決不穩(wěn)定圍巖巷道支護(hù)時(shí)，有的往往需要多次翻修才能使巷道保持穩(wěn)定，有的雖經(jīng)多次翻修也難使巷道保持穩(wěn)定。 在國家“八五”重大科技攻關(guān)中，提出兩類支護(hù)體系，一是由中國礦業(yè)大學(xué)提出的利用可伸縮錨桿、U型鋼金屬支架，配合高水速凝材料注漿來解決極不穩(wěn)定巷道的支護(hù);一是由山東科技大學(xué)提出的在錨噴支護(hù)基礎(chǔ)上，通過錨注加固圍巖，提高再生圍巖巖體彈性模量來使極不穩(wěn)定圍巖巷道保持穩(wěn)定。錨注技術(shù)由于工藝簡單、成本低，支護(hù)可靠性高而被廣泛應(yīng)用。它現(xiàn)在不僅用于巖巷、銅室，而且用于煤巷：不僅用于新掘巷道，而且廣泛用于地下工程維修;不僅用于靜壓巷道，而且也用于動壓巷道。它是目前處理極不穩(wěn)定巷道支護(hù)優(yōu)先選擇的支護(hù)技術(shù)。 在國家“七五”、“八五”期間，除上述支護(hù)形式外，組合錨桿、析架錨桿、錨索等支護(hù)形式也逐漸引入我國，以解決不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定巷道支護(hù)問題，并己為不少礦采用。從施工技術(shù)要求來看，析架錨桿、錨索只要設(shè)計(jì)合理是可以解決極不穩(wěn)定圍巖巷道的支護(hù)問題的。但這時(shí)要求析架錨桿、錨索有相當(dāng)?shù)拈L度和較大的預(yù)應(yīng)力，這對施工及成本均有很大影響，廣泛應(yīng)用受到限制。 總的來看，國外支護(hù)技術(shù)與我國支護(hù)技術(shù)相比并不先進(jìn)。為適應(yīng)不同圍巖的需要，我國的支護(hù)技術(shù)類型更多，但國外支護(hù)設(shè)計(jì)、制造更規(guī)范，安裝、檢測設(shè)備也更先進(jìn)，更可靠，但因國家不同其支護(hù)體系也有很大差異。美國、澳大利亞除早期在煤礦支護(hù)中應(yīng)用過砌碹、錨噴、金屬支架處，近幾十年來一直以錨桿支架為主體。對于穩(wěn)定、較穩(wěn)定圍巖重點(diǎn)采用普通錨桿支護(hù);對不穩(wěn)定圍巖一般采用錨網(wǎng)、組合錨桿(網(wǎng))、高強(qiáng)超長錨桿(網(wǎng))等支護(hù)形式;對于極不穩(wěn)定圍巖主要采用組合錨桿析架、錨索支護(hù);對一些特殊地點(diǎn)如隨掘隨冒、淋水大又破碎的地方采用金屬支架。西歐如英、法、·德等國直到80年代仍以金屬支架為主，對不同圍巖采用不同的金屬支架。他們的金屬支架是根據(jù)不同圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并有專門工廠統(tǒng)一加工。其加工質(zhì)量好，性能可靠，機(jī)械化安裝，效果好，但在80年代后期，他們開始引進(jìn)美國、澳大利亞的錨桿技術(shù)。目前，各類不同的錨桿、組合錨桿、錨桿析架及錨索支護(hù)約占支護(hù)總量的90%，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。俄羅斯、波蘭等國至今仍以金屬支架為主，對不同圍巖采用不同類型的金屬支架，對極不穩(wěn)定圍巖也是采用翻修的方法處理，金屬支架用量約占支護(hù)總量的70%左右，其他部分為錨噴、木支架、砌譴等。但我們認(rèn)為隨著俄羅斯、波蘭改革的發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)也將走進(jìn)俄羅斯、波蘭的煤礦。 目前，盡管巷道支護(hù)在近些年中取得了巨大的發(fā)展，但是軟巖巷道有效支護(hù)仍然是煤礦整個巷道支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，也是目前國內(nèi)外尚未很好解決的難題，因而引起了眾多科研單位和生產(chǎn)部門的普遍關(guān)注。煤礦生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展趨勢迫切需要對軟巖巷道支護(hù)，特別是高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題繼續(xù)進(jìn)行深入研究，尋求解決高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題的合理方法和有效途徑。因此，研究高應(yīng)力圍巖與支護(hù)相互間的作用機(jī)理，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少巷道返修量、降低工程造價(jià)、為井下創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境是軟巖巷道支護(hù)迫切需要解決的技術(shù)難題之一。 注漿技術(shù)是用液壓、氣壓或電化學(xué)的方法，把某些能與巖土體固結(jié)的漿液注入巖土體的空隙裂隙中去，使巖土體成為強(qiáng)度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性好的新結(jié)構(gòu)體，從而達(dá)到改善巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的目的。注漿技術(shù)的發(fā)展已有二百多年的歷史。法國人開辟了注漿施工的先河，英國首次采用水泥注漿對井筒進(jìn)行注漿堵水，成功的解決了井筒漏水問題，發(fā)明了硅酸鹽水泥，從此水泥成為主要注漿材料，此后又有化學(xué)注漿、水玻璃注漿材料，雙液單系統(tǒng)注漿法出現(xiàn)，促進(jìn)了注漿技術(shù)的迅速發(fā)展，特別在1940年以后，注漿技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)入輝煌，各種注漿材料相繼問世，注漿技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍。我國注漿技術(shù)應(yīng)用較晚，20世紀(jì)50年代初才開始應(yīng)用，經(jīng)過50年的發(fā)展，我國注漿技術(shù)己取得了較大的進(jìn)步，特別在水泥注漿材料研制方面處于世界先進(jìn)行列。注漿應(yīng)用遍及隧道、礦業(yè)、水利、交通、鐵路等多個行業(yè)。對于地下工程而言，注漿技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，遍及各類巷道，特別是軟巖巷道，采用注漿后，巖體的力學(xué)性能有了很大的提高，加固效果十分顯著。本論文正是在分析錨桿注漿與圍巖相互作用機(jī)理。 2軟巖性質(zhì)及其工程分類 2．1軟巖性質(zhì) 由于研究者的不同目的，給軟巖賦予了不同的意義和標(biāo)準(zhǔn)，但總的可分為兩種基本類型，一是關(guān)于應(yīng)用方面的分類，一是關(guān)于巖體內(nèi)在特性的分類。軟巖，“軟”體現(xiàn)了巖體內(nèi)在特性，即巖石的硬度欠缺;“弱”體現(xiàn)了軟巖在應(yīng)用方面的能力，即對于承受外載荷，它的承載能力和抗變形能力都較差。因此，可將軟巖分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。 