深部软岩巷道支护耦合转化技术研究

赵景民等

摘 要：通过对深部开采软岩巷道的变形破坏机理的研究，巷道变形破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性在强度、刚度以及结构上出现不耦合所造成的；且变形首先从关键部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。因此，要保证深部软岩巷道围岩的稳定性，必须实现支护体与围岩的耦合，当锚杆与围岩在刚度上实现耦合时，能最大限度地发挥锚杆对围岩的加固作用；当锚网与围岩在强度上实现耦合时，将会使围岩的应力场和位移场趋于均匀化；当锚索与围岩在结构上耦合时，可以充分利用深部围岩强度来实现对浅部围岩的支护。同时列举了部分复合型想单一型的耦合转化技术，为巷道锚杆耦合支护技术的实施提供了依据。

关键词：深部开采 软岩巷道 耦合支护 耦合转化

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0096-02

1 深部工程的现状

随着经济的不断发展，在工业发展中煤炭资源的开采是其基本的推动力，同时，煤炭开采也逐渐成为一门重要的技术学科。在煤炭的开采过程中，巷道要如何维护好本身的稳定性能，这已经成为采矿与岩土这两个工程之间要解决的问题。近些年来，支护的手段与方法在煤炭行业中得到了很好的发展，从被动的棚子支护转变为主动的锚杆支护，并且根据不同的实际工程条件与地址条件，它们都将在不同的使用范围内出现。同时，在支护的发展中，其本身理论上有了相对完备的发展。而现在比较先进的支护方式则是锚杆支护方式。它可以很好的适用于不同的地质条件，在劳动强度上也比较低，且经济效益很好[1]。软岩巷道工程成功支护的技术关键之一是正确确定软岩的变形力学机制及其复合型。深入研究深部工程围岩特征，掌握深部围岩的变形破坏机理，以有效地控制围岩的变形与破坏，在煤矿安全生产，高产高效中具有重要的理论指导意义和现实意义。

2 软岩巷道的变形力学机制的确定

每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点，其软岩巷道的破坏特征也有所不同[2～3]，通过野外工程地质研究和室内物化、力学实验分析以及理论分析，可以正确的确定软岩巷道的变形力学机制类型。

（1）I型变形力学机制主要依据其特征矿物和微隙发育情况进行确定为物化膨胀型，根据特征可分为IA型（蒙脱石型分子吸水膨胀机制）、IAB型（伊-蒙脱石型分子吸水膨胀+胶体膨胀）、IB型（高岭石型胶体膨胀机制）、IC型（微隙型微裂隙膨胀机制）。其中A类软岩的控制性因素为分子吸水机制，晶胞之间可吸收无定量水分子，吸水能力强；B类控制性因素为胶体吸水机制，晶胞之间不允许进入水分子，黏粒表面形成水的吸附层；C类控制性因素为微隙-毛细吸水机制。

（2）II型变形力学机制主要根据受力特点及在工程力作用下巷道的特征确定为应力扩容型，根据特征可分IIA型（构造应力机制）、IIB型（重力机制）、IIC型（水力机制）、IID型（工程偏应力机制）。其中A类软岩控制性因素为残余构造应力，变形破坏与方向有关，与深度无关；B类控制性因素为自重力型；C类控制性因素为地下水；D类控制性因素为工程开挖扰动，变形破坏与设计有关，巷道密集，岩柱偏小。

（3）III型变形力学机制主要是指受结构面影响的非对称变形力学机制，要求先鉴别结构面的力学性质及其构造体系归属，然后再依据其产状与巷道走向的相互交切关系来确定，此类型为结构变形型，根据特征可分为IIIA型（断层型）、IIIB型（弱层型）、IIIC型（层理型）、IIID型（节理型）、IIIE型（随机节理型）。其控制性因素分别为断层断裂带、软弱夹层、层理、优势节理、随机节理。

软岩巷道的变形力学机制不是单一的，而是集多种变形力学机制于一体的复合型变形力学机制，复合型变形力学机制是软岩巷道难支护的根本原因。

3 深部软岩工程耦合支护转化技术

3.1 深部软岩工程耦合支护的基本原理

深部软岩工程的耦合支护基本原理[4]就是通过对深部软岩工程中的关键部位进行有效合理的支护，并且在关键部位上要限制围岩对其产生有害变形与差异性变形，使得支护的力学特性和结构与深部软岩工程围岩的力学特性及结构之间达到一定的强度刚度与结构的耦合。故而，要通过很多次的支护，才能使围岩与支护之间得到相应的耦合，在进行初次的支护基础上，在关键部位中初次引起支护失稳的地方，进行二次或者多次耦合支护，从而达到对深部软岩的支护变形、破坏的有效控制，使其达到稳定状态。

