1 引言
软弱围岩巷道支护一直是煤矿井下工程支护面临的难题，软弱围岩的非线性、大流变及自身膨胀产生的叠加应力等因素给巷道支护带来强烈影响。牛双健等[1]在长期现场观测分析和室内岩石力学参数测试的基础上，结合现场松动圈测试，提出的“固+卸+抗”刚柔耦合动态支护技术对深部极软岩巷道大变形有不错的控制效果。孟庆彬[2]等人的研究表明锚注支护技术提高了“锚注加固体等效层”的物理结构参数，降低了巷道的塑性区范围和围岩位移。陈鑫源[3]进行的数值模拟和现场试验证明注浆有效改善了围岩的力学性能，实现了巷道稳定，底角注浆锚杆的应用有效率控制了巷道底鼓。近年来，平煤股份主力矿井随着向深部、大规模及智能化趋势发展，面临的矿山压力复杂化的问题进一步加深，另外，部分矿井出现的压茬开采现象对软岩巷道支护提出了更加严峻的考验。平煤十矿、六矿等单位通过高强锚注、组合锚索高压注浆等技术的研究及现场应用，应力复杂的深井软弱围岩巷道的控制在一定程度上取得了显著的效果，但巷道服务时间超过6个月后，其局部出现了不同程度的顶板离层、腮部裂缝和底鼓等破坏现象，加固效果未达到预期，严重影响安全生产。因此，进一步研究其破坏机理并提出有效的控制技术，具有重要的意义。
本文通过对平煤一矿戊一回风上山长期矿压监测分析，在注浆围岩结构及力学参数测试结果分析的基础上，总结了其典型的围岩变形失稳机理，结合松动圈测试结果提出了复合劈裂注浆加固技术，进行了工业性试验，取得了较为理想的支护效果。
2 试验巷道工程概况
平煤一矿戊一回风上山原设计采用半圆拱形断面，锚网索喷支护，净宽6000mm，净高4850mm，锚杆为Φ22×3000mm的KMG22-600型高强树脂锚杆，间排距为700×700mm。喷砼厚度150mm，喷射混凝土强度不低于C20。砼料配合比为水泥：砂：石子=1：2：2（体积比），喷砼时速凝剂掺量为水泥重量的2.5-4%，锚索为Φ21.6×8000mm19丝钢铰线锚索，间排距1400×1400mm。巷道埋深约1075m，布置在二叠系中统下石盒子组中，以灰色、灰绿色砂质泥岩为主，其次为灰白色、灰色及灰绿色细粒砂岩、中粒砂岩、粉砂岩及煤组成。
2.1 巷道矿压显现特征分析
平煤一矿戊一回风上山设计断面较大，且所处层位为泥岩，围岩条件较差。从现场可以看到，巷道的底鼓、两帮收敛及顶板破裂冒落等现象十分严重，主要变形特征如下：
（1）顶板不对称破坏
巷道顶板的破坏主要是沿着层理弱面离层、弯曲下沉而逐渐被折断的，顶板形成阶梯形的冒落空洞。巷道顶板沿巷道的轴线方向形成一条通透裂缝，喷浆层破裂冒落。靠近回风上山一侧顶板随着两帮的收敛逐渐地的下沉，并随着两帮的片帮破坏发生冒落，顶板锚杆（索）的端头倾斜而失去支护功能。局部巷道形成尖角状的折断破坏变形，巷道的拱部曲面同样也发生了破坏变形，呈现出向外凸起和向内凹陷的高低起伏的曲面。
（2）两帮不规则变形
巷道的两帮出现鼓帮、开裂，甚至折断片帮的现象，或是两帮倾斜向巷道内收敛，沿巷道的轴向出现了差异化的收敛。两帮喷浆层的裂缝随着两帮的变形而变大，喷浆层后面的围岩被压裂成大小不均的岩块，并从裂缝中挤出形成空腔，底端随着巷道底板的鼓起向围岩内倾斜，顶端向巷道内倾斜。两帮出现大小不均的竖向、倾斜的裂缝，从底板随着两帮高度的不断增加裂缝宽度而逐渐的减小，到巷道的拱部而逐渐消失。
（3）底板底鼓速率快
巷道的底鼓现象在巷道开挖后就有发生，而且发展速度较快，局部底鼓速率达400-500mm/月。运输轨道发生倾斜，严重影响行人和运输安全。
2.2 巷道围岩力学参数和松动圈测试
为了解围岩力学性质，确定松动圈范围，我们对试验巷道围岩进行取芯，并进行室内力学实验，试验结果见表1，另外采用影像设备对试验巷道的取芯钻孔进行窥视，进行了影像分析，结果表明，0-1.5m范围内，岩体破坏较为严重，钻屑呈颗粒状，钻孔壁裂隙发育，钻孔未成型；1.5-5.5m范围内，围岩裂隙较密，岩芯呈直径较大的碎块，最大成型岩芯高度为0.15m，岩体松散；5.5-9m范围，裂隙密度较小，围岩整体结构不密实，成型岩芯高度都在0.2m以上；9m以外岩体结构密实，整体性好。
3 复合劈裂注浆加固支护技术
3.1 巷道围岩变形机理分析
（1）围岩应力环境
