专题-深井软岩巷道支护技术浅析.doc

1、专题部分深井软岩巷道支护技术浅析摘要：我国国有大中型煤矿开采深度每年约以812 m的速度向深部增加，一些老矿区和缺煤矿区相继进入深部开采阶段。由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，巷道维护难度大幅增加，严重影响了矿井的正常生产。本文基于深井巷道围岩应力松弛特征，建立锚杆支护条件下的黏弹性应力松弛力学模型深井巷道围岩应力松弛特征，建立锚杆支护条件下的黏弹性应力松弛力学模型，并根据工程实践，提出了以内注浆锚杆为核心的锚注支护体系，来解决深部高应力极软岩巷道支护难题。关键词：深井软岩巷道；锚注支护；应力分布；应力松弛0引言随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少，煤矿的开采深度不

2、断增加，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。随着开采深度的加大，我国大部分煤矿都出现了不同程度的软岩灾害，常导致矿井停产、停建等事故。有关资料表明，我国煤矿巷道掘进速度约为6000 km /a，其中深部软岩巷道占年巷道总量的28% 30%，软岩巷道的返修率高达70% 以上，尤其是深部软岩巷道破坏更加严重，深部软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难题之一。深部岩体受“三高一扰动”的复杂力学环境的影，深部工程围岩的地质力学环境较浅部发生了很大变化，从而使深部巷道围岩表现出其特有的力学特征现象，如围岩应力场的复杂性，围岩的大变形和强流变性特性，深部岩体的脆延转化等。随着开采深度的增加，巷道围岩的

3、地应力水平也越来越高，特别是在构造活动强烈地区，残余构造应力更大，水平地压往往大于垂直地压，形成高水平地应力，这些都增加了深部软岩巷道地压显现及巷道围岩破坏的剧烈程度，使深部软岩巷道支护更加困难。我国在软岩支护方面进行了大量的科研工作和试验研究，形成了锚喷支护、可缩性金属支架和高强混凝土弧板支架系列及锚杆、锚索和注浆等联合支护系列等软岩巷道支护体系。砌碹、金属支架等被动支护形式，其支护成本高，施工速度慢，破坏后维修较为困难，难以满足深度软岩巷道的支护要求；目前锚杆支护体系受到广泛的重视，并在深井、软岩等复杂条件的巷道中普遍使用，但是深部所要锚固的岩体为一些破碎岩体或松散岩体，破碎或松散岩体，围

4、岩的可锚性比较差，很难满足深部高应力膨胀性软岩巷道的支护要求；而大直径高强超长锚杆、长锚索等支护方式，施工时需用专用设备，支护成本高，施工速慢，也不能大量用于我国深部高应力膨胀性软岩巷道支护。为此，提出了以内注浆锚杆为核心的锚注联合支护体系，以解决深部高应力膨胀性巷道的支护难题。1国内外研究现状1.1软岩的定义目前国内外对“软岩”这一概念的认识还未能形成统一的观点。自上个世纪60年代至90年代初，对于软岩的定义有几十种之多，学术界对此也是争论不一。国外的Coates、Deer和Miller、Brock和Franklin、Jennings、Bieniakwski、Eigenbrod、Morgen

5、ston、Barla、Sciotti、Cerici、E.Holk等对于软岩的概念进行过研究。1951年，国际岩石力学学会在日本召开了“国际软岩学术讨论会”，对软岩的概念进行了专题讨论。1984年，国内岩石力学方面的专家、学者在昆明举行的“煤矿矿山压力名词讨论会”中，对松软岩层的定义进行了专门讨论，并于会中达成共识: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钻上矿物的松、散、软、弱岩层。综合比较近些年对软岩概念的研究成果，发现其定义的形式仍然较多，各有其优缺点，概括起来有如下三种：1）描述性定义：陆家梁高工从软岩的成岩时间、结构、胶结程度以及自身强度方面