2.1.1地質(zhì)軟巖 按地質(zhì)學(xué)的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的松散、破碎、軟弱及風(fēng)化膨脹性一類巖體的總稱。該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)粘土巖等強(qiáng)度較低的巖石，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學(xué)協(xié)會將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度在0.5一25MPa之間的一類巖石，其分類依據(jù)基本上是按強(qiáng)度指標(biāo)。 按強(qiáng)度指標(biāo)來定義軟巖，往往在工程實(shí)踐中會出現(xiàn)矛盾。例如地下隧洞所處深度足夠的小，地應(yīng)力水平足夠的低，盡管巖石強(qiáng)度小于25MPa，但巖石不會產(chǎn)生軟巖的特性;如粘土巖室內(nèi)剪切流變試驗(yàn)時(shí)，只有剪切應(yīng)力達(dá)到一定值之后才出現(xiàn)軟巖變形的特征;相反，大于25MPa的巖石，在較大荷載的條件下也會出現(xiàn)流變性。 2.1.2工程軟巖 工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。如果說目前流行的軟巖定義強(qiáng)調(diào)了軟巖的軟、弱、松、散等低強(qiáng)度的特點(diǎn)，而工程軟巖是不僅重視軟巖的強(qiáng)度特性，而且強(qiáng)調(diào)軟巖所承受的工程力荷載的大小。工程力是指作用在工程巖體上力的總和，它可以是重力，構(gòu)造地應(yīng)力，水的作用力，工程擾動力以及巖體膨脹應(yīng)力等;顯著塑性變形是包含顯著的彈塑性變形，粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。工程軟巖的變形特 性的實(shí)質(zhì)是相對性的，其變形性質(zhì)取決于工程力與巖體強(qiáng)度的相互關(guān)系。當(dāng)工程力一定時(shí)，不同巖體強(qiáng)度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性， 強(qiáng)度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特性;而對同種巖石，在較低工程力的作用下，則表現(xiàn)為硬巖的變形特性;在較高工程力的作用下，則可能表現(xiàn)為軟巖的變形特性。 2.1.3工程軟巖和地質(zhì)軟巖的關(guān)系 工程軟巖和地質(zhì)軟巖的關(guān)系是，當(dāng)工程荷載相對于地質(zhì)軟巖(如泥質(zhì)巖等)的強(qiáng)度足夠小時(shí)，地質(zhì)軟巖不產(chǎn)生軟巖顯著塑性變形力學(xué)特征，即不作為工程軟巖，只有在工程力作用下發(fā)生了顯著變形的地質(zhì)軟巖，才作為工程軟巖;在大深度、高應(yīng)力作用下，部分地質(zhì)硬巖也呈現(xiàn)了顯著變形特征，則應(yīng)視為工程軟巖。綜上所述，可將軟巖定義敘述如下:軟巖是一種特殊的巖類，從巖石固有的特性來說，它具有軟的形態(tài);而從工程應(yīng)用的觀點(diǎn)來看，它又是“弱”的，具有較低的承載能力和較大的變形性。在工程力的作用下，具有明顯的塑性變形或粘塑性變形特征。在工程實(shí)踐中，我們著重研究是工程意義上的軟巖。 2.2軟巖的工程特性及力學(xué)屬性 2.2.1軟巖的工程特性 軟巖中泥質(zhì)礦物成分和結(jié)構(gòu)面決定了軟巖的工程力學(xué)特性。顯示出可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、觸變性和易擾動性的特點(diǎn)。 (1)可塑性 軟巖在工程力的作用下，往往產(chǎn)生不可逆變形，這種性質(zhì)稱為可塑性。膨脹性軟巖的可塑性是由于軟巖受力后片架狀結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)礦物發(fā)生滑移或泥質(zhì)礦物親水性引起的。節(jié)理化軟巖是由于結(jié)構(gòu)面滑動和擴(kuò)容引起的，高應(yīng)力軟巖大多是上述兩種原因共同引起的。 (2)膨脹性 軟巖的膨脹性質(zhì)是在物理、化學(xué)、力學(xué)等因素的作用下，產(chǎn)生體積變化的現(xiàn)象，其膨脹機(jī)理有:內(nèi)部膨脹、外部膨脹和應(yīng)力擴(kuò)容膨脹三種。工程中的軟巖膨脹為復(fù)合膨脹形式。 (3)崩解性 軟巖的崩解性是指軟巖在物理、化學(xué)、力學(xué)等因素作用下，產(chǎn)生片狀解體。膨脹性軟巖崩解主要是粘土礦物集合體在水作用下，膨脹應(yīng)力不均勻造成的崩裂。節(jié)理化軟巖的崩解則在工程力的作用下，由于裂隙發(fā)育不均勻造成局部張力引起的崩裂。高應(yīng)力軟巖則有可能多種崩解機(jī)制同時(shí)存在。 (4)流變性 軟巖的流變性是指軟巖受力變形過程中與時(shí)間有關(guān)，包括塑性流動，粘性流動，結(jié)構(gòu)面閉合和滑移變形。膨脹性軟巖主要是泥質(zhì)礦物發(fā)生粘性流動，在工程力作用下，達(dá)到一定極限后，開始塑性變形;節(jié)理化軟巖流變性主要指結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)容和滑移;高應(yīng)力軟巖流變性多為諸形式的不同組合。巖石變形在應(yīng)力狀態(tài)不變的情況下不斷增長，處于蠕變狀態(tài);或在約束變形條件下，軟巖的強(qiáng)度隨時(shí)間變化而降低。除了彈性變形外，巖石變形不是瞬時(shí)完成的，它與時(shí)間有密切關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力不變時(shí)，巖石應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而增長，當(dāng)應(yīng)變保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而減少。前一現(xiàn)象稱為蠕變，后一現(xiàn)象稱為松馳。巖石的蠕變和松馳現(xiàn)象稱為巖石的流變。由于巖石具有明顯的流變特性，所以在圍巖的穩(wěn)定性分析中，必須涉及到圍巖應(yīng)力、變形、破壞失穩(wěn)及圍巖壓力形成的時(shí)間過程。 (5)易擾動性 軟巖的易擾動性指由于軟巖軟弱裂隙發(fā)育、吸水膨脹等特性，導(dǎo)致軟巖抗外部環(huán)境擾動的能力極差。對卸荷松動、施工震動等極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風(fēng)化的特點(diǎn)。 2.2.2軟巖的力學(xué)屬性 軟巖有兩個基本力學(xué)屬性:軟化臨界荷載和軟化臨界深度，它揭示了軟巖的相對性實(shí)質(zhì)。 (l)軟化臨界荷載 隨著應(yīng)力水平的提高，特別是圍壓的增大，巖石產(chǎn)生的塑性變形明顯增加，使得在低應(yīng)力水平下表現(xiàn)為硬巖特性的巖石，在高應(yīng)力水平下顯示出顯著的塑性變形。