1、专题部分软岩支护技术浅析摘要:随着矿井开采深度的不断增加,围岩的工程现象和矿压显现也随之趋向复杂和恶化,特别是处于膨胀性岩体、泥质岩体遇水泥化等条件的巷道,由于物理、化学原因导致岩体承载能衰减、岩体变形较大,影响支护效果。为了防止由于开采深度的增加致使围压变大而导致巷道失稳,就要有针对性的对高应力软岩支护技术进行研究。关键词: 深埋 高应力 软岩巷道 联合支护技术Abstract: With the increase of mining depth of coal mine, the phenomenon of engineering rock pressure and also reveal
2、ed complex and deterioration trend, especially in rock mass, muddy expansion in such conditions ShuiNiHua roadway, physical and chemical causes due to attenuation, rock mass deformation bearing, supporting effect. In order to prevent due to the increase of mining depth causes confining pressure caus
3、ed by large roadway, targeted instability of the high stress soft rock supporting technology were studied.Keywords: deep, the high stress, soft rock tunnel excavation ,supporting technology1.软岩巷道破坏机理：所谓软岩应包含三方面的概念：一是岩体的结构和所处的环境，表现为软弱、破碎、松散、高应力等；二是岩体的物理、化学和力学特征，表现为低强度、流变、风化、膨胀等；三是围岩的工程特征，表现为长期流变、变形量大
4、、来压迅速等，即所谓的“难支护”。软岩可分为地质软岩和工程软岩，我所探讨的高应力软岩是工程软岩中的一种。高应力软岩是指在较高应力水平（25MPa）条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体。随着开采深度的增加，地应力也随之增加，由于围岩强度小，巷道围岩应力状态达到或超过岩石的塑性变形临界或强度极限，要达到一个新的平衡，必须由深部岩石来承载巷道动压，当一个平衡点被破坏，就要求有一个新的平衡点来支持，这样必然造成围岩巷道松动圈增大，由浅入深，因而巷道收敛变形量急剧增加，稳定性差，给巷道稳定性控制带来困难。 1.1 深井巷道矿山压力深井巷道稳定性差的根本原因是深井巷道的矿山压力较大，或简单地说是原始地
5、应力大，假定巷道承受的垂向地应力等于地层重力，即：1=H式中 H巷道进深 上覆岩层的平均容重，0.0230.025MN/m并假定水平应力为：2=3=H式中： 测压系数对于深度达到800m的巷道，则1可达到20Mpa，如果巷道围岩的轴抗压强度c =40Mpa，则有H/c=0.5,则巷道围岩会因应力集中到单轴抗压强度极限。对于受到采场矿压作用的巷道，则更容易发生变形破坏。1.2 深井巷道变形破坏规律若以巷道松动圈的厚度来表示巷道变形破坏情况，则可发现：随采深的增加，各种岩性巷道的松动圈的厚度随着加厚；岩性越软则松动圈厚度越大，承受动压作用的各种岩性巷道松动圈的厚度值更大一些。1.3 深井巷道稳定性
