软岩支护

吴斌

摘要:文章主要对煤矿软岩巷道支护技术问题进行了探讨,概述了软岩的概念和分类以及软岩的工程特征,并探讨了煤矿软岩巷道支护存在的问题,最后从三个方面对煤矿软岩巷道支护技术问题进行了研究,具体包括软岩巷道支付的技术关键分析,最佳支护时间分析以及软岩巷道支护的对策。

关键词:软岩巷道;联合支护;巷道变形;最佳支护时间

一、软岩的基本概念

(一)软岩的概念和分类

软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称,软岩分为地质软岩和工程软岩。地质软岩是指强度低、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的膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱层;工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体,工程力是指作用在工程岩体上的力的总和,它可以是重力、构造残余应力、水平作用力和工程扰动力以及膨胀应力等,显著性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。工程软岩定义揭示了软岩的相对性实质,即是否为软岩取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时,不同岩体可能表现为硬岩特性,也可能表现为软岩的特性,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,在较高的工程力作用下可能表现为软岩的大变形特性。工程软岩与地质软岩的关系为:当工程载荷相对于地质软岩的强度足够小时,地质软岩不产生显著塑性变形的特征,此时不作为工程软岩。只有在工程力的作用下发生了显著塑性变形的地质软岩,才视为工程软岩。

(二)软岩的工程特性

软岩有两个工程特性:软岩临界载荷和软化临界深度,它揭示了软岩的相对性实质。

1.软岩临界荷载:软岩的蠕变试验表明,当所施加的荷载小于某一荷载水平时,岩石处于稳定的变形状态,蠕变曲线趋于某一变形值,随时间延伸而不再变化;当所施加的荷载大于某一荷载水平时,岩石出现明显的塑性变形加速现象,即产生不稳定变形,这一荷载称为软岩的软化临界荷载,亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。当岩石所受荷载水平低于临界荷载时,该岩石属于硬岩范畴;当荷载水平高于软化临界荷载时,岩石表现出软岩的大变形特性,此时称之为软岩。

2.软化临界深度:与软化临界荷载相对应的存在着软化临界深度。一般来讲,软化临界深度也是一个客观量。当巷道的位置大于某一开采深度时,围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护的现象;但当巷道位置较浅,小于某一深度时,大变形、大地压的现象明显消失。这一临界深度被称为岩石软化临界深度。

二、煤矿软岩巷道支护存在的问题

(一)软岩巷道变形破坏的特点

1.软岩巷道的变形呈现蠕变变形三阶段的规律,并且具有明显的时间效应。初期来压快、变形量大,巷道自稳能力很差,如果不加以控制很快就会发生岩块冒落,直至造成巷道破坏。如果用钢性支架强行支护而不适应软岩的大变形特性,则巷道也难以维护,造成支架被压坏、巷道垮落。

2.软岩巷道多为环向受压,且非对称,巷道开挖后不仅顶板变形易于冒落,底板也将产生强烈的底鼓,如果对巷道底鼓不加以控制,则会出现严重的底鼓并导致两帮破坏,顶板冒落。

3.软岩巷道变形一般随矿井深度加大而增大,不同矿

区、不同地质条件下都存在一个软化临界深度,超过临界深度,支护的难度明显增大,且软岩巷道变形在不同的应力作用下,具有明显的方向性。

4.软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏和泥化破坏。

(二)软岩巷道支护存在的问题

软岩巷道支护问题,尤其是软岩回采巷道的支护问题,是矿业工程中的一大顽疾,以往对软岩巷道的支护问题,在理论认识和支护方法上存在一定问题,主要表现在以下几个方面:

1.围岩变形破坏机理,支护是一个过程,要使这一过程与围岩变形过程相协调,必须充分而深入地研究围岩的变形机理,只有在此基础上,才能选择适当的软岩的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数。

2.支护对策,软岩巷道与硬岩巷道变形破坏特征不同,应采取适应于软岩巷道的支护对策。

3.支护参数,支护参数选择是影响巷道稳定性的一个非常重要的因素。以往对支护参数的选取基本上采用工程类比法。当工程地质条件简单,此法基本满足要求;当地质条件复杂是不能满足要求的,再加上目前很少有软岩巷道支护成功事例,无法进行工程类比。

