1、专题部分软岩巷道支护技术研究摘要：软岩巷道支护问题，历来是巷道工程的难题，国内外大批学者通过理论研究、试验研究和实例分析取得了大量的研究成果和理论。本文详细介绍了软岩的概念、分类等，分析了软岩具有的松、散、软、弱四种不同属性，结合我国煤矿开采实际情况，阐述了软岩巷道控制的基本理论，系统介绍了软岩巷道基于锚杆、梁、网、混凝土的基本支护技术，论述了一些行之有效的软岩巷道施工的支护技术实例，并简单介绍了新奥法在我国煤矿软岩巷道支护中的实际应用及创新发展，为煤矿及其它行业提供了合理的技术借鉴。0 引言软岩巷道的围岩控制和巷道维护是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是目前国外急需解决的问题之一。随着矿山开
2、采条件的复杂化，软岩支护问题所涉及到的工程领域越来越多，问题也越来越复杂。我国煤层赋存条件复杂，软岩在近半数矿井都有赋存。随着采深的增加，原岩应力水平不断提高，当采深超过围岩软化临界深度后，围岩产生明显的塑性大变形、难支护现象，围岩原有的弱面进一步扩展，产生新的节理、裂隙，甚至松动、破碎，围岩进一步恶化，给巷道维护带来极大困难，这就给地下工程围岩稳定性研究提出了新的课题软岩工程问题。为解决或降低这一问题对煤矿生产和其他岩土工程所造成的不利影响，国内外与岩土工程相关的各个领域，都投入了大量的人力和物力进行软岩支护等方面的研究工作。通过大量的工程实践人们认识到改善围岩的结构性能充分发挥围岩的自承能
3、力，是一条维护围岩稳定的有效途径，特别是对松软破碎难以支护的巷道。近30年来，随着“新奥法”隧洞施工理念、锚喷加固技术、注浆加固技术等在世界范围内的广泛推广，人们对软岩及软岩巷道的围岩变形规律和压力特征的认识都上升到了一个新的阶段，与软岩特性及软岩巷道围岩变形规律和压力特征相适应的许多支护和加固措施也应运而生，尤其是基于“新奥法”的“三锚”支护（锚喷、锚索、锚注）是较为成功和典型的技术。1软岩巷道综述1.1软岩的概念1.地质软岩目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，按地质学的岩性划分，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膨胀性粘土矿物
4、的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于25 MPa的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学会将软岩定义为单轴抗压强度（c）在0.525 MPa之间的一类岩石1，其分类依据基本上是依强度指标。2.工程软岩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。目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，同时应强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。该定义的主题词是工程力、显著变形和工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩
5、体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著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，显著塑性变形包含显著的弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此定义揭示了软岩的相对性实质，即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，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；对同种岩石，在较低工程力作用下，表现为硬岩的变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的变形特性。1.
6、2软岩的基本属性从地质软岩角度讲，软岩具有松、散、软、弱四种不同属性。所谓“松”，是指岩石结构疏散，密度小，孔隙度大；“散”，是指岩石胶结程度很差或有未胶结的颗粒状岩层；“软”，是指岩石强度很低，塑性大或粘土矿物质易膨胀；“弱”，则指受地质构造的破坏，形成许多弱面，如节理、片理、裂隙等破坏了原有的岩石强度，易破碎，易滑移冒落，但其岩石单轴抗压强度还是较高的。从工程软岩的角度，软岩具有两个基本力学属性：即软化临界荷载和软化临界深度。1.软化临界荷载岩石的蠕变试验表明，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，当所施加的载荷大于该载荷水平时，岩石的应变不断增加，产生不稳定变形。这一载
