1、专题部分深井软岩巷道的支护技术摘要：我国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，一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，巷道维护难度大幅增加，严重影响了矿井的正常生产。本文基于深井巷道围岩应力松弛特征，建立锚杆支护条件下的黏弹性应力松弛力学模型深井巷道围岩应力松弛特征，建立锚杆支护条件下的黏弹性应力松弛力学模型，并根据工程实践，提出了以内注浆锚杆为核心的锚注支护体系，来解决深部高应力极软岩巷道支护难题。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。随着矿山开采条件的复杂化，软岩支护问
2、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力，是一条维护围岩稳定的有
3、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。一般我们所运用的支护工业过程是：开挖初喷锚杆锚索复喷锚注。但是这个过程是否是最佳的支护工艺过程还缺乏一定的理论依据。因此如何解决支护工艺过程、支护参数的变化对软岩巷道围岩应力场和位移场的影响，便引起了人们的极大关注。1国内外研究研究动态
4、、水平1.1围岩稳定性研究我国进入深部开采的矿井大多建立了适合本矿条件的深井巷道围岩稳定性评价方案。如中国矿业大学与开滦矿务局合作，以“松动圈”为指标，对赵各庄矿深部巷道进行了分类；淮南九龙岗矿以巷道掘出后10d时两帮相对移近的平均速度作为判断巷道稳定性的指标。中国矿业大学陆士良教授等，将巷道岩体深处任意一点的径向位移与周边位移的比值称为深表比，并认为它是反映锚杆支护巷道的周边位移与岩体深处位移规律的主要指标。经过对我国一些矿区各类煤矿巷道的岩体位移及其深表比的测试研究，得出：1）在原岩应力条件下，深表比的变化规律与掘巷引起的围岩应力分布基本一致，即在巷道周边最大，在围岩深处按负指数曲线衰减。
5、围岩周边位移量的大小、衰减速度、深表比的变化及最终的影响深度，主要取决于巷道围岩性质，同时还与巷道埋深深度、断面大小以及支护阻力等有关；2）巷道受采动影响后，尤其是在相邻采空区与本工作面回采引起的支承压力叠加作用下，不仅巷道周边，而且岩体深部都处于强烈支承压力下，产生大范围的塑性变形而严重破坏，因此，不仅喊道周边位移量很大，而且围岩变形的变化规律与单一巷道不同，深表比衰减十分缓慢。受采动影响的巷道，由于围岩性质、开采深度采动状况不同，巷道周边位移量一般为2001000mm，岩体深部显著位移的范围一般为516m。原西德认为巷道的稳定性主要决定于地板岩石的力学性质，从而用底板岩性指数评价其稳定性。
6、对于不受采动影响的巷道，原西德给出了巷道试问极限深度经验公式： (1.1)式中：巷道失稳的极限深度，m； 底板岩石的单轴抗压强度，Mpa；原苏联的研究结果表明，工作面前方支承压力影响带内巷道的顶、底板移近量与巷道围岩强度及采深存在表1.1所示的关系。由此可见，岩性不同，采深对巷道的稳定性影响不同。在软弱岩层中，开采深度对围岩变形的影响比对硬岩层的影响显著的多。在这里，起内作用的是围岩应力与围岩强度的对比关系。因此，原苏联采用作为指标评价深部巷道的稳定性。表1.1 巷道移近量与围岩强度及采深的关系岩石强度/Mpa巷道埋深/m移近量/mm采深每增加100m，移近量增量/mm304007502126
7、001200800160050400250115600470800710904008035600140800220英国提出了巷道失稳的极限深度为：(1.2)式中：岩石容重，kN/m； 长时载荷影响系数； 裂隙影响系数；1.2围岩控制技术研究支护仍然是深井软岩巷道矿压控制的基本措施。寻求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
8、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。图1.1 采深1600 m时岩巷支架的适用范围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，概况起来，主要有：采用结构复杂的全封闭支护系统；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
9、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还有一定难度，这些都有待于进一步研究解决。1.3支护理论研究近年来，国内外一些学者根据深井软岩巷道围岩矿压显现规律
10、进行理论研究，其主要研究内容：弹塑性支护理论认为塑性区的形成和移动是产生地压的原因，用支架阻止塑性区的发展是控制地压的措施，而且它又把成熟的弹塑性理论用于地压研究，为地压问题联立数学、力学模型并求解，因而影响较广。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和数值模拟方法从岩石弹塑粘性角度来分析解释巷道围岩破坏失稳的原因，认为巷道围岩应力是流变变形地压；孙广忠教授等则研究岩体节理、裂隙的结构变形效应；王仁教授等把围岩作为粘性流体进行研究并建立了等价本构关系；谢和平院士等则从岩石损伤角度解释、分析了巷道大变形的机理。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
11、研究，1984年他提交的“不连续变形分析”论文中进一步分析了岩体的应力应变。非连续变形分析方法是近年发展的能力分析裂隙岩体的一种较好的计算方法，它用一种不同于有限元的块体元来模拟被裂隙切割成具体形状的块体系统，在这个系统中块体是通过裂隙结构面的接触连成整体的，这种方法的计算网络与岩体的物理网络相一致，每一个计算网络覆盖一块被裂隙切割的块体，各块体相互独立，计算上是不连续的，但块体之间在力学上的连续体则取决于裂隙的变形条件：当裂隙滑动（剪切破坏）或开裂（拉力破坏）时为不连续；当裂隙不错位及闭合时为连续。因此，用这种方法来模拟岩体可以反映岩体的连续或不连续的具体部位。何满潮教授等在对软岩工程地质规
12、律和变形力学机制研究和总结上述理论的基础上，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。加强现场测试，根据实测现场巷道位移量随
13、时间变化规律，反算岩石的力学参数和初始应力，同时利用统计数学方法，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范畴。2锚杆支护理论2.1悬吊理论对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减少和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的。如图2.1所示。巷道浅部围岩松软破碎，或者开挖巷道后应
14、力重新分布，顶板出现破裂区，这时锚杆的悬吊作用就将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。这是悬吊理论的进一步发展，如图2.2所示。图2.1 锚杆的悬吊作用图2.2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层2.2组合梁理论组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定的岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。组合梁理论，是对锚杆将顶板岩层锁紧成较厚岩层的解释。在分析中，将锚杆作用与围岩的自稳作用分开，与实际围岩的条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏，组合梁就不存在了。组合梁理论只适合与层状顶板锚杆支护设计，对于巷道的帮、底不适用。2.3组合拱理论组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安
15、装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力页相应加大，如图2.3所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度。其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理，但在分析过程中没有深入考虑围岩支护之间的相互作用，只是将各支护结构的最大支护力进行简单相加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对被加固岩体本身力学行为的进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设计，但可作为锚杆加固设计和施工的重要参考。图2.3 锚杆的组合拱原理2.4最大水平应力理论自从20世纪80年代以来，水平应力对巷道稳定性的影响已经引起了人们的普遍关注。澳大利亚W.Gale博士（1987）通过数值模拟分析及现场观测，得到了水平应力对巷道稳定性的最基本的认识：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力
