1、平煤四矿深部软岩巷道支护技术浅析摘要：二十一世纪我国煤矿的开采深度正以每年812m的速度增加，东部矿井正以每年1025m的速度发展。论文应用理论分析、数值模拟和监测数据分析等方法研究了平煤四矿深部软岩巷道围岩变形力学机理和围岩控制机制，结果表明：随着开采深度的加大，巷道变形对地应力的敏感度增强，深部软岩巷道岩体强度明显降低，因此软岩巷道的稳定问题变的更为突出。本文针对平顶山煤业四矿的巷道支护问题，在了解了该矿软岩巷道变形的特征的基础上，提出三锚加强支护方案来对高地应力作用下的深部软岩巷道围岩变形进行有效控制。关键词：平煤四矿；软岩巷道；压力；三锚支护0 引言随着浅部资源储量的日益减少，国内外许
2、多矿山进入深部开采。南非、印度金矿最深开采深度超过4000 m，俄罗斯金属矿最深开采深度超过 2000 m，我国徐州、平顶山、开滦、新汶等矿区部分煤矿开采深度已经超过 1000 m。2007年中国原煤产量25.23亿吨，居世界之首，与之配套的巷道掘进量每年达6000km，其中10%以上的巷道微软岩巷道。全国有30多个矿区存在着软岩巷道支护问题，如吉林舒兰和辽源梅河、沈阳、山东龙口、河南平顶山等等。另外，在深部高应力环境中，在浅部表现为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性巷道围岩长期变形不止。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一，深部软岩巷道稳定问题已成为国内外研究的热点。为解决或降低这
3、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、物力和财力进行软岩巷道支护等方面的研究工作。1 国内外研究现状1.1 围岩稳定性研究现状1.1.1 国内状况在中国矿业大学，以陆士良教授为首的一批学者，将巷道围岩深处任一点径向位移与其周边位移的比称为深表比，同时认为这反映了锚杆支护的巷道周边位移和围岩深处的位移规律。之后，几位教授通过对我国的一些著名矿区各类巷道岩体的位移以及其深表比进行的测试与研究，从而得出以下两点结论：1）在原岩应力的条件下，深表比变化规律同掘巷所引起的围岩的应力分布情况基本一致，即是在巷道周边深表比最大，而在围岩的深处则按
4、照负指数曲线来衰减。围岩的周边位移量大小、衰减的速度、深表比变化以及最终影响深度，主要决定因素是巷道岩体的性质，同时还同巷道埋深的深度、断面的大小以及支护的阻力等因素有关；2）当巷道受到采动影响后，特别是当处于邻采空区和本工作面的回采所引起的支承压力的叠加作用下，不仅仅是巷道周边，同时深部岩体都将因产生较大范围的塑性变形而引起严重的破坏，因此，不仅是巷道周边的位移量大，围岩变形规律也与单一巷道有所不同，深表比的衰减进行的十分缓慢。受到采动影响后的巷道，由于围岩的性质、开采的深度等采动状况的不同，巷道的周边位移量通常为2001000mm，而深部岩体的显著位移范围一般是516m。1.1.2 国外状
5、况在国外，原西德认为深部巷道的稳定性状况主要在于地板上岩石的力学性质特性，从而采用底板岩性的指数来评价巷道稳定性。对于那些不受到采动影响的巷道研究，则给出了巷道极限深度的经验公式：式中：-巷道失稳时的极限深度，m； -底板岩石单轴抗压强度，MPa；另外，原苏联方面的研究结果则表明了工作面前方的支承压力和巷道内的顶底板移近量以及巷道围岩的强度同采深存在着如表1.1所示的关系。由此可见，当岩性不同时，采深对于巷道稳定性影响也会不同。在软岩层中，开采的深度对于围岩的变形影响对比于硬岩层的影响要显著的多。研究表明，起内在作用的则是围岩的应力同围岩的强度的对比关系。源于此种情况，原苏联采用了 作为指标来
