1、专题部分第15页专题部分煤矿软岩巷道支护技术浅析摘要：近年来，随着矿山开采条件的日益复杂，所涉及的工程领域越来越多，我国的许多矿区，目前都存在着软岩巷道支护困难问题，并成为影响矿区发展和矿井经济技术效益的主要凶手之一 。软岩巷道支护历来是巷道工程的难题，通过对软岩巷道的特征分析，及支护原理和方法的论述，对软岩巷道支护技术进行了探讨。关键词：软岩巷道；破坏特点；支护原理；支护方法1 前言我国煤矿软岩工程技术的发展起始于矿产资源开发工程。上世纪60年代，煤矿软岩问题在部分矿区开始出现，70年代就更为广泛， 引起了有关部门的高度重视。中科院地质所和武汉岩土力学所、北京煤科总院、中国矿大、东北大学、辽
2、宁工程技术大学等在软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、软岩巷道围岩变形力学机制、软岩巷道围岩控制、软岩巷道支护设计与工艺及施工和监测方面进行了试验研究，取得多方面的科研成果。进人80年代，煤矿开采深度日益加大，深井高应力软岩普遍出现，更加推动了煤炭系统的软岩研究向纵深层次发展，产生并形成了以“联合支护理论” 和“松动圈理论” 为代表的多个学派。90年代以后，除了煤炭系统又有新的研究成果之外，我国的三峡工程、小浪底工程、大规模的城市现代化高层建筑、城市地下工程、道路交通的建设，使得软岩滑坡问题、软岩隧道及隧道群稳定问题、软岩基坑问题的研究进行的十分广泛和深入， 并取得了长足
3、发展。作为全国性软岩工程技术研究繁荣的标志是1995年“中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会” 的诞生以及1996年“煤矿软岩工程技术研究推广中心” 的成立， 这一切都有力地推动我国煤矿软岩工程技术的研究，并取得了一系列科研成果。随着国民经济的发展，煤的需求量逐年增长，开采的范围也不断扩大。无论新老矿井，在开掘巷道时都遇到了大量的软岩层，特别是随着开采深度的不断增加，深部地压明显增大。加之开采条件愈趋复杂，给巷道的掘进与维护带来了很多的困难。在开掘过程中，由于围岩的变形、位移、膨胀，使巷道掘进速度减慢，每天仅能完成几米。巷道竣工不久，支护受到严重破坏，某些矿的掘砌成本高达每米几千元，甚至上
4、万元，是稳定围岩中同类巷道的34倍而且维修困难。在软岩层中施工巷道，掘进容易，但维护极其困难，采用常规的施T方法和传统的支护结构，往往不能奏效。因此研究软岩支护问题便成为巷道施工的关键问题。 目前从理论和实践来讲，软岩巷道的支护大多采用复合支护形式，如何在软岩巷道中应用好这种支护形式，无疑具有很大的研究价值。软岩巷道支护一直是矿业工程的难题，随着矿井开采规模的加强和向纵深发展，软岩巷道的支护与维护问题更加突出。2 软岩的分类、属性及特性软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，
5、具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、易扰动性等特点，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩该类巷道的维护问题一直困扰着我矿的生产和建设。随着工作面的增加地应力增大软岩巷道的支护更加困难。我矿很多地区都是典型的软岩矿区都出现了软岩巷道支护设计困难的情况。软岩巷道支护设计应充分考虑软岩的工程特性和遵循软岩巷道围岩变形规律。软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称，软岩分为地质软岩和工程软岩。地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量的膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱层；工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体，工程力是指作
6、用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水平作用力和工程扰动力以及膨胀应力等，显著性塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值，并影响了工程的正常使用。工程软岩定义揭示了软岩的相对性实质，即是否为软岩取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体可能表现为硬岩特性，也可能表现为软岩的特性，而对于同一种岩石，在较低工程力的作用下可表现为硬岩的变形特性，在较高的工程力作用下可能表现为软岩的大变形特性。工程软岩与地质软岩的关系为：当工程载荷相对于地质软岩的强度足够小时，地质软岩不产生显著塑性变形的特征，此时不作为工程软岩。只有在工程力的作用下发生了显著塑
7、性变形的地质软岩，才视为工程软岩。2.1 软岩的分类根据软岩的强度特性、泥质含量、结构面特点等差异及其发生显著塑性变形的机理不同，工程软岩可以分为4大类，即膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。2.2 软岩的物理力学属性及其工程特性2.2.1 软岩的物理力学属性 软岩的力学属性：表现为可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点； 软岩的可塑性：是指软岩在工程力的作用下，常常表现为不可逆变形的现象；软岩的膨胀性：是指软岩在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象； 软岩的崩解性：是指软岩在物理、化学、力学等因素的作用下产生片状解体的现象；软岩的流变性：是指软岩受力变形过程
8、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等现象；软岩的易扰动性：是指由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性，导致软岩抗外界环境扰动的能力极差的特性。2.2.2 软岩的工程特性软岩有两个工程特性：软岩临界载荷和软化临界深度，它揭示了软岩的相对性实质。(1)软岩临界荷载。软岩的蠕变试验表明，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定的变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于该荷载水平时，岩石出现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一荷载，称为软岩的软化临界荷载，亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。当岩石所受荷载水平低于临界荷载时，该岩石
