关于软岩支护技术

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；2，高应力：（1），深井（自重应力）（2），采动应力（原岩应力的3-6倍）；（3），构造应力；3，松散破碎+高应力。

六，我们能开展的工作：1，巷道顶板失稳机理及安全控制强化支护与结构让压的协调支护理论，动态分步加固稳定浅部围岩的支护理论。

2，围岩应力场的控制：（1），结合采矿活动、开展大范围宏观应力场调整的规律性研究，形成巷道围岩的应力转移（特别是水平应力）机理，近距离煤层群的开采顺序、开采布局；（2），巷道浅部细观应力场的卸压机理，迎头超前钻孔卸压、帮底部位的钻孔掘巷卸压、多条煤巷（主辅）的同时掘进；3，技术手段的创新，高预应力、超长锚固、超高强度的新型抗剪锚杆，滞后注浆加固。

目的：形成围岩强化控制技术体系。

4，锚杆支护的概念：（1），巷道采用以锚杆支护为基础的支护，其他锚索、钻孔注浆等支护和锚杆组合起来，在不同时机，以不同方式实施的，其作用并不能分出主次，也不能强调各种支护手段的次要作用；（2），这类支护最本质特点：是从岩体内部、通过人为手段对岩体本身的力学特性和承载性能改善或提高的工程技术，和从外部接触，在岩体发生变形后约束岩体的框式支护有本质的区别，是更高一级的支护技术。

5，锚杆支护使用要求：（1），400米以上，传统支护基本能满足要求；（2），600米以下，传统支护不能满足要求；（3），年开采深度延深10米；（4），必须发展新型支护技术，解决深井高地应力支护问题。

七，强化支护理论：1，强化锚杆支护性能：（1），提高锚杆力学性能，改善锚杆结构；（2），改善锚杆承载性能，便于施加高预紧力并改善锚杆增荷性能，形成有效的初始支护强度，实现高阻让压约束围岩变形，防止围岩破坏；（3），初始支护强度；2，围岩强度强化：（1），围岩强度的提高；（2），破碎岩体的破裂过程控制；（3），优化围岩的应力环境，优化围岩浅部应力环境，处使围岩有2向应力状态向3向应力状态转化；如：锚杆：1.4米→3.6米；锚杆直径：∮16→∮20→∮22mm；拉力：3t→10t；巷道周边围岩破坏是不能阻断的，破裂岩体破裂2-3米之后再继续破裂。

3，强化支护围岩结构：（1），顶板的安全控制：（2），弱化区的补强，针对层状岩体不均衡产生的弱化区（含弱面或软弱夹层、帮角岩体破坏区、软弱煤体、开放的底版等）补强；（3），关键承载区的加强：促成支护围岩整体承载结构的形成或强化，以多层次的联合支护来实现：支护体和围岩间的主动和动态的相互作用。

第二节，深部开采诱发的工程灾害一，巷道围岩变形量增大，深部巷道围岩变形表现为如下特征：1，巷道变形速度快、变形量大、巷道围岩变形范围大；2，岩性对巷道变形的影响更加明显，采深对软岩巷道、煤层巷道的影响尤为显著；3，巷道维护难度增大，废弃巷道数量增加；4，巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征；5，采深增加、开采对巷道变形的影响越大、影响程度也越激烈；6，多数留设的巷道保护煤柱达不到保护巷道的目的，对巷道维护十分不利；7，巷道对支架的工作性能要求更高、必须提高支架初撑力、工作阻力和可缩量；8，巷道布置、开采顺序和开采边界对巷道维护影响增大。

如：德国鲁耳矿区在1100米以下开采，巷道宽6米、煤层厚 19 米，底版在24小时内鼓起0.8米、煤层移出0.5米。

二，采场矿压显现剧烈：我国煤矿生产实践表明、采深对采场支护方面的影响不十分明显，而煤壁片帮，端面冒落带高度却随采深的增加而明显增大。

三，采场和巷道中岩爆危险性增加：由原始沉积作用和后期构造作用的含煤岩系的非连续性和非均质性，随着煤炭采深的增加引起的覆岩自重压力的增大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧烈变形，巷道和采场失稳，并易发生破坏性的冲击地压，给巷道支护和顶板管理带来许多困难。

如：深部开采与浅部区别“三高”和时间效应：1，地应力（自重应力﹥约18MPa）；2，地温高（一般30-40℃、个别达到52℃）3，渗透压高（﹥约7MPa）；4，较强的时间效应；四，瓦斯涌出量增大；五，地温升高、作业环境恶化；六，突水事故趋于严重；七，井筒破裂加剧；八，煤自然发火、矿井火灾加剧；如：水平应力： h≥1000米时、水平应力/垂直应力=0.5-2.0；h≤1000米时、水平应力/垂直应力=1.5-5.0；在深部开采条件下，水平应力与垂直应力之比趋于集中，并逐渐减小3-5t/㎡岩石强度变化：随深度增加有所提高。

