1、深部软岩巷道变形机理及支护技术摘要：随着煤矿开采深度的加大，越来越多巷道围岩呈现软岩变形特性，变形破坏非常严重。针对深部高应力复杂软岩巷道围岩破坏特点,从地质赋存条件、水对岩石的软化影响和支护结构方面分析,阐述了深井软岩巷道围岩的破坏机理，由于深部软岩巷道围岩本身比较松散，地应力大，破裂带内裂隙极其发育，这些方向各异的众多裂隙结构面发生开裂、滑移等， 进而引发破碎带向巷道深部转移、逐步推进，直至达到新的围岩应力平衡，这是产生巷道变形的主要原因。深井软岩巷道围岩变形特征可概括为： 变形速度快、变形强烈、持续时间长，多数巷道变形具有冲击倾向性。根据深部软岩巷道变形机理探索出锚网索锚网索耦合支护技术
2、这种可有效治理这种灾害的支护方法，并阐述了其治理机理。 关键词：深部巷道；软岩巷道；巷道变形；锚杆支护0.引言：我国的煤炭资源埋深在1000 m以下的为2195万亿t，占煤炭资源总量的53%。国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m的速度向深部增加。而我国煤矿赋存在松软围岩的煤层占可采煤层总数的三分之一，随着煤田的开发和矿井开采深度的加大，属于这类条件的煤层比例，还会逐年增加。在采矿过程中，由于某些原因，巷道不得不布置在松软围岩中，松软围岩具有强度低、结构面发育、膨胀性和流变形严重的特点，由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，巷道围岩破碎严重，塑性区、破碎区范围很大，蠕变严重，巷道周
3、围岩体的变形较大，出现巷道冒顶、底鼓和侧胀等现象都是围岩大变形的结果，严重影响矿井安全生产。随着采深的增加地应力增大，与浅部开采相比，深部开采将出现更多的软岩巷道， 巷道支护将更加困难， 有关专家、学者对深部软岩巷道如何进行合理有效支护做了大量的研究工作。而国内外锚杆支护正朝着提高锚固力、扩大应用范围、提高支护效率方向发展。1开采深度与巷道围岩的变形关系1.1国内的研究现状开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开采深度与巷道维护之间的一般关系如下：1）岩体的原岩应力即上覆岩层重量H，
4、是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。2）巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。3）巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。4）巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体。煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷道影响最大。1.2国外的研究现状1）德国的研究（1）德国提出掘巷引起的围岩移近量与开采深度
5、和巷道底板岩层强度之间的K=-46+13.3P/ （1.1）式中：K掘巷引起的围岩变形量占巷道原始高度的百分率，%；P岩层压力，MPa；Rf地板岩层的单轴抗压强度，MPa。利用该式计算结果如图1.1所示，由此可见，掘巷引起的围岩变形随开采深度的增加而增长，其增长率与巷道围岩性质有关。开采深度每增加100 m，在煤层（Rf =14MPa）中掘进，围岩移近量增加8.9%；在软岩（Rf =28 MPa）中增加6.3%；在页岩（Rf =45 MPa）中增加5%；在砂岩（Rf =97 MPa）增加3.4%。同时取K=0，可以知道在掘巷过程中引起围岩明显变形的临界深度，在煤层中为512 m，软岩中为732
6、 m，页岩中为930 m，砂岩中为1360 m。（2）德国埃森采矿中心还对100条前进式开采的采准巷道进行了系统观测，得出巷道围岩移近量占巷道原始的高度的百分率与开采深度关系式为：K=6.6H/100 （1.2）既开采深度每增加100 m，回采巷道围岩移近量占原始高度的百分率增加6.6%，与上述统计值相似。矿井开采深度由300 m增加到800 m时，移近量要增加1000余mm，巷道从较易维护变为难以维护，可见开采深度对巷道矿压显现的影响之大。图1.1 巷道围岩移近量与岩石压力p（深度H）和底板岩层强度的关系1.砂岩（Rf=97MPa）；2.页岩（45MPa）；3.软岩（28MPa）；4.煤（1
7、4MPa）2）前苏联的研究前苏联对矿井开采深度与巷道稳定性的关系进行过大量研究，认为深部巷道矿压显现的一个主要特点是在巷道掘进时就呈现围岩强烈变形，且在掘进后围岩长期流变，使巷道支架承受很大压力。浅部开采时表现不明显的掘巷引起的围岩变形，在深部开采时显现十分强烈。根据在顿巴斯矿区进行的大量巷道矿压观测，提出了深部巷道掘进初期围岩移近量的计算公式为：Udt=0.01-1 （1.3）Uct=0.0056-1 （1.4）式中：Udt、Uct顶板、两帮在掘进后t时间内的位移量，cm；t时间，d；qd、qc顶板、两帮作用在支架上的压力，kN/m2；岩石容重，kN/m3；H巷道所处的深度，m；R岩石单轴抗
8、压强度，kPa；R0寻求常数时引入的单轴抗压强度，3000kPa；b巷道所处的深度，cm；h巷道高度，cm。由此可以看出随着开采深度的增加，维护时间的增长，巷道变形将逐渐增加，维护也将越来越困难。前苏联学者舍斯勒夫斯基认为，当H/R0.3时，既开采深度相对比较小或围岩强度相对比较大时，开采深度对巷道围岩变形影响较小，反之，围岩稳定性系数愈大，开采深度对巷道围岩变形的影响就也愈大。2深部软岩巷道变形破坏机理2.1软岩的特点2.1.1巷道围岩自稳时间短， 来压快， 变形速度大，持续时间长软岩地层一旦掘出巷道，地压显现明显，顶底及两帮即出现阶段性变形，变形过程可分为速变期、缓变期、剧变期三个阶段。2
