软岩巷道支护技术研究进展

软岩巷道支护技术研究进展张青软岩巷道支护技术研究进展摘要：随着我国新生代煤层的大力开发，软岩矿井的数量也在与日俱增。特殊条件下的巷道施工与维护问题已变得日益突出，并成为影响和制约我国煤炭工业发展的重要因素之一。采用常规的支护方法，已不能满足安全生产的需要。研究有效而经济的软岩支护方法,是当前生产中急需解决的问题。为此查阅了大量相关科技期刊，对多个典型软岩矿井的支护技术进行分析，总结了我国软岩支护的发展现状。这对提高我国软岩支护的技术水平，提高经济效益，都有着十分重要的意义。引言由于深部岩体处于复杂的工程地质环境，使深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异，并且，随着开采深度的增加，伴随着硬岩矿井向软岩矿井的转型。在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，尤其是深部软岩巷道支护设计及实际的需要。随着其开采深度不断增加,受高应力的影响,软岩问题愈趋严重,深部围岩处于软岩状态,施工条件趋于复杂化,巷道及硐室支护的难度和破坏程度不断增加。底臌是煤矿巷道中经常发生的动力现象,巷道底臌使断面缩小,阻碍运输、通风和人员行走,因底臌而造成巷道报废的现象时有发生,严重影响生产和威胁安全。软岩巷道支护问题日益突出。研究高效而经济的软岩巷道支护方法,是目前矿井生产急需解决的问题。软岩巷道的基本特征2.1软岩的概念软岩是我国煤炭系统的习惯用语,它的概念已不是狭义的字面上的含义。目前人们普遍认可的软岩的概念包括松散型软岩、破碎型软岩、流变型软岩、膨胀型软岩及高地应力型也称硬岩软化型软岩等五种特点岩石。2.2软岩的基本特征1)软岩松散破碎,结构疏松,容重低,孔隙率较高,强度小,稳定性差。一般软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成,单向抗压强度小于200Mpa。2)软岩易吸水崩解,膨胀性强。软岩膨胀的概念有两个一、专指那些含有膨胀性矿物如高岭石、蒙脱石等的软岩所产生的膨胀变形。3)软岩巷道自稳性差,围岩压力大,来压快,自稳时间短。多数围岩自稳时间仅几十分钟到几小时。4）软岩巷道变形量大,变形持续时间长,具有流变性能。软岩静压巷道中总变形量超过400-500mm者甚多。变形时间一般都在1-3个月以上,甚至半年后仍继续增长。5）软岩巷道变形速度快,变形范围广,底腻明显。软岩巷道的特征1）围岩的自稳时间短、来压快所谓的自稳时间,就是在没有支护的情况下,围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。软岩巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时,巷道来压快,要立即支护或超前支护,方能保证巷道围岩不致冒落。巷道围岩的自稳时间长短主要取决于围岩强度和地压大小,同时也和巷道的断面形状、掘进方法、巷道所处的位置等有关。2）围岩变形量大、速度快、持续时间长软岩巷道的突出特点就是围岩变形速度快、变形量大、持续时间长,一般软岩巷道掘进后的第1-2天,变形速度小的5-10mm/d,大的达50-100mm/d,变形持续时间一般为,有的长达半年以上仍不能确定。软岩巷道的围岩变形量,在支护良好的状态下,其均匀变形量一般达到60-100mm以上,大的甚至达300-500mm如果支护不当,围岩变形量很大,300-1000mm以上的变形量是司空见惯的。谢一矿780m水平位于泥岩层的运输大巷,在开巷后的100天内,顶底及两帮的移近量分别达到625m和387m,一年后达到1200mm和800mm,支护翻修后所产生的附加变形量仍达到300-400㎜。上述特点是软岩巷道最突出的特征。3)围岩的四周来压、底鼓明显。在较坚硬的岩层中,围岩对支架的压力主要来自顶板,中硬岩层对支架的压力来自顶板和两帮,但在松软岩层巷道中则四周来压、底鼓明显。松软岩层,由于结构疏松、强度低,很难支撑上覆岩层的重量,围岩在自重地压(rh)的作用下,以垂直变形为主,垂直变形中又以底鼓为主。