6、控制通过以上扥是，巷道稳定性主要取决于3方面的因素：1) 巷道围岩应力场，主要有开采深度和采动影响决定；2) 巷道围岩的力学性质，主要由岩层结构、岩石强度和裂隙发育情况等因素起作用；3) 巷道支护方式和参数。2.软岩巷道的特征软岩巷道最明显的特征是地压显现比较剧烈，巷道维护困难，主要表现在围岩的自稳时间短、来压快、围岩变形量大、速度快、持续时间长、四周来压、底鼓明显、遇水膨胀、变形加剧，可以用4个字来概括：松、散、软、弱。3.松软岩巷道支护原理软岩层巷道支护的着眼点应放在充分利用和发挥自承能力上。支护原理是：根据岩层不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律入手，运用信息化设计方法，使支护
7、体系和施工工艺过程不断适应围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形、维护巷道稳定的目的。具体的说，有以下几个方面：1）必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想，支护结构及强度应与加固围岩、提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，实践证明，单纯提高支护刚度的做法是难以奏效的；2）必须采取卸压、加固与支护相结合的方法，统筹考虑、合理安排，对高应力区，要卸得充分，对大变形区，要让得适度，对松散破碎区，要注意整体加固，对巷道围岩整体要支护住；3）进行围岩变形量测量，准确地掌握围岩变形的活动状态，根据测量结果进行反馈，以确定二次支护结构的参数，确定补强时间，再次支护时间和封底时间；4）肃立综合治理、联
8、合支护、长期监控的支护思想体系。4 松软岩巷道支护原则早期的支护理论沿用地面结构工程原理设计支护参数，围岩是支护的对象，支护只是人工构筑的承载工具而已。然而，现在岩石力学揭示，岩石破裂后具有残余强度，松动破碎围岩仍具有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，又是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体。支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。因而，在松软岩巷道支护中，要遵循以下几方面原则1）维护和保持围岩的残余强度原则。2）提高围岩残余强度的原则。3）充分发挥围岩的承载能力的原则。5.软岩巷道支护方法软岩巷道支护方法，并不是单一的支护可以奏效的，也不是一次
9、支护最终可以实现的，必须采用联合支护的方式。联合支护结构式柔性支护与刚性支护的组合，系指采用多种不同比能的单一支护的组合结构。联合支护中单一支护各自充分其所固有的性能，扬长避短，共同作用，以适应围岩变形的要求，最终达到围岩和巷道稳定的目的。通常初期支护是柔性支护，一般采用锚喷支护；最终支护采用刚性支护。由于全国各矿区松软岩性质多种多样，井下地质条件及生产条件多变，加上施工习惯也不尽相同，因此，软岩巷道的支护形式也是多种多样的。归纳起来，主要有下列几种形式：锚杆喷射混凝土支护（简称锚喷支护）；锚杆、金属网、喷射混凝土支护（简称锚网喷支护）；锚杆、金属网、钢架、喷射混凝土支护（简称锚网喷架支护）；
10、锚杆、喷射混凝土和锚索联合支护（简称锚喷索支护）；锚杆、金属网联合支护（简称锚量网支护）；锚杆、金属网、可缩性金属支架联合支护（简称锚网架支护）；锚杆、金属网、桁架支护（简称锚网桁支护）；锚、梁、网、喷、注浆联合支护；可缩性金属支架。联合支护的原则1) 巷道开挖初期围岩变形速度最快、变形量大，因此，一次支护必须满足大变形的要求。2) 巷道开挖后采用的各种支护方法都应是联合支护的组成部分。3) 联合支护方法必须针对围岩性质及地质条件进行设计，不应千篇一律。4) 各种单独支护方法相互间应刚柔相济，相辅相成。5) 联合支护取材不应过于繁杂，应采取简易的组合方式，以便于现场施工。大量的工程实践证明，锚
