煤矿软岩巷道控制原理与支护技术

煤矿软岩巷道控制原理与支护技术

发表时间：2018-10-27T12:25:11.300Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第18期作者：余进学

[导读] 软岩及其分类软岩亦称松软岩层，它是指“强度低、孔隙率大、胶结程度差。

盘州市安全生产监督管理局贵州盘县 553500

摘要：本文主要对煤矿软岩巷道支护技术进行了分析，概述了软岩的概念和分类以及软岩的工程特征，并探讨了煤矿软岩巷道支护存在的问题，最后从三个方面对煤矿软岩巷道支护技术问题进行了研究，具体包括软岩巷道支付的技术关键分析，最佳支护时间分析以及软岩巷道支护的对策。

关键词：软岩巷道支护技术控制原则

软岩及其分类软岩亦称松软岩层，它是指“强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层，且具有流变性和高地应力的特点。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。

1、软岩的基本概念及其分类

1.1 软岩的基本概念

在上世纪60-90年代初，软岩的概念在国内外一直争论不休，到90年代末期，提出了地质软岩和工程软岩的概念。国际岩石力学学会将地质软岩定义为单轴抗压强度在0.5～25 MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。而工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩体组合特征，包括岩块、结构面及其空间组合特征。

工程软岩和地质软岩的关系是：当工程荷载相对于地质软岩的强度足够小时，围岩没有产生大的破坏区，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩。只有产生大破坏区和显著变形才作为工程软岩。在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩（如泥质胶结砂岩等）也呈现了显著变形特征，则应视其为工程软岩。

1.2 软岩分类及基本物理与力学属性

软岩仅是地质岩体中一部分，但却是地质介质中极为复杂的部分。按照软岩自然特征、物理化学特性，以及在工程力的作用下产生显著塑性大变形的机理作为分类的主要依据，软岩分为五类：即低强度软岩、膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。软岩有别于硬岩而独具的特性有以下几点：

（1）水理性（化学）。软岩颗粒之间胶结程度差，缺乏牢固的连结，层、节理发育，造成水易进入内部，导致岩层节理、层理裂隙中充水，削弱岩层颗粒之间连接力，引起软化、崩解、体积膨胀。水在软岩中的存在状态可能有水蒸气、固态水（如冰、化学结晶水等）、分子结合水、吸附水、毛细管水和重力水（自由水）等。高岭石、伊利石等遇水软化、碎裂、崩解、体积不膨胀。蒙脱石则体积膨胀，最终导致软化、松散崩解。

（2）流变性（力学）。流变性是指材料应力应变与时间因素有关的性质。与塑性变形区别：蠕变不超过弹性极限情况；软岩是非线性的弹塑－粘性介质，变形即使所受的荷载很小，只要作用时间长，也会发生永久变形。流变有两种形式，即蠕变和松弛。软岩体不但流变速度快，变形量大，而且明显地表现出蠕变变形的三个阶段的影响。试验表明，其强度一般不超过极限强度的70%，有时甚至更低。

（3）可塑性。可塑性是指软岩在工程力的作用下产生变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。低应力软岩的可塑性是由软岩中泥质成分的亲水性所引起的；节理化软岩是由所含的结构面扩展、扩容引起；高应力软岩是泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。

（4）崩解性。低应力软岩的崩解性是软岩中的粘土矿物集合体在与水作用时膨胀应力不均匀分布造成崩裂现象；高应力软岩和节理化软岩的崩解性则主要表现为在工程力的作用下，由于裂隙发育的不均匀造成局部张应力集中而引起的向空间崩裂、片帮的现象。当然，高应力软岩也存在着遇水崩解的现象，但不是控制性因素。

（5）易扰动性。由于软岩的内部结构特点，软岩对抗外界环境扰动的能力极差，对施工震动、吸水膨胀、软化泥化、暴露风化等影响极为敏感。

2、软岩巷道围岩稳定控制原则

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。按如下原则控制：

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。

对于具体工程需要根据不同围岩和工程条件，采取合理的控制技术，以实现对复杂条件下巷道围岩大变形的有效控制。

3、软岩巷道支护技术

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。围岩控制技术目前常用技术如下：

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）以注浆为主。复合型软岩（HS、HJ、HJS复合型）则通过相应转化达到相应条件。并结合锚固与注浆加固技术控制。

软岩巷道的支护技术是一项复杂的工作，尤其是矿井向深部延伸后，在高应力作用下，严重影响矿井的安全和经济效益，加大了投入，增加了开采成本。对软岩巷道变形机理进行研究，确定合理的支护方式，是巷道满足服务年限，提高安全系数，确保安全生产。