软岩巷道支护技术发展现状分析
软岩巷道支护技术发展现状分析
耿志光
(河南工程学院安全工程系郑州451109)
摘要：随着我国新生代煤层的大力开发，软岩矿井的数量也在与日俱增。特殊条件下的巷道施工与维护问题已变得日益突出，并成为影响和制约我国煤炭工业发展的重要因素之一。采用常规的支护方法，已不能满足安全生产的需要。研究有效而经济的软岩支护方法, 是当前生产中急需解决的问题。为此查阅了大量相关科技期刊，对多个典型软岩矿井的支护技术进行分析，总结了我国软岩支护的发展现状。这对提高我国软岩支护的技术水平，提高经济效益，都有着十分重要的意义。
关键词：软岩；支护技术；发展现状
1引言
由于深部岩体处于复杂的工程地质环境，使深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异，并且，随着开采深度的增加，伴随着硬岩矿井向软岩矿井的转型。在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，尤其是深部软岩巷道支护设计及实际的需要[1]。
随着其开采深度不断增加, 受高应力的影响, 软岩问题愈趋严重, 深部围岩处于软岩状态, 施工条件趋于复杂化, 巷道及硐室支护的难度和破坏程度不断增加[２]。底臌是煤矿巷道中经常发生的动力现象, 巷道底臌使断面缩小, 阻碍运输、通风和人员行走, 因底臌而造成巷道报废的现象时有发生, 严重影响生产和威胁安全[3]。软岩巷道支护问题日益突出。研究高效而经济的软岩巷道支护方法,是目前矿井生产急需解决的问题。
2软岩巷道的特征
2.1软岩的概念
软岩是我国煤炭系统的习惯用语, 它的概念已不是狭义的字面上的含义。目前人们普遍认可的软岩的概念包括松散型软岩、破碎型软岩、流变型软岩、膨胀型软岩及高地应力型也称硬岩软化型软岩等五种特点岩石。
2.2软岩的基本特征
1)软岩松散破碎, 结构疏松, 容重低, 孔隙率较高, 强度小, 稳定性差。一般软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成, 单向抗压强度小于200 Mpa。
2)软岩易吸水崩解, 膨胀性强。软岩膨胀的概念有两个一、专指那些含有膨胀性矿物如高岭石、蒙脱石等的软岩所产生的膨胀变形。二、指软岩岩体向巷道空间的位移变形。
3)软岩巷道自稳性差, 围岩压力大, 来压快, 自稳时间短。多数围岩自稳时间仅几十分钟到几小时。
4）软岩巷道变形量大, 变形持续时间长, 具有流变性能。软岩静压巷道中总变形量超过400-500mm者甚多。变形时
间一般都在1-3个月以上, 甚至半年后仍继续增长。
5）软岩巷道变形速度快, 变形范围广, 底腻明显。
2.3软岩巷道的特征
1）围岩的自稳时间短、来压快所谓的自稳时间, 就是在没有支护的情况下, 围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。软岩巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时, 巷道来压快,
要立即支护或超前支护, 方能保证巷道围岩不致冒落。巷道围岩的自稳时间长短主要取决于围岩强度和地压大小, 同时也和巷道的断面形状、掘进方法、巷道所处的位置等有关。
2）围岩变形量大、速度快、持续时间长软岩巷道的突出特点就是围岩变形速度快、变形量大、持续时间长, 一般软岩巷道掘进后的第1-2天, 变形速度小的5-10mm/d, 大的达50-100mm/d, 变形持续时间一般为, 有的长达半年以上仍不能确定。
软岩巷道的围岩变形量, 在支护良好的状态下, 其均匀变形量一般达到60-100mm以上, 大的甚至达300-500mm如果支护不当, 围岩变形量很大,300-1 000mm 以上的变形量是司空见惯的。谢一矿780m水平位于泥岩层的运输大巷, 在开巷后的100天内, 顶底及两帮的移近量分别达到625m和387m, 一年后达到1 200mm和800mm, 支护翻修后所产生的附加变形量仍达到300-400㎜。上述特点是软岩巷道最突出的特征。
3) 围岩的四周来压、底鼓明显。在较坚硬的岩层中, 围岩对支架的压力主要来自顶板, 中硬岩层对支架的压力来自顶板和两帮, 但在松软岩层巷道中则四周来压、底鼓明显。松软岩层, 由于结构疏松、强度低, 很难支撑上覆岩层的重量, 围岩在自重地压(rh)的作用下, 以垂直变形为主, 垂直变形中又以底鼓为主。
３软岩巷道的支护困难原因分析
造成软岩巷道地压显现剧烈, 支护困难的原因是多方面的, 最主要的原因有以下几个方面。
3.1岩层成岩年代晚, 胶结程度差
我国软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤矿区。这些矿区煤层顶底板岩石都非常松软破碎, 易风化, 因此怕风、怕水、怕展。
3.2岩石强度低
煤矿软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等, 单向抗压强度都比较低。由于岩石强度低,表现在围岩松散、软弱, 在中等或稍高应力水平状态下就能产生较大的围岩变形, 支护困难。
3.3节理发育, 岩体破碎
有些矿区, 虽然岩石强度很高, 但由于节理比较发育, 岩体破碎, 支护也十分困难。所以,在岩块强度高的节理化地层中, 也可能表现出软岩特征。
3.4围岩应力水平高
岩石强度低是形成软岩的重要因素, 但这只是问题的一个方面。岩石强度的高低是一个相对的概念, 它与地应力紧密相联。如果岩体强度低, 但地应力绝对值也低, 就表现不出软岩特征。围岩应力水平高, 表现在三个方面
1)巷道埋深大
随开采深度的增加, 一些原本稳定性较好的围岩也显现出软岩的特征。
2)构造应力大
3)集中应力作用
连接处巷道、受邻近巷道掘进影响的巷道等, 其围岩均承受一定的集中应力, 从而使围岩由稳定状态过渡到软岩状态。
3.5岩石吸水膨胀
遇水膨胀地层, 多含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分, 亲水后产生显著的体积膨胀, 巷道开挖在这种软岩地层中, 若治水措施不当极难支护。
４软岩支护技术在国内外的发展现状
4.1新奥法
20世纪60年代, 奥地利工程师在总结前人经验基础上, 提出一种新的隧道设计施工方法一新奥法,目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。
1978年, 米勒教授较全面地论述了这种方法的基本指导思想和主要原则, 并将其概括为22条。1980年, 奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：“ 在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法” 。其核心是利用围岩的自撑作用来支撑隧道, 促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分, 使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支撑环。
新奥法既不是单纯的施工方法, 也不是单纯的支护方法, 而是充分利用和调动巷道围岩强度与自身承载能力, 按岩石力学、围岩支护共同作用原理制定的一套地下工程设计、施工、支护、监测新概念。它是先用工程类比法确定第一次锚喷的参数, 随之进行围岩的监控量测。经过量测信息反馈来调整支护参数。利用现代岩石力学中围岩与支架共同作用的理论, 利用一次支护的变形、收敛以至局部开裂来释放围岩中的部分能量, 延续一段时间后, 再用二次支护补强,来解决一般的软岩支护问题。
新奥法必须重视支护过程中的监控量测。将设计、施工、量测结合起来, 这是国际上新奥法的精髓。量测采用现代测试技术收敛计对围岩变形和支架受力进行量测。
新奥法适用于各种地质条件的岩层及任何形状大小的巷道断面。用新奥法进行巷道掘进, 可以保证质量, 保持稳定性, 延长巷道的使用寿命, 降低施工费用, 还可减少20%的巷道掘进量, 实属一种良好的软岩巷道支护方法。
4.2应变控制理论
日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为隧道围岩的应变随支护结构的增加而减少, 而容许应变则随支护结构的增加而增大。因此, 通过增加支护结构, 能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围内。支护结构的设计则是在由工程量测结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。