7、荷水平称为软岩的软化临界载荷。岩石种类一定时，软化临界荷载是确定的，施加的载荷水平低于软化临界荷载时，岩石处于硬岩范畴，施加的载荷水平高于软化临界荷载时，岩石称为软岩。2.软化临界深度与软化临界荷载相对应地存在软化临界深度。对特定矿区，软化临界深度是客观存在的。当巷道埋深大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形；当巷道埋深小于该开采深度时，巷道围岩不出现明显变形。这一临界深度称软化临界深度。软化临界载荷和软化临界深度可以相互推求，不考虑工程扰动力的影响，在无构造残余应力的矿区，其关系为： （1-2-1）式中 Hc软化临界深度，m； c软化临界载荷，MPa；i上覆岩层第i层岩层体积力，kN/
8、m3；H上覆岩层总厚度，m；hi上覆岩层第i层岩层厚度，m；N上覆岩层层数。1.3软岩巷道的特征开掘在松散软弱岩层中的各种巷道，最明显的特征是地压显现都比较剧烈，巷道维护困难，主要表现在以下几个方面。1.围岩的自稳时间短、来压快所谓自稳时间，就是在没有支护的情况下，围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。软岩巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时，巷道来压快，要立即支护或超前支护，方能巷道围岩不致冒落。巷道围岩的自稳时间长短主要取决于围岩强度和地压大小，同时也和巷道的断面形状、掘进方法、巷道所处的位置等有关。2.围岩变形量大、速度快、持续时间长软岩巷道的突出特点就是围岩变形速度快、变形量大、持续时间
9、长。一般软岩巷道掘进后的第12 d，变形速度少的510 mm/d，多的达50100 mm/d；变形持续时间一般2560 d，有的达半年以上仍不能稳定。软岩巷道的围岩变形量，在支护良好的情况下，其均匀变形量一般达到60100 mm以上，大的甚至300500 mm；如果支护不当，围岩变形量大，3001000 mm以上的变形量是司空见惯的。上述特点是软岩巷道最突出的特征。3.围岩的四周来压、底鼓明显在较坚硬岩层中，围岩对支架的压力主要来自顶板，中硬岩层围岩对支架的，压力来自于顶板和两帮，但在松软岩层巷道中则四周来压、底鼓明显。松软岩层由于结构疏松、强度低，很难支撑上覆岩层的重量，围岩在自重压力（H）
10、作用下，以垂直变形为主，垂直变形中又以底鼓为主。底鼓明显是软岩巷道的明显特征，如果巷道没有底鼓或底鼓不明显，围岩就不是软岩。软岩巷道四面来压，如果底板不支护，将出现一个支护结构的薄弱带，巷道破坏就是首先从不设防的底板开始，又因底鼓导致两帮移近和失脚，直至片帮冒顶，巷道全部破坏。4.围岩遇水膨胀、变形加剧围岩一般都含有亲水性很强的蒙脱石、伊利石等粘土矿物的岩石，这些岩石遇水后软化，体积急剧膨胀，因而变形更加剧烈，产生很大的膨胀压力。5.普通的刚性支护普遍破坏软岩巷道变形大、持续时间长，普通刚性支护所承受的变形压力大，施工后很快就发生破坏，必须再次或多次翻修后巷道才能使用。这是刚性支护不适应软岩巷
11、道变形规律的必然结果。1.4软岩巷道支护困难原因分析造成软岩巷道地压显现剧烈，支护困难的原因是多方面的，最主要的原因有以下几个方面。1.软岩成岩年代晚，胶接程度差我国软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤矿区。如吉林的舒兰矿区、珲春矿区，辽宁的沈北矿区，内蒙古的元宝山矿区、山东龙口矿区等。这些矿区煤层顶底板岩石都非常松软破碎，易风化，因此怕风、怕水、怕震。2.岩石强度低煤矿软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等，单向抗压强度都比较低。单向抗压强度是多少才属于松软你丫那，目前仍有争论。根据大量工程实践，多数人主张以200 MPa为界。即普氏岩石坚固性系数f3.0 m，极易吸水膨胀，它们的支护都极为困难。1.5软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律1.软岩巷道围岩变形力学机制按照软岩的自然特征、物理化学性质，以及在工程力的作用下产生显著变形的机理，将软岩分为膨胀性软岩（也称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩四种类型（见表1-1-1）。从理论上分析软岩巷道围岩变形力学机制，可分为三种形式，物化膨胀类型（也称低强度软岩）、应力扩容类型、结构变形类型。表1-1-1 软岩类型及变形特征软岩类型泥质含量单轴抗压强度c/MPa塑性变
