深部软岩巷道支护方法研究

檀得胜

摘要：八十年代我国在软岩巷道的支护问题上取得了很好的研究成果并进入到了一个新的研究阶段。针对深部软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快、持续变形时间长以及支护系统损毁等矿压显现特点。本文对深部软岩巷道支护方法进行了剖析，对于其中需要的问题进行了重点分析，并对此提出了相应的解决措施。

关键词：软岩巷道；支护方法；矿井深部

中图分类号：TD3文献标识码： A

随着我国大多数煤矿相继进入深部开采状态，巷道支护困难，且常出现重复翻修现象，维护费用高。深部软岩巷道控制成为这些企业亟待解决的关键难题之一。 近年来，我国学者在深井巷道控制方面进行了不断探索与实践，取得了诸多成果。但是随着开挖深度的不断增加，如何选择合适的支护方案和支护方式就成为了保证矿井安全需要解决的一个重要问题，正确地解决软岩巷道的支护问题必须以科学全面的理论作为指导，这就要求我们要对软岩巷道支护理论的产生与发展的过程进行宏观的掌控，并在这个基础上进行不断创新与发展。

一、软岩巷道支护理论的国外发展情况

从20世纪初，国外就已经初步形成了对于巷道支护的理论，当时的古典压力理论认为支护结构所承受的压力就是其上部岩层的重力。但是随着煤矿开挖程度的不断加深，开挖深度的不断增加，这种古典压力学理论逐渐受到了人们的质疑，在实际的矿井支护中，也发现了很多理论和实际脱节的地方。此后又形成了松软压力理论，这种理论认为巷道围岩的主要承受能力和工程的跨度与围岩的基本地质特性有关，但是这种理论首次提出了围岩具有自承能力的相关概念，奠定了以后人们对于围岩性质研究的基础。再到后来，到了20世纪的50年代，在对于巷道支护的研究过程中，人们开始将物理学研究领域中的弹塑性力学相关理论引入其中，同时也产生了很多的著名理论和公式，比如Fenner公式和Kastner公式就是一种体现。再到了60年代，奥地利的工程师和专家们在充分总结以往研成果经验的基础上，结合自身的实践，提出了一种新的隧道支护方法，也就是新奥法，这种方法对于当前的软岩巷道的支护起到了深远而又长久的影响。后来这种方法理论又得到了不断的完善和总结。

新奥法的基本理论认为隧道或是巷道的主要承载结构是围岩，因此当采用围岩进行巷道支护的过程中，首先要确保的是围岩具有足够的强度和压力承受能力，对

于围岩的变动量和变动范围要进行有效的控制，防止由于出现形变而引起的围岩强度下降而造成的支护稳定性下降的现象的出现。另外在支护过程中，除了要根据实际选择正确的支护方式外，还需要正确地看待岩体对于围岩的影响，做好承载结构的建设工作。同时这种理论还认为最好的巷道开挖方式是全断面的掘进，这主要是基于应力的分布情况进行考虑的。新奥法的产生与发展对于隧道开挖和支护产生了巨大的影响，它不仅摒弃了以往理论的缺陷，同时在这个基础上进行了创新与发展，更具实际应用价值，但是在对于新奥法支护时间的选择、开挖方式等方面还存在着不足，还需要对其进行进一步的研究和完善。

二、我国软岩巷道支护理论的发展

我国的软岩巷道的支护研究工作最早始于20世纪的60年代，随着后来全国性的学术会议的不断召开，我国的巷道支护理论也在不断的发展和完善的过程中，并形成了很多巷道支护理论。

1、轴变论

轴变论是在20世纪的50年代由于学馥教授提出来的，这种理论主要是基于物理学中的介质和相关的静力学理论产生的。轴变论认为围岩之所以会受到破坏，其主要的原因还是由于受到了地应力的影响，这是根本所在，同时他还主张应该从具体的应力和围岩应力研究围岩变形破坏规律。但是轴变论主要分析了围岩破坏规律的理论，重点强调了轴比的重要性，并没有谈如何支护。