11、喷、锚网喷、锚网以及可缩性金属支架锚锁等都是松软岩巷道支护有效的支护手段，它已经成为深部矿井软岩巷道支护的重要技术，其独特的优点是，不仅主动加固围岩，而且能把深部围岩强度调动起来，和浅部支护岩体共同作用，控制巷道稳定性，这将是软岩巷道支护的主流发展方向。这些支护手段有时可单独使用，有时可相互配合联合使用。现以平煤一矿三水平-517m进风石门为例作具体分析，如下所示:5.1 锚喷支护石门共727m为普通锚喷支护，顶帮管缝锚杆长1.7m，喷厚150mm，底板不支护。由于围岩破碎、压力大，施工2030d后，巷道开始变形，喷层剥落，部分锚杆失锚，施工34月后，巷道变形最严重段顶板下沉量达200400m
12、m，底鼓量400800mm，两帮位移量100200mm。巷道的变形严重影响了矿车的运输及人员的行走安全。 巷道失稳的原因主要有：1) 原岩应力。一矿井田范围内，在-150m以上的一水平回采时，井巷变形和破坏远小于三水平。原因之一是三水平处于平顶山下，其埋深较一水平增加350m。2) 该巷道处于破碎带及应力集中区。巷道要穿越一条S-E30的逆断层构造带并伴有很多小断层。3) 底角和底板未支护。新奥法原理强调了封底的重要性，特别是泥岩遇水膨胀，巷道本身不能依靠底板围岩形成闭合承载环，而产生底鼓，严重的底鼓导致顶板变形压力增大，锚喷支护失效。 当时采取的修复措施是：在两底底角补打与底板成45的锚杆（
13、锚杆长2.0m,艰巨800mm800mm),见图1。底锚杆的作用是抑制底鼓量，在45效果最好。 图1 普通锚喷段巷道支护5.2 全封闭锚网支护根据石门第一段的施工经验和教训，在第二段68m巷道施工中采用了全封闭锚网支护，有效消除了局部欠支护效应，增加了巷道全周边支护强度。该支护形式为：全封闭挂网，树脂锚杆按1.5m、2.0m两种间隔布置（长锚杆可以抑制塑性区的发展，短锚杆积极加固松动圈的围岩，使塑性区形成稳定的承载环），顶、帮锚杆间距500mm500mm，喷浆厚150mm，底板为圆弧形状，安设底锚杆，间距800mm800mm，锚杆布置如图2。施工三年后，该段巷道变形不大，变形量在500mm左右
14、，说明支护形式让压幅度合适。图2 全封闭锚网喷支护断面5.3 全封闭加强U型钢支架支护 此段长85m，经过丁组、戊组两层煤。平煤集团丁、戊组煤层底板岩性以泥岩为主，厚度5080m,而泥岩中紫斑泥岩占主导地位，平均抗压强度在10MPa以下，平均抗剪强度为24MPa，比一般泥岩低的多，岩层易风化破碎，遇水极易膨胀变形。因此，过煤层段压力更大，围岩变形更为剧烈，底板及两帮破坏更严重，需要强力支撑。此段的支护工艺为：（1）采用加强U型钢可缩支架，在两帮间联接构件也做了加强，以提高支架的整体承载能力；（2）支架表面铺设钢筋网，背后密实充填，构成有一定强度的均压缓压层。这种结构既改善了支架的可缩性，又提高
15、了底板及两帮的支护能力。该段巷道施工25个月后，经测试围岩变形趋于稳定，巷道断面符合设计要求。全封闭加强U型钢支架如图3，该支护形式具有如下特点：（1)增加背后缓冲层，其均压、让压作用极大地消弱了峰值压力，大大提高了棚子之间的凝聚力；(2)棚与棚之间的连接加强后，提高了单个棚子之间的凝聚力，作为一个整体来承压，提高棚子群的承压能力；（3）全断面支护改善了棚子的受力状况，避免了局部欠支护而引起的整体支护失效。图3 全封闭加强U型钢支架及背后填充支护断面图5.4 架金属支架喷混凝土联合支护在过三个断层带时，共有20m段采用了架刚性棚子、喷混凝土联合支护的形式。该两盒支护中的金属支架支护强度大，喷混凝土又加强了金属支架的联合，使整体支护效果大大加强。5.5锚索支护对727m普通锚喷段，前三次修复均采用锚喷方式，锚杆锚固长度均处于围岩的松动范围之内，支护效果不佳。针对巷道破坏及修复失败的原因，利用锚索技术重新对锚喷段巷道进行修复加固。首先，克服锚杆支护修复工作的弱点，进行卧底，在两底角补打与底板成45角的锚索，使欠支护部位得到加强；其次，加大组合拱的强度，增加端部锚固悬吊力，加大锚索长度，使端部生根在稳定岩层中。锚索长6000mm，排距2110mm2110mm，按“五花形”布置，如图4。
