高应力软岩巷道联合支护理论与实践

高应力软岩巷道联合支护理论与实践

摘要：随着我国煤矿开采深度的不断增加，煤矿巷道将位于更高的地应力环境中，特别是在构造活动强烈的地区，煤矿巷道的稳定性更加难以保证。研究高地应力，环境下岩体工程变形特征和如何采取有效的巷道支护方式是保证煤矿巷道稳定性的关键。本文介绍了高应力软岩的概念及形成条件，论述了高应力软岩巷道的变形特征和支护原理，并以某煤矿井下巷道支护为例，经过三种联合支护的实践，最终表明预留刚隙柔层支护是最佳的支护方式。

关键词：高应力；软岩巷道；联合支护；预留刚隙柔层支护

１、高应力软岩的概念及形成条件

1.1 高应力软岩的概念

长期以来岩石工程学界仍未就软岩的概念达成共识，根据文献，在高地应力区经常遇到一类特殊岩体，当其地表浅部或低地应力时，岩块显示出较坚硬特征; 而在高地应力环境中，当围压较高时，岩体尚具有较高的强度和模量，当围压较低时，工程岩体则表现出软岩特征。

1.2 高应力软岩形成条件

通过对软岩的定义与分析，高应力软岩形成的条件为：

(1)除少量岩石为较软弱岩石外，组成高应力软岩的大多数岩石均为较坚硬的岩石，单轴饱和抗压强度R≥25MPa;

(2)岩体破碎、强度和模量相对较低、流变性强;因为高地应力环境使开挖前的岩体处于高围压环境，岩体结构面处于闭合状态，是稳定的且有一定的强度和模量; 开挖后围岩处于低围压环境，结构面不闭合，岩体强度和模量较低。

(3)水平应力大于自重应力。

在目前全国煤矿开采深度来看，由自重产生的应力是不能使岩体达到高应力状态的，只有在水平构造应力存在并大于自重应力条件下，才能使岩体达到高应力状态。

2 高应力软岩巷道变形特征

(1) 围岩变形量大。高应力软岩自身特征决定了巷道变形量大的特点，其中巷道的水平收敛量要比拱顶下沉量要大得多。一般为数厘米至数十厘米，表现形式有两帮内移、尖顶和底鼓。

(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。

(3) 巷道变形具有时效性。由于巷道围岩岩性不好，且被节理切割，岩体具有显著的流变性，表现为明显的时效性。当岩体流变所产生的围岩变形过大，使得支护体无法适应巷道的围岩而失效，围岩再次恶化并剧烈变形。

3 软岩巷道支护原理

根据软岩的基本概念、力学属性、分类及其变形力学机制,不难发现软岩之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的复合变形力学机制。由于本构关系的不同，软岩巷道的支护原理和硬岩巷道支护原理也是截然不同的。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。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力的合力PT，如图1 所示。则软岩巷道支护原理可表示为：

PT = PD + PR + PS

式中：PT 表示巷道开挖后使围岩向临空区运动的合力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等) ;

PD 表示以变形的形式转化的工程力(可以包括：弹塑性转化(与时间无关) ，粘弹塑性转化(与时间有关) ，膨胀力的转化(与时间有关) 。对于软岩来讲，主要是以塑性能变形的方式释放) ;

PR 表示围岩自撑力，PS 表示工程支护力。

巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力PT 并不是纯

粹由工程支护力PS 全部承担，而是由PD、PR 和PS 三个部分

共同分担。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。

４工程应用实例分析

某矿巷道围岩主要由中粒砂岩、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。矿井生产实践表明，该

矿属于典型的高沼、高突和高地质应力矿井。其中矿井的水平应力为17. 25MPa~ 28. 7M Pa，是垂直方向最小主应力的1. 7~2.8倍，属于高水平应力软岩矿井。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，在22 盘区围岩比较破碎的皮带下山巷道进行多种联合支护试验，以求适应该矿高应力软岩巷道的最佳联合支护方式。

经过研究，在22 盘区皮带下山巷道段分别进行了锚梁网联合支护、锚梁网+锚索联合支护和锚梁网+拱形支架联合支护三种支护形式的试验，各种联合支护方式的试验段都为20m。

４.1 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后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)，接着喷射混凝土(第二次支护) 。支护参数为：锚杆为φ18mm 长2.0m的圆钢锚杆，树脂药卷锚固，锚杆间排距按750mm×750mm布置；金属网采用为50mm×50mm的机制网；钢条梁用φ12mm圆钢焊接加工而成,排距为750mm；喷层厚度为80mm，如图2 所示。

(２)锚梁网+ 锚索联合支护：

采用光面爆破技术，掘进巷道爆破后立即进行初喷，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φ15. 24mm 长6. 0m 的钢绞线，段锚固，锚索排距为1000mm ，如图3

(3) 锚梁网+ 拱形支架联合支护：采用光面爆破技术掘进巷道爆破后立即进行初喷并打好锚孔，边装锚杆边挂好钢丝网和钢梁，装好拱形支架(第一次支护) ， 喷射混凝土(第二次支护) 。支护参数： 锚梁网参数与第一种联合支护的参数一样，拱形支架用15kg 钢轨制作，拱形钢支架棚距800mm 如图4 所示

4.2 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如表1 所示。 表1：三种联合支护效果比较 支护方式 观测时间(d) 拱顶下 沉量(mm) 两帮收 敛量(mm) 拱顶下沉速 度 mm/d) 两帮收敛速 度(mm/d) 锚梁网联合支护 76 40.69 80.25 0.54 1.06 锚梁网+锚索联合支护 70 24.45 142.13 0.35 2.03 锚梁网+拱形支架 联合支护 67

3.81

13.94

0.06 0.21

从上表中，容易看出，三种联合支护方式中，锚梁网+ 拱形钢支架联合支护不论在拱顶下沉还是两帮收敛控制方面支护效果都是最好的。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。 从上表中，很容易看出：

(1) 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。

(2) 在三种联合支护方式中，锚梁网+拱形支架联合支护不论在拱顶下沉还是两帮收敛控制方面支护效果都是最好的。这种支护方式实际上是一种预留刚隙柔层支护，其力学原理如图 5 所示。预留刚隙柔层支护从力学上讲，是在支护体内设置刚性层和柔性层，在刚性层和柔性层之间预留一定量的间隙，使其能够大幅度地吸收高应力软岩的大变形。这样就形成了所谓的刚隙柔层，它具有充分的柔度和间隙适应高应力软岩的大变形，同时又在一定的时刻(间隙压密，刚柔层相接时) 具有充分的刚度限制围岩的有害变形，从而使之成为高应力转化最多、围岩强度保护最好的一种支护技术。

参考文献：

【1】何满潮，彭涛，陈宜金. 软岩工程中的大变形及研究方法[J] .水文地质工程地质，1994，

【2】周维垣. 高等岩石力学[M] . 北京：水利电力出版社，1990：

【3】陆家梁. 软岩巷道支护技术[M] . 长春：吉林科学技术出版社