6、出发，认为软岩的概念为:松软岩层是指那些松散、软弱的岩层，它是相对于坚硬岩层而言的。郑雨天高工、王梦恕、何修仁教授等认为软岩是指软弱、破碎、膨胀、流变、强风化及高应力岩体的总称。朱效嘉教授提出，松软、破碎、软弱、膨胀及风化等岩层称为松软岩层，简称软岩。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。2）指标性定义：国际岩石力学学会定义：软岩是指单轴抗压强度在0.5一25MPa的一类岩石。G.Russo定义:软岩是指单轴抗压强度小于17MPa的岩石。另外，有些学者认为，/h2的岩层称为软岩(为单轴抗压强度，为岩石容重，h为深度)。3）工程性定义：中国矿业大学董方庭教授提出，围

7、岩松动圈大于1.5m的围岩称为软岩。中国矿业大学鹿守敏教授提出，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。有些学者认为，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”。上述各种定义各有优缺点，在工程实践中都或多或少的存在局限性。比如指标性软岩定义应用于工程实践中会出现矛盾，如巷道所处安全深度足够小，地应力水平足够低，则小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特性;相反，大于25MPa的岩石，其工程部位足够深，地应力水平足够高，也可以产生软岩的大变形，大地压和难支护的现象。何满潮教授通过近10年的工程实践检验，抽象出软岩的本质特征，提出了新的软岩概念，将软岩分为地

8、质软岩和工程软岩。并指出了二者的区别和联系，并建议在软岩工程中应该用工程软岩的涵义。地质软岩是指单轴抗压强度小于 25MPa的孔隙度大、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钻土矿物的松、散、软、弱岩层，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。而工程软岩是指在工程力作用下能够产生显著塑性变形和流变特性的工程岩体。其中工程力指的是作用在巷道工程岩体上力的总和，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。显著塑性变形包含显著的弹塑性变形、粘弹

9、塑性变形、连续性变形和非连续性变形等。当工程力一定时，不同岩石，可能表现为硬岩，也可以表现为软岩，而对于同一种岩石，在较低工程力的作用下可表现为硬岩的变形特性，而在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的变形特性。地质软岩和工程软岩的关系：当工程载荷相对于地质软岩(如泥页岩等)的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形的特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生显著变形的地质软岩，才作为工程软岩，在高深度高应力作用下，部分地质硬岩(如泥质胶结砂岩等)也呈现了显著的变形特征，也应视为工程软岩。通过以上分析可以看出，软岩工程是一个相对的概念，不同的空间位置(如埋深等)，不同的环境条件下，都会使

10、软岩工程所表现出来的特性发生改变，甚至使软岩工程发生根本性的变化。1.2软岩的分类准确地判断围岩的类型，恰当地评价巷道在所处围岩及应力环境条件下支护的难易程度，对于巷道支护参数的选定至关重要。国内外对岩体分类已提出了几十种甚至上百种方法，但对软弱岩体分类的研究较少。总的来说，国内外对软弱岩体分类所考虑的因素是比较一致的。根据 工程岩体分级标准 所依据的岩石坚固性程度和岩体完整程度这两个决定各类工程岩体稳定性的基本共性因素作为主要影响因素，将软岩划分为4类，即：高应力型软岩、节理型软岩、膨胀性型软岩和复合型软岩，见表1.2.1。表1.2.1 软岩工程分类软岩名称泥质含量单轴抗压强度/MPa塑性变

11、形特点高应力软岩25%25遇水发生少许膨胀，在高应力状态下，沿片架状钻上矿物发生滑移节理化软岩少含低 中等沿节理等结构面产生滑移、扩容等塑性变形膨胀性软岩25%25在工程力作用下，沿片架状硅酸盐豁土矿物发生滑移，遇水显著膨胀等复合型软岩含低 高具有上述某种组合的复合型机理1.3软岩支护理论支护理论是实施地下工程支护设计的理论根据。早期，在传统的松动地压支护理论的指导下，所采用的支护方式都是被动式支架支护。20世纪初发展起来的以海姆、朗肯和金尼克理论为代表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。但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符合实际之处，于是坍落

