本文是一篇工程硕士论文，笔者以杨家村煤矿5-1上煤层1#探巷淋水顶板为研究对象，采用现场调研、室内试验以及钻孔窥视等方法分析弱胶结软岩巷道顶板变形破坏特征及原因，原始创新提出普通锚索封孔注浆技术控制围岩变形。
1 绪论
1.1 选题背景及意义
煤炭是我国重要的消费能源，随着我国经济的不断发展，对煤炭的需求量也居高不下，为保证我国经济的健康、稳定发展，需要保证煤矿企业的高质量发展[1]。随着我国中部和东部地区煤炭产量的减少，煤炭主产区逐渐向西部转移，西部地区煤炭资源主要集中在晋陕蒙宁地区，西部地区煤矿基岩层多为泥化弱胶结软岩，此类围岩具有强度低、胶结性差、遇水易软化膨胀等特点[2-3]，而且该类软岩处于浅埋地层中水平应力逐渐占据主导地位[4]，在高应力条件下软岩巷道变形量大，变形持续时间长，需要大量人力、物力和财力不断地返修、维护，这极大影响煤矿的正常生产，降低煤矿的生产效率[5-10]。目前，以锚杆和锚索为核心的支护技术逐步成为保证我国煤巷安全的重要支护方式，锚杆和锚索支护在控制巷道围岩变形、阻挡顶板离层等方面具有显著效果，弱胶结软岩巷道支护的主要形式与以往软岩支护形式类似，但支护效果并不理想。因此，迫切需要对该类弱胶结软岩巷道的变形破坏特点与支护围岩结构相互作用机理进行研究，提出针对该类弱胶结软岩巷道的合理支护措施。
内蒙古双欣矿业有限公司杨家村煤矿为典型的西部弱胶结软岩矿井，弱胶结软岩存在强度低、易风化、易遇水软化和锚固易失效等特点。以杨家村煤矿515107辅助运输顺槽巷为例，顶板上覆岩层是以砂质泥岩为主的复合顶板，巷道顶板纵向裂隙较为发育，同时复合顶板围岩层理发育显著，容易与4煤采空区交互贯通，造成顶板围岩及锚索孔淋水显现明显，在水与围岩的相互作用下，顶板围岩内部胶结物流失严重，顶板离层及下沉变形严重。金属支架等刚性被动支护形式无法根本改变软岩巷道围岩自身承载能力差的缺点，这就需要通过围岩注浆或锚喷支护等支护形式来加强软岩自身承载能力，从而达到围岩加固和注浆堵水的目的。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 软岩巷道支护研究现状
软岩巷道支护一直是国内外学者争相研究的课题，特别是我国煤炭资源开采重心由东部地区逐渐转向西部地区，西部地区弱胶结软岩的存在严重制约着我国煤炭企业的高质量发展。因此，针对目前软岩巷道支护所存在的难题，国内外学者应该推陈出新，提出科学、合理的软岩巷道支护理论和软岩巷道支护技术，为更好的控制软岩巷道的稳定与安全贡献力量。
1）国内外软岩巷道支护理论研究现状
国外学者针对软岩巷道的支护问题已经提出诸多理论，最早由A.Haim等人在20世纪早期提出较为经典的“古典压力理论”，该理论认为支护结构所承受的压力就是它上部岩层的重力，随着煤巷开采深度的加大，该理论逐渐不能满足实际工程的需要[11-12]。随后Karl Terzaghil理论和普氏理论为代表的坍落拱理论的出现，一定程度上提升了软岩巷道支护的理论层次，该理论最先提出围岩具有自承载能力，同时还提出坍落高度易受地下工程结构物的跨度和围岩性质的影响[13]。到20世纪50年代出现了以弹塑性力学为基础的Fenner公式和Kastner公式，并在解决软岩巷道支护问题中发挥作用[14]。到20世纪60年代，一种新型隧道支护方法—新奥法应运而生，该理论能够充分利用围岩的自承力和开挖面的空间约束作用，该方法的出现对解决软岩巷道的支护问题产生了深远影响[15-16]。在20世纪70年代和80年代分别出现了由M.D.Salamon提出的能量支护理论和日本学者樱井春辅提出的围岩应变控制理论，前者主要观点是支护结构与围岩共同作用、协调变形，围岩与支护结构能够相互平衡能量，后者建立了围岩应变、允许应变以及支护结构三者之间的关系[17-19]。
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2 弱胶结软岩巷道顶板变形破坏特征及原因分析
2.1 工程概况
2.1.1巷道布置
杨家村煤矿5煤以5-1上煤层1#探巷为典型代表，杨家村煤矿5-1上煤层掘进工作面正掘段地面位置开始于汇友装饰材料库南偏西47°方向339m处，结束于汇友装饰材料库北偏西7°方向1892m处。神铜35KV、北神110KV线路、北高110KV线路、外环路、国电内蒙古东胜热电有限公司运灰公路及部分土路从工作面上部穿过，其余为一片山丘。地面标高为1474.0m～1546.0m，巷道标高为1288.3m～1336.1m。5-1上煤层1#探巷工作面位于51采区中部；北部为实炭区；南部为5-1上煤层辅助运输大巷；西部为实炭区；东部为实炭区；上部为4-1煤层414108工作面，已开采；下部为5-1煤层，未开采。5-1上煤层1#探巷平面布置图如图2-1所示。
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2.2 弱胶结软岩巷道顶板变形破坏特征
弱胶结软岩存在胶结性差、遇水易泥化等特征，该巷道局部区域顶板围岩及锚索孔淋水冲刷现象严重，进一步导致锚杆、锚索锈蚀严重，锚杆断裂现象时有发生，加剧了巷道顶板煤岩层软弱破碎，并且变形破坏区域均集中在顶板部位。弱胶结软岩巷道围岩自身承载能力较低，采用架棚支护只能承受上覆岩层的一小部分压力，想要提高软岩巷道自身承载能力应该采用围岩注浆加固和锚喷支护等技术措施。