对于软岩巷道,单纯的采用常规的锚喷支护、U型钢支架等难以控制围岩软化等引起的过量变形与破坏,其问题所在主要有以下几个方面:(1)围岩自承圈厚度小,常规支护多采用端锚锚杆,其所形成的围岩自承圈厚度较小,一般情况,锚固后围岩的自承圈厚度约为0.6m,远小于锚杆杆体长度,造成锚杆的浪费,同时难以抵抗较大的围岩压力;(2)初期支护刚度过大,巷道开挖后由于围岩应力重新分布和发生变形而对支护体产生较大的压力,它与支护体的刚度有较大的关系,支护体的刚度越大,其抵抗围岩压力越大,如果支护刚度偏大,则不能适应巷道开挖初期变形速度快,变形量大的特点,进而导致巷道围岩支护变形不协调而发生破坏;(3)围岩表面约束能力差,由于高应力或构造应力的影响,使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏,进而形成破碎区,破碎区的发展导致围岩自承圈破坏。对于高应力或受构造应力影响下软岩巷道,采用普通的锚网(铁丝网)喷支护时,由于喷体强度相对较低,对围岩约束能力差,不能有效地扼制围岩的局部破坏和破碎区向纵深发展,进而导致围岩破坏。

三、煤矿软岩巷道支护技术探讨

(一)软岩巷道支付的技术关键

由于软岩的力学属性、变形力学机制等特点,对软岩巷道实施成功支护,需运用三个技术关键:

1.正确地确定软岩变形机制的复合型。

2.有效地将复合型转化为单一型。

3.合理地运用复合型变形力学机制的转化技术。

(二)最佳支护时间分析

巷道开挖以后,巷道围岩应力将重新分布,切向应力在巷壁附近发生高度集中,导致该区域的岩层屈服进入塑性工作状态,从而形成塑性区。塑性区的出现,致使应力集中区从岩壁向纵深发展,当应力集中的强度超过围岩屈服强度时,就出现新的塑性区,如此逐步向纵深发展。如果不采取适时有效的支护,临空塑性区将随变形的增大而出现松动破坏,即形成松动破坏区。塑性区与松动破坏区不同,塑性区具有一定的承载能力,而松动破坏区已经完全失去承载能力。塑性区分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围,称为稳定塑性区;出现松动破坏区之后的塑性区为非稳定塑性区。对应于稳定塑性区和非稳定塑性区的宏观围岩的径向变形分别为稳定变形和非稳定变形。塑性区的出现,对支护体来讲具有两个力学效应:

1.围岩中切向和径向应力降低,减小了作用在支护体上的荷载。

2.应力集中区向围岩深部转移,减小了应力集中的破坏作用。

对于高应力软岩巷道支护来讲,应允许其出现稳定塑性区,严格限制非塑性区的扩展,也就是要求选择最佳的支护时间,以便最大限度的发挥塑性区承载能力而不至于出现松动破坏。所以,最佳支护时间的力学含义使最大限度的发挥塑性区的承载能力而不出现松动破坏时所对应的时间。

(三)软岩巷道支护的对策

对于软岩巷道,常规的支护方法和单一措施都不能满足工程的实际需要,必须根据其原因采取相应的支护对策:

1.加强网或喷层的强度和刚度,或在局部薄弱环节,增加锚梁支护,以增强围岩表面约束能力,限制破碎区向纵深发展。

2.适时进行二次支护且二次支护适当地增加支护强度,以保证初期支护具有一定的柔性,在巷道不失稳的前提下,允许围岩有较大的变形,让其充分地释放能量。同时,支护体后期要有足够的强度和刚度来控制围岩与支护的过量变形。

3.实现软岩巷道厚壁支护,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開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。

4.减少围岩的破坏,增大围岩的强度,提高围岩自承能力。一是推广光面爆破,减少围岩震动,控制围岩环向裂隙,尽量保持围岩的整体强度;二是尽量保持巷道周边的光滑平整,避免产生应力集中;三是采用膨胀材料充满锚杆孔,形成全长锚固。