4.3能量支护理论
萨拉蒙（M.D.Salamon）等人提出了能量支护理论, 认为支护结构与围岩相互作用、共同变形, 在变形过程中, 围岩释放一部分能量, 支护结构吸收一部分能量, 但总的能量没有变化。因而, 主张利用支护结构的特点, 使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量, 支护结构具有自动释放多余能量的功能。
4.4轴变论和开挖系统控制论
于学馥等人于1981年提出“ 轴变论” , 认为巷道塌落可以自行稳定可以用弹性理论进行分析围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的塌落是改变巷道轴比, 导致应力重分布应力重分布的特点是高应力下降、低应力上升, 并向无拉力和均匀分布发展, 直到稳定而停止应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比, 其形状为椭圆形。
近年来, 于学馥等人运用系统论、热力学等理论提出“ 开挖系统控制理论” 开挖干扰了岩体的平衡, 这个不平衡系统具有自组织功能。
4.5联合支护技术
该技术是在新奥法基础上发展起来的, 以冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉为代表。重要观点为对于巷道支护, 一味强调支护刚度是不行的, 要先柔后刚, 先让后抗, 柔让适度, 稳定支护。
4.6锚喷一弧板支护理论
该理论是对联合支护理论的发展, 其要点为对软岩总是强调放压是不行的, 让压后要坚决顶住, 即强调联合支护理论的先柔后刚的刚性支护形式, 坚决限制围岩向中空位移、
4.7松动圈理论
该理论是董方庭教授提出的, 其主要内容凡是裸体巷道, 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。
4.8关键部位藕合组合支护理论
该理论是中国矿业大学北京校区何满朝教授提出的,认为地下工程的破坏是由于支护体与围岩在强度、刚度、结构上存在不祸合造成的, 巷道的支护应该从其变形力学机制人手, 对症下药。复杂巷道支护应分为两次支护, 一次支护为柔性支护, 二次支护为关键部位的祸合支护。
4.9围岩动态工程分类理论
该理论从基于诊断具体巷道围岩的结构组合及应力环境下巷道的破坏形式和特点出发, 对巷道围岩破坏演化规律进行分析, 最终实现面向巷道围岩不同部位有针对性的定量控制。
此外, 还有高强度弧板支护理论、位移反分析理论、软岩工程地质力学理论、极限跨度及平衡理论、灰色系统决策理论、优化理论等。
由上述分析可以看出, 影响较大、自成体系的主要是新奥法, 即新奥地利隧道施工法。20世纪60年代中期诞生以来, 新奥法在很多国家得以成功应用。20世纪70年代被介绍中国后, 按该原理及要求组织的许多工程取得了良好的技术经济效果。目前, 国内外软岩巷道支护普遍是遵循新奥法的基本原理和方法。事实上, 新奥法已成为具有世界声誉的隧道支护技术。我国软岩巷道支护技术的研究大体上是遵循新奥法的基本原理展开的。
但是近年来, 随着我国煤矿采深不断加大, 运用新奥法进行软岩巷道支护出现了一些问题, 主要有①新奥法要求一次支护后达到变形相对稳定时再进行二次支护, 等稳往往是等垮②新奥法的二次支护是全断面等强技护, 而围岩荷载是不均匀分布的, 因此常常在薄弱环节失稳, 进而导致巷道破坏③新奥法二次支护时间的选择, 必须基于大量细致的现场应力、位移监测, 但对如何利用量测结果, 也缺乏明确的围岩稳定性的判据。过程比较繁杂, 现场工程技术人员不容易接受, 可操作性差。
虽然如此, 但新奥法以其发挥围岩的自撑作用、动态性、针对性, 作为一种指导思想和控制设计原则, 仍具有不可替代的重要意义。
５软岩巷道支护技术的种类
5.1普通支护
普通支护就是支架脱离了岩体之外, 消极被动地承受岩体变形、破碎施加的能量, 以支架自身的强度支承围岩, 在围岩发生变形时, 支护有一定的可缩量。
5.2锚杆的联合支护技术
为了进一步提高软岩巷道稳定性,锚杆被广泛应用于锚网喷技术及锚注技术等。锚网喷技术中,锚杆锚固在未破坏的岩体上,阻止围岩松动变形和破坏;喷射混凝土喷层封闭围岩表面,支护锚杆间围岩,防止表面岩层冒落;喷层中铺设钢筋网,可增加喷层的强度和柔性,提高支护的整体性。锚杆、混凝土喷层和钢筋网三者组成的支护体与围岩紧密结合,共同承载,既充分利用和发挥了围岩的自承能力,又在与围岩共同变形过程中及时提供支护抗力,限制围岩产生有害变形,从而保持巷道稳定[4]
锚注支护是兼有锚杆支护与注浆加固共同优点的一种支护方式。在巷道开挖以后,对巷道围岩进行喷浆封闭,防止围岩进一步风化;然后在围岩中打入注浆锚杆进行注浆加固。注浆锚杆既有锚杆支护的特点,又能通过此锚杆对围岩进行注浆。通过注浆、浆液充填、压密裂隙空间,使围岩由注浆前的无约束松散状态变为由锚杆、浆体和围岩共同作用的具有承受抗压、抗剪切、抗拉等适应复杂应力、应变状态的支护体[5]。
5.3锚、网、喷支护
锚网喷支护具有及时性、密贴性、柔性喇作用, 具有技术先进、工艺简单、操作简便、安全可靠、经济合理和适用性强等优点。近年来, 随着高强锚杆的开发和应用, 进一步发挥了锚网喷支护的效果, 扩大了锚网喷支护技术的应用领域。
锚网喷支护技术主要由喷层、锚杆、钢筋网3部分组成。其作用机理如下
1)由于喷层的施作及时且能与围岩密贴, 所以, 它具有能及时封闭围岩防止围岩风化与潮解、支撑和填平补强围岩、分配外力等作用。同时由于喷层中钢筋网的存在增强了喷层的柔韧性, 提高了喷层的抗弯与抗变形能力, 能减少裂缝的宽度和数, 使喷层应力分配均匀, 整体性能得到改善。
2)锚杆是锚网喷支护的核心部分, 其通过与喷层的连接把阻止围岩破坏的力传递到稳定的岩层中, 有效地控制塑性区、破碎区的发展和围岩的变形, 同时, 由于锚杆的擂人提高了围岩的强度和整体性, 大大增强了围岩的稳定性, 锚杆预应力的存在使围岩在未发生大变形的情况下就受到外力的支护, 有利于保持围岩固有的力学特性, 并控制大变形的发生针对不同的围岩, 可采用不同的锚喷网支护结构参数和施工工艺。岩性较好时可采用分次完成支护的施工工艺, 岩性较差时可采用一次完成支护的施工工艺。
5.4锚、网、喷与U钢金属支架联合支护
对特别松软、破碎岩层, 采用锚、网、喷支护作用不明显时根据围岩变形的特点, 采取锚、网、喷作为一次支护, 可使喷层及时封闭围岩, 容易做到及时支护, 提供一定的初锚力和较大的锚固力, 能较好地满足特别松软、破碎围岩巷道第一阶段围岩变形的要求。当巷道围岩变形基本稳定后, 使用U型钢可缩性金属支架进行二次支护, 以适应第二阶段围岩变形的要求。
实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。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开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[6]。
5.5高强描杆、预应力描索加固
由于软岩巷道围岩开掘后围岩来压快、变形大, 普通锚杆锚固力低且无法提供较大的初撑力阻止围岩变形, 采用预应力高强锚杆可以很好地解决这个问题。在锚杆安装时施加一定的预应力, 这样就可以提供较大的初撑力, 及较小巷道围岩的变形速度, 同时高强锚杆又可以提供较大的锚固力, 提高锚固体的自承能力。
对于极软岩巷道, 在进行锚网喷支护后虽然对巷道顶板起到了加固作用、改善并保持了顶板的整体性, 但是当围岩松动圈的范围大于锚固体的厚度时, 锚固体将失去着力点, 此时极易发生锚固体以上离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落的显现。在这种情况下, 只需较小密度的预应力锚索, 就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的上部岩体上, 避免巷道垮落。
巷道围岩破坏是一个渐进的、从局部到整体的破坏过程，并且总是从围岩或支护系统的某一个或几个位置首先变形、损伤，进而导致整个系统的失稳和破坏，首先发生不连续变形或破坏的区域就是锚索支护最佳位置[7]
5.6砌碹支护及喷砼技术