2.2.1顶板变形破坏分析
经过资料收集和现场勘察，巷道围岩呈现出以下变形破坏特征：
1）在顶板无淋水条件下：①顶板锚杆和锚索以及锚索梁出现较多破断和扭曲变形现象，锚固支护失效造成顶板破碎，需要不断补打锚杆、锚索以及架棚进行补强支护；②巷道顶板局部锚网撕裂变形严重，局部出现顶煤悬顶和漏顶现象，顶板围岩表面裂隙较为发育，导致顶板整体大面积下沉。
2）在顶板围岩及锚索孔淋水条件下：①巷道顶板出现大面积淋水区域，锚索孔内淋水顺着锚索线成“线状”流动，需要组织人员不断观测巷道淋水量变化状况，及时进行排水设施布置和锚网索补强支护。②顶板锚杆、锚索等支护构件受顶板淋水冲刷影响锈蚀严重，锚索及锚索梁变形严重，锚固性能降低，支护能力严重下降，进一步导致顶板破碎下沉，同时也造成底板积水和帮部大量流水，影响巷道正常使用。
3）巷道顶板在无淋水与有淋水条件下均呈现下沉和垮落变形特征，锚网索联合支护逐渐失去有效支护能力，采用工字钢架棚支护后仍然继续出现顶板破碎、下沉和垮落现象，垮落最大深度可达1m，需在工字钢和顶板之间填充大量木块支撑，同时部分工字钢棚扭曲变形严重。
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3 普通锚索封孔注浆支护技术理论研究 ............................... 19
3.1 普通锚索封孔注浆技术理论分析 .............................. 19
3.2 单根锚索封孔注浆数值模拟 ............................. 22
3.3 本章小结 .............................. 28
4 普通锚索封孔注浆支护技术试验研究 ................................ 31
4.1 封孔材料配比试验 .............................. 31
4.2 封孔相似模拟试验 ..................................... 36
4.3 钢管封孔注浆相似模拟试验 ..................... 40
5 普通锚索封孔注浆支护优化分析与现场应用 ............................... 47
5.1 锚索封孔注浆支护技术数值模拟 ................................ 47
5.2 锚索封孔注浆支护工程应用 .................................. 51
5 普通锚索封孔注浆支护优化分析与现场应用
5.1 锚索封孔注浆支护技术数值模拟
水和弱胶结软岩的相互作用，一方面加剧了顶板弱胶结煤岩层力学性能的弱化，另一方面使顶板锚杆、锚索锚固性能降低，甚至失效。采用数值模拟软件FLAC3D，通过对弱胶结软岩淋水巷道不同支护方案的模拟分析，进一步优化锚索封孔注浆技术支护理论和现场施工工艺，为现场工业性试验及类似条件下巷道支护提供经验数据和技术支持。模拟方案主要分为以下三种：
1）顶板淋水条件下1#探巷原支护方案；
2）在顶板淋水条件下1#探巷原支护方案的基础上，采用锚索封孔堵水不注浆的支护方案；
3）在顶板淋水条件下1#探巷原支护方案的基础上，采用锚索封孔注浆堵水加固的支护方案。
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6 结论与展望
6.1 结论
顶板围岩及锚索孔淋水问题严重制约着杨家村煤矿弱胶结软岩巷道的稳定与安全，开展杨家村煤矿弱胶结软岩顶板淋水巷道围岩控制研究，为类似条件下的巷道围岩支护提供实践经验。以杨家村煤矿5-1上煤层1#探巷为研究背景，采用现场调研、资料收集、理论分析、室内试验以及现场试验和数值模拟等研究手段，得出以下结论。
1）5-1上煤层弱胶结软岩巷道顶板变形破坏是多种因素综合作用的结果：①弱胶结软岩巷道围岩强度较低，顶板以泥质类岩层为主，顶板围岩及锚索孔淋水冲刷加剧了岩层强度弱化；②巷道掘进过程中出现断层，同时受到上覆4-1煤层采空区侧支承压力和采空区叠加动压影响，巷道围岩稳定性受到较大影响；③顶板受到断层及围岩裂隙水、采空区积水等影响，锚索孔导通顶板围岩上部弱含水层，形成导水通道，导致顶板锚杆锚索等支护构件锈蚀、断裂，锚固易失效；④地质钻孔测试和顶板锚索孔的存在加剧了对顶板水的扰动发育。综合分析认为弱胶结软岩巷道顶板变形破坏的主因是软岩围岩自身承载能力较弱与顶板淋水弱化的影响。
2）基于弱胶结软岩顶板淋水巷道变形破坏特征及原因分析，原始创新提出普通锚索封孔注浆支护技术，通过对锚索封孔段受力分析，得出封孔段抗剪强度τ与钻孔半径、注浆压力、封孔长度以及锚索半径呈正比，并推导了封孔段受力的数学表达式1 2τ=Pr/r+r；结合单根锚索封孔注浆数值模拟结果，验证了理论分析中封孔段易破坏区域分布在封孔段与锚索杆体以及锚索孔壁的接触处，通过锚索封孔注浆理论计算与数值模拟得出，普通锚索封孔段在理想状态下至少能承受5MPa注浆压力。
参考文献（略）