第八章 软岩工程力学

1、第八讲第八讲 软岩工程力学软岩工程力学岩石力学发展至今，为解决工程实际问题提供了有力的理论指导，做出了巨大的贡献。但是，在当今日益复杂的工程实践中也存在许多问题，正如孙广叫忠教授在他的著作岩体结构力学基础（1991）的前言中写的那样：岩体力学的现状是“声誉很高，信誉尚低”。为什么岩石力学的发展具有这样一个现状？主要原因如下：1、岩石力学理论在工程应用中存、岩石力学理论在工程应用中存在的主要问题在的主要问题（1）工程岩体连续生问题）工程岩体连续生问题人们普遍认为工程岩体是一种高度非连续介质，但迄今为止，人们沿用的力学理论是连续介质力学理论，因此，发表的很多岩体力学研究文献都属于用连续介质力学理论

2、来分析人们认为高度非连续介质的岩体力学问题，这本身确实是一个尖锐的矛盾。（2）工程岩体的本构关系）工程岩体的本构关系工程岩体的本构关系既不是岩块的本构关系，也不是岩体结构面，而是结构面和岩块在空间呈一定组合状态，又在地下水等复杂因素影响之下受到工程力的扰动所表现出来的应力-应变之间的关系。这样的本构关系很难确定，但另一方面，进行岩体力学分析时，又必须用到岩体的本构关系，这是一个很强烈的矛盾。（3）工程岩体的大变形问题）工程岩体的大变形问题实践中出现的工程岩体力学问题是大变形问题，如开采沉陷、软岩巷道的底臌、收帮等，它们有的为几十厘米，有的达到几米，显然是大变形问题。然而，工程岩体力学目前沿用的

3、弹塑性理论虽然考虑了材料的物理非线性问题，但严格从几何理论角度看，仍然是小变形近似理论。因此，岩石力学面临的状态是正在用小变形假设为前提的弹塑性理论来解决工程岩体大变形问题，这实际上构成了岩体力学的第三个基本矛盾。（4）岩体结构的唯一性问题）岩体结构的唯一性问题我国岩体力学的研究在国际上独树一帜，处于国际先进水平。我国学者建立的岩体力学理论核心是岩体结构控制论。然而研究表明，岩体结构的确定存在着唯一性问题。一般而言，岩体力学理论将岩体结构分为整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。划分的依据是建立在对结构面、结构体形成过程和所具备特性研究的基础上，根据结构面发育程度和特性、结构体组合

4、排列和接触状态，深入探讨它们的工程地质特性和在工程作用下不同岩体的不同反应。但是，在实际工程应用中，由于工程规模或尺寸的变化，岩体的结构也是相对的，应以工程尺寸作为划分岩体结构类型的参考系，否则就会造成应用上的困难。图8-1为某一工程岩体，其中发育两组近于正交的节理。对于这一工程岩体，其岩体结构类型随工程尺寸的变化而不同。图中1、2、3、4、5火待建的不同规模的洞室，由图可见：相对于1号洞，该岩体可视为整体结构；而相对于2、3、4、5号洞，该岩体应分别划分为块状结构、块裂结构、碎裂结构和散体结构。也就是说，在地质条件的客观基础上，只有当工程尺寸一定时，岩体结构才是确定的。图8-1 岩体结构1-

5、整体结构，2-块状结构，3-块裂结构，4-碎裂结构，5-散体结构（5）工程岩体力学设计理论和设计方法问题）工程岩体力学设计理论和设计方法问题工程岩体的变形是高度非线性的，其力学设计应该是非线性大变形力学设计。目前，研究岩体非线性力学问题的很多，但是对如何进行非线性力学设计的研究却甚少。因此，迄今，工程岩体力学设计仍属于以小变形力学为依据的参数设计方法。然而，对于大变形软岩工程而言，其标志是进入了塑性变形阶段，其设计必须依据非线性大变形力学理论。非线性大变形力学区别于线性小变形力学是其研究的工程岩体已进入到塑性、粘塑性和流变性的阶段，研究的能量场是耗散场，在整体力学过程中，已不服从叠加原理，而且

