1、专题部分深井软岩巷道支护原理与技术1 绪论1.1研究意义我国是一个产煤大国，煤炭是我国的主要能源，储量十分丰富。研究报告指出，直到2030年，煤炭在我国能源消费比重仍将占到70%左右，在相当长的时间内中国以煤为主的能源结构很难改变。为了保证国民经济的持续健康发展，仍需要有计划的大规模的开采煤炭资源。尽管目前我国的煤炭产量相当可观，但开采的效率低、采出率低、安全事故也经常发生。特别是一些难采煤层，这些情况更为突出。所谓难采煤层，现在基本上有两种类型：一是在当前开采技术条件下，实现正常安全生产有一定难度的煤层，需要一些特殊的、附加的技术安全措施方能顺利开采；二是由于地质构造条件复杂，赋存条件差，难
2、以实现机械化开采的煤层。“三软”煤层属于第二类的难采煤层，这类煤层一般是地质构造比较复杂，赋存条件差，煤层软、顶板软和底板也软。煤矿软岩巷道工程是软岩工程的一个重要组成部分。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在中国煤矿的安全生产和建设中尤为突出。软岩问题从20世纪60年代起就作为世界性难题被提了出来，特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。“三软”煤层巷道围岩的突出特征是围岩由非均质层状岩体组成，围岩变形不协调而容易离层和失稳，表现为巷道变
3、形破坏明显。我国从60年代已经开始加大力量对软岩问题进行科研攻关，也取得很大的成果。但目前，对于软岩巷道支护问题依然存在着要么支护的成本投入太高，要么支护达不到预期效果，返修量大、维护费用高等问题，在软岩支护理论与设计方法上也不完善。因此，研究煤矿生产中软岩巷道的稳定及支护对策等技术问题，是放在采矿工作者和建设者面前的重大而又急需解决的问题。对于保证巷道稳定性和矿山的安全快速地发展具有很重要的理论意义及实用价值。1.2国内外研究概况要维护软岩巷道在生产期间的安全，就必须对巷道进行支护。合理的支护，应在正确的支护理论的指导下进行。因此，支护理论是实施地下工程支护的指导思想及设计依据。软岩巷道支护
4、一直是煤矿开采过程中十分重要的问题，随着煤矿开采向纵深发展，软岩巷道支护问题就越来越突出。目前软岩支护仍停留在经验性和工程类比阶段，工程性试验也有一些进展。1.2.1软岩巷道工程支护理论的研究现状与软岩支护的技术研究相比，支护理论研究相对较弱，从而制约了支护技术的进一步发展，给工程支护带来了很大的盲目性。1）国外研究现状1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论，该理论认为：在松散介质中开挖巷道，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。该理论的最大贡献是提出巷道具有自承能力。19世纪初开始，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
5、，到20世纪初，人们开始用古典的材料力学和结构力学的理论来分析地下工程中的问题。以海姆（A.Haim）、朗金（W.J.M.RanLkine）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重量h，其不同之处在于对侧压系数认识不同。从20世纪50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（R.Fener）和卡斯特纳（H.Kasterner）公式。到了60年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏理论。20世纪60年代，奥地利工程师Lv.Rabcewicz总结前人的经验，提出了一种新的隧道
6、设计、施工方法，即新奥法。新奥法是目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性的岩石三轴压缩应力应变特性以及莫尔（Mohr）学说基础上的，并考虑到隧道掘进的空间和时间效应所提出的新理论。这一新理论集中体现在支护结构种类贯穿在不断变更的设计施工过程中。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。同期，日本也进行了一些研究，主要是山地宏和樱井春辅提出的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
7、围内。20世纪70年代，萨拉蒙（M D.Salamno）等人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。2）国内研究现状20世纪50年代末期，我国开始研究软岩巷道支护问题，起初仅在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面取得些初步经验。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：（1）岩性转化理论由我国著名岩土工程专家陈宗基院士在20世纪
8、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。（2）轴变论理论和系统开挖理论由于学馥等人（1981年）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。（3）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：