對于給定的工程圍巖，均由彈性變形為主的工程狀態(tài)向以塑性變形為主的工程狀態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界點(diǎn)，我們稱之為軟化突變點(diǎn)，而與之相對應(yīng)的應(yīng)力水平稱為軟化臨界荷載。 當(dāng)巖石種類一定，其軟化臨界荷載也是客觀存在的。圍巖所處的地應(yīng)力場的應(yīng)力水平是否超過軟化臨界荷載是判斷圍巖是否為軟巖的標(biāo)準(zhǔn)，一當(dāng)巖石所受荷載水平低于軟化臨界荷載時(shí)，則該巖石屬于硬巖范疇;而只有當(dāng)荷載水平高于軟化臨界荷載時(shí)，該巖石表現(xiàn)出了軟巖的大變形特性，此時(shí)該巖石稱之為軟巖。 (2)軟化臨界深度 與軟化臨界荷載相對應(yīng)，巖石亦存在著一個軟化臨界深度。對給定巷道，軟化臨界深度也是一個客觀量。當(dāng)巷道埋深大于軟化臨界深度時(shí)，圍巖出現(xiàn)大變形，大地壓和難支護(hù)現(xiàn)象;當(dāng)巷道埋深小于該臨界深度時(shí)，則圍巖的大變形，大地壓現(xiàn)象消失，巷道支護(hù)容易，這一臨界深度被稱之為巖石軟化臨界深度。 (3)軟化臨界荷載與軟化臨界深度的關(guān)系 軟化臨界深度的地應(yīng)力水平大致相當(dāng)于軟化臨界荷載，故軟化臨界軟化臨界深度可以相互推求，在無構(gòu)造殘余應(yīng)力的地區(qū)，其關(guān)系為： (2-1) 在構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)，其關(guān)系為： (2-2) 式中：—軟化臨界深度(m); —軟化臨界荷載(MPa); —?dú)堄鄻?gòu)造應(yīng)力(MPa); —工程巖體容重(t/m3)。 2.3軟巖大變形特征及影響因素 2.3.1軟巖的變形特點(diǎn) (1)強(qiáng)度低、自穩(wěn)時(shí)間短、變形速度快，破壞前總變形量大。軟巖層中最典型的是泥巖，一般軟泥巖單軸抗壓強(qiáng)度小于10MPa，最低的0.6MPa左右。由于其強(qiáng)度低，所以開挖后自穩(wěn)時(shí)間短，變形速度快，破壞前總應(yīng)變量一般超過5%。 (2)容重小、孔隙率小、含水率高，吸水或減水膨脹力大。軟巖一般結(jié)構(gòu)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)，所以一般軟巖開挖后，其膨脹率隨時(shí)間呈增長趨勢。許多軟巖地下工程的膨脹壓力值可由每平方米數(shù)噸至數(shù)百噸。軟巖含有成分不同，吸水和減水都可使膨脹力增加。 (3)對震動的敏感性強(qiáng)。軟巖由于本身結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)程度差，強(qiáng)度低等特點(diǎn)，對低頻彈性波的吸引能力強(qiáng)，因此抗震性能低，疲勞強(qiáng)度小，所以在低頻重復(fù)性荷載爆轟波的作用下，對其本身的完整性和強(qiáng)度影響很大。 (4)流變性明顯。松軟巖層的流變性大，有的軟巖只處于塑性流變階段，當(dāng)含水大時(shí)，流變性更加明顯。有的軟巖工程開挖后，其流變性象砂涌，會出現(xiàn)越挖涌得越多，以至不可收拾。 (5)開挖后產(chǎn)生大松動圈。軟巖地下工程開挖后，由于圍巖強(qiáng)度低，或圍巖處在高應(yīng)力區(qū)等原因，應(yīng)力很容易超過其自身強(qiáng)度，使周圍產(chǎn)生松動，出現(xiàn)一個大的松動圈，松動圈厚度一般大于15m。 2.3.2影響軟巖大變形的主要因素 (1)巖性因素。巖石本身的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度及膠結(jié)物的性能，膨脹性礦物的含量等，這均是影響軟弱圍巖大變形的內(nèi)在因素。 (2)圍巖應(yīng)力。這是造成圍巖變形的直接因素，包括垂直應(yīng)力、構(gòu)造殘余應(yīng)力及工程環(huán)境和施工的擾動應(yīng)力，鄰近巷(隧)道施工，采動影響等，特別是多種應(yīng)力的迭加情況影響更大。 (3)水的影響。其包括地下水及工程用水，尤其是對膨脹巖，水不僅造成粘土成分的膨脹，同時(shí)降低巖石強(qiáng)度。 (4)時(shí)間因素。流變是軟弱圍巖特性之一，巷道變形和時(shí)間密切相關(guān)。 2.3.3軟巖巷道變形破壞的一般特征 軟巖巷道的變形破壞特征不僅受圍巖的力學(xué)性質(zhì)影響，而且受巷道所處的地應(yīng)力環(huán)境和工程因素等影響。一般情況下，軟巖巷道破壞具有如下特征： (1)變形破壞方式多:變形破壞方式一般有拱頂下沉、坍塌、片幫和底鼓，巷道表現(xiàn)出強(qiáng)烈的整體收斂和破壞，變形破壞形式既有結(jié)構(gòu)面控制型，又有應(yīng)力控制型，主要以應(yīng)力控制型為主。 (2)變形量大:巷道的收斂變形從數(shù)厘米到數(shù)十厘米，最大可達(dá)1.0米以上，嚴(yán)重者可封堵整個巷道。從變形破壞來看，巖體以擠出大變形為主，有巷道側(cè)幫的張拉擠出破壞，有巷道頂板擠出下沉，也有巷道的強(qiáng)烈底鼓。 (3)初期變形速率大:軟巖巷道初期收斂速度達(dá)到3cm/d，即使在施工常規(guī)的錨噴支護(hù)以后，軟巖巷道的收斂速度仍可達(dá)到2cm/d，而且其變形收斂速度降低緩慢。 (4)持續(xù)時(shí)間長:由于軟巖具有強(qiáng)烈的流變性和低強(qiáng)度，軟巖巷道掘進(jìn)后，圍巖的應(yīng)力重分布持續(xù)時(shí)間長，軟巖巷道變形破壞持續(xù)時(shí)間很長，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，往往長達(dá)1一2年。如果不采取有效的支護(hù)措施，圍巖變形的急劇增大，勢必導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞。 (5)圍巖破壞范圍大:由于軟巖巷道中圍巖的強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值很小，因此，軟巖巷道圍巖的破壞范圍大，特別是當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或不當(dāng)時(shí)，圍巖破壞區(qū)的范圍可達(dá)2.5倍洞徑，甚至更大。 (6)各位置破壞不一:在巷道周邊不同部位，變形破壞程度不同，這反映了軟巖巷道所處的地應(yīng)力強(qiáng)度因方向而異和軟巖具有強(qiáng)烈的各向異性。變形破壞在方向上的差異性往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的彎矩，這對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是非常不利的。 (7)來壓快:軟巖巷道變形收斂速度高，在很短時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，產(chǎn)生壓力。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用后，圍巖的變形破壞并不立即停止，而是繼續(xù)下去，這是因?yàn)檐泿r具有流變性，在圍巖流變過程中，圍巖的強(qiáng)度降低，因此，地壓隨時(shí)間而逐步增長。 (8)對應(yīng)力擾動和環(huán)境變化非常敏感:主要表現(xiàn)為巷道受臨近開掘、水的侵蝕、爆破震動及采動影響時(shí)，都會引起巷道圍巖變形破壞的急劇增長。 3注漿理論的研究現(xiàn)狀 注漿漿液的流動過程是漿液和被注介質(zhì)共同作用的結(jié)果，因此，對注漿漿液和被注介質(zhì)的認(rèn)識是研究注漿滲流過程的基礎(chǔ)。 3.1巖體結(jié)構(gòu)理論的研究現(xiàn)狀 巖體孔隙或裂隙是漿液流動的通道，由于巖體結(jié)構(gòu)的不同，造成漿液流經(jīng)的方式和途徑不同，從而產(chǎn)生不同的注漿效果。因此，對巖體結(jié)構(gòu)的研究是整個注漿理論的基礎(chǔ)。 (1)多孔介質(zhì)理論。該理論認(rèn)為巖體是一種多孔結(jié)構(gòu)，孔隙是流體流經(jīng)巖體的通道，根據(jù)其孔隙分布情況，又可分為各向同性多孔介質(zhì)和各向異性多孔介質(zhì)。 (2)擬連續(xù)介質(zhì)理論。該理論認(rèn)為巖體雖受裂隙分割，但通過該理論應(yīng)用等效原理處理后，巖體空間內(nèi)每一點(diǎn)上巖石和裂隙都保持連續(xù)。因此，在巖體內(nèi)每一點(diǎn)上都同時(shí)存在巖石介質(zhì)和孔隙介質(zhì)，漿液就是通過這些孔隙在巖體內(nèi)流動的。 (3)裂隙介質(zhì)理論。該理論認(rèn)為巖體是受裂隙分割的不連續(xù)體，漿液在巖體內(nèi)通過裂隙網(wǎng)絡(luò)流動。 (4)孔隙和裂隙雙重介質(zhì)理論。該理論認(rèn)為巖體由孔隙性差而透水性強(qiáng)的裂隙系統(tǒng)和孔隙性好而透水性弱的巖塊系統(tǒng)組成，漿液在該種介質(zhì)中流動時(shí)，既可在裂隙中流動，又可在巖塊中流動，并在兩者之間發(fā)生強(qiáng)烈的質(zhì)量交換。 3.2注漿滲流理論的研究現(xiàn)狀 近凡十年來，國內(nèi)外學(xué)者對滲透注漿法進(jìn)行了廣泛而深入的研究，發(fā)展了一系列注 漿滲透理論，如馬格理論(球形擴(kuò)散理論)、柱形擴(kuò)散理論、卡羅爾理論、劉嘉才的單平板裂隙注漿滲透模型、Bkaer公式，GLmobda公式等。 3.3注漿加固體強(qiáng)度理論及本構(gòu)關(guān)系研究現(xiàn)狀 含裂隙巖體注漿加固后，其強(qiáng)度和抗?jié)B透性將有所提高。被注巖體的強(qiáng)度、抗?jié)B透性的提高程度以及對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，受巖體結(jié)構(gòu)、注漿材料和注漿過程的控制。因此，對注漿加固后巖體力學(xué)特性的本構(gòu)關(guān)系的研究，是研究注漿理論不可缺少的一個方面。目前，國內(nèi)在這方面的研究不多，只有一些定性的結(jié)論，用從現(xiàn)場取得的不同膠結(jié)形式的注漿加固體進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，并得出了注漿后巖體的平均內(nèi)摩擦角和粘聚力均有一所提高。. 3.4合理注漿加固時(shí)間的確定 (1)理論上的確定 巖石力學(xué)理論和工程實(shí)際表明，銅室開挖以后，變形逐漸加大。以變形速度區(qū)分，可劃分三個階段:即減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當(dāng)進(jìn)入加速變形階段時(shí)，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強(qiáng)度就大大降低。軟巖巷道支護(hù)和硬巖巷道支護(hù)原理截然不同，這是由它們的本構(gòu)關(guān)系不同所決定的。而軟巖巷道的另一個獨(dú)特之處是，其巨大的塑性能(如膨脹變形能)必須以某種形式釋放出來。因此軟巖巷道支護(hù)原理可以表示為: (3-1) 式中： —挖掉巷道巖體后使圍巖向臨空區(qū)運(yùn)動的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等; —以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力，可以包括①彈塑性轉(zhuǎn)化(與時(shí)間無關(guān));②粘彈塑性轉(zhuǎn)化(與時(shí)間有關(guān));③膨脹力的轉(zhuǎn)化(與時(shí)間有關(guān))。對于軟巖來講，主要是塑性能以變形的形式釋放; —圍巖自撐力，即圍巖本身具有一定強(qiáng)度，可承擔(dān)部分或全部荷載; —工程支護(hù)力。 顯然，加速變形階段可以使一Max，但卻大大降低了，這不滿足優(yōu)化原則。解決這個問題的關(guān)鍵是用最佳支護(hù)時(shí)間段確定最佳支護(hù)時(shí)間和最佳支護(hù)時(shí)段。 最佳支護(hù)時(shí)間系指可以使(+)同時(shí)達(dá)到最大的支護(hù)時(shí)間，其意義如圖1.1示 圖1.1表明，最佳支護(hù)時(shí)間就是(+)一t曲線峰值點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間TS。實(shí)踐證明該點(diǎn)與一t曲線和一t曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間基本相同。此時(shí)，支護(hù)在優(yōu)化意義上充分地達(dá)到最大。最佳支護(hù)時(shí)間點(diǎn)的確定，在工程實(shí)踐中是難以辦到的，所以提出最佳支護(hù)時(shí)間段概念。最佳支護(hù)時(shí)間段的概念如圖3-1所示，在TS1，一TS2之間。 圖3.1 最佳支護(hù)時(shí)間段 巷道開挖以后，原有的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖中應(yīng)力重分布，切向應(yīng)力增大的同時(shí)，徑向應(yīng)力減少，并在銅壁處達(dá)到極限。這種變化促使圍巖向巷道空區(qū)變形，圍巖本身的裂隙發(fā)生擴(kuò)容和擴(kuò)展，力學(xué)性質(zhì)隨之不斷惡化。在圍巖應(yīng)力條件下，切向應(yīng)力在銅壁附近發(fā)生高度集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進(jìn)入塑性狀態(tài)。進(jìn)入塑性狀態(tài)的圍巖稱為塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn)，使應(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當(dāng)應(yīng)力集中的強(qiáng)度超過圍巖屈服強(qiáng)度時(shí)，又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)，如此逐層推進(jìn)，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展。假若不采取適當(dāng)支護(hù)措施，臨空塑性區(qū)將隨變形加大而出現(xiàn)松動破壞。塑性區(qū)和松動破壞區(qū)截然不同，松動破壞區(qū)沒有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力。 