6、力学平衡关系与各种荷载特性、加载过程密切相关，不同的加载特性及加载过程应对应不同的力学对策。因此，它的设计不能用简单的参数设计，必须按照其特性进行非线性大变形力学设计。软岩工程力学理论研究：软岩工程力学理论研究：包括软岩的概体系，软岩的基本特征与基本力学属性，软岩的强度恢复特性，软岩的工程分类，软岩巷道变形力学机制及转化，软岩工程岩体的连续性概化，软岩工程岩体的本构关系，软岩工程岩体的大变形问题，软岩工程岩体强度的确定，软岩巷道支护原理及支护荷载确定，关键部位耦合支护理论等。2、软岩工程力学的研究内容及研究方法、软岩工程力学的研究内容及研究方法（1）研究内容）研究内容软岩工程新技术、新设计方法

7、：软岩工程新技术、新设计方法：包括软岩巷道支护原则，软岩巷道支护非线性力学设计方法，泵房吸水井集约化设计、刚柔层和刚隙柔层支护技术、锚网耦合支护技术、锚萦-锚网耦合支护技术及立体桁架支护技术等软岩巷道支护新设计与新技术体系的研究。软岩巷道支护技术的应用研究：软岩巷道支护技术的应用研究：包括膨胀型软岩，高应力型软岩，节理化型软岩及复合型软岩等6类软岩巷道支护技术的应用研究。（2）研究方法）研究方法以软岩工程岩体力学为基础，以软岩的工程地质特征及软岩巷道变形力学机制为切入点，从软岩巷道支护理论研究，软岩工程设计研究和软岩巷道支护技术研究3个方面，全面系统地探求和建立软岩巷道支护理论体系。图9-软岩

8、工程力学理论研究总体思路理论研究方面：理论研究方面：把工程地质学研究 和工程力学研究相结合，通过软岩微观SEM和X射线分析技术，细观偏光显微技术和宏观现场调查分析的手段，探索软岩的微观、细观和宏观的变形力学机制，支护破坏机理及巷道支护-围岩相互作用的规律，总结出软岩巷道支护理论。设计研究方面：设计研究方面：把传统的设计理论（刚体力学、线性小变形力学）和现代设计理论（非线性、非光滑、大变形）加以比较，寻求适合于软岩巷道的设计方法。技术研究方面：技术研究方面：在十分注重现场支护破坏（相当于原位实验结果）调查分析的基础上，用实验室非线性大变形力学数值模拟试验来再现破坏过程，预测和模拟新支护方案的过程

9、和效果，优选出最佳方案，在现场软岩巷道支护工程中实施和验证，完成实践-认识-再实践-再认识的过程，从而探索出各种类型的软岩巷道支护技术。现场施工、推广研究方面：现场施工、推广研究方面：坚持技术到位、管理到位和质量到位的组织原则，在实施现场组织精干的科研技术人员指导施工，及时反馈信息，做进一步的技术研究，为后续工程提供技术参考和优化方案。我国关于软岩巷道支护问题的系统研究工作始于1958年，当时辽宁的沈北矿区开发，在前屯矿建设中出现井口报废，以致停工数年。此后，蒲河矿、大桥矿、京西木城涧矿也出现重大技术事故。为此，煤炭部集中了一些科研院所、高校和设计院的技术力量，在前屯矿二、三井进行了多种巷道支

10、护形式的试验和测试工作，在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面都取得了初步经验。80年代以来，与软岩工程相关的全国性会议召开了20余次，对地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。3、软岩支护理论研究现状软岩支护理论研究现状（1）轴变论理论轴变论理论于学馥教授等人(1981)提出“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。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。近年来，运用系统论、热力学等理论又

11、提出了开挖系统控制理论，该理论认为：开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。（2）联合支护理论联合支护理论冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术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，一味强调支护刚度是不行的，要先柔后刚，先让后抗，柔刚适度，稳定支护。由此发展起来的有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。（3）松动圈理论松动圈理论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：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

12、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。（4）主次承载区支护理论主次承载区支护理论主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出，认为巷道开挖后，在围岩中形成拉压域；压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，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，但其与主承载区相比，只起辅助的作用，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。（5）应力控制理论应力控制理论应力控制理论，也称为围岩弱化法、卸压法等。该方法起源于前苏

13、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。60年代和70年代，软岩工程设计基本上沿用工程类比设计。进入到80年代，出现了位移反馈设计、松动圈支护荷载设计、弹塑性力学数值法设计。到90年代，又出现了锚网耦合设计和关键部位二次耦合设计。90年代末期，我国软岩工程设计与施工初步形成了一套比较成熟的将类比定性、定量计算和施工位移反馈相结合的动态综合设计程序。4、巷道工程设计研究现状巷道工程设计研究现状（1）工程类比方案设计）工程类比方案设计工程类比的根据是系统的

