浅谈软岩巷道的平衡机理与支护技术

赵杰伟

(大同煤矿集团安全监管五人小组管理部轩煤分部，山西 原平 034100)

0 引言

随着矿井开采深度不断加深，煤矿深部井巷工程需要承受的地应力、地温、地下涌水等地质环境问题也将加重。破碎带围岩巷道、大变形松动软围岩巷道、三软煤层巷道等典型的软岩巷道数量不断增多，复杂的地质环境常导致井巷支护困难。不恰当的支护方式无法维持软岩巷道力学平衡，顶板下沉和底板底鼓导致井巷必须返修重新支护，下沉量过大又可能会使井巷废弃。因此深部软岩灾害控制和井巷支护技术的研究无疑成为岩石力学领域的一个重点。目前，较为成熟的岩石力学理论和地下工程灾害控制技术主要针对浅部工程和硬岩工程，本文通过分析针对深部软岩工程的破坏机理，探讨深部软岩巷道的几种支护方式。

1 软岩井巷变形特征与平衡拱机理

1.1 软岩井巷变形特征

根据对高应力软岩围岩稳定性和变形机理的特征研究，其表现形式为3个方面。

围岩变形量：受到例如全煤巷之类软岩围岩特性影响，井巷的破坏主要出现在顶底板以及两帮，破坏程度都十分明显，巷道断面收缩率能超过80%以上，顶板垮落、严重底鼓和大面积片帮发生几率也较高。

围岩变形速率：均质的煤体围岩受到的构造应力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后流变趋势仍存在，因此该类围岩变形速度大。

围岩变形时效：由于软岩的流变性，其不可能达到稳定性状态，围岩各个方向上的变形随着时间缓慢变化，明显的变形需要当构造应力在时间上积累到一定的程度，所以说软岩的变形具有时效性。

1.2 软岩平衡拱机理

大同煤田主采煤层为太原组、大同组2个煤系，煤层上部顶板、伪顶多层状强度较低的泥岩、页岩、砂质泥岩，有节理和裂隙发育。由于软岩以泥质矿物为主，同时由于软岩的力学和结构面特性存在可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点。软岩的岩石特性在地应力作用下呈现出第三阶段的蠕变突然加速，该阶段呈现均速流变，再进行加速流变，变化趋势呈现复杂高度的非线性。

传统理论中认为岩体做为一个整体，其所受到地应力超过塑性阶段就会形成失稳岩体。但是实际井巷开凿过程中围岩发生塑性变形和断裂后，承压状态下仍然保持承载能力，井巷围岩变形、片帮和冒落到一定程度会与垂直应力平衡，围岩呈现自稳状况，形成的理论被称为“自稳平衡现象”。井巷的顶板应力会随井巷的开凿而重新分布，垂直方向受到地应力会逐步减弱至零甚至出现相反悬拉应力，水平方向也会随挤压应力转化为局部拉应力。井巷顶板受到的挤压应力会在围岩中形成“拱状承载结构”，这种平衡状态被称为“自稳平衡拱”，形成的理论被称为“自稳平衡拱理论”。在此理论中根据井巷的岩体受力状态，由于在垂直方向受到拉应力可能存在冒落危险，水平方向受到剪应力的岩体单元体可能存在片帮等危险，并根据危害程度分为稳定区、挤压受压区、易冒落区，如图1所示。

图1 岩体稳定性分区

岩体的破坏状态及应变随应力变化趋势，岩体随应力作用达到残余强度时出现细小裂纹，当应力继续增加到屈服强度时会发生不可逆的塑性变形，岩体的塑性破坏阶段的承载力会随变形而下降，但还会具有承载能力，当到达破碎的强度极限会直接发生岩体破碎，如图2所示。在研究出岩体的受力状态，据确定岩体稳定性区域确定锚杆支护参数和其他必备辅助支护方式，起到有效围岩平衡状态。

图2 应力—应变曲线图

1.3 平衡拱理论平衡方程

根据普氏的关于松散介质的压力拱理论：井巷开凿形成空腔后，井巷周围的软岩会成为松散状岩体，顶板岩体由于岩石抗压作用大于抗拉性时，会造成“自然平衡拱”。顶板压力与两帮的岩体形成的45°-φ/2的夹角处会形成2个自由滑动面，顶板处所承受的压应力只剩余平衡拱内的岩石自重。