6、评价深部岩石巷道的稳定性状况。表1-1 巷道的移近量和围岩的强度以及采深之间的关系岩石强度/Mpa巷道埋深/m移近量/mm采深每增加100m，移近量增量/mm304007502126001200800160050400250115600470800710904008035600140800220其他国家，诸如英国则提出巷道的失稳极限深度为：式中：岩石容重，kN/m；1.2 围岩控制技术研究寻求更适合于深部软岩巷道压力大、变形量大的支护方式，以及回答现有支护是否适用于深井软岩巷道矿压控制等问题，都是需要研究解决。原西德、前苏联的研究认为，顶底板移近量小于巷道高度45%时，现有的支护技术依然能管理
7、好深井巷道。对开采深度为1600 m的巷道顶底板移近量的预计表明：在1600 m深度处，刚性支架已完全不能使用；在稳定的砂岩中，采用拱形可缩支架和碎石壁后充填可满足要求；在稳定的岩层中，必须用专门材料进行壁后充填；原西德的壁后充填技术水平较高，因此，在我国壁厚充填基本没有应用的情况下，上述支架适用范围明显偏大。1拱形刚性支架；2拱形可缩支架，碎石壁后充填；3拱形可缩支架，专用材料壁后充填；4巷道上方有回采边界；5巷道上方无回采边界图1-1 采深1600 m时岩巷支架的适用范围针对深井软岩巷道压力大、变形量大的特点，国外发展了深井软岩巷道支护技术，概括起来，主要有：采用结构复杂的全封闭支护系统；
8、采用锚喷网联合支护系统；采用特种钢和加大型钢质量（大44 kg/m，甚至更大）；采用硬石膏、水泥砂浆、聚氨酯或其他建筑材料壁后充填；此外，国外深井软岩巷道之后都有一个共同点，即具有可缩装置或“让压结构”，允许支架或支护系统可缩，以适应深井软岩巷道压力大、变形量大的特点。同时，巷道支护设计时预留大的变形量。还有通过加固改善巷道围岩的力学性质，通过卸压改变巷道围岩的应力分布，从而达到改变深井软岩巷道围岩状态、提高深井软岩巷道稳定性的目的。国内外对巷道围岩卸压技术进行了大量理论与试验研究，已提出了多种卸压方法，在实践中取得了较好的效果。然而，有的卸压方法还处于试验研究阶段，有的卸压方法用于生产实践中
9、还有一定难度，这些都有待于进一步研究解决。1.3 软岩巷道支护理论研究近年来，国内外一些学者根据深井软岩巷道的围岩矿压显现规律进行理论研究，其主要研究内容：陈宗基教授、孙均教授、朱维申研究员等众多学者采用物理模拟与数值模拟方法从岩石弹塑粘性角度来分析和解释巷道围岩的破坏失稳原因，认为巷道围岩应力是流变变形地压；孙广忠教授等则是研究岩体节理、裂隙的结构变形效应；王仁教授等将围岩作为粘性流体进行研究并建立了等价本构关系；谢和平院士等则是从岩石损伤角度解释、分析了巷道大变形地机理。石根华提出了在赤平投影图上判断可动块体的方法，此后他又用矢量代数做了研究，1984年他提交的“不连续变形分析”论文中进一
10、步分析了岩体的应力应变。何满潮教授等在对软岩工程地质规律和变形力学机制研究的基础上，提出了软岩巷道支护的4条基本原则。1）对症下药。由于软岩的地质特点的差异，构成软岩巷道的复合型变形力学机制多种多样，支护必须满足其变形力学机制的要求。2）过程原则。要对软岩巷道稳定性进行有效控制，必须有一个从复合型变形力学机制向单一型变形力学机制的转化过程。3）塑性圈原则。软岩巷道必须允许出现塑性圈，是在控制的条件产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放变形能。4）优化原则。一个合理的软岩巷道支护方案要同时满足三个条件：（1）能充分释放围岩变形能；（2）能充分地保护围岩的力学强度；（3）支护造价小而巷道稳定性好