12、拱理论(也称为松软压力理论)应运而生，其代表有太沙基理论和普氏理论。此类理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题，其中最著名的是Felme公式和Kastuer公式。到了60年代，随着弹塑性理论的发展，形成了变形地压支护理论，也产生了新奥法，揭开了地下工程支护的新篇章。三十多年来，国内外岩石力学对软岩工程问题进行了广泛的研究工作。中国岩石力学与工程学会于1995年专门成立了软岩工程专业委员会，经许多学者的共同努力，使得我国在软岩支护技术和支护理论方面取得了较大的进展，特别是在软岩支护技术

13、方面发展较快，形成了钢架支护系列技术、料石暄支护系列技术、锚、喷、网支护系列技术、注浆加固系列、预应力锚索支护系列技术以及以上各种支护组合的联合支护系列等。与软岩的支护技术研究相比，支护理论研究相对较弱，从而制约了支护技术的进一步发展，给工程支护带来了很大的盲目性。如自从将新奥法引入软岩支护的初期，国内软岩支护普遍采用锚喷系列二次或多次支护，并发展了各种让压技术，但最终支护成功的工程较少，后又逐步采用联合强力支护，虽支护成功的工程逐步增多，但支护成本在不断地提高。由于新奥法及其让压理论在软岩支护中应用时常失效，因此，必须反思现有的支护理论，探讨适合于软岩的支护理论显得尤为重要。目前，国内外软岩

14、支护理论有两大类，一类是用定性的原则表述的支护理论；另一类是用定量的力学模型研究的支护理论。1）定性的支护理论定性的支护理论主要有新奥法及松动圈支护理论。新奥法是奥地利学者 Rabeewice在总结前人经验后提出的一套隧道设计与施工原则，米勒将其总结为22条。至今为止，新奥法仍是国际上在地下工程设计与施工中占主导地位的权威理论。我国对新奥法的引进与推广虽较西欧晚十多年，但由于它的引进正好与软岩问题的大量出现同步，故三十多年来一直将其作为软岩支护的主要理论。新奥法摒弃了隧道力学中的以普氏理论为代表的松动地压理论，将岩体视为承载体，这种认识上的重大转变给支护带来了一场革命，所提倡的主动支护和柔性支

15、护方法对软岩是有效的，其22原则可用于设计、施工、监测反馈等各种工作，形成了比较完整的理论体系。其中的17条原则比较容易理解，提法较明确，相当一部分原则可操作性强。新奥法的不足主要表现在其中的5条原则(最终围岩允许变形量、一次支护时间及确定、二次支护强度及刚度等)难以真正理解和掌握。总体说来，新奥法是大量规律的经验总结，其理论基础是当时的岩石力学理论基础一弹塑性理论，一些原则可以用力学原理去解释，而有些尚难做到。众所周知，软岩表现出来的工程特性已超出了简单的弹塑性问题范畴，用传统的新奥法处理软岩支护问题必然带来理论和技术上的不足。董方庭根据围绕开挖空间所产生的松动圈以及松动圈在支护中的作用和地

16、位，提出了松动圈支护理论，并建立了松动圈大小和支护力大小的经验关系，对解决软岩支护问题起到了积极的作用。但由于松动圈是围岩变形与破坏的最终产物，仅从这一最后形式分析问题，不仅难以考虑软岩中出现的各种较为复杂的情况和影响因素，也难以建立较为系统的又有较为严密理论基础的软岩支护理论。2）定量的支护理论定量的支护理论研究的历史实质上是围岩力学模型的研究历史。20世纪50年代以前，围岩的力学模型经历了刚性、弹性和弹塑性发展阶段。50年代开始，流变力学引入到岩石力学，至70年代，岩石流变及流变地压的研究已非常活跃，目前，考虑流变、软化、损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用的围岩力学模型已在国内外文献中较多地出现。2锚喷支护研究现状软岩巷道支护一直是矿山安全开采中十分重要的技术难题，随着开采向纵深发展，软岩巷道支护问