3.2 深部软岩工程耦合支护的基本特征

根据深部软岩工程围岩的变形破坏特征，深部软岩工程实现耦合支护的基本特征在于围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合。

（l）强度耦合。

由于深部软岩工程围岩本身所具有的巨大变形能，单纯采取高强度的支护形式不可能阻止其围岩的变形，从而也就不能达到成功进行软岩巷道支护的目的。与浅部工程及硬岩不同，深部软岩进入塑性后，本身仍具有较强的承载能力，因此，对于深部软岩工程来讲，应在不破坏围岩本身承载强度的基础上，充分释放其围岩变形能，实现强度耦合，再实施支护。

（2）刚度耦合。

由于深部软岩工程的破坏主要是变形不协调而引起的，因此，支护体的刚度应与围岩的刚度耦合，一方面支护体要具有充分的柔度，允许巷道围岩具有足够的变形空间，避免围岩由于变形而引起的能量积聚；另一方面，支护体又要具有足够的刚度，将围岩控制在其允许变形范围之内，避免因过度变形而破坏围岩本身的承载强度。这样才能在围岩与支护体共同作用过程中，实现支护一体化、荷载均匀化。

（3）结构耦合。

对于围岩结构面产生的不连续变形，通过支护体对该部位进行加强耦合支护，限制其不连续变形，防止因个别部位的破坏引起整个支护体的失稳，达到成功支护的目的。

3.3 耦合转化技术endprint

由于各软岩“综合征”的内在变形力学机制不同，其耦合转化的对策有所不同。对应的转化技术也不同。I型软岩耦合转化技术主要有预留层卸压锚杆技术、柔性喷层技术、柔性锚杆技术、底锚杆支护技术；II型软岩耦合转化技术主要有巷道位置及方向三维优化技术、锚索关键部位耦合支护技术；III型软岩耦合转化技术主要有锚网耦合支护技术、超前锚杆技术、锚杆布置三维优化技术、注浆锚杆技术。

4 应用实例

通过分析工程地质条件、破坏原因及对现场破坏状况进行调查，充分结合现场的工程条件，确定唐山某矿深部巷道主要变形力学机制有IAB：分子吸水膨胀机制+胶体膨胀机制；IIBC：重力机制+水力机制；IIICE：结构变形型+随机节理型。对具有IABIIABCIIICE复合型软岩巷道，首先为了减少应力集中程度，要预留一定的变形空间释放变形能和塑性能，并及时对围岩进行封闭，防止胶体遇水膨胀和泥岩吸水软化，使其转化为IIABCIIICE型；其次通过超前锚杆加固顶部围岩，再采用锚杆三维优化优化和底角注浆锚杆技术，使锚网和围岩在强度和刚度上达到耦合，使得变形能充分得到释放的基础上，使得围岩的自承能力最大限度的发挥，并及时有效地限制围岩发生有害的变形损伤，使其转化为IIBC；再采用锚索关键部位耦合支护技术和柔层桁架支护技术使围岩的应力场和应变场均匀化，围岩变形均匀，当巷道围岩变形使得初喷混凝土喷层与桁架接触时，实施全断面现浇混凝土支护，形成封闭性永久支护，将不稳定的IIB型变形力学机制转化为稳定的IIB型。

5 结语

综上所述，通过对软岩的多年开采，在工程实践中对软岩巷道的变形与破坏机理理论上进行相应的研究，深部开采软岩巷道耦合支护技术不断得到完善和发展，解决了所承担的煤炭等关键工程和国际合作项目中的软岩难题，取得了显著的经济效益和社会效益同时列举了部分复合型想单一型的耦合转化技术，使护系统达到耦合的最佳支护状态，为巷道锚杆耦合支护技术的实施提供了依据。

参考文献

[1] 康红普.煤巷锚杆支护动态信息设计法及其应用[J].煤矿开采，2002（1）：5-8.

[2] 何满潮.深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念[J].岩石力学与工程学报，2002，21（8）：1215-1224.

[3] 何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计施工指南[M].北京：科学出版社，2004.

[4] 李占金.鹤煤五矿深部岩巷变形机理及控制对策研究[D].北京：中国矿业大学，2009.endprint