軟巖巷道支護技術研究進展張青軟巖巷道支護技術研究進展摘要：隨著我國新生代煤層的大力開發，軟巖礦井的數量也在與日俱增。特殊條件下的巷道施工與維護問題已變得日益突出，并成為影響和制約我國煤炭工業發展的重要因素之一。采用常規的支護方法，已不能滿足安全生產的需要。研究有效而經濟的軟巖支護方法,是當前生產中急需解決的問題。為此查閱了大量相關科技期刊，對多個典型軟巖礦井的支護技術進行分析，總結了我國軟巖支護的發展現狀。這對提高我國軟巖支護的技術水平，提高經濟效益，都有著十分重要的意義。引言由于深部巖體處于復雜的工程地質環境，使深部巖體表現出的力學特性與淺部開采時往往具有很大的差異，并且，隨著開采深度的增加，伴隨著硬巖礦井向軟巖礦井的轉型。在淺部開采基礎上發展起來的傳統支護理論、設計方法及技術已難以適應深部巷道支護的要求，尤其是深部軟巖巷道支護設計及實際的需要。隨著其開采深度不斷增加,受高應力的影響,軟巖問題愈趨嚴重,深部圍巖處于軟巖狀態,施工條件趨于復雜化,巷道及硐室支護的難度和破壞程度不斷增加。底臌是煤礦巷道中經常發生的動力現象,巷道底臌使斷面縮小,阻礙運輸、通風和人員行走,因底臌而造成巷道報廢的現象時有發生,嚴重影響生產和威脅安全。軟巖巷道支護問題日益突出。研究高效而經濟的軟巖巷道支護方法,是目前礦井生產急需解決的問題。軟巖巷道的基本特征2.1軟巖的概念軟巖是我國煤炭系統的習慣用語,它的概念已不是狹義的字面上的含義。目前人們普遍認可的軟巖的概念包括松散型軟巖、破碎型軟巖、流變型軟巖、膨脹型軟巖及高地應力型也稱硬巖軟化型軟巖等五種特點巖石。2.2軟巖的基本特征1)軟巖松散破碎,結構疏松,容重低,孔隙率較高,強度小,穩定性差。一般軟巖多為泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖及粉砂巖組成,單向抗壓強度小于200Mpa。2)軟巖易吸水崩解,膨脹性強。軟巖膨脹的概念有兩個一、專指那些含有膨脹性礦物如高嶺石、蒙脫石等的軟巖所產生的膨脹變形。3)軟巖巷道自穩性差,圍巖壓力大,來壓快,自穩時間短。多數圍巖自穩時間僅幾十分鐘到幾小時。4）軟巖巷道變形量大,變形持續時間長,具有流變性能。軟巖靜壓巷道中總變形量超過400-500mm者甚多。變形時間一般都在1-3個月以上,甚至半年后仍繼續增長。5）軟巖巷道變形速度快,變形范圍廣,底膩明顯。軟巖巷道的特征1）圍巖的自穩時間短、來壓快所謂的自穩時間,就是在沒有支護的情況下,圍巖從暴露起到開始失穩而冒落的時間。軟巖巷道的自穩時間僅為幾十分鐘到幾個小時,巷道來壓快,要立即支護或超前支護,方能保證巷道圍巖不致冒落。巷道圍巖的自穩時間長短主要取決于圍巖強度和地壓大小,同時也和巷道的斷面形狀、掘進方法、巷道所處的位置等有關。2）圍巖變形量大、速度快、持續時間長軟巖巷道的突出特點就是圍巖變形速度快、變形量大、持續時間長,一般軟巖巷道掘進后的第1-2天,變形速度小的5-10mm/d,大的達50-100mm/d,變形持續時間一般為,有的長達半年以上仍不能確定。軟巖巷道的圍巖變形量,在支護良好的狀態下,其均勻變形量一般達到60-100mm以上,大的甚至達300-500mm如果支護不當,圍巖變形量很大,300-1000mm以上的變形量是司空見慣的。謝一礦780m水平位于泥巖層的運輸大巷,在開巷后的100天內,頂底及兩幫的移近量分別達到625m和387m,一年后達到1200mm和800mm,支護翻修后所產生的附加變形量仍達到300-400㎜。上述特點是軟巖巷道最突出的特征。3)圍巖的四周來壓、底鼓明顯。在較堅硬的巖層中,圍巖對支架的壓力主要來自頂板,中硬巖層對支架的壓力來自頂板和兩幫,但在松軟巖層巷道中則四周來壓、底鼓明顯。