1、专题部分软岩巷道围岩变形机理及控制技术研究1绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 选题的背景在我国，随着煤炭资源需求量的不断增加,国内许多矿井陆续进入深部开采，且开采深度以每年 812m 的速度增加。淮南、兖州、徐州、新汶等矿区开拓深度已达 800m-1000m,还有些矿井如新汶矿业集团孙村煤矿、沈阳矿业集团彩屯煤矿和北票矿业集团冠山煤矿等甚至达1200m。随着开采深度的增加，软岩的情况越来越突出2011年中国原煤产量为35.2亿吨，居世界首位，与之配套的巷道掘进量每年达 6000 千m，其中10%以上的为软岩巷道。目前，全国有 30 多个矿区存在着软岩巷道支护问题，如江苏徐州、河南义马、山东
2、龙口、安徽淮南、淮北、贵州六盘水等。而且，近年来，随着开采深度的不断增加，许多原来软岩很少的矿区，如平顶山、新汶等矿区深部巷道工程均呈现出软岩特征。由此巷道开挖后围岩变形速度快，变形量大，巷道产生底鼓，支护费用直线上升，甚至有些矿区的巷道（断面 15-20m2）每m支护成本达2万多元。即使这样，有些工程甚至停产待修，严重影响了矿山的安全生产和经济效益。1.1.2 问题的提出软岩问题在我国先后被列入了 “七五”、“八五”“九五”国家重点攻关项目，经过众多国内外专家学者的共同努力，对软岩巷道围岩稳定性控制进行了大量研究，并取得一定成果,在软岩巷道支护方面，形成了锚网索、锚网喷、锚喷网架、预应力锚索
3、支护系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、注浆加固和卸压支护系列技术。但软岩巷道支护效果如何，不仅取决于巷道所处的地质条件、围岩应力状态，还与支护方式及支护参数的选择等有关。1.2 软岩巷道支护理论的发展与现状1.2.1 国外发展与现状20世纪初的古典压力理论认为：作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量H(是岩层容重，H 是埋深)，它是竖向压力的主要来源。其不同之处在于对侧压力系数的定义方式：海姆认为侧压系数为 1，朗金根据松散体理论认为是 tan2 （45。-/2)(为岩体内摩擦角)，而金尼克根据弹性理论认为是/1-（为岩体的泊松比）。由于当时地下工程埋深不大，因而曾一度认为
4、这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论在许多方面已不适用，于是，散体压力理论应用而生。散体压力理论认为：地下工程埋深较大时，作用在支护上的压力，不是上覆岩体的重量，而只是围岩冒落拱内松动岩体的重量，冒落拱的高度与地下工程的跨度和围岩的性质有关。普氏认为在松散介质中开挖巷道后，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，该平衡拱曲线上方的地层处于自然平衡状态，其下方是潜在的破裂范围。该理论将平衡拱内的围岩作为支护对象，支护荷载只是冒落拱内的岩石重量。普氏理论计算方法建立在松散均质介质体的基础之上，对于一些裂隙、层理比较发育的岩体，虽然勉强符合松散介质理论的基本假设，但是在测定岩体
5、的强度值和内摩擦角值时将会遇到较大的困难。普氏理论在工程实践中也常常会出现失败的情况，但由于方法比较简单，直到现在普氏理论仍在应用，该理论最大的贡献是提出了矿山巷道中围岩具有自承能力。应力控制理论，也称为卸压法、围岩弱化法等，起源于苏联，其基本原理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支承压力区围岩的承载能力，使支承压力向围岩深部转移，以此来提高围岩稳定的一类方法。而后出现围岩支护的应变控制理论，该理论认为：围岩的应变随支护结构的增加而减少，而允许应变则是随支护结构的增加而增加。因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在允许应变范围内。
6、支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。20世纪70年代，有人提出了能量支护理论。该理论认为，支护结构与围岩相互作用，共同变形，而在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。近些年，随着计算机技术的发展，数值计算出现了多种计算方法，如有限单元法，边界元法，离散元法，有限差分法等。与一些支护理论相结合，为地下工程支护提供了新的研究方法，在地下工程支护中得到了广泛地应用，并解决了大量的软岩支护问题。1.2.2 国
7、内发展与现状我国软岩巷道支护系统研究始于1958年，近年来着重研究试验了锚网喷索、锚网喷索注浆加固、型钢支架锚索、锚网喷索二次支护等组成的联合支护技术，并取得了一定的效果，基本上形成了锚网喷或型钢支架一次让压支护，二次加强支护围岩稳定性的支护思想。于学馥教授等提出了轴变论理论，认为：巷道坍落可以自行稳定，可以用弹性理论进行分析。围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落是改变巷道轴比，导致应力重分布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳定而停止。郑雨d等教授提出了联合支护技术，它是在新奥法的基础上发展起来的，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护
8、刚度是不行的，要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网技术等联合支护技术。松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出的。该理论认为：巷道开挖之后，在围岩中形成了拉压域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自承能力，是维护巷道稳定的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其
9、与主承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定，支护强度原则上要求一次到位。中国矿业大学的何满朝教授等运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，总结出了软岩工程力学支护理论。该理论通过分析软岩变形力学机制，提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论。目前，我国采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载结构法。原因是，一方面该理论发展时间较长，在应用中有较多的经验，另一方面该计算理论形式简单，比较容易所掌握。2 软岩巷道变形及破坏机理分析2.1 软