传统地应力研究认为，岩体所承受的垂直应力与其上覆岩体重力成正比关系，即巷道位置越深，其所承受的围岩应力越大。软岩自身的承载能力差，若常规的支护结构破坏失效，软弱围岩巷道变形速度很快。戊一回风上山埋深1075m，平顶山矿区岩石平均容重25kN/m3，试验巷道处垂直应力为26.9MPa，最大水平主应力为垂直应力的1.5-2倍，可推算最大水平主应力为40.4-53.8MPa，原岩应力超出了局部围岩体强度，是导致该巷道围岩失稳破坏的主要因素。
（2）围岩岩性因素
不同类型的岩体，结构与岩性差异明显，平煤一矿戊一回风上山围岩以砂质泥岩为主，属于塑性岩体，具有力学参数低而且遇水软化的特点。锚网喷支护作为一种柔性主动支护形式针对围岩整体性较好的大变形巷道，可以有效改善围岩应力状态，提高支护强度，但局限于巷道围岩较低的力学参数，没有达到预期效果。
3.2 高压劈裂注浆理论
作为一种注浆方式，高压劈裂注浆的理论研究与其在工程实际中的应用相比，还比较滞后。郑卓[4]充分考虑高压浆液对岩体的单向耦合作用，建立裂隙岩体注浆理论模型，对注浆过程中浆液与围岩的相互作用展开研究，结果表明，浆液扩散范围小于围岩受浆液卸荷影响范围，浆液–岩体耦合作用在较小裂隙中的更为显著。裂隙组在注浆过程中相互影响,较大裂隙进一步张开,较小裂隙趋于闭合,导致浆液在微小裂隙中的扩散范围减小或无法注入。程少振[5][5]基于有限元与流体体积函数的数值方法对劈裂注浆过程进行了模拟研究，把劈裂注浆过程划分为挤密、初始竖向劈裂、斜向二次劈裂等阶段。在二次劈裂发生之前，地层垂直方向位移增幅较小，二次劈裂之后的斜向浆脉的产生和扩展是地层垂直方向位移增加的主要阶段。另外，浆脉的分支数量与浆液的注入深度成反比关系，而且方向性更加明显。
3.3 复合劈裂注浆加固支护机理
复合劈裂注浆加固支护技术基本架构包括三个层次，一层次支护是巷道开挖后先采用常规的锚网索喷进行初次支护；二层次支护为通过中空锚杆、锚索对巷道围岩实现浅孔与深孔相结合的注浆加固；三层次支护为采用组合锚索进行高压劈裂注浆。
一层次支护后，围岩应力再次平衡的过程中，围岩会产生大量裂隙，达到卸压和扩展岩体内裂隙的效果，不仅优化了软弱围岩的应力环境，还为后期注浆浆液的渗透、扩散创造条件。二层次支护在巷道围岩内形成一定厚度的加固带，不仅可以利用围岩的自稳能力，形成抗变形能力很强的支护整体，也提供了后期的高压劈裂注浆所需的高强封闭层和组合锚索涨拉所需的着力层；三层次支护利用组合锚索通过高压浆液克服围岩体的初始应力和抗拉强度，引起岩体结构的扰动与破坏，沿最小主应力的垂直平面上发生劈裂，原有的裂隙与孔腔进一步扩大，高压浆液通过扩散、渗透及胶凝,把强度相对较小的软岩固化成强度较高的“砼”结构。另外，一层次支护在浅部岩层中形成的次承载体与二层次支护在深部岩体中形成的深层主承载体这高压劈裂注浆技术的作用下，互相协作形成组合承压拱结构，共同承载，形成一个整体，使支护本身与围岩在刚度、强度上实现耦合，充分改善围岩整体物理结构和力学环境，从而最大限度地发挥围岩的自承能力，从而确保巷道围岩的长期稳定。
4、工程应用及效果分析
4.1 设计治理方案
（1）初次锚网喷支护
锚杆为Φ22×3000mm的KMG22-600型高强树脂锚杆，间排距为700×700mm，19根/排，配MSCK2850、MSK2850型树脂药卷，2卷/根，各一卷。锚固力不小于280kN。托盘采用Φ150×10mm碟形托盘，钢托盘、螺母均与锚杆配套达到设计强度。金属网均采用Φ6钢筋网，网格间距80×80mm，搭接长度不小于100mm。喷砼厚度T=150mm，喷射混凝土强度不低于C20。砼料配合比为水泥：砂：石子=1：2：2（体积比），喷砼时速凝剂掺量为水泥重量的2.5-4%。
（2）普通钢绞线锚索支护
锚索为Φ21.6×8000mm19丝钢铰线锚索，间排距1400×1400mm，9根/排，配MSCK2850、MSK2850型树脂药卷，每根各二卷，锚固力不小于250KN。托盘采用Φ300×14mm碟形托盘，钢托盘、锚具均与锚索配套达到设计强度。
（3）壁后注浆
采用深浅孔注浆管交错布置的全断面注浆方式，深井注浆孔深5.0m，浅部注浆孔深2.5m，深孔、浅孔注浆锚索交错布置，深、浅孔间排距1500×1500mm，误差±100mm，每排8根。注浆管Φ20mm，深孔长度2.5m，浅孔长度1.5m，注浆压力：浅部1.5～2.0Mpa，深井2.5～3Mpa；浆液为水泥浆和ACZ-1添加剂。