松軟巖層,由于結構疏松、強度低,很難支撐上覆巖層的重量,圍巖在自重地壓(rh)的作用下,以垂直變形為主,垂直變形中又以底鼓為主。軟巖巷道的支護困難原因分析造成軟巖巷道地壓顯現劇烈,支護困難的原因是多方面的,最主要的原因有以下幾個方面。3.1巖層成巖年代晚,膠結程度差我國軟巖礦區主要分布在開采新生界第三紀褐煤和開采中生界上侏羅紀的褐煤礦區。這些礦區煤層頂底板巖石都非常松軟破碎,易風化,因此怕風、怕水、怕展。3.2巖石強度低煤礦軟巖多為泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖等,單向抗壓強度都比較低。由于巖石強度低,表現在圍巖松散、軟弱,在中等或稍高應力水平狀態下就能產生較大的圍巖變形,支護困難。3.3節理發育,巖體破碎有些礦區,雖然巖石強度很高,但由于節理比較發育,巖體破碎,支護也十分困難。所以,在巖塊強度高的節理化地層中,也可能表現出軟巖特征。3.4圍巖應力水平高巖石強度低是形成軟巖的重要因素,但這只是問題的一個方面。巖石強度的高低是一個相對的概念,它與地應力緊密相聯。如果巖體強度低,但地應力絕對值也低,就表現不出軟巖特征。圍巖應力水平高,表現在三個方面1)巷道埋深大隨開采深度的增加,一些原本穩定性較好的圍巖也顯現出軟巖的特征。2)構造應力大3)集中應力作用連接處巷道、受鄰近巷道掘進影響的巷道等,其圍巖均承受一定的集中應力,從而使圍巖由穩定狀態過渡到軟巖狀態。3.5巖石吸水膨脹遇水膨脹地層,多含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土礦物成分,親水后產生顯著的體積膨脹,巷道開挖在這種軟巖地層中,若治水措施不當極難支護。軟巖支護技術在國內外的發展現狀1新奧法20世紀60年代,奧地利工程師在總結前人經驗基礎上,提出一種新的隧道設計施工方法一新奧法,目前已成為地下工程的主要設計施工方法之一。1978年,米勒教授較全面地論述了這種方法的基本指導思想和主要原則,并將其概括為22條。1980年,奧地利土木工程學會地下空間分會把新奧法定義為：“在巖體或土體中設置的使地下空間的周圍巖體成一個中空筒狀支撐環結構為目的的設計施工方法”。其核心是利用圍巖的自撐作用來支撐隧道,促使圍巖本身變為支護結構的重要組成部分,使圍巖與構筑的支護結構共同形成為堅固的支撐環。新奧法既不是單純的施工方法,也不是單純的支護方法,而是充分利用和調動巷道圍巖強度與自身承載能力,按巖石力學、圍巖支護共同作用原理制定的一套地下工程設計、施工、支護、監測新概念。它是先用工程類比法確定第一次錨噴的參數,隨之進行圍巖的監控量測。經過量測信息反饋來調整支護參數。利用現代巖石力學中圍巖與支架共同作用的理論,利用一次支護的變形、收斂以至局部開裂來釋放圍巖中的部分能量,延續一段時間后,再用二次支護補強,來解決一般的軟巖支護問題。2應變控制理論日本山地宏和櫻井春輔提出了圍巖支護的應變控制理論。該理論認為隧道圍巖的應變隨支護結構的增加而減少,而容許應變則隨支護結構的增加而增大。因此,通過增加支護結構,能較容易地將圍巖應變控制在容許應變范圍內。支護結構的設計則是在由工程量測結果確定了對應于應變的支護工程的感應系數后確定的。3能量支護理論薩拉蒙（M.D.Salamon）等人提出了能量支護理論,認為支護結構與圍巖相互作用、共同變形,在變形過程中,圍巖釋放一部分能量,支護結構吸收一部分能量,但總的能量沒有變化。因而,主張利用支護結構的特點,使支架自動調整圍巖釋放的能量和支護體吸收的能量,支護結構具有自動釋放多余能量的功能。4

軸變論和開挖系統控制論于學馥等人于1981年提出“軸變論”,認為巷道塌落可以自行穩定可以用彈性理論進行分析圍巖破壞是由于應力超過巖體強度極限引起的塌落是改變巷道軸比,導致應力重分布應力重分布的特點是高應力下降、低應力上升,并向無拉力和均勻分布發展,直到穩定而停止應力均勻分布的軸比是巷道最穩定的軸比,其形狀為橢圓形。近年來,于學馥等人運用系統論、熱力學等理論提出“開挖系統控制理論”開挖干擾了巖體的平衡,這個不平衡系統具有自組織功能。5

