软岩巷道施工作业中支护问题浅析

贾立民

【摘 要】通过对软岩及其分类、特征的阐述，分析了软岩巷道支护困难的原因。针对软岩巷道围岩压力具有来压迅猛，围岩变形量大，巷道四周同时来压和持续流变，以及对各类扰动极为敏感等特点，明确了软岩巷道支护的基本原则与支护措施。

【关键词】软岩巷道；围岩强度；支护困难；流变性；底鼓；自稳能力；高强锚杆

中图分类号：TU74文献标识码： A

1、软岩及其分类

软岩亦称松软岩层，它是指“强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层，且具有流变性和高地应力的特点。”

关于巷道软岩分类，目前主要考虑以下几个方面：

（1）按岩石的坚固性判别

在地质柱状图中，如果浅埋巷道穿过的岩层的普氏系数， 可初步认定为软岩巷道。

（2）按岩层所含矿物成分判别

在地质资料中，如果巷道穿过的岩层含有大量的高岭石、伊利石、蒙脱石及其混合物（一般含量大于15%～20%）可视为膨胀性松软岩层。如果该岩层处于巷道底板，应预先采取预防底鼓的各种措施。

（3）按围岩自稳定时间判别

已开掘的巷道，在无支护情况下围岩自稳定时间小于12h，可以认定该巷道的岩层是属于软岩的范畴，应按软岩支护的要求进行设计与施工。

（4）按围岩松动圈大小判别

测量巷道围岩松动圈大于1.5m时，可以认定该巷道是属于软岩的支护范畴，要按软岩支护进行设计与施工。

2、软岩巷道的特征

对于软岩巷道，最明显的特征是地压显现都比较剧烈，巷道维护困难，主要表现在以下几个方面。

（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1～2d，变形速度小的为5～10mm/d，大的达50～100mm/d；变形持续时间一般为25～60d，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水平位于泥岩内的运输大巷，在开巷后的100d内，顶底及两帮的移近量分别达到625mm和387mm，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300～400mm。上述特点是软岩巷道最突出的特征。

（3）围岩的四周来压、底臌明显

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、底臌明显。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（γH）的作用下，以垂直变形为主，垂直变形中又以底臌为主。

软岩巷道四周来压，如果底板不支护，支护结构将出现一个薄弱带，巷道破坏首先就是从不设防的底板开始，又因底臌导致两帮移近和底脚失稳，直到片帮冒顶，巷道全部破坏。

（4）围岩遇水膨胀、变形加剧

软岩一般都含有亲水性很强的蒙脱石、伊利石等粘土矿物的岩石，这些岩石遇水后软化，体积急剧膨胀，因而变形也更剧烈，产生很大的膨胀压力。

（5）普通的刚性支护普遍破坏

软岩巷道变形量大、持续时间长，普通刚性支护所承受的变形压力很大，施工后很快就发生破坏，必须再次或多次翻修后巷道才能使用。这是刚性支护不适应软岩巷道变形规律的必然结果。

3、围岩支护的相互作用

所以我们要选择合适的支护特性曲线。软岩巷道刚掘出时，由于围岩应力重新分布，引起围岩剧烈变形，即使采用高阻力的支护也难以阻挡。因此，必须正确选择支护体的刚度与安设时间，是支护特性曲线与围岩变形相适应，使掘巷期间的能量得到释放，这是保持软岩巷道围岩稳定性的重要因素。

1）支架1在F点安设，在B点处与岩体达到平衡。这种支架因刚度偏大，会承受较高的载荷，故支架结构容易损坏并导致巷道围岩破坏塌落。这是一种刚度过大的支护系统。

2）支架2的刚度较低，在F点处安设，在C 点处与岩体达到平衡，如巷道施工过程中围岩准许达到C点处的位移值，岩层压力大部分由岩体承受，则支架所承受的岩层压力就较小。这是一种较为理想的支护系统。

3）支架3也在F处安设，但刚度比支架2要小得多，所以在D点才与围岩达到平衡。但是此点的岩体已经松动，位移量较大，如周围出现应力扰动等，会导致支架载荷增长，这是一种刚度较小的支护系统。

4）支架4与支架2的刚度相同，但支架4安设太迟，不仅围岩出现过大的位移，发生松动破坏，而且支架将承受其值大于变形压力的松动压力，这是一种滞后时间过长的支护系统。

综上可见，在一定的围岩条件下，支护体刚度越大，它分担的围岩压力也越大。因此，在以变形压力为主的岩体中过分加大支护体的刚度并不能收到预期效果，故在松软岩层中不宜采用刚性支护。

在工程中为了适应围岩的变形特点和减小变形压力，往往需要适当增加支护体的柔性或可缩性，使巷道变形控制在最大准许的范围内，而支护体又能保持稳定状态。

4、软岩巷道支护对策

软岩巷道围岩压力具有来压迅猛，围岩变形量大，巷道四周同时来压和持续流变，以及对各类扰动极为敏感等特点。因此，必须针对这些特点采取正确的支护原则和措施。

松软岩层存在着三种不同的围岩压力类型，即松动压力、变形压力和膨胀压力。对松动压力可以采用刚性支护来支撑围岩，防止破碎岩块的垮落。同时必须采取各种措施加固围岩提高岩体的自身强度。变形压力是软岩巷道的主要压力显现形式。对于变形压力必须根据流变特征合理地设计支护钢度、控制支护时间和支护施工的顺序，即允许围岩有适当的变形，以利于能量释放，又能将变形控制在一定的范围之内，使之不发展为松动压力。膨胀压力也可以看作是变形压力的一种。除采用与控制变形压力相同的措施外，还要特别注意预防围岩的物理化学效应，防止围岩脱水风干。因为某些软岩经脱水风干后再遇水，会出现更严重的膨胀和崩解。

巷道上覆岩体重量引起的自重应力主要是由巷道围岩承受的，支架只承受很小的一部分。因此，应重视改善围岩的力学性质，提高围岩的自稳能力。改善围岩力学性质的主要措施是提高岩体的力学指标，包括提高岩体抗拉、抗压强度和弹性模量，提高岩体的粘结力和内摩擦角等。为了达到这些目的，可采用封闭围岩暴露面、安装锚杆、向岩体内注浆以及支架壁后充填等方法。锚杆对提高岩体强度，特别是提高岩体屈服后的抗剪强度（残余强度）有明显的作用。它能把各种断裂面所切割的岩块联结成整体，锚杆又可给围岩表面施加正应力和围岩内部形成“预应力承载层” ，这是与其它支护形式的本质区别。

在松软岩层中采用一次成巷立即封闭围岩和构筑永久支护的施工工艺，往往收不到应有的效果。除非采用可缩量足够大的支护，否则不宜巷道掘出后就架设永久支架，应采用先“柔”后“刚”的二次支护。所谓合适的支护时间，主要是对永久支护或二次支护而言的。支护滞后的时间必须在岩体能保持自稳的条件下选择。一次支护应紧跟掘进尽早安设，若对围岩不采取及时封闭补强和加固措施，任其松动变形，则可能导致围岩破坏和冒落。二次支护通常应在掘巷引起的围岩变形基本上趋于稳定时安设，一般约在掘后50d左右，具体可根据围岩变形观测确定，并应在巷道断面设计时预留足够的变形量。