塑性區(qū)可分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動破壞之前的最大塑性區(qū)范圍，稱為穩(wěn)定塑性區(qū):出現(xiàn)了松動破壞區(qū)之后的塑性區(qū)，稱為非穩(wěn)定塑性區(qū)。穩(wěn)定塑性區(qū)所對應(yīng)的宏觀圍巖的徑向變形稱為穩(wěn)定變形:非穩(wěn)定塑性區(qū)所對應(yīng)的圍巖的徑向變形稱為非穩(wěn)定變形。 塑性區(qū)的出現(xiàn)改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，這種變化對支護(hù)來講具有兩個力學(xué)效應(yīng):①圍巖中切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力降低，減小了作用于支護(hù)體上的荷載;②應(yīng)力集中區(qū)向深層偏移，減小了應(yīng)力集中的破壞作用。在巷道兩幫發(fā)生應(yīng)力集中時(shí)，兩幫巖石處于極不利的單軸受力狀態(tài)條件，極易產(chǎn)生片幫破壞。 應(yīng)力集中偏移深部后，一方面應(yīng)力集中程度降低，另一方面深部巖石處于三軸受力狀態(tài)，其破壞可能性大大減小.因此，對于高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)來講，要允許出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)，嚴(yán)格限制非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴(kuò)展。其宏觀判別標(biāo)志就是最佳支護(hù)時(shí)間Ts。Ts之前出現(xiàn)的變形稱穩(wěn)定變形，對應(yīng)的塑性區(qū)稱穩(wěn)定塑性區(qū)。所以最佳支護(hù)時(shí)間的力學(xué)含義就是最大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不出現(xiàn)松動破壞時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間，它可以通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控計(jì)算得到，也可以通過現(xiàn)場特征判斷直接得到。 (2)工程上的確定 根據(jù)軟巖巷道支護(hù)原理的最佳支護(hù)時(shí)間的判斷曲線，關(guān)鍵部位藕合支護(hù)時(shí)間的判斷如圖1.2所示。 巷道支護(hù)的一般變形特征可劃分三個階段:減速階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當(dāng)進(jìn)入加速變形階段時(shí)，巖體本身結(jié)構(gòu)改組，產(chǎn)生新裂紋，強(qiáng)度就大大降低。顯然，加速變形階段可以使~Max，但卻大大降低了，這不滿足優(yōu)化原則。解決這個問題的關(guān)鍵是確定最佳支護(hù)時(shí)間。顯然，通過測量和有關(guān)方法求出圖中一t曲線和一t曲線的交點(diǎn)是困難的，事實(shí)上，有更簡捷的方法求得最佳禍合支護(hù)的時(shí)間(段)。研究表明，變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入圖1.2中A區(qū)時(shí)，支護(hù)體多產(chǎn)生鱗狀剝落;變形力學(xué)狀態(tài)進(jìn)入B區(qū)時(shí)，伴隨著片狀剝落:進(jìn)入C區(qū)后，將產(chǎn)生塊狀崩落和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，判別最佳支護(hù)時(shí)間(段)就是鱗、片狀剝落的高應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間。 另外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，張性、張扭性裂縫，寬度達(dá)到1一3~，即己進(jìn)入A區(qū)和B區(qū)，即進(jìn)入禍合支護(hù)的時(shí)間;巷道表面各點(diǎn)變形量達(dá)到設(shè)計(jì)余量的60%，即進(jìn)入耦合支護(hù)的時(shí)間。 4圍巖錨注加固機(jī)理分析 4.1錨注支護(hù)機(jī)理分析 在錨噴支護(hù)基礎(chǔ)上或在原金屬支架、砌暄支護(hù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行壁后注漿，可以強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力。保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，既具有錨噴支護(hù)的柔性與讓壓作用，又具有金屬支架和砌暄等支護(hù)方式的剛性支架的作用，組成聯(lián)合支護(hù)體系，共同維持巷道的穩(wěn)定。其支護(hù)機(jī)理包括以下幾個方面: (l)采用注漿錨桿注漿，可以利用漿液封堵圍巖的裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風(fēng)化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的本身強(qiáng)度; (2)注漿錨桿注漿后將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體，提高了巖體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量，從而提高了巖體強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分; (3)注漿錨桿注漿后使得噴層壁后充填密實(shí)，這樣保證荷載能均勻地作用在噴層和支架上，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而首先破壞; (4)利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙，配合錨噴支護(hù)，可以形成一個多層有效組合拱，即噴網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴(kuò)散加固拱，形成的多層組合拱結(jié)構(gòu)(圖4一l)，擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力; 圖4.1注漿加固支護(hù)機(jī)理圖 1一普通金屬錨桿:2一注漿錨桿;3一金屬網(wǎng)噴層:4一注漿擴(kuò)散范圍; 5一錨桿作用形成的錨巖拱;6一噴網(wǎng)層作用形成的組合拱; (5)注漿后使得作用在拱頂上的壓力能有效傳遞到兩墻，通過對墻的加固，又能把荷載傳遞到底板。由于組合拱厚度的加大，這樣又能減小作用在底板上的荷載集中度，從而減小底板巖石中的應(yīng)力，減弱底板的塑性變形，減輕底朦。