9、对于软岩巷道支护，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。（4）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。（5）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
10、然存在，但并不需要支护。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。（6）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。（7）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
11、载能力，使支撑压力向围岩深部转移，以此来提高围岩稳定的一种方法。（8）软岩工程力学支护理论软岩工程力学支护理论是由何满潮教授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。它涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非线性大变形力学的设计方法等内容。1.2.2软岩巷道支护技术研究现状软岩巷道支护一直是煤矿开采过程中的十分重要问题，随着煤矿开采向深部发展，原岩应力与构造应力不断升高，使得软岩巷道支护问题就越来越突出。目前软岩支护仍停留在经验性和工程类
12、比阶段，也有少部分的工程试验。现在，随着科学技术的进步以及对软岩巷道围岩控制理论的研究，在软岩巷道支护方面，形成了U型钢可缩性支架支护、锚索支护、锚喷支护、砌碹支护、巷帮围岩卸压及联合支护等多种方式，但应用最广范的仍然是锚喷支护及U型钢可缩性支架支护。1）U型钢可缩性支架支护U型钢可缩性支架具有比较好的几何参数和断面形状，很容易实现搭接后的缩让，当围岩变形压力超过U型钢接头的摩擦阻力时，接头就会发生收缩，此时围岩释放能量，巷道断面收敛减少，围岩应力降低，U型钢支架停止收缩。因此U型钢可缩性支架既有足够支护阻力能及时尽早支护，又有与围岩变形位移相适应的可缩性，以释放围岩能量减小围岩的压力，有效控
13、制了围岩的变形，具有较好的支护作用，所以U型钢可缩性支架在软岩支护中具有很大的市场。但是，U型钢的使用状况并不能令人满意，这主要表现在以下几个方面：（1）巷道支护成本高，钢材消耗比较多，成为其广泛使用的最大障碍；（2）支架的支护强度低，一般为0.051MPa，不能有效控制巷道变形，导致支架型钢、卡缆的变形破坏严重，极大地增加了巷道支护的成本；（3）U型钢可缩性支架的最大优点在于它的可缩性，但在实际地应用中，往往在其压缩量很小（远小于巷道断面的20%）时就破坏，失去了可缩性的意义；（4）U型钢加工工艺比较复杂，质量要求比较高。2）砌碹支护从20世纪60年代以来，砌碹支护曾作为软岩巷道的一种主要支
14、护形式。该支护具有承载能力大、稳定性强等特点，并且在料石间夹有可缩垫层时，还具有一定的可缩变形能力。但是，由于碹体属刚性支架，一般不适应围岩变形很大的软岩巷道支护。3）围岩卸压方法对于深矿井、构造应力大以及部分软岩巷道，采用加强巷道支护往往仍不能保持围岩稳定，需要进行巷道卸压，使巷道围岩中应力峰值向围岩深部转移，降低巷道围岩应力，从而改善巷道的维护状况。卸压技术是将巷道周边围岩内的高应力区向围岩深部转移，从而使高应力围岩转化为可以支护的低应力围岩，最终达到减小围岩变形目的一种支护技术。对于具有膨胀变形的软弱围岩和高应力围岩巷道，采用卸压技术来控制围岩变形是当今有效的围岩维护方法之一。通常采用的
15、巷道卸压方法主要有：在巷道周边围岩中开槽、切缝、钻孔、松动爆破、无煤柱开采、掘巷道卸压等多种形式。其中的钻孔卸压技术具有施工方便，施工速度快，不影响施工工期等特点。德国在极松软底板的巷道中开底板卸压槽，使底板围岩边缘处的水平应力向岩体内部转移。波兰多个煤矿采用预裂爆破方法使巷道两帮卸压。此外，捷克斯洛伐克和荷兰还试验了钻孔卸压法。目前已研究或用于生产实践的卸压方法很多，但基本是可以归纳为两类，即在被保护巷道外卸压和被保护巷道内卸压。在被保护巷道内卸压包括钻孔卸压、开槽、切缝卸压、钻孔松动爆破卸压和两阶段导巷掘进卸压。这种卸压方法的卸压工作是在被保护的巷道内进行的，通过卸压工程（钻孔、槽、缝等）
16、改变巷道围岩的应力分布，使支承压力峰值向围岩深部转移，从而使巷道处于应力降低区。与围岩应力自然分布在巷道围岩中形成应力降低区不同，卸压会造成自然分布导致的围岩整体破坏，因而围岩稳定性提高，巷道变形量大大减小，并且卸压工程还为围岩变形提供了补偿空间，也有利于减小巷道变形量和变形压力。由于卸压工作是在被保护的巷道内进行的，因此巷道掘进与卸压工作可能相互影响，使施工工艺复杂化。在被保护巷道外卸压包括岩石巷道上部煤层掘前预采、岩石巷道上部煤巷工作面跨采、掘进卸压巷道或硐室卸压和宽面掘进等。这类卸压方法可以使巷道及其围岩处于应力降低区，因而从根本上改变深井巷道的应力环境。由于卸压工作是在被保护的巷道外进行的，因此掘进和卸压不互相干扰，但卸压工作量大。4）锚喷支护锚杆是锚喷支护的主体，它能主动地加固围岩，最大限度地保持围岩的完整性、稳定性，控制围岩变形
