软岩问题从 20 世纪60 年代就作为世界性难题被提了出来

1、软岩问题从 20 世纪60 年代就作为世界性难题被提了出来，特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。“九五”期间，我国10 个能源建设基地有8 个都相继出现了软岩问题，造成多对矿井的停产停建2，软岩支护问题已经直接影响和制约了我国煤矿的安全生产。为此，国内外许多学者针对软岩支护问题进行了大量的理论与试验研究，提出了许多有影响的软岩支护理论与稳定控制技术，解决了大量的软岩支护问题。但是，由于各软岩巷道所处地质条件的复杂性，特别是随着浅部资源的枯竭以及国民经济快速发展对资源的需求量越来越大，煤矿开采深部逐年增加，在深部高应力环境中，许多在浅部为硬岩特性的岩层也表现为软岩特性，软岩

2、巷道支护难的问题仍然是影响和制约煤矿安全生产的主要因素。因此，进一步研究软岩巷道变形破坏失稳机理与提出适合其稳定控制的支护技术，具有重要的社会与经济意义。1 巷道工程条件1.1 工程概况某矿北翼总回风巷设计总长度1250m ，埋深约280m 。巷道断面为半圆拱形，设计净宽5 米，净高4.3m ，原支护方案采用锚网喷+29 号U 型钢可伸缩棚联合支护，锚杆使用普通螺纹钢锚杆，规格18×2100mm，间排距为800×800mm。金属网用?6.5 钢筋焊接而成的金属网，喷射混凝土强度等级为C20，喷射厚度200mm 。自矿井二期工程以来，揭露的岩石条件很差，风井井底施工的200

3、多米巷道出现4 次冒顶，顶、底板不同程度地出现淋水，岩石遇水泥化，施工速度一直很慢，月进尺不足50m 。施工完的巷道出现不同程度的变形、开裂、底臌现象，该巷道部分断面施工23 个月后，顶底板及两帮最大变形量达1030mm ，给以后巷道维护维修带来难度，并导致生产成本的增加。1.2 原岩应力测试现场调查表明，巷道底臌与片帮（特别是右帮）比较严重，为了弄清楚造成巷道这种变形破坏的原因，采用应力解除法对巷道所处原岩应力状态进行测试，测试结果表明该区原岩应力场中第一主应力为水平应力，其值为15.6816.12Mpa ，最小水平应力值为8.919.46Mpa ，垂直应力大小为8.278.35Mpa ；最

4、大水平应力是垂直应力的1.701.76 倍，最大水平应力为最小水平应力的1.901.93 倍。1.3 巷道围岩的物理力学特性通过现场取样，对巷道围岩的物化特征进行了测试分析，其力学测试参数见。从可以看出，该巷道围岩条件属于典型的软岩。1.4 松动圈测试采用地质雷达的方法对巷道开挖后的松动圈进行了测试，共选择了3 个测试断面。测试结果表明该巷道围岩松动圈达1.5m2.5m，属于大松动圈。2 巷道变形破坏特点与原因分析2.1 变形破坏特点（1）顶底板收敛变形与两帮内挤严重，部分地点收敛变形量在23 月内达到1000mm 以上。（2）U 型钢支架出现严重偏转、折曲、扭曲、内挤与下插底板、形成尖顶等。

5、（3）巷道变形速率大且长期变形不止。矿压监测结果表明，巷道掘出初期，日平均变形量达10mm15mm，且变形长期不止，从掘出的23 个月，巷道一直在变形，部分地点直至破坏。2.2 变形原因分析（1）围岩承载能力较低是巷道失稳的主要原因。据室内岩样物理实验可知，该巷道围岩抗压强度均在20Mpa 以下，属于典型的软岩。加上各岩层连续性较差，RQD 质量指标较低，围岩整体承载能力将受到极大影响。（2）水的影响。根据矿井工程地质资料和实际情况，侏罗系含水层组的孔隙裂隙水是影响巷道掘进与支护的主要影响因素。由于巷道所处位置围岩大部分为泥质胶结，对水的作用非常敏感，岩体遇水泥化现象十分明显。（3）地应力以水

