1、三软煤巷锚杆支护技术及应用1前言随着矿井开采规模的加强和开采向纵深方向发展，巷道围岩越来越多地呈现出软岩特性，软岩巷道的支护与维护问题更为突出。由于软岩概念、软岩工程设计理论多元化，研究手段简单，设计施工理论陈旧等一系列问题对软岩工程产生很大影响，因此软岩巷道支护技术仍是目前堕待解决的一个关键问题。近年来，随着煤巷锚杆支护技术日趋成熟，锚杆支护得到普遍推广应用，但是还不能很好解决大跨度、大断面、三软煤巷等困难巷道支护加固问题。能否解决好软岩巷道的支护问题，是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键。煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成部分。在我国煤矿煤系地层中，具有软岩的矿井分布十分广泛。软岩巷
2、道具有围岩软，强度低，膨胀性，深度大，应力水平高，无可选择性，动荷载作用，时限性等特点。这些特点使得软岩巷道支护问题成为困扰中国煤矿生产建设的重大问题之一。我国从60年代开始投入大量人力财力对软岩问题进行科研攻关，到目前已经取得大量可喜成果。目前，对于软岩巷道支护问题依然存在着要么支护投入太高，要么支护达不到预期效果的问题，在软岩支护理论与设计方法上也不完善，因此，加强对软岩巷道锚固支护技术的研究有着重大实用价值。2国内外软岩巷道工程研究现状2.1软岩巷道工程支护理论的研究现状（1）国外研究现状早在19世纪，人们在解决地下巷道中的问题时就常常用试验方法来探讨，到20世纪初，人们开始用古典的材料
3、力学和结构力学的理论来分析地下工程中的问题。以海姆、朗金和金尼克理论为代表的古典压力理论认为:作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的质量户，其不同之处在于对侧压系数认识不同。随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论有许多方面不符合实际，于是就有了以太沙基和普氏理论为代表的塌落拱理论。该理论认为塌落拱的高度与地下工程的跨度和围岩性质有关。太沙基认为塌落拱形状为矩形，而普氏认为抛物线形。塌落拱理论最大的贡献在于提出巷道围岩具有自承能力。从20世纪SO年代开始，人们又将弹塑性力学引入地下工程的岩石力学分析中，解决了许多地下工程中的问题，其中最著名的是芬纳和卡斯特纳公式。20世纪60年代，奥地利工程师总
4、结前人的经验，提出了一种新的隧道施工方法，即新奥法。新奥法时目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支承隧道，使围岩成为支护结构的一部分而与支护体共同形成支承环。与此同时，日本山地宏和樱井春辅又提出了围岩支护的应变控制理论。他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而允许应变则随支护结构的增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在允许应变范围内。20世纪70年代，萨拉蒙等人又提出了能量支护理论。他们认为，支护与围岩的相互作用、共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量，但总的能量没有变化，因此，主张利用支护结构来
5、使其自动调节围岩释放的能量和支护体吸收的能量，使其相互调节平衡作用。目前，随着计算机技术的发展，数值计算方法日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以此为理论基础的计算软件大量涌现，如ADINA, NOLM, FINAL, SAP, FLAC等程序为广大用户所熟知，这些软件与一些支护理论相结合，在地下工程中得到广泛应用。（2）国内研究现状 我国软岩巷道支护研究始于1958年，开始仅在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面取的些初步经验。到20世纪80年代以后，我国对软岩问题的理论研究进入一个新的阶段，并取得较大发展。到目前我国软岩工程支护主要有以下理论：岩性转化理论由我国著名岩土工程专家陈宗
6、基院士在20世纪60年代从大量实践中总结出岩性转化理论。该理论认为:同样矿物成分、同样结构形态，在不同的工程环境工程条件下，会产生不同的应力应变，以形成不同的本构关系。轴变论理论和系统开挖理论由于学馥等人提出的轴变理论和系统开挖控制理论认为：巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限所致，坍塌是改变巷道轴比，导致应力重新分布，高应力下降低应力上升，直至自稳平衡，应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。而开挖系统控制理论认为是开挖扰动了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。联合支护理论冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等人在总结新奥法支护的基础上提出了联合支护技术，其观点认为：对于软岩巷
7、道支护，不能一味强调支护刚度，要“先柔后刚、先抗后让、柔让适度、稳定支护”，并由此发展起来了锚喷网技术、锚喷网架支护技术、锚带网架、锚带喷架等联合支护技术。锚喷一弧板支护理论以郑雨天、孙钧和朱效嘉教授为代表的学者提出了锚喷一弧板支护理论，该理论认为：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住，即联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板，坚决限制和顶住围岩向中空的位移。该理论是对联合支护理论的发展。围岩松动圈理论由董方庭教授等人提出的围岩松动圈理论，其主要观点为：凡是坚硬围岩裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护