2、联合支护理论

所谓联合支护理论，其实它是一种在新奥法相关的理论基础上产生的一种支护理论，其主要观点我可以总结如下：以往我们重视支护强度的行为不科学的，这对于巷道支护来说是不尽合理的，特别是在巷道支护的过程中，对于一些松软性比较强的软岩支护，我们必须要注意一定的柔和性，在提高强度的同时还要注意进行稳定支护。

3、锚喷一弧板支护理论

锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论的发展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度后，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决限制和顶住围岩向中空位移。

4、松动圈理论

其主要的观点和内容总结如下：凡是坚硬围岩的裸露巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。

三、深部巷道破坏机制及控制对策

-967 m水平轨道石门为直墙半圆拱断面，净宽5.6 m，直墙高1.6 m。采用锚网索及喷浆支护，掘后5 d内，巷道两帮及顶板位移量较大，以顶板破坏为主，日变形量最大可达100 mm；掘后10 d，巷道净宽最小处仅为4.5 m，净高最小仅为3 m，不能满足生产需求。刷巷后减小了锚杆和锚索的间排距，加长了锚杆长度，并全地段采用36U型钢加固，在修复后1个月，巷道变形严重，已不能满足矿井安全生产的需求。

巷道破坏主要表现为顶板破裂、弯曲下沉甚至垮落，帮部挤压，局部有底鼓；浆皮脱落严重，围岩风化程度高；锚杆失效率较高，U型钢扭曲严重。巷道破坏情况如图1所示。

深井巷道围岩及支护系统破坏状况

1、复杂围岩应力场作用

深部复杂应力场使得巷道开挖后出现围岩应力集中、非固有属性恶化以及强度显著降低等特征,常规支护系统不能有效解决深部巷道围岩高应力与低强度之间的突出矛盾,从而使得围岩经历“损伤扩容—剪切滑移破坏—碎胀大变形”失稳进入围岩破裂损伤区,围岩应力向深部转移,如此反复直至达到新的平衡。

2、深部岩体的流变特性

在深部复杂应力场作用下,一些普通岩石往往呈现出软岩特征,即具有软弱、破碎、松散、膨胀以及流变等特征。

3、高渗透压力作用

在高应力和高渗透压耦合作用下,岩体裂隙的启裂、扩展、贯通以及分支裂纹的产生等劣化行为均有加剧趋势。

四、巷道围岩破坏规律及失稳机理分析

1、破坏规律

阶段性：巷道开挖后初期变形速度很大，顶板下沉，两帮内挤；趋向稳定后仍以较大速度产生流变，持续时间长，此时顶板破裂下沉，局部垮落，帮部内挤开裂，浆皮脱落严重，外露围岩风化严重。

区域性：巷道开挖后断面各方向的变形速度不一，总是从剧烈变形部位发生破裂剥落，逐步导致围岩失稳，其中顶部破坏程度最大；沿巷道方向变形破坏程度不一，局部地质构造带巷道变形显著。

2、失稳机理分析

根据地质资料、现场施工揭露岩性及围岩变形破坏规律，并结合国内外软岩巷道支护研究，认为巷道围岩失稳机理包括以下几个方面：

巷道顶底板岩性以泥岩为主，本身的强度、结构及胶结程度差，易泥化和风化，是围岩失稳的内在因素；本矿井为千米深井，松散层厚度平均约为590 m，垂直应力、构造应力及采动影响等是围岩失稳的外部因素。由于基岩段厚度相对较小，煤层开采带来的采动影响对巷道的长期稳定造成极大威胁；本矿区煤系地层砂岩富水性较强，而泥岩遇水膨胀或泥化，岩石强度大大降低，破坏了支护结构，导致围岩外露，进一步风化，加剧了围岩失稳；一次支护强度低，导致初期变形破坏剧烈，围岩自身承载能力急剧下降，而二次加固过晚，二次加固的作用下降甚至失效；流变是软岩的特性之一，本矿巷道变形呈现蠕变特征，具有时间效应。