软岩巷道的支护困难原因分析造成软岩巷道地压显现剧烈,支护困难的原因是多方面的,最主要的原因有以下几个方面。3.1岩层成岩年代晚,胶结程度差我国软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤矿区。这些矿区煤层顶底板岩石都非常松软破碎,易风化,因此怕风、怕水、怕展。3.2岩石强度低煤矿软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等,单向抗压强度都比较低。由于岩石强度低,表现在围岩松散、软弱,在中等或稍高应力水平状态下就能产生较大的围岩变形,支护困难。3.3节理发育,岩体破碎有些矿区,虽然岩石强度很高,但由于节理比较发育,岩体破碎,支护也十分困难。所以,在岩块强度高的节理化地层中,也可能表现出软岩特征。3.4围岩应力水平高岩石强度低是形成软岩的重要因素,但这只是问题的一个方面。岩石强度的高低是一个相对的概念,它与地应力紧密相联。如果岩体强度低,但地应力绝对值也低,就表现不出软岩特征。围岩应力水平高,表现在三个方面1)巷道埋深大随开采深度的增加,一些原本稳定性较好的围岩也显现出软岩的特征。2)构造应力大3)集中应力作用连接处巷道、受邻近巷道掘进影响的巷道等,其围岩均承受一定的集中应力,从而使围岩由稳定状态过渡到软岩状态。3.5岩石吸水膨胀遇水膨胀地层,多含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分,亲水后产生显著的体积膨胀,巷道开挖在这种软岩地层中,若治水措施不当极难支护。软岩支护技术在国内外的发展现状1新奥法20世纪60年代,奥地利工程师在总结前人经验基础上,提出一种新的隧道设计施工方法一新奥法,目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年,米勒教授较全面地论述了这种方法的基本指导思想和主要原则,并将其概括为22条。1980年,奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：“在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法”。其核心是利用围岩的自撑作用来支撑隧道,促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分,使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支撑环。新奥法既不是单纯的施工方法,也不是单纯的支护方法,而是充分利用和调动巷道围岩强度与自身承载能力,按岩石力学、围岩支护共同作用原理制定的一套地下工程设计、施工、支护、监测新概念。它是先用工程类比法确定第一次锚喷的参数,随之进行围岩的监控量测。经过量测信息反馈来调整支护参数。利用现代岩石力学中围岩与支架共同作用的理论,利用一次支护的变形、收敛以至局部开裂来释放围岩中的部分能量,延续一段时间后,再用二次支护补强,来解决一般的软岩支护问题。2应变控制理论日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为隧道围岩的应变随支护结构的增加而减少,而容许应变则随支护结构的增加而增大。因此,通过增加支护结构,能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围内。支护结构的设计则是在由工程量测结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。3能量支护理论萨拉蒙（M.D.Salamon）等人提出了能量支护理论,认为支护结构与围岩相互作用、共同变形,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。4