砌碹支护是软岩支护的传统方法,利用支护体自身的支护强度来支撑来自围岩的初期矿山压力,待平衡后,支护体和围岩一起抵抗来自围岩层的压力。这种支护方法适合于巷道围岩非常破碎,矿压较大,采用锚喷支护优越性不显著;巷道围岩很不稳定,顶帮岩石极塌落,砼喷不上、粘不牢,锚杆的锚固力明显下降的含油泥岩、粘土岩及断层破碎带[8]。
砌碹支护属刚性支护,由于巷道本身成形不规则,当应力重新分布时,支护体是局部而不是全部接触岩层。先接触岩层的支护体必将先产生形变,在地压过大时从某一支护薄弱点开
始遭受损坏,碹体很容易被压碎, 崩落[9]。
5.6锚网索–桁架耦合的技术
通过上述分析和现场工程实际，锚网索–桁架耦合支护技术的特点可归纳如下：
(1) 最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，通过锚网索耦合支护充分深部围岩强度，使锚网–浅部围岩–锚索–深部围岩–桁架达到完全耦合，实现变形协调；
(2) 充分转化了围岩中膨胀性塑性能，释放了围岩中的高应力变形能；
(3) 支护体有足够的强度和刚度限制差异性、有害变形的产生，适时支护；
(4) 不仅进行支护材料的强度设计，使支护体间、支护体与围岩间达到强度耦合，还注重刚度设计，使支护体间达到刚度耦合。
预留变形空间的原则是保证充分释放高应力强膨胀变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力，通过蠕变模型法结合现场工程条件计算预留变形量[10]。
6问题与建议
松软及破碎岩层支护是一个复杂的技术难题, 我省国有地方煤矿在探索松软、破碎岩层支护方面, 其技术发展还很不平衡, 锚、网、喷支护除喷射混凝土粉尘浓度大、回弹多、湿料浆设备不配套、锚固力及喷射混凝土强度检查不稳定外, 仍存在下列主要问题：
6.1存在的问题
1)锚、网、喷支护与型钢可缩性金属支架联合支护设计缺乏合理参数, 型钢支架强度过大, 造成浪费, 支架强度小, 不足以抵抗围岩变形的破坏。
2)锚喷参数设计选择不合理, 锚杆长度不够, 喷射混凝土强度、厚度, 锚杆安装质量随机性较大。检测手段落后。
3)科学实验及检测手段少, 不能给锚杆支护设计提供理论依据, 锚喷支护参数主要是根据现场经验及观测而定, 科学实测数据少, 造成材料的浪费。上述问题造成了松软、破碎岩层支护的困难。选取合适的支护方式, 确定合理的支护参数, 仍是我省国有地方煤矿长期探索、解决的问题。
6.2在松软破碎岩层中支护建议是
1)软岩支护采用既有足够的支护阻力,又有一定可缩性的支护方式, 使支护既能阻止围岩变形, 又能适应围岩变形, 可用“ 先柔后刚”的支护方法, 以适应软岩巷道初期变形量, 后期需要较大支护阻力的特点[11]。
2)由于软岩自稳时间短, 锚、网、喷支护要及时, 且支护要有较大的初锚力。采用单层或双层网、加型钢支护。
3)由于软岩流变显著, 变形持续时句长, 可根据实际情况选取合理的锚、网、喷支护参数。
4)为避免围岩风化, 降低强度, 崩解、泥化及膨胀, 除及时封闭围岩外, 尽量缩短二次喷射混凝土的间隔时间。
因此, 进行科学研究, 不断提高技术水平, 强化完善质量检测手段, 推行锚、网、喷支护是我省地方国有煤矿解决松软、破碎岩层支护的必由之路。
7结束语
软岩巷道的支护技术是一项复杂的工作,尤其是矿井向深部转移后,在高应力作用下,严重影响矿井的经济效益和安全状况。因此,必须对软岩巷道变形机理进行研究,确定合理的支护技术方式。在具体的支护过程中,应具体问题具体分析,对于用单一的支护方法难以得到理想支护效果的情况,要采用多种技术方法联合使用,以实现安全、经济、合理、高效的支护。
浅议软岩巷道支护在安口窑煤矿
摘要：煤炭是我们生产生活的重要原材料，煤炭行业是我国的重要支柱产业之一。所以如何为矿井生产提供足够的空间和安全可靠的生产环境是煤炭行业研究的热点和难点。随着生产的发展，软岩巷道的支护方式也越来越完善，本文在论述软岩支护的原理的基础上，对华亭煤业集团安口窑煤矿两种支护方式分别进行了测验，并对结果进行了分析比较，选择了适用于该矿的软岩巷道支护方式。
关键词：软岩巷道；锚梁网联合支护；锚梁网+锚索联合支护
1 引言
华亭煤业集团安口窑煤矿的巷道围岩主要由细砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、粘土岩、页岩、煤层及灰岩组成。针对围岩破碎的巷道，该矿井采用的是锚网喷加料石碹支护，但是大部分巷道遭到不同程度的变形破坏，有的巷道经多次维修后仍满足不了要求。为了改善这种情况，经论证在5 盘区围岩比较破碎的皮带下山巷道进行两种联合支护试验，以求适应该矿软岩巷道的最佳联合支护方式。
2 软岩巷道支护原理
巷道在煤岩层中掘进，巷道开挖后，围岩的原始应力遭到破坏，岩体经应力调整后达到二次应力状态，主要为二次应力为弹、塑性分布，具体主要取决于岩石的强度，现就二次应力的弹塑性分布进行分析。由于岩体强度较低，巷道开挖后，巷道周围的部分岩体应力超出了岩体的屈服强度，使岩体进入塑性变形，必须加强支护，否则巷道围岩会失稳，造成巷道的破坏。在巷道开掘后，由于巷道会出现应力集中，主要表现在巷道两帮岩梁支撑点处，及岩梁断裂后与巷道的点接触处[1][2][3]。根据岩体力学可以分析得出理想状态下巷道围岩的应力状态。
对于硬岩巷道的支护不允许围岩进入塑性，而进入塑性状态的硬岩将丧失承载能力。软岩巷道开挖后，其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来，同时，处于塑性状态的巷道围岩本身仍具有一定的承载能力[4]。
巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力并不是纯粹由工程支护力全部承担。因为软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免，而且其巨大的塑性能必须释放出来，所以软岩支护设计时必须提供足够的变形能释放时间和释放空间[5]。
3 巷道开挖后有如下特征
(1) 巷道开掘后，巷道围岩质点受力由全面受力改为二向受力，垂直巷道壁方向的约束被解除。由于软岩的单轴抗压强度低，周边围岩受应力集中的影响，顶板岩梁，两帮容易发生侧向变形，顶板岩石因自身重力及上部岩层载荷影响产生塑性弯曲变形;产生大侧向(垂直方向)的变形和碎胀扩容，引起岩层弯曲下沉或垮落。岩层上部破坏区越大，顶板离层、弯曲变形、垮落区域就越大;
(2) 初期变形速率大。由于水平构造压应力大于垂直应力，巷道在掘进时卸载迅速，来压快，表现为巷道的初期变形速率大，因此，顶板下沉破坏的过程短，对两帮冲击较大，容易发生突发性冒顶或片帮事故[6];
(3) 巷道变形具有时效性。由于软岩岩性不好，且易被节理切割，岩体具有显著的流变性，表现为明显的时效性。当两帮岩体整体性较差时，易产生压酥带，造成片帮，进而导致顶板冒顶[7]。
4 支护形式探究
根据围岩松动圈理论，在原岩巷道开掘后在围岩中出现一个破碎区－围岩松动圈，其外是塑性极限平衡区及弹性区，支护的主要目的主要是控制松动圈发展过程中的碎胀变形。软岩巷道开掘后往往松动圈直径会比较大，巷道的收敛变形量较大，支护较困难，采用单一的支护形式很难起到支护效果。现从支护作用力状态方面介绍几种除传统支护方式以外的有效的支护方式[8]。
(1)锚带网＋架棚联合支护：采用锚带网＋架棚方式，将基本的刚性支护和锚杆支护结合。在巷道开掘初期，首先进行锚带网支护，对巷道围岩补强，有效控制巷道变形量，按照先让后强原则，在巷道初期变形后再采用架棚支护，棚梁位于两钢带之间，在利用刚性支护为围岩提供支护阻力，有效控制巷道的变形量。
(2)二次锚网喷支护方式：采用初喷后锚喷支护，然后滞后迎头一段距离，进行挂网进行锚网喷支护。这种方式可以根据围岩情况及巷道服务年限等选用一次支护挂网或不挂网方式进行，即挂双网工艺。一方面初期采用喷浆封闭围岩，减少围岩暴露面，同时利用喷体连同锚杆形成加固拱，先期维护好后对巷道围岩压力进行让，给巷道围岩压力松动圈压力一个充分的释放时间，然后在对巷道进行锚网喷支护进行二次补强。(3) 围岩加固＋锚网喷(锚带网)支护：对于巷道围岩较破碎的巷道，先期将巷道围岩进行锚注或采用高分子材料加固，提高围岩的整体性和围岩强度，再对巷道围岩进行采用锚带网或锚网喷等支护方式进行加固，以提高支护效果。
(4)锚梁网＋锚索(梁)联合支护：针对复合顶板巷道采用锚梁网方式对巷道围岩进行加固，然后在利用锚索对形成的应力加固拱打设锚索或锚索梁加固，锚入老顶岩石中，充分利用锚索的悬吊、高预应力等优良支护性能，度巷道起到支护作用。
经过分析比较，选择了锚梁网联合支护和锚梁网+锚索联合支护这两种支护方式进行试验。
5 工程应用分析