14、、可靠的基础资料，主要包括围岩的地质、水文、工程地质资料，岩石的物理、化学、力学性质以及工程环境资料，类似地质条件相邻矿井的支护及围岩变形的有关资料，在对这些资料、工程条件分析的基础上进行类比方案设计。（2）理论计算进行参数校核）理论计算进行参数校核理论验算是根据软岩工程岩体和工程环境的有关资料确定软岩类别、岩体结构、地压显现类型，建立正确的力学模型和计算方法。通过验算巷道周边位移预计、支架的最大反力及支护结构力学参数等，从总体上验算类比法所选取的支架类型和支架设计参数是否符合巷道围岩变形规律。随着电子计算机和各种计算软件的迅速发展，使得理论计算校核类比参数变得更加高效、快捷。（3）施工监测与

15、反馈设计）施工监测与反馈设计根据软岩工程的现场试验观测数据，进行有关工程参数的高速反馈十分重要。因此，巷道开工后立即加以实验、监测等是十分必要的，监测的主要内容： A.岩石的物理力学性质确定；B.软岩巷道收敛变形规律；C.巷道围岩施加于支护上的实际荷载；D.典型地段的巷道围岩深部位移。对上述四部分实测资料分析整理，然后调整工程设计参数，使设计更为完善。以上这些理论及设计施工方法，对于解决软岩工程问题发挥了重要的作用。但是长期以来，对于软岩的概念、软岩巷道的破坏原因与破坏机制等问题，国内外一直争论不休，给工程应用带来了极大的不便，同时严重影响了本学科理论的发展。软岩工程岩体力学理论从软岩的概念及

16、分类入手，运用工程地质学和现代大变形力学相结合的方法，对软岩的基本属性，软岩的连续性概化、软岩的变形力学机制确定及其转化、软岩的支护荷载确定等理论问题进行了系统的研究，建立了软岩非线性大变形力学设计方法，解决了所承担的煤炭、水利、交通、国防等关键工程和国际合作项目中的软岩难题。从60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，定义多达几十种。1981年9月，国际岩石力学学会委托日本力学协会召开了“国际软岩学术讨论会”，软岩的概念问题作为重要的议题进行讨论。1984年12月，我国煤炭部矿山压力情报中心站、煤炭学报编辑部、中国煤炭学会岩石力学专业委员联合发起的“煤矿矿山压力名词讨论会”，

17、本次会议集中了国内矿山岩石力学方面的专家、学者，在昆明会议上专门讨论了松软岩层的定义。但是，在近几年的文献中，关于软岩的概念仍然名目繁多，定义各异，各有其优缺点，总括起来，大体上可分为描述性定描述性定义义、指标化定义指标化定义和工程定义工程定义等3类。1、概述、概述（1）描述性定义）描述性定义原煤炭工业部矿山压力情报中心站副站长、软岩分站站长、长春煤炭研究所总工程师陆家梁高工提出：松软岩层系指松散、软弱的岩层，松软岩层系指松散、软弱的岩层，它是相对于坚硬岩层而言的它是相对于坚硬岩层而言的。松软岩层由于成岩的时间短、结构疏松、胶结程度差，故自身强度很低。原煤炭工业部软岩分站副站长郑雨天、王明恕、

18、何修仁教授等认为：“软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称岩体之总称”。原淮南矿业学院朱效嘉教授提出：“松软、松软、破碎、膨胀及风化等岩层称为松软岩层破碎、膨胀及风化等岩层称为松软岩层，简称软岩”。原东煤公司的曾小泉高工认为：“松软岩层系松散破碎、软弱、强风化和膨胀性岩层的总称”。1984年12月，在昆明市举行的“煤矿矿山压力名词讨论会”上提出的定义是：“松软岩层是指强度低、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的松、散、软、弱岩层”。松软岩层是：“低强度的岩体”。（2）指标化

19、定义）指标化定义ISRM(国际岩石力学学会1990，1993)定义：软岩是指单轴抗压单轴抗压强度强度在0.525MPa的一类岩石。G. Russo(1994)定义：软岩指单轴抗压强度小于17MPa的岩石。抗压强度小于20MPa的岩层称为软岩。c/(H)2的岩层称为软岩(式中c为单轴抗压强度；为岩石容重；H为深度)。（3）工程定义）工程定义中国矿业大学董方庭教授提出：“松动圈厚度大于1.5m的围岩，称为软岩”。中国矿业大学鹿守敏教授指出：“围岩松动圈大于1.5m，并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩”。松软岩层是指“难支护的围岩”，或“多次支护，需要重复翻修的围岩”。此外，对于软岩的概念还进行过