9、属于硬岩范畴；当荷载水平高于软化临界荷载时，岩石表现出软岩的大变形特性，此时称之为软岩。(2)软化临界深度。与软化临界荷载相对应的存在着软化临界深度。一般来讲，软化临界深度也是一个客观量。当巷道的位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护的现象；但当巷道位置较浅，小于该深度时，大变形、大地压的现象明显消失。这一深度称之为岩石软化临界深度。2.2.3 软岩的软化方式 软岩的临界载荷：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
10、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。岩石进入软岩状态的途径：岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径，从理论上可分为初始软化型、强度软化型、应力增长型、强度降低与应力增加复合型四种类型。随着煤巷服务年限的增加，有一些硬岩也表现出一些软岩的性质，严重影响支护的质量和矿井的安全。因此在巷道支护的过程中，要用仪器测量实验等方式明确软岩的临界载荷，确定可能成为软岩的硬岩
11、范围，对此类硬岩进行重点监控，确保支护的安全合理性。2.2.4 软岩变形的特征 变形量大：软岩工程中，围岩变形量大是变形的主要特征，用传统的支护方法，一般很难控制其变形。变形速度快：一般的软岩巷道因受开挖或采动等其它因素的影响，围岩变形十分迅速。变形持续时间长：变形持续时间长是软岩巷道的特点之一。2.2.5 采煤环境对软岩的影响 巷道的围岩裂隙水，巷道内空气里的水分，以及底板积水等都可以使软岩吸水膨胀，产生很大的碎胀及膨胀力，使巷道发生变形和破坏。煤矿局部的地区构造比较复杂，构造应力较大，布置的巷道中软岩受到应力影响破坏。采动动压的影响，随着跨采技术的应用及向矿井深部开采，采动影响致使软岩变形
12、，使巷道变形有所增加。2.2.6 软岩巷道支护存在的问题 松软岩巷道最明显的特征是地压显现比较剧烈。巷道维护困难，主要表现在：围岩的自稳时间短、来压快、围岩变形量大、速度快、持续时间长、四周来压、底鼓明显、遇水膨胀、变形加剧，可以用四个字来概括：松、散、软、弱。现代岩石力学揭示，岩石破裂后仍具有残余强度，松动破裂围岩仍具有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，也是抵抗平衡原岩应力的承载体而且是主要的承载结构体，所以支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。因此，松软岩巷道支护原理是：根据岩层的不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律人手，运用信息化设计方法，
13、使支护体系和施工工艺过程不断适用围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。 软岩巷道支护问题，尤其是软岩回采巷道的支护问题，是矿业工程中的一大顽疾，以往对软岩巷道的支护问题，在理论认识和支护方法上存在一定问题，主要表现在以下几个方面：1围岩变形破坏机理，支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，才能选择适当的软岩的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数。2支护对策，软岩巷道与硬岩巷道变形破坏特征不同，应采取适应于软岩巷道的支护对策。3支护参数，支护参数选择是影响巷道稳定性的一个非常重要的因素。以往对支护参数的选取基
14、本上采用工程类比法。当工程地质条件简单，此法基本满足要求；当地质条件复杂是不能满足要求的，再加上目前很少有软岩巷道支护成功事例，无法进行工程类比。对于软岩巷道，单纯的采用常规的锚喷支护、u型钢支架等难以控制围岩软化等引起的过量变形与破坏，其问题所在主要有以下几个方面：(1)围岩自承圈厚度小，常规支护多采用端锚锚杆，其所形成的围岩自承圈厚度较小，一般情况，锚固后围岩的自承圈厚度约为06 m，远小于锚杆杆体长度，造成锚杆的浪费，同时难以抵抗较大的围岩压力；(2)初期支护刚度过大，巷道开挖后由于围岩应力重新分布和发生变形而对支护体产生较大的压力，它与支护体的刚度有较大的关系，支护体的刚度越大，其抵抗
15、围岩压力越大，如果支护刚度偏大，则不能适应巷道开挖初期变形速度快，变形量大的特点，进而导致巷道围岩支护变形不协调而发生破坏；(3)围岩表面约束能力差，由于高应力或构造应力的影响，使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区，破碎区的发展导致围岩自承圈破坏。对于高应力或受构造应力影响下软岩巷道，采用普通的锚网(铁丝网)喷支护时，由于喷体强度相对较低，对围岩约束能力差，不能有效地扼制围岩的局部破坏和破碎区向纵深发展，进而导致围岩破坏。3 软岩巷道变形破坏特点及其影响因素3.1 软岩巷道的变形破坏特点(1)软岩巷道的变形呈现蠕变变形三阶段的规律，并且具有明显的时间效应。
16、初期来压快、变形量大，巷道自稳能力很差，如果不加以控制很快就会发生岩块冒落，直至造成巷道破坏。如果用钢性支架强行支护而不适应软岩的大变形特性，则造成支架被压坏、巷道垮落。(2)软岩巷道多为环向受压，且非对称。巷道开挖后不仅顶板变形易于冒落，底板也将产生强烈的底鼓。如果对巷道底鼓不加以控制，则会出现严重的底鼓并导致两帮破坏，顶板冒落。(3)软岩巷道变形一般随矿井深度加大而增大。不同矿区、不同地质条件下都存在一个软化临界深度，超过临界深度，支护的难度明显增大，且软岩巷道变形在不同的应力作用下，具有明显的方向性。(4)软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏和泥化破坏。3.2 软岩工程变形力学机制软岩工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但其根本原因是其具有复杂的变形力学机制。软岩的变形力学机制大致可归纳为3大类：即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型