经过研究,在5盘区皮带下山巷道段分别进行了锚梁网联合支护、锚梁网+锚索联合支护两种支护形式的试验,各种联合支护方式的试验段都是20m 长。
(一)实施步骤。
(1)锚梁网联合支护:
采用光面爆破技术掘进巷道→爆破立即进行初喷并打好锚孔→边装锚杆边挂好钢丝网和钢梁(第一次支护)→喷射混凝土(第二次支护)。支护参数为:锚杆为长2.0m 的圆钢锚杆,树脂药卷锚固,锚杆间排距按750mm布置;金属网采用为50mm的机制网;钢条梁用圆钢焊接加工而成,排距为750mm;喷层厚度为80mm。
(2)锚梁网+锚索联合支护支护:采用光面爆破技术掘进巷道→爆破立即进行初喷并打好锚孔→边装锚杆边挂好钢丝网和钢梁(第一次支护)→喷射混凝土(第二次支护)→在巷道靠近顶部的两边的部位打上锚索进行加强支护。支护参数:锚梁网参数与第一种联合支护的参数一样,锚索为长6.0m 的钢绞线,段锚固,锚索排距为1000mm。
(二)支护效果及分析。
在22 盘区皮带下山巷道段起坡以上位置经过实地监测,三种联合支护效果比较。
两种种联合支护方式中,锚梁网索联合支护方式在控制拱顶下沉方面要比锚梁网联合支护方式有效,但是在控制两帮收敛量方面不如锚梁网联合支护有效。
6 结语
巷道支护方式主要是有效控制围岩松动圈的扩大，对围岩进行加固或替换掉破碎围岩，改变围岩的应力状态和岩体强度。从支护形式看主要是对支护应力从时间和空间上进行叠加，首先实现对巷道的初期控制，然后待巷道围岩开挖后围岩应力达到初期平衡时在对围岩再次提供支护阻力，达到有效控制巷道围岩变形的目的。
从上表中,很容易看出:锚梁网+锚索联合支护方式在控制拱顶下沉方面要比锚梁网联合支护方式有效,但是在控制两帮收敛量方面不如锚梁网联合支护有效。这是因为在高应力软岩条件下,锚索支护作为巷道局部加强支护手段的一种抑制巷道顶部围岩的变形,在锚索的悬吊原理的作用下,巷道两帮的围岩变形反而比在锚梁网联合支护作用下更强烈。
考虑到煤矿实际情况，锚梁网+锚索联合支护方式比较适用于煤矿的软岩巷道。
主要巷道支护技术研究措施
神华宁煤集团清水营煤矿 主要巷道支护技术研究方案 神华宁煤集团 山东科技大学 二○○九年六月
1 工程的必要性1 1.1 现状分析1 1.2 国内外同类技术发展状况4 1.3 研究目的及意义5 2 研究开发内容6 3 主要经济技术指标、工程最终目标7 4 关键技术及创新点7 5 研究或研制开发的技术路线，实施的方式、方法、步骤7 5.1 课题的总体研究思路7 5.2 研究方法8 5.3 技术路线8 5.4 实施方式<具体方案）9 5.5 矿压观测18 6 技术、经济可行性及可靠性分析、论证19 7 现有基础、技术条件，保证体系20 7.1 实用矿山压力理论已经取得了系统的突破性成果20 7.2 岩石破坏与失稳理论20 7.3 深部巷道支护取得一些创新性研究成果21 7.4 实践基础22 8 经济、社会效益分析24 9 工程实施进度计划24 10 经费计划25
QSYK-1 神华宁煤集团清水营煤矿 主要巷道支护技术研究方案 1工程的必要性 1.1现状分析 1.1.1矿井地质情况 矿区钻孔揭露地层自下而上有三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、第四系，含煤地层为侏罗系中统延安组，钻孔揭露厚度245.01~304.86m,平均276.50m，岩性由灰、灰白色长石石英砂岩、深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、煤和少量含铝质泥岩组成。主要可采煤层顶板均为易冒落、不稳定—中等冒落、中等稳定岩层，底板为不稳定岩层。 矿井地层中含水层属弱～中等富水性，分别为第四系孔隙潜水含水层<Ⅰ）、白垩系砾岩裂隙孔隙层间承压含水层<Ⅱ）、侏罗系上统安定组～中统直罗组裂隙孔隙含水层<Ⅲ）、二～八煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层<Ⅳ）、八～十八煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层<Ⅴ）、十八煤以下至底部分界线砂岩含水层组<Ⅵ），隔水层以低阻、高密度的粉砂岩、泥岩为主，主要有四层，分别为安定～直罗组裂隙孔隙含水层顶板隔水层、二～八煤含水层顶板隔水层、八煤及其顶底板泥岩隔水层、十八煤及其顶底板泥岩隔水层。 1.1.2主要巷道设计布置层位 <1）主斜井、副斜井由六煤-五煤露头对应地面位置开口，由四上- 三煤间进入煤系地层，穿过三煤后进入二煤底板。主斜井坡度为22°～24°～25°，副斜井坡度为22°～25°，所处层位为四上- 二煤之间的砂岩层。该层位由灰、灰白、深灰色不同粒级的砂岩组成，属二煤- 八煤间砂岩含水层 浅谈煤矿软岩巷道支护技术 随着煤矿开采技术的成熟，开采深度的不断深化、开采规模的扩大，巷道损坏程度逐渐的扩大。软岩巷道支护一直是巷道工程的一个疑难点。软岩巷道的支护与使用维护优劣程度，直接影响到煤矿安全高效生产。文章通过对软岩巷道的概念、支护原理、支护原则、支护类型、支护对策等方面进行论述。 标签：软岩巷道；支护；原理；原则 1 软岩的基本概念 软岩是在特定的环境下，塑性变形明显的岩体。这种岩体多是泥岩、粉岩等。软岩的特点可以用软、弱、松、散概括。在煤矿巷道支护施工中，巷道围岩就是需要施工的岩体；工程力是指岩体上的重力、应力、水作用力、膨胀应力等。软岩通常分：低强度高膨胀性软岩、高应力软岩、极破碎软岩、复合型软岩四类。 1.1 低强度高膨胀性软岩，围岩质地破碎、强度偏低、遇水变形，对施工中的震动耐受力差。巷道围岩变形迅速，给支护带来很大困难。由于软岩中的泥质成分和结构面确定了软岩的特征，导致软岩产生塑性变形。软岩通常具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、扰动性等特性。 1.2 我国煤矿开采深度逐年增加，使得一些矿井重力引起的垂直应力骤增，构造应力场错综复杂；在高应力条件下，扰动影响剧烈，围岩破坏程度加剧，涌现新裂纹致使煤岩体积扩大，扩容膨胀。 1.3 极破碎软岩巷道围岩内节理不同、裂隙等结构面，围岩支体破碎、稳定性差。巷道掘进工作中可能发生冒顶和片帮，给支护作业带来诸多不便。 1.4 复合型软岩指上述3种软岩类型各种组合。 2 软岩巷道支护原理与支护原则 2.1 支护原理 软岩巷道支护的重点在于发掘自承能力。支护原理：依据岩层特性，地压来源，运用科学设计方法，使支护体系和施工过程能够适应围岩变形的种种情况，从而达到控制围岩变形、维护巷道稳定的宗旨。 （1）改变思想，支护结构和强度和围岩自承能力相适应，与围岩变形及强度相结合，实践证明，单纯提高支护刚度的做法是难以达到预期效果；（2）适当卸压、加固与支护相结合的方法相辅相成，运筹帷幄，高应力区，需要卸力合理，对变形大的区域，要让度适量，支离破碎区域，进行整体加固；（3）对于围岩变形量测定，及时掌握围岩变形的活动状态，根据测定结果予以反馈，以确定二次 软岩巷道支护技术发展现状分析 耿志光 (河南工程学院安全工程系郑州451109) 摘要：随着我国新生代煤层的大力开发，软岩矿井的数量也在与日俱增。特殊条件下的巷道施工与维护问题已变得日益突出，并成为影响和制约我国煤炭工业发展的重要因素之一。采用常规的支护方法，已不能满足安全生产的需要。研究有效而经济的软岩支护方法, 是当前生产中急需解决的问题。为此查阅了大量相关科技期刊，对多个典型软岩矿井的支护技术进行分析，总结了我国软岩支护的发展现状。这对提高我国软岩支护的技术水平，提高经济效益，都有着十分重要的意义。 关键词：软岩；支护技术；发展现状 1引言 由于深部岩体处于复杂的工程地质环境，使深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异，并且，随着开采深度的增加，伴随着硬岩矿井向软岩矿井的转型。在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，尤其是深部软岩巷道支护设计及实际的需要[1]。 随着其开采深度不断增加, 受高应力的影响, 软岩问题愈趋严重, 深部围岩处于软岩状态, 施工条件趋于复杂化, 巷道及硐室支护的难度和破坏程度不断增加[２]。底臌是煤矿巷道中经常发生的动力现象, 巷道底臌使断面缩小, 阻碍运输、通风和人员行走, 因底臌而造成巷道报废的现象时有发生, 严重影响生产和威胁安全[3]。软岩巷道支护问题日益突出。研究高效而经济的软岩巷道支护方法,是目前矿井生产急需解决的问题。 