底板的穩(wěn)定，有助于兩墻的穩(wěn)定，在底板、兩墻穩(wěn)定的情況下又能保持拱頂?shù)姆€(wěn)定;頂板的穩(wěn)定不僅僅取決于頂板荷載，在非破碎帶中關(guān)鍵取決于底板和兩墻的穩(wěn)定，因此注漿支護(hù)的又一個重點(diǎn)就是保證兩幫與底板的穩(wěn)定，從而保證整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定; (6)注漿錨桿本身為全長錨固的錨桿，通過注漿也使端錨的普通錨桿變成全長錨固錨桿，從而將多層組合拱聯(lián)成一個整體，共同承載，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性; (7)注漿使得支護(hù)結(jié)構(gòu)面尺寸加大，圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載所產(chǎn)生的彎距減小，從而降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此能承受更大的荷載，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力，擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性; (8)注漿后的圍巖整體性好，與原巖形成一個整體，從而在大構(gòu)造應(yīng)力作用下保持穩(wěn)定而不易產(chǎn)生破壞。 4.2注漿加固機(jī)理分析 4.2.1網(wǎng)絡(luò)骨架作用 在注漿加固過程中，漿液在泵壓及微裂隙的毛吸作用下擠壓或滲透到巖體的大大小小的裂隙中去，漿液固結(jié)后，以固體的形式充填在裂隙中并與巖體固結(jié)，這些充填的材料在巖體內(nèi)形成了新的網(wǎng)絡(luò)狀的骨架結(jié)構(gòu)，如圖4一3所示。注漿后的巖體增加了由加固材料形成的漿脈，現(xiàn)場觀側(cè)到的漿脈厚度為.01mm-18mm。這些漿脈在巖體中呈薄厚不一的片狀或條狀，但均互相聯(lián)系形成網(wǎng)絡(luò)骨架。網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)則是均勻密實(shí)的巖體，形成網(wǎng)絡(luò)骨架的充填材料具有較好的彈-粘性和粘結(jié)強(qiáng)度。 圖4.2加固材料在巖體中的分布 4.2.2粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用 下面我們采用莫爾強(qiáng)度理論對注漿的粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)作用作一分析。 巖體的強(qiáng)度，通常用莫爾強(qiáng)度理論來描述。為簡化計(jì)算，強(qiáng)度曲線采用直線形包絡(luò)線即 (4-l) 式中 —巖體抗剪強(qiáng)度MPa; —正應(yīng)力，MPa; C一一巖體的內(nèi)聚力，MPa; —內(nèi)摩擦角，度。 由( 4-1)式可知巖體強(qiáng)度大小是c，尹兩個指標(biāo)確定的。當(dāng)井巷掘進(jìn)后，原巖體中應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，表現(xiàn)為巷道周邊徑向應(yīng)力消失，切向應(yīng)力增大，而出現(xiàn)應(yīng)力集中出象。當(dāng)集中的切向應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度極限時(shí)，巷道周邊巖體首先破壞，產(chǎn)生裂隙，巖體原有的內(nèi)聚力C及內(nèi)磨擦角滬值下降，在巷道周圍的一定范圍內(nèi)形成圍巖破碎帶，即所謂圍巖松動圈。在此松動圈內(nèi)的巖體，是具有一定殘余強(qiáng)度的多裂隙巖體是塑性區(qū)的一個組成部分。注漿加固就是處理這一區(qū)域內(nèi)的巖體，使其強(qiáng)度得到提高，從而使莫爾圓遠(yuǎn)離強(qiáng)度包絡(luò)線(圖4-3)，顯然，這有利于圍巖的穩(wěn)定。 巖體C和值的增值大小，視注漿材料的性能及注漿工藝是否合理而有所不同，一般來說，注漿材料本身固結(jié)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的，其C和值增加的較大，反之亦然，注漿工藝合理，能保證巖體裂隙充填密實(shí)，漿液與裂隙面粘結(jié)牢固，其C和值也增加的多。由于漿液在巖體內(nèi)充實(shí)，固結(jié)強(qiáng)度提高，使巷道周圍形成一完整的連續(xù)的承壓體，圍巖應(yīng)力分布趨于均勻，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了支架的承載能力。 圖4.3摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則表示的注漿前后巖體強(qiáng)度變化 根據(jù)前蘇聯(lián)B、C沙新的研究表明，巖體內(nèi)內(nèi)聚力C(r)隨離開巷道周邊向巖體深入的距離增加而逐步增大，可用下式近似表示: (4一2) 式中： C—未被破壞巖體的內(nèi)聚力; Cr、n—巖體裂隙性系數(shù)(C>0 n =1..3··…6); r一無量綱極坐標(biāo)，r=R/R0 R—離巷道周邊某點(diǎn)處的距離; Ro—巷道凈半徑。 注漿后，裂隙巖體固體起來，除開內(nèi)聚力近似地如(4.3)式所示外，巖體的裂隙參數(shù)亦有變化。注漿前n=3，注漿后n=6。若假定r=R/R0=3，則注漿前后的分別為0.35及0. 015635?？梢?，巷道圍巖注漿后，對其強(qiáng)度的影響是很大的。 此外，根據(jù)前蘇聯(lián)M.卡姆別霍爾及B.中.別廖也夫等人的研究表明，巖體經(jīng)注漿后，取樣測定，其內(nèi)聚力C值較原來增加了40~70%。 4.2.3充填密實(shí)作用 注漿漿液在泵壓作用下，不但可以將相互連通的巖體裂隙充滿，同時(shí)在壓力的作用下，還可將充填不到的封閉裂隙和孔隙壓縮，從而對巖體整體起壓密作用。壓密作用的結(jié)果是使巖體的彈性模量提高，強(qiáng)度也相應(yīng)提高。 4.2.4轉(zhuǎn)變破壞機(jī)制的作用 從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)認(rèn)為，連續(xù)介質(zhì)(如巖體)內(nèi)有裂隙時(shí)，在承載過程中會形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而最大的應(yīng)力集中在裂隙端部，如圖4.4所示。應(yīng)力集中的程度(系數(shù))K主要取決于裂隙端部半徑p，裂隙長度C及巖體尺寸不之比，介質(zhì)發(fā)生破壞就是在一定的應(yīng)力條件下裂隙出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展的結(jié)果。 圖4.4裂隙端部應(yīng)力集中 經(jīng)過加固后，裂隙內(nèi)將充滿加固材料，而且由于加固材料對裂隙面的粘結(jié)作用，就會使裂隙端部的應(yīng)力集中大大削弱或消失，從而可使巖體的破壞機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變。