20、研究的国外学者有：Coates (1964)，Deer & Miller (1966)，Brock & Franklin (1972)，Jennings (1973)，Bieniawski (1973)，Eigenbrod (1974)，Morgenston (1974)，Barla (1990)，Sciotti (1990)，Cerici (1992)，E. Holk (1993)。由此可见，国内外对于软岩的定义尚不能统一，严重阻碍了软岩的学术交流和研究的深入。作为软岩的定义应抽象出前述各家定义的共性规律，抽象出软岩的本质特征，力求简明扼要并反映软岩的实质性规律。何满潮等在充

21、分研究前人关于软岩概念的基础上，提出了新的软岩概念及其分类体系。2、地质软岩、地质软岩为了便于理论研究和工程应用，将软岩分为地质软岩和工程软岩分别予以定义。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的松、散、软、弱岩层(煤矿矿山压力名词讨论会，昆明，1984.12)，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度(c)在0.525MPa之间的一类岩石，属于地质软岩的范畴，其分类依据是依据岩石的强度指标。该定

22、义用于工程实践中会出现一些矛盾。如巷道所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，大于25MPa的岩石，其工程部位所处的深度足够的深，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。3、工程软岩、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。如果说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，那么工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软

23、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，即工程软岩要满足的条件是：UU式中 工程荷载，MPa；工程岩体强度，MPa；U巷道变形，mm；U巷道允许变形，mm。该定义的主题词是工程力、显著塑性变形和工程岩体。工程岩体工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。工程力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，

24、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；而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的小变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的大变形特性。4、工程软岩和地质软岩的关系、工程软岩和地质软岩的关系当工程荷载相对于地质软岩(如泥页岩等)的强度足够小时，地质软岩不产生显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩；在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩(如泥质胶结砂岩

25、等)也呈现了显著变形特征，则应视其为工程软岩。5、软岩的工程分类、软岩的工程分类按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类，即膨胀性软岩(或称低强度软岩)、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。在此基础上，又对各类软岩进行了分级(表1)。软岩分类分类指标软岩分级分 级 指 标抗压强度MPa泥质含量 结构面膨胀性软岩25%少0，%c，MPa膨胀矿物组合弱膨胀软岩50252.0节理化软岩低中等不含多组节理组数 条/m2节理间距m完整指数(kv)较破碎软岩130.20.40.550.35破碎软岩30.10.20.350.15极破碎软岩无序30.10.15复合型软岩 低高含少多组根据

26、具体条件进行分类和分级注：0干燥饱和吸水率；sc单轴抗压强度，MPa；S绿泥石；I伊利石；K高岭石；M蒙脱石；M/I伊/蒙混层物。表1 软岩工程分类与分级总表1、软岩变形力学机制及分类软岩变形力学机制及分类软岩工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但根本原因是其具有复杂的变形力学机制。根据理论分析和大量的工程实践，初步将软岩的变形力学机制归纳为3大类，即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。各类中又依据引起变形的严重程度分为A、B、C、D四个等级，共十三亚类，如图1所示。图1 软岩巷道变形力学机制及分类显然，I类机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，II类机制与力源有关，III类机制则是硐室结构

27、与岩体结构面的组合特性有关。这三类机制基本概括了软岩膨胀变形的主要动因。2、软岩变形力学机制的确定软岩变形力学机制的确定每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点，其软岩巷道的破坏特征也有所不同，如表2所示。 通过野外工程地质研究和室内物化力学试验分析以及理论分析，可以正确地确定软岩巷道的变形力学机制类型： I型变形力学机制主要依据其特征矿物和微隙发育情况进行确定； II型变形力学机制主要是根据受力特点及在工程力作用下巷道的特征来确定； III型变形力学机制主要是受结构面影响的非对称变形力学机制，要求首先鉴别结构面的力学性质及其构造体系归属，然后再依据其产状与巷道走向的相互交切关

28、系来确定。类型亚型控 制 性 因 素特 征 型软岩巷道破坏特点I型IA型分子吸水机制，晶胞之间可吸收无定量水分子，吸水能力强蒙脱石型围岩暴露后，容易风化、软化、裂隙化，因而怕风、怕水怕震动；I型巷道底鼓、挤帮、难支护，其严重程度从IA、IAB、IB依次减弱；IC型则看微隙发育程度IAB型IA&IB决定于混层比伊/蒙混层型IB型胶体吸水机制，晶胞之间不允许进入水分子，粘粒表面形成水的吸附层高岭石型IC型微隙毛细吸水机制微隙型II型IIA型残余构造应力构造应力型变形破坏与方向有关，与深度无关IIB型自重应力重力型与方向无关，与深度有关IIC型地下水水力型仅与地下水有关IID型工程开挖扰动工

