软岩巷道支护设计方法与围岩稳定性理论研究

王 军 曲广龙 孟德军 陈冰慧

(1. 山东建筑大学土木工程学院，山东省济南市，250101；2. 山东科技大学矿业工程学院，山东省青岛市，266590；3. 淮北矿业集团有限责任公司杨庄煤矿，安徽省淮北市，235025；4. 山东深博巷道支护技术有限公司，山东省济南市，250022)



软岩巷道支护设计方法与围岩稳定性理论研究

王 军1曲广龙2孟德军3陈冰慧4

(1. 山东建筑大学土木工程学院，山东省济南市，250101；2. 山东科技大学矿业工程学院，山东省青岛市，266590；3. 淮北矿业集团有限责任公司杨庄煤矿，安徽省淮北市，235025；4. 山东深博巷道支护技术有限公司，山东省济南市，250022)

根据软岩巷道围岩的地质力学参数，将围岩细化分类，对巷道支护提出了系统的支护设计方法，该方法以支护技术、断面形状、让压方式和支护反力校核4个方面为主要内容。设计了圆形、浅底拱圆形、马蹄形以及椭圆形等多种支护断面形状，总结了支护结构自身收缩变形、预留环形变形缝、开槽卸压和开采解放层等多种巷道让压方式。针对软岩巷道提出了基于剪应力导数的围岩稳定性理论。

软岩巷道支护 断面形状 让压方式 剪应力导数

软岩巷道围岩以泥质胶结体为主，岩体强度低，自稳能力差，吸水软化或膨胀变形，对扰动荷载响应明显，常规支护后巷道持续变形难以稳定，巷道返修率、支护叠加成本高。因此，需要对软岩巷道支护设计进行深入研究，建立系统有效的支护设计方法。首先，深入考察软岩巷道围岩力学性能，然后从巷道断面形状、复合支护技术、支护让压方式以及支护体承载力校核等4个方面进行软岩巷道支护设计。采掘扰动对软岩巷道稳定影响较大，研究采掘扰动作用下的巷道稳定是采矿界和岩石力学界的一个重要课题，本文基于应力场稳定理论探讨了该课题。

1 软岩巷道支护设计方法研究

软岩巷道支护设计是一个系统工程，其设计思路如下：以围岩地质条件与岩体力学性质作为设计依据，根据岩体力学特征对软岩巷道分类，依据承压环强化设计理论确定巷道支护技术，以支护承载力计算校核支护体稳定性。

1.1 软岩巷道支护设计依据

1.1.1 围岩地应力参数

巷道应力场由重力、水平构造应力和扰动应力组成，重力即垂向地应力，与巷道埋深有关；水平构造应力即水平地应力，与区域地质构造有关；前两项参数可以通过地应力测试获得。扰动应力主要是邻近巷道爆破掘进和近距离采面回采导致的顶板垮落等原因造成，可以通过岩石流变扰动测试系统进行估算分析，目前还难以准确测试。

1.1.2 围岩强度参数

包含岩石单轴抗压强度和岩体强度两方面，岩石单轴抗压强度考察组成岩体的单块完整岩石强度，与岩石种类和矿物组成有关，可以通过岩石试验机测试；岩体强度考察岩体完整性与胶结性质，与节理裂隙数量、是否过断层带以及有无渗透水作用有关，一般通过定性分析。

1.1.3 岩石水理参数

主要包括原始含水率、饱和吸水率、吸水软化性与膨胀性。岩石水理参数与成岩地质作用与地质年代、粘土矿物总含量以及三类粘土矿物(伊利石、蒙脱石和高岭土)各自含量有关，可以通过水理性质测试获得。

1.1.4 巷道变形参数

主要包括巷道或邻近巷道的两帮收敛量、顶底板移近量、位移变形速率以及巷道破坏规律。巷道变形参数受围岩地应力场、围岩强度和岩石水理性质等参数影响，同时受到原有巷道断面形状、支护技术以及让压方式等影响。巷道变形参数是支护体与围岩相关作用关系的直接反映，也是分析巷道失稳原因和改进支护设计的重要依据。

1.1.5 围岩载荷参数

通常指支护体在保持巷道稳定的条件下所受到的围岩压力作用，可以通过坍落拱理论、芬纳公式或有限元分析等方式获得，但围岩地质条件千变万化，目前还不能精确计算围岩载荷，主要通过支架与围岩间布置的压力盒测定。支护体支护反力σsp大于围岩载荷P是巷道稳定的力学条件。