例如，由原來的裂隙擴(kuò)展破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樵谧畲蠹魬?yīng)力作用下的剪切破壞，或在垂直于最小主應(yīng)力方向上發(fā)生拉伸破壞等等。 另外，當(dāng)巖體中存在較大的裂隙，裂隙附近的巖石單元處于二向應(yīng)力狀態(tài)(裂隙面法相應(yīng)力為零)，而當(dāng)裂隙內(nèi)充滿加固材料后，應(yīng)力發(fā)生變化，這些單元將轉(zhuǎn)變成三向受力狀態(tài)。巖石力學(xué)理論及巖塊三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，在受壓的情況下，巖石處于三向受力狀態(tài)。巖石在三向受力狀態(tài)下的強(qiáng)度極限將比在兩向或單向時(shí)顯著增大，并且脆性減弱，塑性增強(qiáng)。從這一角度來看，注漿加固也起到了轉(zhuǎn)換破壞機(jī)制和增加巖體強(qiáng)度的作用。 5 松軟破碎巷道注漿加固設(shè)計(jì) 5.1槳液選擇 注漿材料的選擇與應(yīng)用應(yīng)根據(jù)錨注地段的地質(zhì)條件、施工要求、原材料供應(yīng)和成本等因素而定。目前注漿材料主要有兩大類，即以水泥為主的水泥漿液和以各種化學(xué)材料為主的化學(xué)漿液。選用注漿材料應(yīng)遵守兩大基本原則:技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。具體地講，理想的注漿材料應(yīng)滿足以下要求: (1)漿液粘度低，流動性好，可注漿性好，能夠進(jìn)入細(xì)小空隙和粉細(xì)砂層，這樣可達(dá)到最大的擴(kuò)散半徑取得最好的注漿效果。 (2)漿液凝固時(shí)間能夠調(diào)節(jié)，并且可以準(zhǔn)確控制，可達(dá)到定量注漿的目的。 (3)漿液的穩(wěn)定性好，無毒，無嗅，對環(huán)境無污染，對身體無害，非易燃易爆物。 (4)漿液對注漿設(shè)備、管路無腐蝕性，并且易清洗。 (5)漿液固化后有一定的粘性，能與巖面粘結(jié)。 (6)結(jié)石體具有一定強(qiáng)度，抗?jié)B性好，且具有耐老化性。 (7)漿液的成分對圍巖不起破壞作用。 (8)材料來源豐富，價(jià)格便宜。 一種材料能同時(shí)滿足以上要求是困難的，現(xiàn)有的注漿材料都有某些方面的缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的要求，選用一種或幾種配合使用，也可較理想地達(dá)到預(yù)期目的。 5.1.1化學(xué)注漿 國內(nèi)外在50、60年代已開始將化學(xué)漿液材料用于防水堵水工程中，但用于加固技術(shù)的較少?；瘜W(xué)漿液材料一般包括水玻璃漿液和其他一些高分子聚合物，如脈醛樹脂類、鉻木素類、聚氨酷類?；瘜W(xué)漿液是一種溶液型材料，其顆粒極小，分散均勻，漿液不易離析沉降，容易進(jìn)入地層的細(xì)小裂隙和孔隙之中，粘結(jié)性強(qiáng)，抗?jié)B性強(qiáng)，但是其穩(wěn)定性差，操作工藝要求嚴(yán)格，有的漿液有毒，對環(huán)境和人體不利，價(jià)格較高，一般用于局部堵水防滲中，在井巷支護(hù)中應(yīng)用較少。1996年龍口局北皂煤礦曾做過一次用PM漿液加固巷道的實(shí)驗(yàn)，觀察到較好的效果，取得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)根據(jù)圍巖含有遇水易膨脹的蒙脫石的特點(diǎn)選用了易吸水、粘結(jié)性好、韌性強(qiáng)的聚氨脂類漿液即MP漿液。該漿液雖然相對其它注漿材料有一些優(yōu)點(diǎn)，如滲透性好、擴(kuò)散均勻等，但也存在一些問題，如操作不易控制，漿液的穩(wěn)定性差，清洗設(shè)備較困難，成本高，材料來源匾乏等。 5.1.2水泥漿液 水泥漿液一般分為單液水泥漿和水泥一水玻璃雙液漿。水泥作為注漿材料使用歷史較長，在煤礦中應(yīng)用也較為廣泛。它具有來源豐富、價(jià)格低、結(jié)石強(qiáng)度高，抗?jié)B性較好、操作簡單、注漿設(shè)備品種齊全等特點(diǎn)。但由于其顆粒度大，可注性差從而擴(kuò)散半徑小，凝結(jié)時(shí)間不易控制，結(jié)石率低，所以目前采用了一些摻加劑制成水泥單液漿液。為了克服單液漿液的缺點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛采用了在水泥漿液中配合一定量的化學(xué)材料組成的雙液漿。使用較廣泛和成功的是水泥一水玻璃雙液漿。該漿液既保持了單液漿的優(yōu)點(diǎn)，又克服了單液水泥漿的凝結(jié)時(shí)間長，凝結(jié)時(shí)間不易控制，結(jié)石率低的缺點(diǎn)。但該漿液在注漿前應(yīng)進(jìn)行細(xì)致的實(shí)驗(yàn)測定，確定水灰比和水玻璃的濃度以及水泥漿與水玻璃的體積比等指標(biāo)。雙液漿在注漿工藝上較單液漿注漿復(fù)雜，在成本上也較單液漿高。故雙液漿一般用于局部堵水和防水，而不用于大量的圍巖注漿。 不含膨脹性巖石的軟巖巷道，只是由于本身的松軟和低強(qiáng)度，以及地壓及地質(zhì)條件的影響而造成其支護(hù)困難。因此對無淋水的巷道，超前錨注巷道及錨注加固工程等沒有必要采用價(jià)格昂貴、操作困難的化學(xué)漿液，采用單液水泥漿即可滿足要求。 單液水泥漿按其所添加的摻加劑不同，可配制出多種類型的水泥漿液。 1. 水泥—水玻璃單液漿 在純水泥漿液中摻加4.5%的45Be，水玻璃，常用配比見表5.1所示。 表5.1水泥水玻璃單液漿(4.5%水玻璃)配制表 序號 水灰比 水泥（kg） 水（L） 4.5%Be水玻璃（L） 制成漿量 1 0.6:1 50 28.6 1.03-1.72 46.7 2 0.7:1 50 33.6 1.03-1.72 51.7 3 0.8:1 50 38.6 1.03-1.72 56.7 4 1:1 50 48.6 1.03-1.72 66.7 2.水泥三乙醇胺單液漿 在水泥漿中摻加三乙醇胺與氯化鈉組成的混合溶液配制而成的單液水泥漿，常用配比見表5.2所示。 表5.2水泥漿(加三乙醇胺和氯化鈉混合溶液)配制表 序號 水灰比 水泥（kg） 水（L） 4.5%Be水玻璃（L） 制成漿量 1 0.6:1 50 28.73 1.27 46.7 2 0.7:1 50 33.73 1.27 51.7 3 0.8:1 50 38.73 1.27 56.7 4 1:1 50 48.73 1.27 66.7 5.2 注漿參數(shù). 5.2.1漿液擴(kuò)散半徑 漿液在巖石裂隙中擴(kuò)散凝結(jié)后，能起到堵水或加固作用的范圍通常用擴(kuò)散半徑來表示。漿液在巖石裂隙中的擴(kuò)散，實(shí)際上是不規(guī)則的，它隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙寬度、注漿壓力、注入時(shí)間的增加而增大;隨著漿液濃度和粘度的增加而減小。通常以調(diào)節(jié)注漿壓力，漿液注入量和濃度等參數(shù)來控制漿液擴(kuò)散范圍的大小，一般要求其擴(kuò)散半徑在0.8-1.Om以上。 5.2.2注槳壓力 注漿壓力是漿液擴(kuò)散、充填、壓實(shí)的動力，漿液在巖層裂隙中擴(kuò)散、充填的過程，就是克服流動阻力的過程。