2软岩巷道的特征 2.1软岩的概念 软岩是我国煤炭系统的习惯用语, 它的概念已不是狭义的字面上的含义。目前人们普遍认可的软岩的概念包括松散型软岩、破碎型软岩、流变型软岩、膨胀型软岩及高地应力型也称硬岩软化型软岩等五种特点岩石。 2.2软岩的基本特征 1)软岩松散破碎, 结构疏松, 容重低, 孔隙率较高, 强度小, 稳定性差。一般软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成, 单向抗压强度小于200 Mpa。 2)软岩易吸水崩解, 膨胀性强。软岩膨胀的概念有两个一、专指那些含有膨胀性矿物如高岭石、蒙脱石等的软岩所产生的膨胀变形。二、指软岩岩体向巷道空间的位移变形。 3)软岩巷道自稳性差, 围岩压力大, 来压快, 自稳时间短。多数围岩自稳时间仅几十分钟到几小时。 4）软岩巷道变形量大, 变形持续时间长, 具有流变性能。软岩静压巷道中总变形量超过400-500mm者甚多。变形时 间一般都在1-3个月以上, 甚至半年后仍继续增长。 5）软岩巷道变形速度快, 变形范围广, 底腻明显。 2.3软岩巷道的特征 1）围岩的自稳时间短、来压快所谓的自稳时间, 就是在没有支护的情况下, 围岩从暴露起到开始失稳而冒落的时间。软岩巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时, 巷道来压快, 关于软岩支护技术 前言 巷道支护是井工开采工程的核心，是一切安全生产和效益的基础，随着开采条件的日益恶化，采深的迅速增加，支护对井工开采的制约作用日趋明显，先进采矿方法能否实现，在很大程度上取决于巷道支护状况和有效断面能否得到保证。 第一节，深井巷道围岩强化支护技术体系及实践 一，深部高应力巷道：常规支护不能满足要求的一类巷道。 1，采用传统的架棚支护、锚杆支护都不能有效维护巷道。 2，以德国为代表采用U型钢可缩性支架、壁后充填、预留变形量架棚支护的方式，也不能有效维护巷道。 3，常常在掘进时就需要多次卧底、返修。 为此：出路在于发展新型锚杆类支护综合治理比较乐观，目前遇到的大部分问题可以得到解决或改善。 如：德国向我国输入U型钢可缩性支架、壁后充填技术，在德国使用范围400-600米深，可是在我国达到400米深度就解决不了我国的问题。 二，深部支护问题： 1，相当一部分埋深达到800-1000米的深井巷道支护难度不大，可以采用常规的支护技术解决，因此深井巷道支护并不都属于复杂困难支护巷道，我们关心的焦点是深部难支护巷道称为深部 支护问题。 2，它通常是指主要由于巷道埋藏深度导致的围岩较高的水平应力，使相对软弱的岩体发生大范围破坏，并产生大变型的一类工程支护问题。 三，复杂困难条件： 1，由于地层运动和成岩过程产生的强构造应力集中区，水平应力通常较大；这类构造区域内巷道变形有自身规律，其中顶板支护的安全可靠性要求较高。 2，膨胀性岩体、泥质岩体遇水泥化等条件，由于物理化学原因导致的岩体力学承载性能的衰减、岩体的变形等。 3，由于开采造成的次生应力集中区产生的巷道支护问题。 四，深井软岩成为支护重点： 1，深部高应力巷道的两个显著特点： （1），原始应力水平相对围岩强度高。 （2），采动附加应力更趋强烈、围岩破碎区范围进一步加大，不易形成结构效应。 2，时间效应强烈、变形速度快，不易长期维护： （1），第一类，围岩软弱型、即软岩巷道； （2），第二类，采动影响型、即动压巷道； （3），第三类，深井高应力型、即深井巷道； 五，巷道大变形、难以支护原因： 1，围岩松软破碎：单轴抗压强度﹤10-20MPa； 煤矿软岩巷道支护技术 摘要：煤矿软岩巷道工程支护，尤其是深部高应力软岩巷道支护，一直是矿业工程难点问题之一。随着矿井开采规模的增大和开采深度的不断加大，软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出，软岩问题愈趋严重，直接影响煤矿安全高效生产。本文分析了软岩的概念及分类，提出了软岩巷道支护对策与主要支护形式，并指出了以后软岩巷道支护新的发展趋势。 关键字：软岩巷道；高应力；支护对策 1 引言 由于煤层赋存条件的复杂、多变，煤层开采条件的不可选择性，多数矿井的生产和建设都将面临不同程度、不同数量的软岩巷道开掘及维护难题。特别是服务年限较长的准备巷道、开拓巷道施工、维护，需解决一系列软岩巷道问题，比如巷道自稳时间短、变形大、难维护、返修率高等。加之多数软岩巷道断面较大，巷道变形破坏的影响因素复杂[1]，在支护设计中，要考虑多方面的影响因素。软岩巷道的变形主要体现在顶板下沉量较大，两帮收缩、偏帮、底鼓严重。巷道的变形严重影响到运输、通风、行人的问题，因此寻找合理的支护方式已经迫在眉睫。 2 软岩的概念及分类 工程软岩是指在工程力的作用下，能够产生显著塑性变形的工程岩体[2]。在煤矿巷道支护工程中，巷道围岩就是所研究的工程岩体；工程力则是指作用在工程岩体上的力的总和，它包括重力、构造残余应力、水的作用力、工程扰动及膨胀应力等。该定义揭示了软岩的相对性，实质即工程力与岩体的相互关系。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。按其上述特性，大体上可分为4大类：低强度高膨胀性软岩、高应力软岩、极破碎软岩、复合型软岩。 1)低强度高膨胀性软岩巷道，围岩不仅松软、强度低，而目_遇水软化、膨胀，对风、水、扰动十分敏感。巷道围岩变形速度快、变形量大、持续时间长，给支护带来极大困难。软岩之所以能产生显著的塑性变形，主要是因为软岩中的泥质成分和结构面控制了软岩的工程力学特性。软岩一般具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性以及工程扰动性等工程力学特性。 2)我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，开采深度超过1000m的煤矿已有数十处，部分矿井重力引起的垂直应力明显增大，构造应力场复杂，地应力高；在高地应力作用下，开采扰动影响强烈，围岩破坏严重，煤岩体的扩容现象突出，表现为大偏应力下的煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张开，出现新裂纹导致煤岩体积增大，扩容膨胀。 龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/2810997368.html, 浅谈软岩巷道支护 作者：张法兵 来源：《科学与财富》2016年第13期 摘要：随着煤矿开采深度的加大，矿山压力显现明显，巷道支护十分困难，许多原本不 是软岩的岩体成为工程软岩。软岩巷道问题长期困扰着矿井正常的生产接续。通过对软岩巷道稳定性研究，可对复杂条件下巷道的支护、施工技术起到补充、完善的作用。研究软岩巷道支护、施工对煤矿安全生产和经济效益有着重大的意义。 关键词：煤矿巷道掘进软岩支护方式 一、前言 深井地压问题是矿井开采达到一定深度后出现的一大技术难题。当开采深度达到一定深度后，巷道周边的集中应力超过了巷道围岩的强度，巷道周边会产生各种形式的破坏，矿压显现变得更剧烈，与浅部岩层相比，差异较大。在矿井深部，即使在岩体本身强度较高的岩层内，也会出现类似软岩问题，即围岩压力大，支护困难。 二、软岩巷道的特征及支护 1、软岩巷道的特征 软岩巷道最明显的特征是地压显现比较剧烈，巷道维护困难，主要表现在围岩的自稳时间短、来压快、围岩变形量大、速度快、持续时间长、四周来压、底鼓明显、遇水膨胀、变形加剧，可以用4个字来概括：松、散、软、弱。 2、软岩巷道支护困难原因 造成软岩巷道矿压显现明显，支护困难的原因是多方面的，最主要的原因有以下几个方面。 （1）岩层成岩年代晚，胶结程度差 我国软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤的矿区，这些矿区岩层非常松软破碎，易风化，因此怕风、怕水、怕震。 （2）岩石强度低 煤矿软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等，单项抗压强度都比较低。由于岩石强度低，在中等或稍高应力水平状态下就能产生较大的围岩变形，支护困难。 煤矿软岩巷道支护技术 发表时间：2018-02-26T10:42:14.743Z 来源：《基层建设》2017年第33期作者：张晓赟 [导读] 摘要：一般而言，在煤矿巷道形成后，岩层受力均衡状况被打破，特别是岩层的应力会重组从而达到新的平衡，但一旦切向力作用过大，而反作用力不断减小，则会导致岩壁受力处于极端状态，而这种受力不均衡的情况也会逐步朝着巷道周围进行蔓延，最后导致岩壁异常拓展及变形，受力条件也在不断恶化。 