轴变论和开挖系统控制论于学馥等人于1981年提出“轴变论”,认为巷道塌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塌落是改变巷道轴比,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,于学馥等人运用系统论、热力学等理论提出“开挖系统控制理论”开挖干扰了岩体的平衡,这个不平衡系统具有自组织功能。5

联合支护技术该技术是在新奥法基础上发展起来的,以冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉为代表。重要观点为对于巷道支护,一味强调支护刚度是不行的,要先柔后刚,先让后抗,柔让适度,稳定支护。4.6锚喷一弧板支护理论该理论是对联合支护理论的发展,其要点为对软岩总是强调放压是不行的,让压后要坚决顶住,即强调联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式,坚决限制围岩向中空位移、4.7松动圈理论该理论是董方庭教授提出的,其主要内容凡是裸体巷道,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。4.8关键部位藕合组合支护理论该理论是中国矿业大学北京校区何满朝教授提出的,认为地下工程的破坏是由于支护体与围岩在强度、刚度、结构上存在不祸合造成的,巷道的支护应该从其变形力学机制人手,对症下药。复杂巷道支护应分为两次支护,一次支护为柔性支护,二次支护为关键部位的祸合支护。4.9围岩动态工程分类理论该理论从基于诊断具体巷道围岩的结构组合及应力环境下巷道的破坏形式和特点出发,对巷道围岩破坏演化规律进行分析,最终实现面向巷道围岩不同部位有针对性的定量控制。此外,还有高强度弧板支护理论、位移反分析理论、软岩工程地质力学理论、极限跨度及平衡理论、灰色系统决策理论、优化理论等。

由上述分析可以看出,影响较大、自成体系的主要是新奥法,即新奥地利隧道施工法。20世纪60年代中期诞生以来,新奥法在很多国家得以成功应用。20世纪70年代被介绍中国后,按该原理及要求组织的许多工程取得了良好的技术经济效果。目前,国内外软岩巷道支护普遍是遵循新奥法的基本原理和方法。事实上,新奥法已成为具有世界声誉的隧道支护技术。我国软岩巷道支护技术的研究大体上是遵循新奥法的基本原理展开的。但是近年来,随着我国煤矿采深不断加大,运用新奥法进行软岩巷道支护出现了一些问题,主要有①新奥法要求一次支护后达到变形相对稳定时再进行二次支护,等稳往往是等垮②新奥法的二次支护是全断面等强技护,而围岩荷载是不均匀分布的,因此常常在薄弱环节失稳,进而导致巷道破坏③新奥法二次支护时间的选择,必须基于大量细致的现场应力、位移监测,但对如何利用量测结果,也缺乏明确的围岩稳定性的判据。过程比较繁杂,现场工程技术人员不容易接受,可操作性差。虽然如此,但新奥法以其发挥围岩的自撑作用、动态性、针对性,作为一种指导思想和控制设计原则,仍具有不可替代的重要意义。5.3锚、网、喷与U钢金属支架联合支护对特别松软、破碎岩层,采用锚、网、喷支护作用不明显时根据围岩变形的特点,采取锚、网、喷作为一次支护,可使喷层及时封闭围岩,容易做到及时支护,提供一定的初锚力和较大的锚固力,能较好地满足特别松软、破碎围岩巷道第一阶段围岩变形的要求。当巷道围岩变形基本稳定后,使用U型钢可缩性金属支架进行二次支护,以适应第二阶段围岩变形的要求。实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆,增加围岩自承圈厚度,实现厚壁支护;二是进行锚索加固。由于锚索长度较大,能够深入到深部较稳定的岩层中,锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200KN,限制围岩有害变形的发展,改善了围岩的受力状态,增加围岩自承圈厚度,实现厚壁支护;三是改变支护结构。在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷(梁)支护,从而形成完整的、封闭的支护整体[6]。