29、程偏应力型与设计有关，巷道密集，岩柱偏小III型IIIA型断层、断裂带断层型塌方、冒顶IIIB型软弱夹层弱层型超挖、平顶IIIC型层理层理型规则锯齿状IIID型优势节理节理型不规则锯齿状IIIE型随机节理随机节理型 掉块表2 软岩巷道变形机制及破坏特点软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上变形力学机制的复合类型。例如，广西那龙二号井的软岩，经过现场调查、实验室实验和近代力学研究，确定A3煤层及其上下10m范围内的顶底板岩层含有蒙脱石和伊蒙混层矿物；巷道变形严重程度与深度有关而破坏方向性不明显。因此，确定该岩层的变形力学机制类型为IAIIB复合型，简称IAIIB型。在顶底板的杂色页岩中，除了具备I

30、AIIB型特点外，弱层十分发育，并且弱层处常发育光滑剪切面。又依据其弱层产状和硐室走向关系，其变形力学机制类型为IAIIBIIIBA和IAIIBIIIBC型。3、软岩变形力学机制的转化技术软岩变形力学机制的转化技术根据对软岩的基本概念、力学属性、分类及其变形力学机制的研究，发现了软岩巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的“并发症”和“综合症”复合型变形力学机制，复合型变形力学机制是软岩变形和破坏的根本原因。因此，要想有效地进行软岩巷道支护，单一的支护方法是难以奏效的，必须采取“对症下药”的符合这种“综合症”、“并

31、发症”特点的联合支护方法。为此，要对软岩巷道实施成功支护，须运用三个技术关键：(1)正确地确定软岩变形力学机制的复合型；(2)有效地将复合型变形力学机制转化为单一型；(3)合理地运用复合型变形力学机制的转化技术。不同的变形力学机制类型有不同的支护技术对策要点，而且软岩巷道类型的共性是具有“并发症”和“综合症”的复合型。因此，支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一型。由于各软岩“综合症”的内在变形力学机制不同，其转化的对策有所不同，对应的转化技术也不同。因此，要做好软岩支护工作，除了正确地确定软岩巷道变形力学机制类型、有效地转化复合型的变形力学机制之外，要十分注重并合理地运用复合型向单一型

32、转化技术，即与软岩变形过程中每个支护力学措施的支护顺序、时间、效果密切相关，每个环节都将是十分考究，必须适应其复合型变形力学机制特点。只有这样，才能保证支护做到“对症下药”，才能保证支护成功。例如广西那龙二号井井底车场的变形力学机制是IAIIBDIIIBA型，通过合理地运用泵房吸水井集约化新设计、获得国家发明专利的预留刚柔层支护技术以及锚杆三维优化技术等转化技术使其逐步转化为单一型IIB型，具体转化过程如图2所示。图图2 广西那龙二号井复合型变形力学机制转化技术广西那龙二号井复合型变形力学机制转化技术1、软岩巷道破坏机理软岩巷道破坏机理由于软岩已进入非线性塑性大变形阶段，变形场是非线性力学场，

33、因此，软岩巷道的破坏机理同硬岩巷道明显不同。软岩巷道的破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性出现不耦合所造成的，并且首先从某一部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。按其变形力学机制不同，软岩巷道的破坏机理主要有以下四种类型四种类型：第一类：强度不耦合。是指支护体和围岩的强度不耦合，非均匀的荷载作用在等强的支护体上，形成局部过载，产生局部破坏，最终导致支护体失稳。第二类：刚度正向不耦合。是指支护体和围岩的刚度正向不耦合，支护体刚度(ES)小于围岩刚度(ER)，围岩产生的过量变形得不到限制，使围岩剧烈变形损伤、强度降低，从而将其本身所承担的荷载传递到支护体上，形成局部过载而产生破坏。第三类：刚