6、平应力为主，且数值较大。（4）巷道原支护结构方式和参数不合理。受巷道工程地质条件的限制，巷道成型效果不好、支架与围岩接触不良、喷射混凝土封闭效果不明显，整体支护强度不够。（5）底板和底角未采取有效的控制措施。原支护方案对巷道的底角和底板并没有采取有效的支护措施，当巷道的顶帮压力较大时，造成巷道底板中的围岩出现应力集中现象，从而使得巷道的底板产生显著塑性变形和剪切破坏，出现碎胀、弯曲、流变等变形。（6）大松动圈不稳定围岩。根据巷道围岩松动圈测试结果，松动圈范围较大，最大达2.5m 以上，属于V 类大松动圈较软软岩或极软软岩巷道。3 巷道大变形控制技术3.1 控制原则考虑到极软岩巷道围岩特性及不同

7、支护结构的承载性能，应从整体性、结构性、全面性、有效性和时效性原则出发，以积极主动的支护方式为主体，实现对巷道围岩变形的有效控制。（1）整体性原则。使支护与围岩实现共同作用，保证所有锚杆均发挥可靠的锚固作用，且与锚杆控制范围内的围岩形成一个整体，从而使支护与围岩形成的复合体发挥协同作用，表现出较大的刚度和较强的抵抗变形能力。（2）结构性原则。从支护与围岩共同作用形成的复合结构中的应力状态出发，通过加强锚固或增加锚固深度，改善支护结构中关键部位的应力状态，保证支护结构整体应力状态的均衡，避免因局部应力集中引起的支护结构局部首先失稳而破坏，从而导致支护结构的整体失稳。（3）全面性原则。不仅要加强巷

8、道顶帮的支护，而且要加强巷道底角和底板围岩的支护，形成全断面支护结构，以有效控制由于底角变形和底臌引起的支护结构顶帮失稳，进而导致支护结构整体失稳破坏的状况。（4）有效性原则，根据破碎围岩锚固及注浆后的力学特性进行支护结构参数的设计，保证形成的支护结构具有较大刚度和较强的承载能力，满足有效抵抗静动压作用巷道围岩碎涨变形和蠕变变形的要求。（5）时效性原则，要充分考虑复杂条件下破碎围岩锚固及注浆加固后存在的流变效应，即采用支护体的长时强度，避免支护体在静动压作用下进入屈服状态，从而导致支护结构不能满足长期稳定的需要。3.2 控制对策（1）水的治理。首先是优选巷道层位，避免在含水岩层中掘巷，建议总回

9、风巷巷道沿15 煤底板掘进，以煤作为巷道顶板；其次是采取疏、喷、堵、复喷相结合的综合治水措施。（2）全断面封闭支护。以目前的U 型钢支架支护为基础，采用型钢反拱和混凝土封底找平等全断面封闭支护措施，以提高目前支架的整体承载能力；在岩性允许和治水成果显著的情况下，采用锚喷+钢架联合支护，并实施”关键部位”如帮部和底脚锚索结构补强。同时滞后一定距离，根据现场实测资料，确定进行壁后注浆充填的时机。（3）设计强力整体支护结构。通过U 型钢联合支护、锚喷网（梁）组合支护达到控顶控帮的目的；采用高强预应力锚索支护对关键部位进行补强支护；采用型钢反拱和混凝土封底找平或者后期采用自钻锚杆进行锚注以对底板进行加