注漿壓力大，漿液擴(kuò)散遠(yuǎn)，耗漿量大，會造成浪費(fèi)，而且如果壓力過大將引起劈裂注漿，很可能在注漿過程中導(dǎo)致圍巖表面片幫冒頂?shù)绕茐摹Ｗ{壓力小，漿液擴(kuò)散近，耗漿量小，有封堵不嚴(yán)的可能，難以達(dá)到注漿加固的目的。因此，正確選擇注漿壓力及合理運(yùn)用注漿壓力是注漿成敗的關(guān)鍵。 內(nèi)注漿錨桿為淺孔注漿，據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定注漿壓力控制在1.5MPa以內(nèi)。 5.2.3漿液濃度 水泥注漿漿液濃度的使用原則，總的來說是開始注漿，漿液較稀，注漿中濃度漸濃，最后封孔。試驗(yàn)中，通過改變水泥漿的水灰比而調(diào)節(jié)其濃度，先采用1Cl的稀漿注入，再用0.7~0.8:1水灰比的漿液注入，最后封孔時(shí)，為防止從孔口跑漿，改為0.6:1的稠漿封孔。但漿液濃度增加后，易粘住龍頭，泵吸漿困難。漿液水灰比采用TBW型泥漿泵時(shí)，以0.8:1或1:1為好。 5.2.4注漿量 由于圍巖裂隙發(fā)育，松動范圍的不均勻性和圍巖巖性的差異，圍巖吸漿量差別較大，所以本著既有效地加固圍巖達(dá)到一定的擴(kuò)散半徑，又要節(jié)省注漿材料和注漿時(shí)間的原則，對于單孔而言，為了保證合理的注漿量，一是控制泵壓，在圍巖內(nèi)泵壓達(dá)到1.2MPa時(shí)應(yīng)停止注漿;二是根據(jù)相鄰鉆孔跑漿量來決定，相鄰鉆孔一旦跑漿應(yīng)停止注漿。為保證注漿質(zhì)量，插孔復(fù)注是非常必要的。據(jù)近幾年注漿實(shí)踐，在軟巖巷道中注漿，注入量每孔大約為1一2袋(每袋水泥50kg)。 5.2.5注漿時(shí)間 為了防止注漿在弱面漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn)，造成跑漏現(xiàn)象，在控制注漿壓力和注漿量的同時(shí)，必須控制注漿時(shí)間，使注漿時(shí)間不宜過長。相反，在圍巖裂隙、孔隙、層位不很發(fā)育的地方，吸漿速度較慢，漿液擴(kuò)散困難，為了提高注漿效果，必須在提高注漿壓力的同時(shí)適當(dāng)延長注漿時(shí)間。注漿壓力與注漿時(shí)間需根據(jù)實(shí)際情況靈活掌握。 5.3施工工藝及設(shè)備 5.3.1內(nèi)注漿錨桿施工工藝 內(nèi)注漿錨桿施工工藝十分簡便，主要包括以下幾點(diǎn): (1)鉆孔:采用風(fēng)鉆鉆孔(在煤層中采用煤電鉆鉆孔)。 (2)安裝錨桿:將內(nèi)注漿錨桿送至孔底。 (3)封孔止?jié){:采用軟木止?jié){塞封孔，對于破碎圍巖、鉆孔孔口不規(guī)整的封孔，為防孔口漏漿，可在軟木止?jié){塞外圍纏繞2一3層黃麻;也可用再生橡膠塞或快硬水泥藥卷等止?jié){。 (4)注漿:將注漿管路與內(nèi)注式錨桿連接好，進(jìn)行注漿作業(yè)，每孔注漿時(shí)間為3一5min，可多孔同時(shí)注漿。 (5)安設(shè)錨桿托盤:拆下孔口閥，安設(shè)托盤，上緊螺母。 5.3.2注漿施工工藝 注漿施工工藝流程主要包括三個方面: (1)運(yùn)料與拌漿:即將水泥與水按規(guī)定水灰比拌制水泥漿，注漿實(shí)施前加入定量水玻璃，保證在注漿過程中不發(fā)生吸漿籠頭堵塞等現(xiàn)象，并根據(jù)需要調(diào)整漿液參數(shù)。 (2)注漿泵的控制:根據(jù)巷道注漿變化情況，即時(shí)開、停注漿泵，并時(shí)刻注意觀察注漿泵的注漿壓力，以免發(fā)生堵塞崩管現(xiàn)象。 (3)孔口管路連接:應(yīng)注意前方注漿情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏漿、堵管等事故，并掌握好注漿量及注漿壓力，及時(shí)拆除和清洗注漿閥門。注漿施工工藝如圖5一1所示 5.3.3注漿作業(yè)所需材料與設(shè)備 注漿施工中所需材料主要有內(nèi)注漿錨桿、水泥、水玻璃、快硬水泥藥卷等。注漿錨桿按規(guī)定尺寸加工，水泥采用425#或525#普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用45Be，液體水玻璃。 注漿施工中所需設(shè)備為泥漿泵或注漿泵，例如，梁家煤礦煤巷注漿采用了TBw一50/巧型泥漿泵，祁南煤礦軟巖巷道注漿采用了KBY一50/70型注漿泵，注漿管路采用滬25mm高壓膠管及1寸多層膠管，其它配件按設(shè)計(jì)加工，應(yīng)保證管路連接安全、快速、可靠。 圖5.1注漿施工工藝流程 5.3.4錨注施工技術(shù)要求及安全措施 (1)要保證注漿錨桿孔的設(shè)計(jì)間排距，并要求垂直于巖面，底腳注漿錨桿下扎30~50°,要嚴(yán)格控制孔深，使其與錨桿長度配套。 (2)使用快硬水泥藥卷應(yīng)按規(guī)程作業(yè)，嚴(yán)格控制泡水時(shí)間，并保證砸實(shí)以滿足止?jié){強(qiáng)度。 (3)漿液配比和水灰比應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。 (4)開機(jī)前應(yīng)檢查噴層和管路，檢查閥門是否完全開啟，管路接頭是否牢靠、嚴(yán)密、有效。 (5)注漿機(jī)械應(yīng)由專人負(fù)責(zé)，有專人監(jiān)讀表頭，注漿人員要經(jīng)過培訓(xùn)，考核合格后才能上崗。注漿時(shí)要加強(qiáng)信號聯(lián)系，保證注、停及時(shí)反應(yīng)快速。 (6)遇到漏漿時(shí)，可暫停注漿，采取措施封堵滲漏處，幾分鐘后即可再注。 (7)注漿的孔口閥應(yīng)注漿后6h拆除，可在第二班進(jìn)行，拆下的閥門要及時(shí)清洗干凈，然后抹上機(jī)油備用。 (8)注漿人員注意勞動保護(hù)，防止?jié){液材料燒傷眼睛或皮膚，在正注的錨桿下方或前方嚴(yán)禁站人。 (9)每班注漿完畢，要及時(shí)清洗注漿泵及其管路，及時(shí)維護(hù)。 (10)注漿情況及參數(shù)應(yīng)專人負(fù)責(zé)控制，專人記錄，填寫工作日志。 (11)注漿錨桿間排距可根據(jù)實(shí)際擴(kuò)散半徑加以調(diào)整，當(dāng)注漿過程大面積達(dá)不到設(shè)計(jì)終壓，一般為漿液沿大裂隙定向擴(kuò)散所致，可加大水玻璃用量，堵塞大通道，并隔2-7天后，打插心注漿錨桿復(fù)注，以保證圍巖漿液擴(kuò)散均勻。 5.3.5錨注支護(hù)勞動組織 錨注的勞動組織一般分相對獨(dú)立的兩部分，即掘進(jìn)錨噴勞動組織及注漿作業(yè)勞動組織;掘進(jìn)錨噴勞動組織可根據(jù)掘進(jìn)斷面、輔助運(yùn)輸條件按三八制或四六制甚至六六交叉作業(yè)組織施工。注漿作業(yè)勞動組織一般為一天一班制。 參考文獻(xiàn)： [1] 張農(nóng). 軟巖巷道的噴錨注支護(hù)技術(shù). 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2001 [2] 何滿潮，景海河 孫曉明.軟巖工程力學(xué)〔M]，北京:科學(xué)出版社，2002 [3] 劉長武 軟巖巷道錨注加固原理與應(yīng)用〔M〕.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000