34、度负向不耦合。是指支护体和围岩的刚度负向不耦合，支护体刚度(ES)大于围岩刚度(ER)，围岩的膨胀性等能量不能充分转化为变形能而释放，造成局部能量聚集，使支护体局部过载而首先产生破坏。第四类：结构变形不耦合。是指支护体和围岩结构变形不耦合，支护体产生均匀的变形，围岩中的结构面(如软弱夹层、层理面、断层面、节理面等)产生差异性滑移变形，使支护体局部发生破坏。2、软岩巷道关键部位耦合支护软岩巷道关键部位耦合支护（1）关键部位的定义关键部位的定义 现场工程实践表明，对于软岩巷道，无论是新开巷道、还是实施了多次支护的翻修巷道，其破坏是一个渐进的力学过程，总是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整

35、个支护系统的失稳。这些首先首先破坏的部位破坏的部位，称之为关键部位。 关键部位的具体表现特征是：沿巷道断面各个方向的位移速度各不相同，总是从剧烈变形的部位发生裂纹，鳞状剥落，变形破坏区域逐渐扩大，最终导致整个支护系统的失稳。（2）关键部位的变形特征关键部位的变形特征 通过对各种类型的巷道位移测试曲线分析，关键部位的变形特征均是不稳定的变形曲线，大体上可分为四种类型，如图3所示。 U t 1 2 3 4 图图3 巷道关键部位的变形特征巷道关键部位的变形特征1关键部位未支护围岩变形特征；2，3关键部位围岩支护不耦合的变形特征；4围岩支护耦合的稳定变形特征 第第1种种类型曲线的特征是减速加速变形型，

36、反映了该关键部位的围岩强度远低于荷载，经历了一段减速变形后，在荷载作用下变形急速增加而破坏；第第2种种类型曲线的特征是缓慢减速变形型，反映了该关键部位围岩和支护体的联合强度仍然低于荷载；第第3种种类型曲线的特征是减速恒速加速变形型，说明该关键部位围岩和支护体共同作用强度仍略低于荷载；第第4种种类型曲线的特征是减速稳定型，反映了支护体和围岩相互作用是耦合的。前三种曲线类型都是关键部位的变形曲线特征类型。 U t 1 2 3 4 图图3 巷道关键部位的变形特征巷道关键部位的变形特征1关键部位未支护围岩变形特征；2，3关键部位围岩支护不耦合的变形特征；4围岩支护耦合的稳定变形特征 （3）关键部位关键

37、部位 耦合支护关键部位的确定采用工程裂纹反分析理论工程裂纹反分析理论。 根据裂纹的力学性质(拉、压、剪、扭、弯)、复合力学性质(压扭性、张扭性等)和裂纹体系的配套关系，可以推得产生裂纹部位的工程荷载性质及整个巷道工程的工程荷载组合特征。据此，不仅可以进行耦合支护对策设计，而且可确定出合理的耦合支护的顺序。 在巷道的关键部位，工程裂纹出现时常伴随着高应力腐蚀现象，即在支护体关键部位产生鳞片状、片状支护体剥落。工程裂纹反分析理论工程裂纹反分析理论：地下巷道工程是封闭性工程，在工程荷载作用下，在出现明显的变形之前，巷道工程时常在一些局部出现细小的工程裂纹。高应力腐蚀分为四个阶段：鳞状剥落阶段、片状剥

38、落阶段、块状崩落(塑性铰出现)阶段和结构失稳(崩塌垮落)阶段。出现高应力腐蚀现象的部位就是需要二次耦合支护的关键部位。因此，高应力腐蚀现象可以作为识别关键部位的标志。（4）关键部位的识别准则关键部位的识别准则A.变形准则：变形准则：巷道周边各点变形及其速率同时满足Ui0.6U；Ui/t0时，则表示出现了关键部位；B.强度破坏准则：强度破坏准则：出现了高应力腐蚀现象，则表征产生了关键部位。C.空间位置准则：空间位置准则：根据关键部位特征及其空间位置关系，可分为同位型关键部位和异位型关键部位。同位型关键部位是指破坏特征出现的位置就是关键部位的空间位置所在，是一致的；异位型关键部位是指破坏特征出现的

39、位置和关键部位的空间位置是不一致的，破坏特征出现只能证明已产生了关键部位，但关键部位的空间位置所在，必须做具体的力学分析才能得出。 根据研究，张性、张扭性裂纹的出现是同位型关键部位；压性、压扭性裂纹等高应力腐蚀现象的出现位置可能是异位型，也可能是同位型。(5)关键部位耦合支护的定义关键部位耦合支护的定义 关键部位耦合支护就是根据软岩巷道的破坏机理，针对关键部位产生的原因，通过位移反分析原理，确定耦合支护的最佳时间(段)，对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位即关键部位，通过支护的耦合而使其变形协调，限制限制围岩产生有害的变形损伤，同时最大限度地发挥发挥围岩的自承能力，使支护体的支护