岩石变形性质：（1），岩石的脆性→延性转化性质：岩石在浅部表现脆性、在深部则很可能转化为延性（DUCTILE），在实验中岩石的这种性质是随着围压的升高而发生的，往往存在一个“脆性-韧性转化临界围压”，对应到工程中实际上是临界深度；脆性力学响应→韧性行为力学响应。

（2），岩石的剪胀或扩容现象不明显；实验研究表明：在低压下（相当于浅部开采）、岩石往往全在低于峰值强度时，由于内部微裂纹张开，而产生的扩容现象；但在高围压下，岩石的这种扩容现象不明显，甚至完全消失。

如：岩石破坏特征：序号浅部开采条件下→深部开采条件下1，脆性能或断裂韧度控制的破坏→侧向应力控制的断裂生长破坏；2，动态破坏→准静态破坏加载破坏，侧向（卸载）破坏—岩爆体现在：巷道失稳、顶板破坏，岩层移动机理等问题。

第三节，深部软岩巷道支护理论与技术问题一．变形特征：1，围岩软、强度低、具有膨胀性；2，深度大、应力水平高；3，动载荷作用；4，大变形、大地压、难支护；二，变形机理：1，挤压流动变形机理；2，饶曲褶皱变形机理；3，剪切错动变形机理；4，遇水膨胀变形机理。

每10年延伸100-250米的速度发展。

第五节，煤矿巷道层状顶班的安全控制理论一，与其它岩土工程相比、煤矿顶班控制及巷道支护更困难：1，围岩赋存不均质；2，围岩条件变化平繁；3，围岩强度低，围岩松散、单轴抗压强度低；4，原岩应力大：埋藏深、原岩应力大、地质构造产生的附加水平应力强烈。

动压影响强烈、受强烈的采动影响、应力提高3-5倍；5，动压影响强烈、受强烈的采动影响、应力提高3-5倍；6，存在大量特殊的安全技术问题，瓦斯、煤尘、媒体自然发火、地下水、构造等灾害严重。

二，煤矿顶扳类别及划分：煤矿ⅳ、ⅴ类顶板煤巷控制技术属于国际性的难题；1，国内外ⅰ、ⅱ、ⅲ类顶板控制已经成熟；2，ⅳ、ⅴ类顶板（及易离层破碎型）控制难度极大；三，首先研究煤层顶板赋存特征及与技术难点：1，顶板4-6米范围内，通常没有坚硬岩层，这一依赖坚硬岩层的顶板控制思想受到限制；2，通常巷道只能采用棚式支护形式，但高密度重型金属支架的强度根本不能满足ⅳ、ⅴ类巷道强烈的矿压显现；3，国内外一致认为，随采深增加，煤矿地下开采只有发展锚杆支护。

四，顶板失稳规律：复杂条件煤巷使用锚杆支护存在问题：1，锚杆使用密度大：（1），变形量大：1000-2000mm以上；（2），采动状态下变形失效；2，不能有效的控制顶板离层，恶性冒顶事故时有发生：（1），冒顶率：万分之3-5；（2），事故率：五万-十万分之一；（3），金属支架类被使用抬头。

五，冒顶原因：1，松散变型持续发展；2，锚杆支护承载状态不好、工作载荷低；（1），实际载荷分三种情况；A，安装时、没有初锚力；B，C，3，大变形后锚固力衰减，锚固失效，端锚时在围岩变形量达到100mm时即开始失效，全长锚固时锚杆的可靠性随大大提高、但围岩变形达到200-300mm时，锚固力也开始降低了；达到500mm时、既完全丧失；4，四周的不协调变形，结构性失稳。

五，冒顶类别划分：1，通过….（1），松散型垮落、垮落范围一般在0.5-1.5米内，负荷15-25kg/㎡，承载能力、安装质量更重要/载荷提高！2，挤压型垮落、在水平应力和自重应力…（1），锚固区内离层..（2），锚固区外离层..A，锚固层厚度.B，六，顶板离层控制理论：1，首先对顶板赋存结构开展精密探测：（1），岩层钻孔探测仪：如：0.5米处顶板裂缝，1.18米处顶板离层。

（2），光导纤维钻孔窥视仪；（设计、监察、施工应分开）。

2，对顶板..七，顶板安全控制基本原理：1，控制围岩弱化区发展，消除松散变形，提供的高涨拉力不仅完全克服了松动，并将该部岩体和更上部挤压在一起，阻止围岩进一步松动，消除岩体松散变形；2，改善锚杆受力状况，提高锚杆支护效能：3，消除水平应力对顶板破坏，，，，稳定顶板的契型锚固结构。

第六节，巷道围岩应力优化与转移技术主要内容：控制巷道围岩稳定三要素：1，岩性；2，围岩应力；3，支护；一，区域应力场调整：深部巷道布置、开采部署和最终形成的开采边界条件对巷道稳定性影响大，由此产生的巷道变形差异很大。