关于自然平衡拱的计算，可以根据图3所示模型作为计算模型。在自然平衡拱模型中只剩余轴向压力，而任意点坐标设为(x，y)。

(1)

图3 模型计算模型

2 巷道失稳分析及支护技术

2.1 巷道顶板与两帮失稳分析

井巷在破坏变形过程中，冒落会在岩体所受拉应力区域，井巷承压过程会在顶板上存在拉应力为零的点形成一个接近椭圆型圆弧，也就是“自稳平衡拱”。而在巷道顶板和自稳平衡拱所包含的区间，这一部分区域岩体会呈现出拉应力。通常拉应力区是在巷道开凿后呈现出来的，岩体顶板处的冒落碎块基本存在这一部分区域的围岩中，由于这种岩体受到的抗拉应力作用，这个就成为了应重点治理的危险源。根据井巷断面、岩石围岩性质和地应力等影响井巷支护的因素带入到自稳平衡拱模式中，推导出自稳平衡拱曲线方程如下。

(2)

式中：W0—巷道原始宽度，m；P0—原岩应力，MPa；σ—抗拉强度，MPa。

2.2 巷道两帮失稳分析

巷道开凿过程中会打破原有岩体的应力状态，应力失衡，岩体会发生下沉或冒落，直到围岩应力状况重新平衡，而对井巷两帮会产生裂纹，裂纹会延伸发育，承载能力会下降，两帮发生片帮和冒落。如果不做好井巷两帮的支护，两帮的片帮会与顶板状况相互影响，成为一个恶性循环：顶板受地应力弯曲变形，两帮处受挤压应力产生裂隙，裂隙扩展致使岩体碎裂，边帮进一步扩展片帮、垮帮，两帮处对岩体自身承载力下降，顶板整体承载力下降，顶板变形量加大，顶板支护状况恶化会进一步恶化两帮的支护状况。巷道发生破坏的形式会受到围岩岩性的特性和结构面特性影响，进而出现压剪式、滑落式、劈裂式或横拱式等不同形式的边帮失稳的地质灾害。

2.3 软岩支护技术

整体刚性支护：相对其他支护方式有效限制围岩位移量，减少围岩松动、滑动和破碎，能够提拱围岩的最小松动压力，如全封闭钢支架支护、整体预制模板支护、现浇封闭钢筋混凝土支护等。但缺点也较为明显，承载力虽然提高，但不适于大变形、大地压软岩，成本也较高，巷道断面也较大。

刚性支护加柔体垫层支护：在刚性支护的基础上增加了可缩层或条带碹，与单纯刚性支护相比，提高了一定的可缩性，但允许变形量有效，与刚性支护缺点相同，施工进度慢，相对投入较多且用工量大。

U型钢可缩性支架支护：U型钢可缩性支架提高了支护过程中可缩性和允许位移量，适用于对膨胀性岩层及断层破碎带的支护工作。相对于刚性支护有较好的初承力和支撑能力，使用过程中压力会随岩体位移下降而减弱，支架伸缩后可有效降低载荷。但缺点在于对材料使用量较多，成本过高。

超高强度锚杆：超高强度螺纹钢锚杆与传统锚杆、锚索支护方式相比，其抗屈服强度、抗破裂强度、支护阻力都是普通锚杆3倍，超高强度锚杆能进一步控制巷道围岩离层、变形量和层理裂隙。

锚注支护：围岩岩体强度低，松动范围大，巷道开挖后顶板岩体易破坏，传统支护方式不能使顶板成为围岩形成完整受压状态的组合拱，锚注支护方式实现“锚注一体化”，注浆充填围岩缝隙，同时锚杆作为注浆通道，同时利用锚杆提高围岩强度和变形模量。

锚喷支护：属于联合支护方法之一，减少模板使用，同时利用喷层形成粘结作用，与岩体和喷层连接共同承压，同时减少松散岩块冒落，控制锚杆的初始滑移，提高围岩预应力，适用于临时和永久支护。

3 结论

(1)本文简单分析了软岩巷道变形量大、变形速率快、变形存在失效性的3种特征。

(2)对深部工程支护的自稳平衡拱理论机理进行了分析，根据平衡拱理论对井巷支护中顶板承载能力计算和两帮破坏形式的分析。

(3)分析了整体刚性支护、刚性加柔体垫层支护、U型钢可缩性支架支护、超高强度锚杆、锚注和锚喷支护6种常用的软岩支护方式的机理和特性。