太原理工大学山西太原 030000 摘要：一般而言，在煤矿巷道形成后，岩层受力均衡状况被打破，特别是岩层的应力会重组从而达到新的平衡，但一旦切向力作用过大，而反作用力不断减小，则会导致岩壁受力处于极端状态，而这种受力不均衡的情况也会逐步朝着巷道周围进行蔓延，最后导致岩壁异常拓展及变形，受力条件也在不断恶化。要避免严重事故发生，则需对巷道岩层进行支护，特别是一些质地较软的岩层，更需要采用科学的支护方案。要让软岩巷道支护保持能达到预期效果，则需采用科学有效的支护技术与方法。就此将从煤矿软岩巷道支护技术应用方面入手，进行具体分析与探讨。 关键词：煤矿软岩；巷道；支护技术 引言 煤矿是十分重要的能源，煤矿消耗量巨大，而煤炭的储量却在逐年下降，煤矿层的深度也越来越大。煤矿井下作业环境恶劣，如果地质条件比较差，则会造成煤矿井下作业危险度增加，需要结合实际情况选用巷道施工支护技术。基于此，对煤矿井下软岩巷道施工支护技术进行深入研究意义重大。 1 巷道支护理论概述 煤矿巷道支护理论是煤矿支护理论的一个基础性内容，从古至今，人们始终没有停止过对能源的开采和应用，而煤矿巷道支护技术也已经有了十几种理论形式，其中较为常见的就是悬吊理论、加固理论、最大水平应力理论等，其中悬吊理论主要就是应用于软围岩巷道顶板锚杆技术，在实际的煤矿开采中，虽然这种巷道技术较为少见，应用也不多，但是这种悬吊理论却能够更加直观地为煤矿开采给予帮助。而加固理论则从宏观的角度分析了煤矿巷道的内部结构，加固理论也具有自身的特点和结构特征，一般情况下都是在被纵横交错的弱面切割的岩层中安装锚杆，这样可以提升煤矿内部巷道的稳定性。除此之外，最为常见的就是澳大利亚锚杆支护技术，该种技术在某种程度上可以克服水平应力，避免巷道内部出现变形、破裂等问题。但是澳大利亚锚杆支护技术也有着一定的应用范围，通常情况下更适用于巷道平行于最大水平应用力，而其并不适用于垂直水平应用力。 2 软岩巷道支护特点 从科学的角度上来看，软岩巷道主要就是指容易风化、土质黏结性差、土质松软、稳定性差的岩石等，由于软岩石巷道硬度较差，很容易受到外界环境和因素的影响，所以在对这类煤矿进行巷道支护设计的时候应该格外注意。如果需要用数据来判断的话，通常就是松动圈厚度达到1.5m以上的被称之为软岩。从我国目前的地形上来看，软岩的分布并没有规律，很多地区都有软岩分布，通常情况下成岩土层较为深厚并且年代久远，其岩层无论强度大小都被称之为软岩。软岩的自身性质也将会决定巷道的实际特点。不同程度的软岩也应该有着具体的划分，并不是所有的软岩都符合同一情况的巷道设置。可见软岩巷道支护具有一定的要求和特点，只有站在正确的角度去分析和理解问题，才会更好地设置巷道内部的结构，为实现巷道支护体系的完善性奠定坚实的基础。 2 目前国内软岩巷道主要支护方法 2.1 全部刚性类 全部刚性类主要是指闭合钢架、完整预制模板、现场浇筑混凝土等方面的支护。当然，由于支护刚性增加，围岩受到的压力也会更多，所以即便是支护可靠性增强，岩层负载未曾减少，且支架改变与损坏问题未能解决。因此，这类支护并不能很好地协调围岩和支架的受力关系，且无法将刚性及强度配合巷道受到严重形变与压力的围岩进行配合，也会导致更多新问题产生，即如岩层断层增加、工作效率减少、资金投入过大等。 2.2 科学设计巷道位置 （1）在设计巷道前需要对矿井下水文地质情况、工程地质特点、应力场分布、岩层岩性等进行真实而完整的调查，以保障巷道设计的科学性。（2）在进行大巷道布设时，走向的选择应该尽可能地与应力的方向相平行。同时，还需要避免不同节理发育带、断层等情况。（3）在设计巷道的过程中应该尽量保持简单明了，避免空间的交错重叠。同时，矿井下峒室的施工过程需要按照巷道的实际情况来调整顺序。 2.3 U型钢伸缩类 按照软岩体积可变的特征进行设定支架，而这种支护主要是针对已出现体积形变的岩层或断层破裂位置的支撑。而且其优势在于具有较强的可变性，此外本身也具备更多的承受与支撑能力；从而保证支架受到的力与围岩应力完全相反，也就是说在特定情况中支架本身可进行伸缩，而对应的负荷量也会出现增大减小等调整，从而保证支护效果的有效改进。不过，在现实运用时，考虑到U型钢伸缩类支架的最大承重力往往无法体现。导致问题的主要因素是，巷道挖掘及支护技术都无法解决支架背面出现各类规格的空洞，从而导致支架附和围岩接触面十分不均匀。一旦围岩形变，支架由于综合负载的总体作用而出现崩塌形变，而且受力条件较差，往往会因为弯曲、扭转等形变情况而无法进行支撑；此外，由于对支护阻力有更加严苛的要求，对于钢制架的质量也要求越大，这也间接加大了钢材用量，提升支护资金投入。 2.4 综合类 综合支护就是不同的支护方式进行组合，如：锚喷组合注浆加固、U 型钢伸缩配合注浆等。无论哪种综合支护方式，都需按照软岩巷道围岩特征及具体情况进行挑选和运用，且需明确科学的支护方案及数据。此外，锚喷支护应作为优先选择，因为其具有更强的适用性与功能性，能满足一些复杂条件下的支护。此外软岩属于难以找到支点的岩体，因而支护存在难度性，而针对软岩巷道，综合类支护技术的运用需注意以下几方面的问题：a）尽量向外岩层给予抗拒力从而调整岩体的整体受力情况，避免出现碎裂、形变问题，也能保证围岩的稳固性，当然，在岩体内部入手，则需强化其强度，从而保证具有更强的负荷承受力；b）U 型钢伸缩类支架的泛用性较强，但考虑支护成本的问题，可局部采用；且设置支护后，无论在填补还是施工方面，最终效果往往会对支护情况造成一定作用；c）锚喷支护是目前较为先进 浅析软岩巷道支护原理与控制技术 发表时间：2018-08-27T13:40:07.373Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第10期作者：魏涛 [导读] 随着煤矿开采深度的不断增加，井下煤矿巷道将处于更高的地应力环境中，尤其在地质构造活动强烈的地区。 宁夏宝丰能源集团股份有限公司宁夏银川市 750000 摘要：随着矿井开采向深部延伸，原岩应力与构造应力不断升高，使得高应力软岩巷道围岩稳定性控制问题成为困扰煤矿安全生产的主要难题。通过阐述软岩的特性和软岩巷道支护技术，表述了软岩的多样性，在微观上存在差异性，因此构成的软岩巷道的复合型变形力学机制类型存在多样性。说明了软岩巷道支护技术原理和支护原则，并从非线性力学设计介绍新的支护方式。 关键词：软岩巷道；支护原理；支护技术 软岩巷道在我国分布广泛，随着煤矿开采深度的不断增加，井下煤矿巷道将处于更高的地应力环境中，尤其在地质构造活动强烈的地区，井下巷道支护及稳定性更加难以保证。软岩巷道围岩软弱，强度低，具有膨胀性埋深大，地应力水平高。采动荷载作用大变形、高地压、难支护变形时间长、量大、速度快，破坏程度高，传统支护失败。深部软岩巷道显现出显著的大变形、高地压、难支护特点。1、软岩巷道支护原理 我国软岩巷道支护理论早期有于学馥提出的“轴变论”理论，冯豫、陆家梁等在“新奥法”基础上提出的联合支护理论。在此基础上孙钧、郑雨天等提出的锚喷——弧板支护理论，后来中国矿业大学董方庭提出的松动圈理论和方祖烈提出的主次承载支护理论。 1.1 提高围岩自撑能力 围岩暴露后，要立即架设临时支架，临时支架要有较大变形能力和支撑能力，并作为永久支护一部分，与永久支护联为一体共同抵抗地压，当采用锚喷做临时支护时，最好选用可拉伸锚杆或柔性喷层，用一定手段把围岩残余强度与支护形成一体，提高围岩自撑能力和自稳时间。 1.2 永久支护应是封闭型结构，关键是控制底鼓 巷道开凿后，由于施工方法和工艺限制，一般往往不注重底拱封闭时间和施工质量，底板封闭又属隐蔽工程，造成质量低劣、间隔时间长，这正是软岩巷道支护上的薄弱环节，巷道受力后，多先在底板处失稳，然后向上扩展。当永久水沟形成时，由于排水影响更容易造成底板强烈变形和应力重新分布，最后导致巷道变形严重或破坏。因此施工过程中，底拱质量好坏是关键问题。 1.3 支架应有足够变形能力和足够承载能力 当原岩应力较大时，要完全阻止围岩变形和破坏，这就需要高强度、高抗力支架，但由于目前很多条件制约，大面积应用推广高强支架还有一定困难，因此，选用支架时要求支架要有较大变形能力来释放围岩应力，一般在一次支护后间隔一段后架设，让围岩充分变形和围岩自身压能释放后，进行二次支护，这种支护必须在支架允许变形范围内，使支架与围岩相互作用达到平衡，一般多用U型钢可缩型支架来完成。 1.4 严密充填 封闭与加固衬砌中，充填与充填材料亦相当重要，充填不仅使支架或碹体对围岩产生作用，亦能防止围岩松动与脱落，又使支架或碹体均匀受载，提高承载能力。