1.2 深井软岩巷道的3种围岩类别

1.2.1 中硬围岩

岩石单轴抗压强度大于30 MPa，岩性以砂质岩体为主，岩石水理性质为吸水软化型。

1.2.2 软弱围岩

岩石单轴抗压强度10～30 MPa，岩性以泥质岩体为主，岩石吸水软化崩解或泥化，岩石水理性质为吸水碎裂泥化型。

1.2.3 极软弱围岩

岩石单轴抗压强度小于10 MPa，岩性以膨胀性粘土岩为主，岩石吸水泥化，具强膨胀性，岩石水理性质为吸水泥化膨胀型。

1.3 软岩巷道支护设计的4项内容

1.3.1 巷道支护技术设计

(1)中硬围岩。具有一定的自稳能力，可以充分发挥围岩自身的承载能力，建议采用锚网索喷+围岩注浆加固复合支护设计，围岩适度让压。

(2)软弱围岩。既要发挥围岩自身的承载能力，又要给予围岩一定的外部支护力，建议采用型钢支架/钢管混凝土支架+锚网索喷+围岩注浆复合支护方案，围岩适度让压。

(3)极软弱围岩。围岩自身承载能力较差，不具备可锚性，则要在巷道开挖空间内重建支护承载体，可采用型钢支架、钢管混凝土支架和钢筋混凝土碹体等高强度支护技术。

1.3.2 软岩巷道断面形状设计

巷道常用断面包括直墙半圆拱形、圆形、浅底拱圆形、马蹄形和椭圆形等多种类别，对于软岩巷道宜采用后4种断面，围岩越软弱其适宜断面越应接近圆形。

1.3.3 软岩巷道让压方式

包括支护结构自身收缩变形、支护结构与围岩之间预留环形变形空间、开挖卸压导洞、围岩开槽卸压、开采解放层卸压等多种让压方式。

1.3.4 支护体支护反力校核

支护体承载力是指支护体所能提供的极限稳定支护力N，支护反力指单位面积围岩受到的支护力σsp。软岩巷道稳定的力学条件为σsp>P。

2 软岩巷道应力场稳定理论研究

传统强度理论都是关于材料单元体的理论，即关于材料某一点的强度理论，适合结构尺寸有限的机械结构和地面建筑工程结构强度分析。而地下工程处于半无限空间体中，深井软岩巷道工程处于无限筒状空间中，所以仅采用点状单元体强度理论分析软岩巷道不符合工程实际。本文提出了无扰动作用和有扰动作用两种条件下的围岩应力场稳定理论，它不再是传统意义上关于材料某一个点的稳定性理论，而是关于一定面积或空间范围内的材料稳定性理论。

软岩巷道应力场稳定理论认为：软岩巷道围岩塑性圈范围较大，在没有扰动或小规模扰动条件下，要保证塑性圈不再发展且塑性圈内的岩体长期处于稳定状态，必须满足合理的应力梯度，即沿巷道围岩径线方向，剪应力曲线的增长率(剪应力导数)要小于某个值，该值可以通过支护相似模拟试验测得。

2.1 无支护条件下围岩应力场稳定理论

软岩巷道开挖后，在无支护条件下，巷道变形最终稳定后，其围岩中的径向应力σr和切向应力σθ变化曲线如图1所示。由图1可知，在围岩表层径向和切向应力均为零，向围岩深部发展，径向和切向应力不断增大，其中在弹塑性边界区切向应力达到峰值之后逐渐减小，两者最终趋于原岩应力。可以认为切向应力为最大主应力，径向应力为最小主应力，近似认为塑性区内的岩体剪应力符合莫尔-库伦强度公式，即：

式中：c——岩石粘聚力，MPa；

φ——岩石内摩擦角，(°)。

在无支护条件下，软岩围岩应力场要稳定，巷道围岩剪应力导数应满足如下条件：

(2)

式中：τr——巷道围岩内沿径线方向的剪应力，MPa；

r——对应计算点的围岩径向深度，以巷道壁为起点，m；

式(2)是无支护条件下的软岩巷道围岩稳定性的判据，无支护条件下，围岩为降低剪应力增长速率而满足巷道稳定，只能通过延长剪应力变化曲线(即加宽塑性区)，使剪应力导数值减小，直到其等于或小于极值，即满足式(2)，可将该极限值称为剪应力导数扰动强度。在这一变化过程中塑性区宽度不断增大，巷道将持续收敛变形。

图1 无径向支护力时巷道围岩剪应力曲线图

图2 有径向支护力时巷道围岩剪应力曲线图

2.2 有支护条件下的围岩应力场稳定理论

在有支护条件下，围岩应力场要稳定，巷道围岩剪应力导数应满足如下条件：

(3)

由图1、图2和式(3)可知，软岩巷道保持稳定的直接有效措施是提高支护体的径向支护力σN，并降低剪应力曲线τr沿巷道围岩径向的增长率。

3 软岩支护设计方法的工程应用

3.1 软岩支护方案设计

淮北杨庄煤矿三水平南大巷位于5#～6#煤层之间，巷道埋深为517～526m，埋深较大，巷道围岩软弱，巷道曾经受煤层采动影响。

3.1.1 5个支护设计依据

(1)地应力参数。采用空心包体应力计，在杨庄煤矿三水平南大巷进行了现场地应力测量，3个点实测地应力成果显示，最大水平主应力平均值σ1为16.2MPa，垂向地应力平均值为11.9MPa。