（4）中空注浆锚索支护
采用Φ20mm×8300mm中空注浆锚索，间排距1600×1600mm，每排4根，配300×300×16mm方形托盘，采用2卷Z2835树脂锚固剂，采用标号不低于P.O42.5R级硅酸盐水泥按8%的比列添加ACZ-1型水泥添加剂作为注浆材料，注浆终孔压力不低于7MPa。
（5）组合锚索高压注浆
注浆组合锚索每组由3根Φ22×16000mm的钢绞线组合而成，间排距2400×3200mm，5根/排，整束锚索由钢绞线、导向帽、塑料套管、支撑架，排气管组合而成。注浆组合锚索允许外露不超过500mm。注浆组合锚索盘采用Φ360×20mm厚钢板与Φ260×16mm厚钢板焊接加工而成，锚索盘上钻孔3个，孔间距按照注浆锚索锁具孔间距加工。注浆组合锚索锁具采用Φ22×3000mm高强铸铁组合锁具。注浆组合锚索尾端5m段套入Φ25mm塑料管。注浆组合锚索在3根Φ22×16000mm的钢绞线中间插入Φ8mm塑料管作为注浆施工时的排气管。导向帽采用DN50mm×200mm钢管加工，钢管端头做成锥形，方便锚索穿入锚索孔。3根单根钢绞线靠支撑架固定，每2m绑扎一个支撑架。支撑架采用Φ24mm螺帽外焊接3根Φ6×100mm钢筋加工而成。注浆组合锚索注浆前在孔口安装注浆管，注浆管采用Φ25.4×1000mm的镀锌管。Φ25.4mm注浆管加工为鱼鳞扣，进浆端加工丝扣，装上Φ25.4mm的球阀以控制孔内浆液。注浆以水泥单液浆为主，水泥采用P.O42.5级新鲜硅酸盐水泥，注浆终孔压力6-8MPa为宜。10天后对组合注浆锚索逐根进行涨拉，涨拉前安装锚盘时要先找平孔口，安装和锚具，然后穿上千斤顶进行涨拉，涨拉要逐股分组循环涨拉，单根锚索涨拉强度不得小于100KN。
4.2 应用效果分析
对试验巷道进行钻孔取芯，通过实验室电镜扫描研究复合劈裂注浆加固岩体结构，结果表明，裂隙填充的浆液与岩石相比结构较为致密，颗粒均匀，密实度较好。与原岩强度相比，浆液固结体的强度更大。其次，浆液与裂隙周围的岩体结合度较好，微观结构致密。从而证明了在有设计注浆压力作用下，浆液对裂隙两边的粘结性更好更密实，注浆浆液没有塌缩，与预应力注浆的设计初衷相符合，解决了以往注浆时浆液扩散度不够，浆液粘结性不好的问题。
待组合锚索支护完成后按照要求，在该支护区段中部设置一个观测断面C、D、E。经过60天的连续观测，巷道表面位移观测结果十字观测曲线、顶板离层观测曲线由以上观测数据可以看出，劈裂注浆施工后，巷道各方面的变形均大幅减小，从现场来看，顶板没有脱皮掉块、钢笆网弯曲等现象，巷道内的支护基本维持在原状态，巷道浅部、深井出现很小程度的离层，浅部离层量26mm、深部离层量7mm，底鼓量37mm。劈裂注浆技术加固围岩，提高支护能力，对深井软巷支护成效显著，促进矿区安全生产，降低生产成本，减少维修工程量，降低维修费用，保证巷道持续稳定，避免采区延迟投产，保证矿区持续稳定发展。
5、结论
实践证明，复合劈裂注浆加固技术改善了深井软弱围岩的物理结构参数和力学状态，充分发挥了各支护单元的功能，大大提高了围岩的支撑强度，解决了平煤一矿破碎软弱破碎围岩巷道的维修加固问题，实现了深井复杂应力条件下软弱围岩的支护稳定。
参考文献：
[1] 牛双健、靖洪文等.深部软岩巷道围岩稳定控制技术研究与应用[J].煤炭学报，2011，36（6）：914-919.
[2] 孟庆彬，韩立军等．深部软岩巷道锚注支护机理数值模拟研究［J］．采矿与安全工程学报，2016，33(1):27-34．
[3] 陈鑫源.高应力软岩巷道围岩控制技术研究[J].能源与环保.2017,39(6):18-185.
[4] 郑卓, 李术才, 刘人太,等. 裂隙岩体注浆中的浆液–岩体耦合效应分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2015(S2):4054-4062.
[5] 程少振, 陈铁林, 郭玮卿,等. 土体劈裂注浆过程的数值模拟及浆脉形态影响因素分析[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(003):484-491.