巷道开凿后，围岩在裸露状态下，风化、水化作用使围岩强度大大降低，并失去稳定性，因此及时封闭加固围岩（初喷或复喷）是提高围岩强度和稳定性的必要手段。 2、软岩巷道控制原则 由于软岩工程具有变形速度快、持续时间长、导致变形量大的特征，所以软岩工程应采取科学的支护原则与与对策措施。要根据不同的压力类型选用不同的巷道支护方法，降低围岩应力和先放后让与边让边抗结合，消除“环境效应”对岩体强度的不利影响，根据围岩压力分布特点选择合理的断面形状，通过施工监测动态调整支护设计与参数。 2.1 整体性原则。使支护与围岩形成的复合体发挥协同作用，表现出较大的刚度和较强的抵抗变形能力。 2.2 结构性原则。就是从支护与围岩共同作用形成的复合结构中的应力状态出发，通过加强锚固或增加锚固深度，改善支护结构中关键部位的应力状态，保证支护结构整体应力状态的均衡。 2.3 全面性原则。就是在加强巷道顶帮支护的同时，加强巷道底角和底板围岩的支护，形成全断面支护结构。 2.4 有效性原则。保证形成的支护结构具有较大刚度和较强的承载能力，满足有效抵抗静动压作用巷道围岩碎涨变形和蠕变变形的要求。 2.5 时效性原则。考虑支护体的长时强度，避免支护体在静动压作用下进入屈服状态，导致支护结构不能满足长期稳定的需要。 3、软岩巷道围岩稳定控制技术 工程实践表明，对于软岩巷道，无论是新开巷道、还是实施了多次支护的翻修巷道，其破坏是一个渐进的力学过程，总是从某一个或几个部位开始发生变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。在软岩巷道变形破坏过程中首先破坏的部位可称之为关键部位，关键部位的形成是软岩巷道发生塑性大变形的力学标志；关键部位产生的原因是软岩巷道发生大变形过程中，由于支护体与围岩变形不协调而引起的。 3.1 高性能锚喷支护技术。即采用高强度、高刚度和高预应力锚杆（索）配合金属网、钢带（钢筋梯）、喷射混凝土等组成复合锚喷支护结构。支护结构根据不同情况加以选择①对于不受动压影响的软岩巷道，可采用锚网喷加锚索或锚网喷加锚索加钢梁（或钢筋梯）耦合支护。②对于受采动影响或高应力区的软岩巷道，可采用锚网喷加锚索加U型钢联合支护或锚网喷加锚索加桁架联合支护。③对于大断面硐室，可采用锚网喷加锚索加钢筋混凝土砌碹或锚网喷加锚索加网壳耦合支护。 3.2 整体让抗压支护技术。预留变形量和二次支护技术，二次支护过早将难以抗拒围岩的初期剧烈变形，二次支护过晚，围岩自身承载能力又会急剧下降，即二次支护在时间和强度上与围岩变形特性不能协调，二次支护的作用下降甚至失效。 3.3 软弱围岩整体转化技术。对于膨胀性软岩（S型）以防水为主；高应力软岩（H型）以卸压为主。节理化软岩（J型）以注浆为 软岩巷道支护设计 邱照辉 (鸡西矿业集团公司梨树煤矿,黑龙江鸡西158100) 摘 要:梨树煤矿建矿以来一直受软岩困扰。该矿通过对软岩巷道岩性的分析,以采面上、下巷为主,应用悬吊理论与组合梁理论,设计锚、网、索、钢带的联合支护方式,有效地控制变形、片帮,为矿井安全有效地管理软岩巷道提供了科学依据。 关键词:锚杆;围岩;联合支护中图分类号:T D353 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2009)09-0088-03 Design on Support in Soft R ock Tunnel QIU Zhao -hui (Lishu C oal M ine ,Jixi M ining Industry G roup C om p.,Jixi 158100,China ) Abstract :Lishu C oal Mine has been plagued by s oft rocks.By analysis on the lithology of s oft rock tunnels ,taking the upper and down tunnels as dominant factors ,the theory of suspension and com pound beam was ap 2plied ,the combined support with bolt ,net ,cable and steel belt was designed.The deformation and wall cav 2ing were effectively controlled.The scientific basis was provided for controlling s oft rock tunnels safely and ef 2fectively in coal mines. K ey w ords :bolt ;host rock ;combined support 0 前言 梨树煤矿隶属于鸡西矿业集团公司,近几年刚改扩建投 产,设计年产量为90万t Πa 。该矿主产煤种为主焦煤,煤层赋 存稳定,可采厚度218～310m ,煤层顶、底板为复合型顶板,以黑灰色粉砂岩居多。因岩层软、围岩压力大,给开采带来表2 需建图层列表 表3 设置文字样式 文字样式名称 字体名文字高度 宽度比例 备注 ST 2.2宋体 2.2(小五) 1 标注汉字 ST 2.5宋体 2.5(小五)1标注汉字 T NR2.2 T imes NewR oman 2.2(小五)1标注数字 备注 一般而言,粗线取0.3mm ,细线取0.09mm 。 2.6 保存文件 打开“文件”菜单单击“另存为”打开图形另存为对话框,在存为类型下拉框中选“”文件类型在文件名中输入“采矿图模板”单击“保存”出现“样板说明对话框”在模板说明对话框中输入以下说明:采矿专用模板,比例1:1,单击“确定”,此时系统会在相应的位置创建一个“采矿制图模板.dwt ”模板。最后将建好的图形保存为.dwt 格式,并存放在autocad \cadt 2 em plate 目录下[8] 。这样,在下次新建图形时,可以从“使用样 板”进入绘图界面。对新图保存时,缺省类型为.dwg ,不会覆盖原有的样板文件[2]。 3 模板的使用 把采矿图样式绘制成标准模块,从而统一了采矿制图的标准,消除了制图中的任意性,减少了绘图人员的工作量,为二次开发修改图形打下了良好的基础。用户可以根据自己的使用习惯和需要灵活地建立1套模板。在用AutoC AD 具体进行绘制相关图形时,就可以根据需要使用自己定制的相关模板。当然,如果条件允许,还可以利用专用的采矿C AD 绘图软件包,同样可以节约大量的时间,提高绘图效率。在这方面,中国矿业大学矿业工程学院林在康教授做了大量的AutoC AD 二次开发工作,研发了一系列基于C AD 的数字化矿井模型和煤矿生产技术软件包[4]。 4 结束语 上述是制作样板的几个方面及一般方法,用户可根据工作的需要自定义特色的专业设计模板。结合在工作中的绘图实践,所制作的图形样板很好地符合了我国国家制图标准以及采矿制图标准。通过模板的合理使用,可大大缩短了绘图的前期准备时间和设计周期,减轻了设计者的工作强度,大大提高了设计效率。 参考文献: [1] 煤矿地质测量图图例[M].北京:煤炭工业出版社,1989. [2] 吴永进.AutoCAD2006中文版特训教程[M].人民邮电出版社, 2006.[3] 张荣立,等.采矿工程设计手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2003.[4] 郑西贵.采矿AutoCAD2006入门与提高[M].徐州:中国矿业大 学出版社,2005.[5] 周跃进.AutoCAD2002模板的绘制与使用[J ].矿山压力与顶板 管理,2003,(3).[6] 杨建根.AutoCAD 制图模板的开发与制作[J ].机械设计与制造, 2005,(12).[7] 张俊,等.基于AutoCAD 技术绘制采矿工程图[J ].采矿技术, 2005,(3).[8] 马源晖,刘让铁.AutoCAD 模板文件制作过程详解[J ].金属加 工,2008,(5). (责任编辑 王凤英) 收稿日期:2009-04-15;修订日期:2009-06-15 作者简介:邱照辉(1982-),男,黑龙江鸡西人,助理工程师,2006年毕业于黑龙江科技学院,现任鸡西矿业集团梨树煤矿生产技术科主任工程师,T el :0467-2788408。 