10、岩概念及特点2.1.1软岩的概念在国内外，软岩概念多达几十种。到90年代末，由中国煤炭部软岩专家组和软岩工程技术研究推广中心组织专家专题讨论，将软岩分为了地质软岩和工程软岩。按地质学的岩性划分，地质软岩是指单轴抗压强度小于 25MPa 的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、粉砂岩和泥质矿岩等强度较低的岩石，是d然形成的复杂的地质。国际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度值在0.525MPa 之间的一类岩石，其分类依据基本上是依强度指标。该软岩定义用于工程实践中会出现矛盾。如巷道所处深度足够的小，地应力水平足够的低，则小于 25MPa 的岩石也不会产生软岩的特征；相反，
11、大于 25MPa 的岩石，其工程部位足够的深，地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故而提出了工程软岩的概念。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。该定义的主题词是工程力、显著塑性变形和工程岩体。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、工程扰动力和水的作用力以及膨胀应力等。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。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
12、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；而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则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。2.1.2软岩的特点软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的特点。一般说来，软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。软岩的可塑性。软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形，这种性质，称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片状结构的泥质矿物发生滑移或泥质矿物亲水性引起的，节理化软岩是由所含的结构面滑移和扩容引起的，高应力软岩大多是上述两种原因共同引起的。软岩的膨胀性是指软岩在物理、化学、力学等因素的作用下，
13、产生体积变化的现象。其膨胀机理有：内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种，工程中的软岩膨胀多为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用时，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张应力引起的崩裂、片帮。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程与时间有关，包括塑性流动、粘性流动、结构面闭合和滑移变形。膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动，在工程力作用下，达到一定极限后，开始塑性变形；节理化软岩流变性主要是结构面的扩容和滑移；高应力软岩流
14、变性多为诸形式的不同组合。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态；若在约束变形条件下，应力随时间延长而降低，则处于松驰状态，软岩的强度随时间变化而降低。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。对卸荷松动、施工震动、邻近巷道施工扰动极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。2.2软岩的力学属性2.2.1力学特性软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性。显示出可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性的特点。软岩在工程力的作用下，往往产生不可逆变形，称为可塑性。膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移
15、或泥质矿物亲水性引起的。软岩的膨胀性质是在化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象，其膨胀机理有:内部膨胀、外部膨胀和应力扩容膨胀三种。工程中的软岩膨胀为复合膨胀形式。软岩的崩解性是指软岩在物理、化学、力学等因素作用下，产生片状解体。膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下，膨胀应力不均匀造成的崩裂。节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下，由于裂隙发育不均匀造成局部张力引起的崩裂。高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在。软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关，包括塑性流动，粘性流动，结构面闭合和滑移变形。岩石变形在应力状态不变的情况下不断增长，处于蠕变状态;或在约束变形条件下，软岩
16、的强度随时间变化而降低。软岩的易扰动性指由于软岩软弱裂隙发育，吸水膨胀等特性，导致软岩抗外部环境扰动的能力极差。2.2.2软岩的临界载荷随着应力水平的提高，特别是围压的增大，岩石产生的塑性变形明显增加，使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石，在提高了应力水平下显示出显著的塑性变形。对于给定的工程围岩，均由弹性变形为主的工程状态向以塑性变形为主的工程状态转化的临界点，我们称之为软化突变点，而与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。岩石种类一定，其软化临界荷载也是客观存在的。围岩所处的地应力场的应力水平是否超过软化临界荷载是判断围岩是否为软岩的标准，当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，则该岩石属于硬岩范畴;而只有当荷载水平高于软化临界荷载时，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。2.3软岩巷道的变形及破坏机理分析2.3.1 软岩巷道变形破坏的主要特点(1) 软岩巷道变形呈现蠕变变形三阶段的规律，并具有明显的时间效应。初期来压快，变形量大，软