8、。松动圈越大，收敛变形越大，支护越困难，因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。主次承载区支护理论由方祖烈教授提出的主次承载区理论认为：巷道开挖后，在围岩中形成拉压区域；围岩深部的压缩域，具有自撑能力，是维护巷道稳定的主承载区。张拉域形成与巷道周围，通过加固也有一定的承载能力，但与主承载区相比只能起到辅助作用，故称为次承载区。支护对象为张拉域，支护强度原则上要一次到位。应力控制理论此理论方法源于前苏联，也称为围岩弱化法、卸压法等。其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区围岩的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移，
9、以此来提高围岩稳定的一种方法。软岩工程力学支护理论该理论是运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论。2.2锚杆支护机理研究现状锚杆支护技术早在20世纪40年代美国、前苏联就己在井下巷道中使用。经过几十年的发展，美国、澳大利亚等国锚杆支护使用很普遍。澳大利亚锚杆支护技术已经形成比较完整的体系，处于国际领先水平。在英国、德国、法国、俄罗斯锚杆支护都得到很快发展。我国在1956年开始使用锚杆支护，迄今为止，已有50年历史。锚杆支护机理研究随着锚杆支护实践在不断发展，国内外已经取得大量研究成果，其中传统的锚杆支
10、护理论有悬吊理论、组合梁理论、拱形压缩带理论、最大水平应力理论。近年来，国内外有不少学者开始另辟研究新思路，进一步研究锚杆作用，使其更好地完善锚杆的支护效果。3三软煤层巷道特征及机理分析3.1三软煤层的概念 三软煤层是指煤层顶板软、底板软、煤质软。顶板软指直接顶的顶板岩层裂隙发育，破碎、抗压强度指数很低，属一类不稳定顶板，基本上是一旦暴露就很快冒落。底板软是指底板的抗压强度很低，容易扎底，又是遇水膨胀、变软。煤质软指煤体强度低，普氏系数f 1，节理发育，煤层不稳定、易破碎。3.2三软煤层的工程特性及力学属性由于三软煤层属于一种特殊的软岩，所以，它具有软岩所具有的力学属性，也具有一般软岩巷道的工
11、程力学特性。3.2.1三软煤层工程力学特性软岩中泥质矿物成分、结构面和岩粒内聚力决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交换性。软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形。这种性质，称为可塑性。低强度软岩的可塑性是由软岩中的泥质成分的亲水性和岩粒内聚力不太强所引起的：节理化软岩是由所含的结构面扩展、扩容引起的；高应力软岩是由泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。软岩的膨胀性质是在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有：内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因
12、素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形；节理化软岩流变性主要指结构面的扩容和滑移；高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态；或在约束变形条件下，软岩的强度随时间变化而降低。软岩的易扰动性指由于软岩软
13、弱裂隙发育，吸水膨胀、内聚力弱等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。3.2.2三软煤层基本力学属性（1）软岩的临界载荷软岩的蠕变试验表明，当所施加的载荷小于某一载荷水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸不再变化；当施加的载荷大于某一载荷水平时，岩石出现明显的塑性变形加强现象，即产生不稳定变形，这一载荷，称为软岩的软化临界载荷，亦即能使岩石产生明显变形的最小载荷。岩石软化临界载荷是客观存在的。软化临界载荷是判定是否为软岩的准则，当岩石所受载荷水平低于软化临界载荷时，则该岩石属于硬岩范畴：而只有当载
14、荷水平高于软化临界载荷时，该岩石表现出了软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。（2）软化临界深度与软化临界荷载相对应，岩石亦存在着一个软化临界深度。对给定矿区，软化临界深度也是一个客观量。当巷道埋深大于某一深度时，围岩出现大变形，大地压和难支护现象；当巷道埋深小于某一深度时，则围岩的大变形，大地压现象消失，巷道支护容易。这一深度就是软化临界深度。（3）软岩两个基本属性之间的关系软化临界荷载和软化临界深度可以相互推求，在无构造残余应力的地区，其关系为 （3-1） （3-2）（3-3） （3-4）式中：软化临界深度，m；软化临界荷载，MPa；残余构造应力，MPa；上覆岩层第i岩层体积质量，KN/
15、m3；上覆岩层总厚度，m；上覆岩层第i层厚度，m；上覆岩层层数，m。3.3三软煤巷变形破坏力学机理分析3.3.1三软煤巷失稳力学机理一般地，我们认为软岩地下工程不产生围岩破坏或过大变形而妨碍地下工程生产使用和安全，地下工程即为稳定。软岩地下工程的稳定性主要视岩体的强度及变形特征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定，前者强于后者则稳定。 软岩地下工程失稳力学机理实质上是地层压力效应结果，当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态，则围岩就发生显著的变形、破裂、松碎、破坏等现象，表现出明显的地层压力效应。地层压力效应是指地下工程开挖后重新分布的二次应力与围岩的变形及强度特性互为作用而产生的一种力学现象。地层压力可分为松动压力、形变压力、膨胀压力等。软岩地下工程失稳主要是这三种压力对围岩本身的支护结构作用的结果，当地下工程支护不及时，变形压力和膨胀压力会使围岩破坏并转变为松动压力，引起围岩失稳。（1