(2)岩石强度参数。岩石单轴抗压强度为11.56MPa，围岩破碎，岩体完整性差。

(3)岩石水理性质。岩石中粘土矿物总量为71.3%，伊蒙混层占12%，高岭石占30%，岩石吸水率为19.4%，膨胀率为90.8%，岩石吸水块状崩解。根据软岩强度参数和水理性质分析，三水平南大巷为软弱围岩。

(4)巷道变形破坏方式。在原有支护条件下，巷道两帮变形不对称，右侧巷道变形明显，出现锚杆失效，在巷道顶板肩角、两帮的底脚等部位往往变形量特别大，容易造成巷道的整体失稳。

(5)围岩载荷。原支护方案下，巷道破坏，说明巷道围岩载荷大于支护体的承载力，围岩荷载估算值为1.3MPa。

3.1.2 巷道支护设计四大要素

(1)支护技术。采用锚网喷+钢管混凝土支架复合支护，如图3所示。锚杆型号为ø22mm×1800mm，锚杆间排距为0.8m×0.8m，混凝土喷层厚度100mm。钢管混凝土支架型号为194mm×8mm，支架间距800mm，核心混凝土为C40。

(2)巷道断面形状为立椭圆形，如图3所示。

(3)让压方式为环形缝让压，支架与围岩之间预留100mm变形量。

(4)支护反力校核是由钢管混凝土支架轴压抗压强度计算公式求得支护反力为1.37MPa。

图3 巷道支护断面图

3.2 软岩巷道围岩稳定性分析

巷道变形的监测采用十字布点法，监测结果表明钢管混凝土支架两帮收敛量低于100mm，顶底板移近量低于25mm以内，巷道支护效果良好，实现了巷道的长期稳定，巷道变形监测结果如图4所示。

图4 1#测点监测数据曲线

采用FLAC3D数值分析软件，对杨庄煤矿三水平南大巷软岩巷道进行了数值模拟计算，计算得出巷道围岩剪应力分布如图5所示。根据剪应力分布图，选择剪应力变化最大的方向，求出剪应力曲线沿径向增长率的最大值为0.448MPa/m。

采用钢管混凝土支架支护后，巷道支护后围岩应力场处于稳定状态，根据应力场稳定理论，该巷道围岩的剪应力导数强度大于0.448MPa/m，故巷道支护稳定。

图5 巷道围岩剪应力分布云图

4 结论

(1)提出了新型软岩巷道支护设计方法，该方法以围岩的5种地质力学参数为设计依据(地应力场、围岩强度、岩石水理性质、原有巷道变形以及围岩载荷)，将巷道围岩划分为3类典型类别(中硬围岩、软弱围岩和极软弱围岩)，对巷道支护提出4项设计内容(断面形状、支护技术、让压方式和支护反力校核)。

(2)建立了基于剪应力场导数的围岩稳定性理论：软岩巷道若要稳定，围岩内剪应力沿径线方向的导数须小于剪应力导数强度。在存在扰动载荷的条件下，围岩内剪应力沿径线方向的导数必须小于剪应力导数扰动强度。

(3)依据软岩巷道支护设计方法，采用基于钢

管混凝土支架的复合支护技术，对杨庄煤矿三水平南大巷软岩巷道进行了支护实践，并实现了巷道长期稳定。

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(责任编辑 陶 赛)

Research on support design method of soft rock roadway and stability theory of surrounding rock

Wang Jun1, Qu Guanglong1, Meng Dejun2, Chen Binghui1

(1. School of Civil Engineering, Shandong JianzhuUniversity, Jinan, Shandong 250101, China;2. School of Mining Engineering, Shandong University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266590, China;3. Yangzhuang Coal Mine, Huaibei Mining Group Co., Ltd., Huaibei, Anhui 235025, China;4. Shandong Shenbo Roadway Support Technology Co., Ltd., Jinan, Shandong 250022, China)

According to the geological and mechanical parameters of soft rock tunnel surrounding rock and the classification of surrounding rock, the design method of roadway support system was proposed, this method took support technology, cross-section shape, yield pressure method and support counter-force verification as the main content. Different cross-section shapes of roadway were designed, such as circle, shallow arch circle, horseshoe support cross-section and oval shape. Different ways of yielding pressure were summarized. And a criteria of stability theory of soft surrounding rock, which is based on the derivative of shear stress, was proposed.

soft rock support, cross-section shape, yield pressure method, derivative of shear stress

国家自然科学基金资助项目(51474218，51404105)，国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51622404)，山东建筑大学博士基金资助项目(XNBS1403)

王军，曲广龙，孟德军等 . 软岩巷道支护设计方法与围岩稳定性理论研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(6)：67-71.WangJun,QuGuanglong,MengDejun,etal.Researchonsupportdesignmethodofsoftrockroadwayandstabilitytheoryofsurroundingrock[J].ChinaCoal，2017,43(6)：67-71.

TD

A

王军(1985-)，男，山东宁阳人，讲师，博士，主要研究方向为地下工程支护理论及加固技术。