聯合支護技術該技術是在新奧法基礎上發展起來的,以馮豫、陸家梁、鄭雨天、朱效嘉為代表。重要觀點為對于巷道支護,一味強調支護剛度是不行的,要先柔后剛,先讓后抗,柔讓適度,穩定支護。4.6錨噴一弧板支護理論該理論是對聯合支護理論的發展,其要點為對軟巖總是強調放壓是不行的,讓壓后要堅決頂住,即強調聯合支護理論的先柔后剛的剛性支護形式,堅決限制圍巖向中空位移、4.7松動圈理論該理論是董方庭教授提出的,其主要內容凡是裸體巷道,其圍巖松動圈都接近于零,此時巷道圍巖的彈塑性變形雖然存在,但并不需要支護。松動圈越大,收斂變形越大,支護難度就越大。因此,支護的目的在于防止圍巖松動圈發展過程中的有害變形。4.8關鍵部位藕合組合支護理論該理論是中國礦業大學北京校區何滿朝教授提出的,認為地下工程的破壞是由于支護體與圍巖在強度、剛度、結構上存在不禍合造成的,巷道的支護應該從其變形力學機制人手,對癥下藥。復雜巷道支護應分為兩次支護,一次支護為柔性支護,二次支護為關鍵部位的禍合支護。4.9圍巖動態工程分類理論該理論從基于診斷具體巷道圍巖的結構組合及應力環境下巷道的破壞形式和特點出發,對巷道圍巖破壞演化規律進行分析,最終實現面向巷道圍巖不同部位有針對性的定量控制。此外,還有高強度弧板支護理論、位移反分析理論、軟巖工程地質力學理論、極限跨度及平衡理論、灰色系統決策理論、優化理論等。

由上述分析可以看出,影響較大、自成體系的主要是新奧法,即新奧地利隧道施工法。20世紀60年代中期誕生以來,新奧法在很多國家得以成功應用。20世紀70年代被介紹中國后,按該原理及要求組織的許多工程取得了良好的技術經濟效果。目前,國內外軟巖巷道支護普遍是遵循新奧法的基本原理和方法。事實上,新奧法已成為具有世界聲譽的隧道支護技術。我國軟巖巷道支護技術的研究大體上是遵循新奧法的基本原理展開的。但是近年來,隨著我國煤礦采深不斷加大,運用新奧法進行軟巖巷道支護出現了一些問題,主要有①新奧法要求一次支護后達到變形相對穩定時再進行二次支護,等穩往往是等垮②新奧法的二次支護是全斷面等強技護,而圍巖荷載是不均勻分布的,因此常常在薄弱環節失穩,進而導致巷道破壞③新奧法二次支護時間的選擇,必須基于大量細致的現場應力、位移監測,但對如何利用量測結果,也缺乏明確的圍巖穩定性的判據。過程比較繁雜,現場工程技術人員不容易接受,可操作性差。雖然如此,但新奧法以其發揮圍巖的自撐作用、動態性、針對性,作為一種指導思想和控制設計原則,仍具有不可替代的重要意義。5.3錨、網、噴與U鋼金屬支架聯合支護對特別松軟、破碎巖層,采用錨、網、噴支護作用不明顯時根據圍巖變形的特點,采取錨、網、噴作為一次支護,可使噴層及時封閉圍巖,容易做到及時支護,提供一定的初錨力和較大的錨固力,能較好地滿足特別松軟、破碎圍巖巷道第一階段圍巖變形的要求。當巷道圍巖變形基本穩定后,使用U型鋼可縮性金屬支架進行二次支護,以適應第二階段圍巖變形的要求。實現深部高應力軟巖巷道厚壁支護。一是采用全長錨固全螺紋鋼等強錨桿,增加圍巖自承圈厚度,實現厚壁支護;二是進行錨索加固。由于錨索長度較大,能夠深入到深部較穩定的巖層中,錨索對被加固巖體施加的預緊力高達200KN,限制圍巖有害變形的發展,改善了圍巖的受力狀態,增加圍巖自承圈厚度,實現厚壁支護;三是改變支護結構。在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形并錨噴(梁)支護,從而形成完整的、封閉的支護整體[6]。