40、抗力降到最小，从而实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。（6）关键部位耦合支护的时间关键部位耦合支护的时间 研究表明，变形力学状态进入图4中A区时，支护体多产生鳞状剥落；进入B区时，伴随着片状剥落；进入C区后，将产生块状崩落和结构失稳。因此，最佳支护时间(段)就是鳞、片状剥落的高应力腐蚀现象出现的时间。 在实际工程中，张性、张扭性裂缝宽度达到13mm时或巷道表面各点变形量达到设计余量的60%，即进入耦合支护的时间。另外，通过对巷道位移时间(Ut)曲线(图5)监测结果，可以判定巷道位移变化速率由快到趋于平缓的拐点T0附近为最佳耦合支护时间。图5 最佳支护时间的确定图4 最佳支护时间(段

41、)的含义根据软岩巷道围岩的变形破坏机理，软岩巷道实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合。3、软岩巷道耦合支护的基本特征软岩巷道耦合支护的基本特征（1）强度耦合强度耦合 由于软岩巷道围岩本身所具有的巨大的变形能，一味采取高强度的支护形式不可能阻止其围岩的变形，从而也就不能达到成功进行软岩巷道支护的目的。与硬岩不同的是，软岩进入塑性后，本身仍具有较强的承载能力，因此，对于软岩巷道来讲，应在不破坏围岩本身承载强度的基础上，充分释放其围岩变形能，实现强度耦合，再实施支护。（2）刚度耦合刚度耦合 由于软岩巷道的破坏主要是变形不协调而引起的，因此，支护体的刚度应与围岩的刚度耦

42、合，一方面支护体要具有充分的柔度，允许巷道围岩具有足够的变形空间，避免巷道围岩由于变形而引起的能量积聚；另一方面，支护体又要具有足够的刚度，将巷道围岩控制在其允许变形范围之内，避免因过度变形而破坏围岩本身的承载强度。这样才能在围岩与支护体共同作用过程中，实现支护一体化、荷载均匀化。（3）结构耦合结构耦合 对于围岩结构面产生的不连续变形，通过支护体对该部位进行加强耦合支护，限制其不连续变形，防止因个别部位的破坏引起整个支护体的失稳，达到成功支护的目的。传统的组合拱设计观点认为，巷道围岩注入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间排距、锚杆对岩体的控制角有关，一般取45。数值模拟结果表明，的取值取决于锚

43、杆与围岩的耦合程度。4、锚杆围岩耦合支护锚杆围岩耦合支护由图6a单根锚杆周围岩体的应力分布图看出，由于岩体开挖，顶部岩体要向下移动、变形，下部岩体和上部岩体的变形大小是不同的，锚杆的存在，增大了岩体整体的刚度，使岩体的变形更加协调，下部岩体变形比上部岩体的变形要大的多，此时锚杆就处于一种受拉状态，当锚杆顶端深入稳定岩体中时，锚杆对于下部岩体起着悬吊作用，从应力分布上看出，在锚杆的顶端，锚杆对岩体的影响范围最大。若将岩体弹模降低到10000kPa时，单根锚杆的作用范围在锚杆顶部降低了60%左右，其它部位锚杆的作用范围也都有所降低(图6b)。图6 单根锚杆作用y应力分布图从这里可看出，通常认为的锚

44、杆的影响范围是在锚杆顶端沿45向下的区域的观点具有一定的局限性。当锚杆与岩体的耦合适当时，即锚杆与围岩在刚度上相差两个数量级时，锚杆的作用范围是超出这一范围的。当岩体弹模为1104kPa，锚杆的弹模为1108kPa时，通常的认识才符合事实。a岩体弹模E=1106kPa，锚杆弹模E=1108kPab岩体弹模E=1105kPa，锚杆弹模E=1108kPac岩体弹模E=1104kPa，锚杆弹模E=1108kPa d岩体弹模E=1103kPa，锚杆弹模E=1108kPa图图7 群锚加固作用群锚加固作用 y应力分布图应力分布图因此可以认为，在耦合条件下，即围岩与锚杆在刚度上相差两个数量级时，锚杆调动岩体