5.4高强描杆、预应力描索加固由于软岩巷道围岩开掘后围岩来压快、变形大,普通锚杆锚固力低且无法提供较大的初撑力阻止围岩变形,采用预应力高强锚杆可以很好地解决这个问题。在锚杆安装时施加一定的预应力,这样就可以提供较大的初撑力,及较小巷道围岩的变形速度,同时高强锚杆又可以提供较大的锚固力,提高锚固体的自承能力。对于极软岩巷道,在进行锚网喷支护后虽然对巷道顶板起到了加固作用、改善并保持了顶板的整体性,但是当围岩松动圈的范围大于锚固体的厚度时,锚固体将失去着力点,此时极易发生锚固体以上离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落的显现。在这种情况下,只需较小密度的预应力锚索,就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的上部岩体上,避免巷道垮落。巷道围岩破坏是一个渐进的、从局部到整体的破坏过程，并且总是从围岩或支护系统的某一个或几个位置首先变形、损伤，进而导致整个系统的失稳和破坏，首先发生不连续变形或破坏的区域就是锚索支护最佳位置软岩巷道支护技术的种类5.1普通支护普通支护就是支架脱离了岩体之外,消极被动地承受岩体变形、破碎施加的能量,以支架自身的强度支承围岩,在围岩发生变形时,支护有一定的可缩量。5.2锚杆的联合支护技术为了进一步提高软岩巷道稳定性,锚杆被广泛应用于锚网喷技术及锚注技术等。锚网喷技术中,锚杆锚固在未破坏的岩体上,阻止围岩松动变形和破坏;喷射混凝土喷层封闭围岩表面,支护锚杆间围岩,防止表面岩层冒落;喷层中铺设钢筋网,可增加喷层的强度和柔性,提高支护的整体性。锚杆、混凝土喷层和钢筋网三者组成的支护体与围岩紧密结合,共同承载,既充分利用和发挥了围岩的自承能力,又在与围岩共同变形过程中及时提供支护抗力,限制围岩产生有害变形,从而保持巷道稳定[4]锚注支护是兼有锚杆支护与注浆加固共同优点的一种支护方式。在巷道开挖以后,对巷道围岩进行喷浆封闭,防止围岩进一步风化;然后在围岩中打入注浆锚杆进行注浆加固。注浆锚杆既有锚杆支护的特点,又能通过此锚杆对围岩进行注浆。通过注浆、浆液充填、压密裂隙空间,使围岩由注浆前的无约束松散状态变为由锚杆、浆体和围岩共同作用的具有承受抗压、抗剪切、抗拉等适应复杂应力、应变状态的支护体[5]。5砌碹支护及喷砼技术砌碹支护是软岩支护的传统方法,利用支护体自身的支护强度来支撑来自围岩的初期矿山压力,待平衡后,支护体和围岩一起抵抗来自围岩层的压力。这种支护方法适合于巷道围岩非常破碎,矿压较大,采用锚喷支护优越性不显著;巷道围岩很不稳定,顶帮岩石极塌落,砼喷不上、粘不牢,锚杆的锚固力明显下降的含油泥岩、粘土岩及断层破碎带[8]。砌碹支护属刚性支护,由于巷道本身成形不规则,当应力重新分布时,支护体是局部而不是全部接触岩层。先接触岩层的支护体必将先产生形变,在地压过大时从某一支护薄弱点开始遭受损坏,碹体很容易被压碎,崩落。6锚网索–桁架耦合的技术通过上述分析和现场工程实际，锚网索–桁架耦合支护技术的特点可归纳如下：(1)最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，通过锚网索耦合支护充分深部围岩强度，使锚网–浅部围岩–锚索–深部围岩–桁架达到完全耦合，实现变形协调；(2)充分转化了围岩中膨胀性塑性能，释放了围岩中的高应力变形能；(3)支护体有足够的强度和刚度限制差异性、有害变形的产生，适时支护；(4)不仅进行支护材料的强度设计，使支护体间、支护体与围岩间达到强度耦合，还注重刚度设计，使支护体间达到刚度耦合。预留变形空间的原则是充分释放高应力强膨胀变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力，通过蠕变模型法结合现场工程条件计算预留变形量。问题与建议松软及破碎岩层支护是一个复杂的技术难题,我省国有地方煤矿在探索松软、破碎岩层支护方面,其技术发展还很不平衡,锚、网、喷支护除喷射混凝土粉尘浓度大、回弹多、湿料浆设备不配套、锚固力及喷射混凝土强度检查不稳定外,仍存在下列主要问题：1)锚、网、喷支护与型钢可缩性金属支架联合支护设计缺乏合理参数,型钢支架强