5.4高強描桿、預應力描索加固由于軟巖巷道圍巖開掘后圍巖來壓快、變形大,普通錨桿錨固力低且無法提供較大的初撐力阻止圍巖變形,采用預應力高強錨桿可以很好地解決這個問題。在錨桿安裝時施加一定的預應力,這樣就可以提供較大的初撐力,及較小巷道圍巖的變形速度,同時高強錨桿又可以提供較大的錨固力,提高錨固體的自承能力。對于極軟巖巷道,在進行錨網噴支護后雖然對巷道頂板起到了加固作用、改善并保持了頂板的整體性,但是當圍巖松動圈的范圍大于錨固體的厚度時,錨固體將失去著力點,此時極易發生錨固體以上離層及出現巷道頂板整體下沉或垮落的顯現。在這種情況下,只需較小密度的預應力錨索,就可以將錨固體懸吊于穩定堅硬的上部巖體上,避免巷道垮落。巷道圍巖破壞是一個漸進的、從局部到整體的破壞過程，并且總是從圍巖或支護系統的某一個或幾個位置首先變形、損傷，進而導致整個系統的失穩和破壞，首先發生不連續變形或破壞的區域就是錨索支護最佳位置軟巖巷道支護技術的種類5.1普通支護普通支護就是支架脫離了巖體之外,消極被動地承受巖體變形、破碎施加的能量,以支架自身的強度支承圍巖,在圍巖發生變形時,支護有一定的可縮量。5.2錨桿的聯合支護技術為了進一步提高軟巖巷道穩定性,錨桿被廣泛應用于錨網噴技術及錨注技術等。錨網噴技術中,錨桿錨固在未破壞的巖體上,阻止圍巖松動變形和破壞;噴射混凝土噴層封閉圍巖表面,支護錨桿間圍巖,防止表面巖層冒落;噴層中鋪設鋼筋網,可增加噴層的強度和柔性,提高支護的整體性。錨桿、混凝土噴層和鋼筋網三者組成的支護體與圍巖緊密結合,共同承載,既充分利用和發揮了圍巖的自承能力,又在與圍巖共同變形過程中及時提供支護抗力,限制圍巖產生有害變形,從而保持巷道穩定[4]錨注支護是兼有錨桿支護與注漿加固共同優點的一種支護方式。在巷道開挖以后,對巷道圍巖進行噴漿封閉,防止圍巖進一步風化;然后在圍巖中打入注漿錨桿進行注漿加固。注漿錨桿既有錨桿支護的特點,又能通過此錨桿對圍巖進行注漿。通過注漿、漿液充填、壓密裂隙空間,使圍巖由注漿前的無約束松散狀態變為由錨桿、漿體和圍巖共同作用的具有承受抗壓、抗剪切、抗拉等適應復雜應力、應變狀態的支護體[5]。5砌碹支護及噴砼技術砌碹支護是軟巖支護的傳統方法,利用支護體自身的支護強度來支撐來自圍巖的初期礦山壓力,待平衡后,支護體和圍巖一起抵抗來自圍巖層的壓力。這種支護方法適合于巷道圍巖非常破碎,礦壓較大,采用錨噴支護優越性不顯著;巷道圍巖很不穩定,頂幫巖石極塌落,砼噴不上、粘不牢,錨桿的錨固力明顯下降的含油泥巖、粘土巖及斷層破碎帶[8]。砌碹支護屬剛性支護,由于巷道本身成形不規則,當應力重新分布時,支護體是局部而不是全部接觸巖層。先接觸巖層的支護體必將先產生形變,在地壓過大時從某一支護薄弱點開始遭受損壞,碹體很容易被壓碎,崩落。6錨網索–桁架耦合的技術通過上述分析和現場工程實際，錨網索–桁架耦合支護技術的特點可歸納如下：(1)最大限度地利用和發揮圍巖的自承能力，通過錨網索耦合支護充分深部圍巖強度，使錨網–淺部圍巖–錨索–深部圍巖–桁架達到完全耦合，實現變形協調；(2)充分轉化了圍巖中膨脹性塑性能，釋放了圍巖中的高應力變形能；(3)支護體有足夠的強度和剛度限制差異性、有害變形的產生，適時支護；(4)不僅進行支護材料的強度設計，使支護體間、支護體與圍巖間達到強度耦合，還注重剛度設計，使支護體間達到剛度耦合。預留變形空間的原則是充分釋放高應力強膨脹變形能的同時又不損害圍巖自身的支撐能力，通過蠕變模型法結合現場工程條件計算預留變形量。問題與建議松軟及破碎巖層支護是一個復雜的技術難題,我省國有地方煤礦在探索松軟、破碎巖層支護方面,其技術發展還很不平衡,錨、網、噴支護除噴射混凝土粉塵濃度大、回彈多、濕料漿設備不配套、錨固力及噴射混凝土強度檢查不穩定外,仍存在下列主要問題：1)錨、網、噴支護與型鋼可縮性金屬支架聯合支護設計缺乏合理參數,型鋼支架強