10、固。（4）释放高应力。通过预留围岩收敛变形富余量，允许围岩产生一定量的变形，释放掉部分应变能，从而降低支护难度。3.3 支护方案设计根据前面分析结果，提出总体支护方案为：超前探测和预注浆加固初次U 型钢可缩支架与喷网支护底板梁与反底拱和注浆加固顶帮二次锚注加固关键部位锚索加固，结合顶帮预留变形量等措施，适时实施二次支护与加固，以保证巷道的长期稳定。具体支护实施细则与设计参数为：（1）超前钻孔探测与注浆加固形成帷幕。采用喷射混凝土配合砌筑混凝土止浆垫的方法封闭掘进迎头，再在掘进轮廓线内侧布置超前探测和注浆钻孔，全断面布置78 个超前探测与注浆钻孔，67 个布置在巷道周边上，1 个布置在断面中间。

11、初始钻孔直径110mm ，采用90mm 钢管作为注浆管，用黄麻和水泥-水玻璃胶泥封孔，后期沿注浆管进行钻进，钻头直径为75mm 。采用分段钻进，完成注浆加固后，再沿原孔位钻进，达到一定深度后再进行注浆，如此循环，直至穿越整个涌水区或达5060m 左右，进行集中掘进与支护（2）初次U 型钢支架和喷网支护。采用29U 型钢制作成可缩性支架，排距800mm ；金属网采用6.5mm 圆钢焊接的经纬网，喷射混凝土厚度5060mm ，保证覆盖住围岩、型钢支架的翼缘及金属网，为实施高性能二次锚固支护与注浆加固创造条件。（3）底板梁与反底拱支护。滞后掘进迎头5060m 或2040d 进行底板的掘进与支护施工。

12、卧底达到设计断面后喷浆封闭底板围岩，铺设底层钢筋网，安装底板梁，再铺设面层钢筋网，然后浇灌混凝土，形成底板反底拱。底板反底拱：矢跨比为1:6，拱厚为400450mm，配双层钢筋网，底层钢筋网与帮角初次支护钢筋网相连；底板梁采用29U 型钢制作，排距与支架排距一致，并与顶帮支架相连形成一体；上层钢筋网可在后期与二次支护钢筋网相连，然后再用混凝土浇灌，面层留4050mm 作为后期注浆加固的封孔层。（4）高性能全断面锚固二次支护。完成巷道掘进与初次支护和底板反底拱施工后，进行全断面二次锚固支护。顶、帮、底支护中采用的高强度螺纹钢锚杆和内注浆锚杆间隔布置，锚杆间距为800mm ，排距与支架排距一致80

13、0mm ，梅花形布置；螺纹钢锚杆规格为直径22mm ，长度2400mm ，锚固长度大于1.0m ，锚固力大于150kN ；内注浆锚杆规格为直径22mm ，长度2400mm ，采用直径22mm 无缝钢管滚丝制作，树脂药卷端锚，锚固长度大于200mm ；如底板成孔困难，可采用自钻式内注浆锚杆进行支护与注浆加固。（5）关键部位锚索加强支护。在巷道拱肩和底角位置采用预应力锚索加强支护，全断面布置预应力锚索4 根，排距为2400mm ，规格为直径17.8，长度6500mm 。如成孔过程中出现导水现象，可先利用加深的锚索孔进行深孔点源高压注浆加固，然后再刷孔安装锚索，保证关键部位的加固效果。4 支护效果分

14、析北翼总回风巷掘进与支护技术方案于2009 年2 月15 日开始，中间由于穿插移皮带等其他工作，实际共施工约25 个工作日，共进尺约32.4m ，后由于榆树井煤矿的地质条件变化和建设任务调整，北翼总回风巷掘进工程于2009 年3 月暂停。由于该原因其他监测仪器没能安装，只是在进尺段设置了两个表面收敛变形监测断面，断面一在新方案实施后的第10米左右，共监测了约12 天数据，第二监测断面设置离断面一约15 米左右，共监测了约8天左右，其收敛变形曲线见。可知：收敛变形监测仅是初次支护实施后的收敛变形情况，虽然监测周期较短，但是可以看出来巷道收敛变形速率在逐渐的减小。另外，顶底板的收敛变形主要是由于底鼓引起的，如果进行二次全断面锚注