11、。加强现场测试，根据实测现场巷道位移量随时间变化规律，进而计算岩石的力学参数与初始应力，同时利用统计的数学方法，例如采用灰色系统模型，时间序列模型，人工神经网络模型等对地下工程进行位移预测研究，取得了许多成果。由于这个方法抓住了位移这一岩体在各因素作用下的总的表现效应，并同工程经验分析，方法较简洁快速，能及时给予工程施工指导，因而在地下工程中得到了许多应用，但其应用范围一般限于位移反分析的范畴。2 深部软岩巷道的自承作用及支护原则2.1 围岩自承作用原理 地下巷道中向支护体加载的围岩可看作一种特殊的天然结构。在开挖巷道后形成的围岩与支护体的力学平衡系统中，围岩通常承受大部分的岩层压力，而支护体
12、却只承担其中的一小部分。而且，在支护体和围岩分担压力的过程中，巷道支护体所承担的载荷是多变的，其分担岩层压力的比重，视围岩本身承担的载荷而定。围岩分担的载荷越大，支护体分担的载荷越小。当巷道围岩处于弹性变形阶段时，围岩将承担全部载荷，而支护体完全不承受载荷。当部分围岩进入塑性状态，则支护体将开始承担一部分载荷，但这时除了尚处于弹性状态的围岩具有较大的承载能力外，处于塑性状态的围岩也有一定的承载能力。合理的支护方式应充分利用围岩的天然承载结构，将围岩由载荷体变为承载体，使支护体与围岩在相互约束的状态下共同承载，最大限度地发挥围岩的自承载能力。增大支护阻力在一定程度上能起到减少软岩巷道围岩变形的作
13、用，但巷道支护的效果却不仅仅取决于支护本身的支承力，而是受到围岩本身力学性质、支护体力学性质、支护时间、支护体与围岩的接触方式等因素的影响。合理的深部软岩巷道支护设计不仅要考虑支护体支承力因素，而还应同时从多方面采取措施。在巷道支护体与围岩相互作用过程中，充分利用围岩本身的自承能力，以从总体上取得最佳支护效果。 2.2 深部软岩巷道支护原则 2.2.1 主动支护原则 软岩巷道自稳时间短，主动支护就是在对围岩支护后支护体立即对围岩提供一定阻力的支护，随着围岩变形的增加，支护阻力会随之继续增加或保持恒阻发展。主动支护对控制软岩巷道围岩早期变形，缩短围岩应力调整时间，提高围岩自承能力有积极效应，预应
14、力的锚杆和锚索以及锚注支护都属于主动支护的范畴。 2.2.2 全断面支护原则 软岩巷道支护所承受围岩的变形压力来自于包括巷道底板在内的巷道各个方向，如果底板不支护或支护强度较小，底板就成为围岩的薄弱部位，会产生强烈底臌现象，进而降低整个巷道支护体系的承载能力，因此对于软岩巷道必须加强底板支护。对此类深部软岩巷道，一面要强调全断面支护的整体性，另一方面要对薄弱的底板部位采取重点加强支护措施，从而防止巷道从薄弱的底板部位首先变形破坏而导致全断面变形破坏。采用反底拱和对底板进行锚注加固，以改善巷道底板围岩的特性，提高底板岩体的承载力，可有效控制巷道的底臌，从而保证巷道的整体稳定。 2.2.3 可缩性
15、支护原则 软岩巷道围岩变形压力是支护的主要载荷，在大变形压力作用下普通刚性支护很快就会破坏，使围岩处于事实上的无支护状态，不利于发挥围岩的承载能力，而可缩性支护在变形压力超过围岩的承载能力后，支护体通过可缩让压，释放部分高压，使围岩发挥更大承载能力，锚网和 U 型钢可缩性支架等均属于可缩性支护范畴。 2.2.4 塑性圈原则和硬岩工程支护的指导思想不同，软岩工程支护必须允许出现塑性圈。硬岩工程支护是力求控制塑性区的产生，最大限度发挥围岩自承力，而软岩工程支护是力求有控制地产生一个合理厚度的塑性圈，最大限度地释放围岩变形能。这是软岩的成因历史、成岩环境、成分结构及其岩体力学特性所决定的。 2.3 二次支护原理 二次支护是由软岩的力学机制所决定的，软岩巷道其巨大的能量必须以某种形式释放出来，因而软岩变形有着明显的时间性，其能量的释放和围岩的变形不可能在短时间内完成，由护体与围岩相互作用原理可知，为了充分利用围岩自承力，在巷道开掘以后应使支护时间推迟，这样才能达到通过变形释放能量，
