软岩巷道断面形式及支护方式分析

软岩巷道断面形式及支护方式分析

摘要:以新上海一号煤矿井底车场软岩巷道为背景，分析软岩巷道围岩受力情况

及破坏原理，对软岩巷道断面形式及支护方式进行技术分析。结果表明软岩巷道

采用二次复合支护，断面形状采用拱形断面、曲墙及反底拱抵抗围岩压力效果较好。

关键词:软岩；围岩压力；曲墙；反底拱

1．煤矿概况

新上海一号煤矿位于内蒙古自治区鄂托克前旗境内，井田南北长10.7km，东

西宽0～3.5km，面积21.35km2。井田内10层可采煤层，设计可采储量349.30Mt，生产能力4.00Mt/a。工业场地选择在井田中部，自然高程+1315m左右。矿井采

用立井多水平开拓。初期在工业场地内布置主井、副井及回风井各一条。主井深

度516m，净直径6.0m。副井深度546m，净直径8.0m。一号回风井深度516m，净直径6.0m。两个水平的大巷分别布置在十五、二十一煤层中，分别编号为一、

二水平。一水平水平标高+800m，开采二、二下、五、八、十五、十六煤，二水

平水平标高+700m，开采十八、十九、二十、二十一煤。

2．井底车场软岩巷道工程实例

各煤层均属于“三软”煤层，矿井移交时井底车场位于八号煤层中，垂直应力

为8.2～8.25 MPa，水平应力为15.68～16.12MPa；围岩岩性主要为砂岩、泥岩、煤，多为泥质胶结；单轴抗压强度低，砂岩为13.91～18.19 MPa，泥岩为10.78～12.8MPa，煤为3.08～5.3 MPa；围岩为典型软岩，围岩松动圈范围0.74～2.96m。巷道埋深大，断面大，周边巷道多，应力集中，原设计采用半圆拱直墙断面，受

水平及垂直应力双重影响，巷道直墙向开挖侧变形大，底鼓严重。

3.巷道破坏机理分析

巷道水平应力约为垂直应力的两倍，而原设计断面采用直墙半圆拱断面，底

板也未设置反底拱，支护方式直接采用钢筋混凝土支护，没有采用初次柔性支护。当巷道开挖后，直墙便是支护体的薄弱环节，围岩在原始水平应力作用下向巷道

方向变形，而直墙抵抗变形的能力较差，造成了墙体破坏。

由于未设置反底拱，相当于底板并没有支护，根据软岩车场巷道的受力模型，开挖后车场巷道四周均受围岩原始应力，当墙和拱支护后，底板反而成了一个自

由面，成为车场巷道支护中的薄弱环节。当车场巷道底板长时间受水和空气的侵蚀，底板原始岩石受到破坏，逐渐失去支撑强度，在垂直应力的作用下发生底鼓

现象。而车场巷道顶板采用半圆拱支护，其拱形支护体承载能力强，抵抗围岩变

形的能力较强，拱部反而不易被破坏。这就是井底车场巷道为什么顶板相对变形

较小，而底鼓非常严重的主要原因。

从支护的角度分析，原设计井底车场巷道直接采用钢筋混凝土砌碹支护，而

钢筋混凝土为刚性支护，支护强度约为0.1～0.3MPa左右，而围岩垂直应力为

8.2～8.25MPa，水平应力为15.68～16.12MPa，支护强度远小于围岩的原始应力，因此利用支护体抵抗围岩原始应力根本不可行。同时煤矿为软岩矿井，原始岩体

开挖后，车场巷道本身变形范围较大，而钢筋混凝土支护体适应围岩变形能力较弱，岩石变形与支护体不匹配。因此须采用新型支护方式，提高围岩自我承载力，同时支护体还必须能适应车场巷道变形需要。

4．井底车场巷道断面选择

根据支护体受力模型，支护体需要抵抗围岩应力产生的弯矩，若支护体为平

板形状，由于混凝土（支护体）抵抗弯矩破坏能力差，支护体易破坏。若支护体

为曲状，其抵抗弯矩的能力大，则支护体不易破坏。围岩水平及垂直地应力均较大，应采用曲墙拱形断面。根据软岩车场巷道受力模型，当拱部及帮部支护较好，车场巷道底板便成了支护的薄弱环节，易产生底鼓，因此需设置反底拱。

5. 支护方式选择

总结井底车场巷道破坏机理，得出“治理软岩，宜先治水，治水宜先治底，以

改善围岩自身支撑能力为主，实施让抗结合、刚柔并济的支护原则”的经验。井底车场巷道多次修复，最终采用复合支护，先采用锚网喷+注浆锚索+36号U型钢初次支护，支护厚度250mm，再采用格栅混凝土二次支护，支护厚度400mm。车

场巷道断面形状采用半圆拱曲墙断面，并设置反底拱。

注浆锚索实质是采用注浆锚索兼作注浆管使用，一方面通过注浆改变围岩的

物理力学性能，另一方面又为锚索提供了可靠的着力基础，提高了锚索的支护效果。利用注浆锚索注浆充填围岩裂隙配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，扩大了支护结构的有

效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。注浆后使得作用在顶板上的

压力能有效地传递到两帮，通过对两帮的加固，又能把荷载传递到底板；由于组

合拱厚度的加大，减小了作用在底板上的荷载集中度，从而减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减轻底鼓；底板的稳定，有助于两帮的稳定，在底板

及两帮稳定的情况下,又能保持顶板的稳定。注浆使支护结构的断面尺寸加大，这

样围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩较小，降低了支护结构中产生的拉

应力和压应力，因此能承受更大的荷载，从而提高了支护结构的承载能力，扩大

了支护结构的适应性。

U型钢可缩支架是通过构件间可缩和弹性变形来调节围岩应力的，同时在支

架变形和收缩过程中，保持对围岩的支护阻力，以促使围岩应力状态趋于平衡，

能适应较大的围岩变形和压力变化，维护时间较长并能回收复用。在软岩及采动

影响强烈的巷道中，U型钢可缩支架具有很大的优越性。

6. 井底车场巷道开挖后围岩力学分析总结

井底车场巷道属于深部软岩巷道，其关键技术是车场巷道断面形状及支护方式，车场巷道围岩为泥岩、沙质泥岩、页岩或泥岩页岩互层的岩石，特征是强度低、孔隙率高，吸水性好、易风化、易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效性。岩体开挖后出现持续变形，是造成车场巷道破坏的主要原因。若采用传统浅部低

应力稳定围岩条件下的断面形状及支护方式，可能出现支护体的结构、参数与围

岩变形特性不匹配、不耦合、不协调，易造成支护材料失效、车场巷道底鼓、帮

部变形或冒顶等破坏现象，造成车场巷道严重破坏。

车场巷道开挖后，围岩原始应力平衡被打破，发生卸荷破坏，应力降低，加

之新开裂处岩体在水及空气等因素作用下加速风化，岩体向车场巷道内部产生塑

性松胀，使原先由车场巷道周壁围岩所承受的应力传递一部分给邻近的岩体，造

成邻近岩体也产生塑性变形。当应力足够大时，塑性变形的范围便由车场巷道周

壁围岩开始向深部围岩逐渐扩展下去，在车场巷道一定深度范围的围岩中形成一

个塑性松动变形圈，简称塑性圈[1]。塑性圈内岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模

量等均有所降低，强度减小，丧失部分承载能力。塑性圈内的岩石在围岩原始应

力作用下向车场巷道方向发生变形，若车场巷道断面形状及支护方式选择不当，

则变形持续的时间长，幅度大，车场巷道破坏严重。

7. 结论