9、.1.2围岩具有强膨胀性及扰动性掘进暴露围岩吸水或水浸后迅速膨胀，并随时间的延长膨胀越来越大。巷道围岩自身对炮震非常敏感，震动能改变围岩结构，加大加密裂隙，削弱围岩强度，促使膨胀量增加，并对相临巷道具有一定的扰动性。减少对围岩的破坏，要尽可能采用光面爆破。2.1.3围岩的崩解性和流变性巷道围岩暴露后，水与围岩作用引起的膨胀并不是均质的，膨胀与不膨胀便产生了压力差，于是岩体便出现了崩解。因井下环境变化使围岩变干燥时，围岩也会产生崩解现象。围岩吸水趋于饱合时，其强度越来越低，以致于完全丧失支撑力，便产生了流变；围岩遇空气风化后，遇水流变现象也较普遍。2.2软岩巷道的变形破坏特点（1）软岩巷道的变形
10、呈现蠕变变形三阶段的规律，并且具有明显的时间效应。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，则巷道也难以维护，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
11、均可造成软岩发生膨胀变形破坏和泥化破坏。2.3 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三大类： 即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。物化膨胀型的软岩变形机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，其又有三种类别：分子膨胀机制、胶体膨胀机制和毛细膨胀机制。应力扩容型的软岩变形力学机制与力源有关，其有四种类别：即构造应力机制、水的作用、自重应力和工程偏应力。结构变形型的软岩变形机制则与硐室结构与岩体结构面的组合特性有关。同一岩层的巷道，顺层的巷道破坏甚为严重，穿层的巷道破坏比较轻微，原因是变形受结构面的影响而
12、呈现各向异性的特征。根据岩层层理或节理的形态不同，其变形力学机制又可分为断层型、软弱夹层型、层理型、优势节理型、随机节理型等变形力学机制。2.4深部软岩巷道的变形破坏机理巷道变形严重，维护困难是深井开采主要和共同的问题。深井软岩巷道围岩变形特征可概括为： 变形速度快、变形强烈、持续时间长，多数巷道变形具有冲击倾向性。由于围岩本身比较松散， 地应力大， 巷道开挖后， 四周会产生较大范围的破碎。破裂带内裂隙极其发育， 这些方向各异的众多裂隙结构面发生开裂、滑移等， 进而引发破碎带向巷道深部转移、逐步推进， 直至达到新的围岩应力平衡，这是产生巷道变形的主要原因。软岩具有强烈的流变性和低强度， 巷道掘
13、进后围岩的应力重分布及巷道变形破坏持续时间很长， 具有明显的时间效应。巷道片帮比较严重， 同时巷道底臌表现十分强烈。严重底臌会导致巷道片帮加剧， 容易引发顶板冒落。巷道变形易受扰动影响， 围岩变形对应力变化非常敏感， 受硐室开挖、邻近巷道掘进或回采工作面采动影响， 围岩变形明显增加 。由于灾害主要发生在巷道， 关键的技术是巷道支护。2.5软岩巷道变形的影响因素2.5.1围岩的岩性单轴抗压强度低的岩石做为井巷围岩，势必出现冒顶、底鼓片帮现象，由于煤的抗压强度稍高，以煤层作为井巷围岩，稳定性较好。2.5.2地应力的作用软岩巷道在未开挖之前，岩层处于三维应力控制状态，此时岩体具有一定的强度，并有较好
14、的完整性和稳定性，处于相对平衡状态。巷道周边应力状态改变时，隅角部位应力将比其他部位更加集中，如巷道的曲线部分较平直周边更容易受到破坏；片帮抽顶致使作用在支护体上的不均匀地应力也会使巷道过早的出现局部变形而破坏。2.5.3地下水的物化作用煤矿中出现地下水及产生漏水是不可避免的， 软岩遇水后，其物理化学性质会有很大改变，特别在湿润、干燥环境反复作用下，软岩发生不可逆转的物理化学变化， 使软岩性质更加恶化。在最细的裂隙中，毛细水的楔压可达到150 MPa 。软岩受强度较大的毛细水的楔压作用发生强烈的吸水膨胀和崩解，产生变形应力。在水的物化作用下，软岩性质将发生很大变化，即孔隙度明显增加，抗压强度明
15、显降低，粘结力几乎完全丧失，残余强度大大减少。所以在软岩巷道一定要遵循治顶先治底、治底先治水的原则。2.5.4巷道温度的变化及空气的风化作用， 也会引起巷道变形巷道温度的变化对围岩膨胀的强弱具有一定的影响作用。风流对巷道围岩会产生风化作用，发生风化裂隙，并进一步破坏岩体的完整性。2.5.5采动的影响软岩巷道受采动影响后，更易发生变形，这种情况多出现在回采工作面上下两道超前支护地段及套修地段。3深部巷道围岩稳定的关键性理论3.1围岩稳定理论围岩的稳定性既取决于围岩的完整性和岩体强度，又取决于其所处的应力状态。根据岩石力学试验结果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态下的强度；当围岩处于三向应力状态时，随着侧向压力增大，其峰值强度和残余强度都会得到提高，并且峰值以后的应力。应变曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡，岩石由脆性向延性转化，如右图所示（图中显示了大理岩强度及变形特性随围压的变化，