第28卷第9期2009年9月 煤 炭 技 术C oal T echnology V ol 128,N o 109 Sep ,2009 软岩巷道支护技术研究与应用 发表时间：2017-10-09T16:10:06.277Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第14期作者：江山山 [导读] 基于能量平衡理论的深部软岩巷道支护技术为我们更好的解决深层煤炭作业中出现的安全事故问题。 安徽神源煤化工有限公司安徽省淮北市 235126 摘要：软岩的强度和刚度的岩体结构小，临近采区高应力状态下的岩石巷道掘进中，极易造成破碎软岩，导致对煤矿安全生产的不利影响，因此支护技术的应用是非常必要的。在实际生产过程中，不同围岩性质的应力状态不同。如果采用单一的支护技术方案，不仅达不到预期效果，而且会带来更大的安全隐患。因此，在实际的煤矿巷道掘进中，应根据围岩的实际性质选择合理的支护形式，以确保煤矿安全生产。 关键词：软岩巷道；支护技术；应用 1软岩巷道支护机理 为了保证软岩的极限承载力，一般在软岩巷道支护设计过程中消除围岩塑性变形。围岩应力状态会因煤矿开采而发生改变，而为了保证围岩的承载能力就必须对围岩进行加固，提高巷道围岩支护强度。若围岩在巷道挖掘后而受到的各应力(静水压力、重力、构造应力、土压力等)合力为P合，当对软岩巷道进行支护之后，P合是指支护结构提供支撑力、围岩的自撑力和围岩变形而产生工程力三者的合力。因此，当围岩应力状态发生改变时，巷道围岩难免会出现塑性变形，为进一步降低巷道围岩塑性变形危害，加强支护和提供可变空间的方式来改变巷道严重变形现象，确保围岩支护稳定。 2现今煤层深部软岩巷道支护技术现状和问题 不同开采条件的深部巷道在高应力作用下有其独特的破坏机理，采用通常的支护方法和手段，巷道支护效果条件差，巷道修复率高，永久性巷道支护后常出现冒顶、片帮、底鼓等现象，需多次维护与加固，维护工程量大，支护成本较高，巷道安全隐患点多，煤矿安全生产时刻受到威胁。 深部巷道围岩的地质力学快速测试系统和高预应力、强力锚杆支护系统。这种支护系统是目前较为有效的一种支护系统。锚杆支护已经成为我国煤矿巷道首选的、安全高效的主要支护方式，显著提高了巷道支护效果，能够在安全的情况下保证采煤面快速推进，大幅促进煤炭产量的提高。锚杆支护只能对浅层煤矿巷道的变形起到防止变形的作用。在深部条件下，巷道围岩出现高地应力，尤其是受到水平构造应力的影响很大。许多在浅部煤层防治巷道变形的理论和支护手段都失效了。由于高地应力没有作用在煤层巷道的一个水平面上，导致地应力大小不均，深部围岩体现出非线性大变形的特点。由于深部复杂的地理环境导致深部巷道支护极其困难，尤其是厚煤层软岩巷道变形将成为干扰井下正常安全生产的重大难题。深部高地应力岩巷矿压显现具有明显不同于浅部的特点，巷道围岩承载力、地应力、巷道原支护结构、松动圈及顶板应力集中导致软岩巷道诱发大变形，地压大，巷道维护困难成为突出问题。原有支护方式采用的锚杆支护材料强度与刚度小，初期锚固力低，支护效果差。在集中应力的作用下，巷道围岩发生较大的变形，尤其表现为顶底板移近量加大、锚杆、锚网拉断、两帮内挤、巷道肩部破碎。 3能量平衡理论应用于厚煤层软岩巷道支护技术 基于能量守恒原则，能量支护理论被提出，其主张运用到煤层巷道中的实践就是：对岩体的开采总是伴随着能量的输入、聚集、输出过程，巷道工程的支护也要随着变化，才能使能量处于动态平衡。在煤层巷道内利用支架等支护设备对围岩能量进行释放，最终完成能量守恒。这就解决了井巷工程拨门施工时，能量一旦出现失衡状态，厚煤层软岩层及其围岩就会出现巷道变形情况。能量平衡理论要求在煤层巷道内部，调整支护设计、二次支护和优化弱面支护结构来改善深部高地应力软岩巷道支护状况。 3.1调整支护设计 支护设计的调整主要是为了满足巷道与岩体之间的受力平衡。围岩处于应力场，与人为因素无关。拨门开挖施工后巷道围岩近似处于双向应力状态。支护承受岩石释放的能量，将应力沿支承方向传递，从而实现能量的传递和平衡，更好地完成支护效果。 3.2调节支护结构 巷道支护刚度小，支撑力相对降低，巷道周围径向位移严重；软岩地层，围岩越向外移动特性曲线，巷道的变形越严重。在变形过程中，总能量不发生变化，围岩释放一定的能量，支撑体吸收一定的能量。支架结构可自动调节，围岩释放的能量可自动调节。虽然市场上的钢结构可缩性支架都具有调节结构的功能，但锚杆支护是柔性和塑性的最佳支护形式，能较好地调节围岩释放能量。 3.3二次支护 由于巷道围岩应力释放时间较长，往往是由于岩体在第一次支护结束后是非弹性的。除了可能的断裂带外，特殊地质变化所遇到的断层和顶板裂隙水出现等导致围岩特别软且巷道变形严重，一次支护往往达不到支护要求，顶板下沉产出离层。开挖后，应力作用下积累的能量将释放，并将作用于巷道的支护结构。经过两次支护后，岩体表现出明显的流变性质。施工人员必须对巷道进行二次支护，其目的是使围岩从蠕变状态发展到稳定状态，二次锚杆锚固区的径向稳定应力大于或等于非锚固区径向应力。结果表明二次支护提高支护强度改变巷道围岩变形，满足厚煤层巷道长期使用的要求。 3.4选择优化支护系统 在选择优化支护系统时，我们先比较三种锚杆支护能力。从《三种锚杆支护巷道表现位移统计表》中观察可知：三种支护形式对巷道顶板和两帮的支护效果差别大。高强锚杆和锚索支护段的顶底板移近量、顶板下沉量小，其两帮移近量也比较小，高强锚杆很好地控制了巷道围岩变形，具有显著的优势和应用价值。在实际操作用中，全螺纹钢锚杆支护段锚杆受力变化最为显著，安装受力较小，安装后达到强度极限时甚至出现断裂情况。而高预紧力锚杆的强度和刚度较大，高预紧力有效控制了煤层巷道顶板的离层和两帮位移，满足对巷道安全支护，避免巷道发生大的变形和塌陷。加之，高强锚杆支护比原支护材料成本较低，其适合在深层煤矿井的开采作业巷道中推广使用。它的推广会减少煤矿安全事故的发生减少经济损失。 4结论 目前我国在软岩巷道支护理论和支持方法的失效机理方面取得了很大的成绩，但由于对低强度软岩巷道岩石力学、水和应力的影响，软岩巷道软岩流变特性的问题没有得到解决，没有一个明确的理论依据软岩巷支护方案的选择和参数的确定。因此，在锚喷支护技术的基 浅议软岩巷道的支护技术 张百强 软岩，目前任无统一的定义，一般来讲，软岩是软弱、破碎、膨胀、流变、强风化及高应力岩体的总称。 软岩巷道围岩强度等级低，结构松软，易吸水膨胀，因而巷道围岩变形大，易发生底鼓，软岩巷道支护是煤矿巷道支护的难点和重点。 王洼煤矿600万吨/年改扩建项目11采区轨道下山全长1283m，巷道净宽4.4m，净高4.0m。 巷道揭露地层主要是侏罗系延安组，岩性以粗砂岩为主。岩石呈灰白色，夹黄色条带，巨厚层状，粗粒砂状结构，成分：石英85﹪左右，长石10﹪左右，其他矿物5﹪左右，分选性差，次棱角状，局部含石英颗粒。 巷道掘进后，围岩变形快，矿压显现明显，流变性显著，岩石遇水泥化。该巷道经过长期的现场观测观察后，通过科学论证，现场实践，采用多种联合支护方法，取得了显著的成果。下面首先对软岩巷道的压力特征、软岩巷道的支护要点做一简单总结。 1.软岩巷道的围岩变形和压力特征分析 软岩的力学性质对围岩稳定性有重要的影响，根据井下观测表明，软岩巷道的围岩变形有以下特征： （1）围岩变形有明显的时间效应。初始变形速度很快，变形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，且持续时间较长，如不采 取有效的支护措施，则由于围岩变形急剧加大，势必巷道失稳破坏。 （2）围岩变形有明显的空间效应。首先表现为围岩与掘进工作面的相应位置对其力学状态的影响，通常在距工作面1倍巷宽远的地方就基本上不受工作面掘进的制约；其次表现为巷道所在深度不仅对围岩的变形或稳定状态有明显的影响，而且影响程度比坚硬岩石大得多。 （3）围岩变形对应力扰动和环境变化非常敏感。表现为当软岩巷道受临近开掘或修复巷道、水的侵蚀、支架折损失效，爆破震动以及采动等的影响时，都会引起巷道围岩变形的急剧增长。 （4）软岩巷道不仅顶板下沉量大和容易冒落，而且地板也强烈鼓起，并伴随两帮强烈位移，尤其是黏土层，受流水侵蚀引起的泥化导致鼓底更为明显。 （5）软岩巷道的自稳时间短。松软岩石的自稳时间通常为几十分钟到十几小时，有的顶板一暴露就立即冒落，这主要取决于围岩暴露面的形状和面积、岩体的残余强度和原岩应力。因此在决定巷道掘进方式和支护措施时必须考虑到巷道围岩的自稳时间。 2.软岩巷道支护要点总结 软岩巷道的支护理论比较多，主要有联合支护理论、锚喷-弧板支护理论，高预应力、强力支护理论，其中联合支护、高预浅谈煤矿软岩巷道支护技术
软岩巷道支护技术发展现状分析
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