45、强度范围远远超过传统界限。与单根锚杆与围岩作用效果相似，群锚加固岩体的影响范围的大小与锚杆和岩体的刚度相对大小有关，并不都是锚杆顶部向下45范围内(图7)。当锚杆与围岩在刚度上达到耦合时，即当锚杆弹模为1108kPa、岩体弹模为1106kPa时，群锚的影响区将比此范围增大20%左右(图7a)当岩体弹模为1105kPa时才是人们通常认为的沿锚杆顶部向下45的加固范围(图7b)当岩体弹模降低到1104kPa和1103kPa时，群锚的加固范围又相继降低(图7c、d)。5、锚网围岩耦合作用分析锚网围岩耦合作用分析 锚网和围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚网支护，都会引起局部应力集中而造成巷道破坏。

46、只有当锚网和围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能相互协调。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散低应力区转移和扩散，从而达到最佳支护效果。（1）围岩集中应力区向低应力区的转移现象围岩集中应力区向低应力区的转移现象 数值模拟研究结果表明，实施锚网耦合支护技术以后，围岩支护状态从开放环境到封闭力学环境，围岩集中应力区向低应力区发生了转移和扩散。图8表明，在巷道掘进初期，巷道围岩顶部应力迅速集中，是巷道垮落危险区域；在实施锚网耦合支护后，顶部应力集中区迅速下降，而帮部低应力区应力状态迅速提高，整个围岩不同部位应力状态趋于均匀化，整个应力扩

47、散均匀化过程是通过锚网耦合设计自动实现。该变化规律已在施工现场得到证实。图图8 集中应力区向低应力区转移集中应力区向低应力区转移1掘进锚喷后围岩应力状态；2锚网耦合设计作用后应力状态；3应力转化中性点；4应力变化趋势（2）围岩应力场和位移场的变化围岩应力场和位移场的变化 对比不耦合支护与锚网耦合支护时的应力场、位移场变化情况可以看出，不耦合支护(图9a)下竖直方向应力在顶部和底部较为突出，应力集中区范围明显大于锚网耦合支护下的应力范围。实施锚网耦合支支护(图9b)后的应力集中区出现在巷道的两角部，同样应力值大于不耦合支护下的应力值。在巷道整体变形更均匀(图10a)的同时，锚网耦合支护(图10a

48、)下的岩体变形明显小于不耦合支护(图10b)下的岩体变形。a不耦合支护 b锚网耦合支护图图9 巷道围岩巷道围岩 y应力图应力图a不耦合支护 b锚网耦合支护图图10 巷道围岩变形图巷道围岩变形图因此，在耦合支护情况下，随着围岩受力由集中应力区向低应力区转化，锚杆受力趋于均匀化，围岩的应力场和应变场趋于均匀化。6、 锚索关键部位耦合支护锚索关键部位耦合支护图11图12为均质围岩条件下有无锚索加固时的模拟计算结果。由图11a可以看出，没有锚索支护时，直墙半圆拱巷道周围形成“双耳”应力集中关键部位，常常造成巷道两边剪坏；在应力集中关键点上施工锚索(图11b)后，浅部围岩剪应力集中程度明显减小，深部岩体

49、的剪应力水平显著增加，表明调动了深部岩体强度，控制了浅部岩体的稳定性。a无锚索 b有锚索图图11 巷道围岩巷道围岩 xy应力图应力图a无锚索 b有锚索图图12 巷道围岩巷道围岩 y应力图应力图由图12可以看出，无锚索支护(图12a)时，巷道拱顶应力集中程度较高，施加锚索后(图12b)，使应力集中程度大幅度降低，同时使深部围岩岩体y发生集中。通过比较可以看出，施加锚索支护后与施加前巷道围岩应力分布具有明显不同，主要表现在施加锚索支护后，剪应力明显向巷道深部围岩延伸、扩张，应力集中程度相对减小，在巷道围岩深部锚索顶端出现拉应力集中区。这说明由于锚索的作用，使巷道深部岩体也承担了浅部围岩的支护荷载，从而减小了巷道的变形量。同时，巷道开挖后，围岩的强度由空区向深部逐渐增大到原岩强度，通过锚索的作用，调动了巷道深部围岩的强度，从而达到了对巷道浅部围岩的支护效果。目前，我国生产矿井逐步进入深部开采状态，基建矿井基本上已进入深部开拓状态，如果说建立在经验和经典线性力学基础上的现行设计规范尚能适合于浅部小荷载下的巷道支护设计，那么，进入深部大荷载、大变形软岩状态的深部软岩巷道支护设计必须用软岩工程力学为理论基础的软岩巷道非线性大变形力学支护设计方法。1、软岩巷道