軟巖支護

吳斌

摘要:文章主要對煤礦軟巖巷道支護技術(shù)問題進行了探討,概述了軟巖的概念和分類以及軟巖的工程特征,并探討了煤礦軟巖巷道支護存在的問題,最后從三個方面對煤礦軟巖巷道支護技術(shù)問題進行了研究,具體包括軟巖巷道支付的技術(shù)關(guān)鍵分析,最佳支護時間分析以及軟巖巷道支護的對策。

關(guān)鍵詞:軟巖巷道;聯(lián)合支護;巷道變形;最佳支護時間

一、軟巖的基本概念

(一)軟巖的概念和分類

軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強風(fēng)化蝕變及高應(yīng)力的巖體之總稱,軟巖分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖。地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量的膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱層;工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體,工程力是指作用在工程巖體上的力的總和,它可以是重力、構(gòu)造殘余應(yīng)力、水平作用力和工程擾動力以及膨脹應(yīng)力等,顯著性塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設(shè)計的允許變形值,并影響了工程的正常使用。工程軟巖定義揭示了軟巖的相對性實質(zhì),即是否為軟巖取決于工程力與巖體強度的相互關(guān)系。當工程力一定時,不同巖體可能表現(xiàn)為硬巖特性,也可能表現(xiàn)為軟巖的特性,而對于同一種巖石,在較低工程力的作用下可表現(xiàn)為硬巖的變形特性,在較高的工程力作用下可能表現(xiàn)為軟巖的大變形特性。工程軟巖與地質(zhì)軟巖的關(guān)系為:當工程載荷相對于地質(zhì)軟巖的強度足夠小時,地質(zhì)軟巖不產(chǎn)生顯著塑性變形的特征,此時不作為工程軟巖。只有在工程力的作用下發(fā)生了顯著塑性變形的地質(zhì)軟巖,才視為工程軟巖。

(二)軟巖的工程特性

軟巖有兩個工程特性:軟巖臨界載荷和軟化臨界深度,它揭示了軟巖的相對性實質(zhì)。

1.軟巖臨界荷載:軟巖的蠕變試驗表明,當所施加的荷載小于某一荷載水平時,巖石處于穩(wěn)定的變形狀態(tài),蠕變曲線趨于某一變形值,隨時間延伸而不再變化;當所施加的荷載大于某一荷載水平時,巖石出現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象,即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形,這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載,亦即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。當巖石所受荷載水平低于臨界荷載時,該巖石屬于硬巖范疇;當荷載水平高于軟化臨界荷載時,巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形特性,此時稱之為軟巖。

2.軟化臨界深度:與軟化臨界荷載相對應(yīng)的存在著軟化臨界深度。一般來講,軟化臨界深度也是一個客觀量。當巷道的位置大于某一開采深度時,圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護的現(xiàn)象;但當巷道位置較淺,小于某一深度時,大變形、大地壓的現(xiàn)象明顯消失。這一臨界深度被稱為巖石軟化臨界深度。

二、煤礦軟巖巷道支護存在的問題

(一)軟巖巷道變形破壞的特點

1.軟巖巷道的變形呈現(xiàn)蠕變變形三階段的規(guī)律,并且具有明顯的時間效應(yīng)。初期來壓快、變形量大,巷道自穩(wěn)能力很差,如果不加以控制很快就會發(fā)生巖塊冒落,直至造成巷道破壞。如果用鋼性支架強行支護而不適應(yīng)軟巖的大變形特性,則巷道也難以維護,造成支架被壓壞、巷道垮落。

2.軟巖巷道多為環(huán)向受壓,且非對稱,巷道開挖后不僅頂板變形易于冒落,底板也將產(chǎn)生強烈的底鼓,如果對巷道底鼓不加以控制,則會出現(xiàn)嚴重的底鼓并導(dǎo)致兩幫破壞,頂板冒落。

3.軟巖巷道變形一般隨礦井深度加大而增大,不同礦

區(qū)、不同地質(zhì)條件下都存在一個軟化臨界深度,超過臨界深度,支護的難度明顯增大,且軟巖巷道變形在不同的應(yīng)力作用下,具有明顯的方向性。

4.軟巖的失水和吸水均可造成軟巖發(fā)生膨脹變形破壞和泥化破壞。

(二)軟巖巷道支護存在的問題

軟巖巷道支護問題,尤其是軟巖回采巷道的支護問題,是礦業(yè)工程中的一大頑疾,以往對軟巖巷道的支護問題,在理論認識和支護方法上存在一定問題,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1.圍巖變形破壞機理,支護是一個過程,要使這一過程與圍巖變形過程相協(xié)調(diào),必須充分而深入地研究圍巖的變形機理,只有在此基礎(chǔ)上,才能選擇適當?shù)能泿r的支護時機、支護型式以及確定合適的支護參數(shù)。

2.支護對策,軟巖巷道與硬巖巷道變形破壞特征不同,應(yīng)采取適應(yīng)于軟巖巷道的支護對策。

3.支護參數(shù),支護參數(shù)選擇是影響巷道穩(wěn)定性的一個非常重要的因素。以往對支護參數(shù)的選取基本上采用工程類比法。當工程地質(zhì)條件簡單,此法基本滿足要求;當?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜是不能滿足要求的,再加上目前很少有軟巖巷道支護成功事例,無法進行工程類比。

對于軟巖巷道,單純的采用常規(guī)的錨噴支護、U型鋼支架等難以控制圍巖軟化等引起的過量變形與破壞,其問題所在主要有以下幾個方面:(1)圍巖自承圈厚度小,常規(guī)支護多采用端錨錨桿,其所形成的圍巖自承圈厚度較小,一般情況,錨固后圍巖的自承圈厚度約為0.6m,遠小于錨桿桿體長度,造成錨桿的浪費,同時難以抵抗較大的圍巖壓力;(2)初期支護剛度過大,巷道開挖后由于圍巖應(yīng)力重新分布和發(fā)生變形而對支護體產(chǎn)生較大的壓力,它與支護體的剛度有較大的關(guān)系,支護體的剛度越大,其抵抗圍巖壓力越大,如果支護剛度偏大,則不能適應(yīng)巷道開挖初期變形速度快,變形量大的特點,進而導(dǎo)致巷道圍巖支護變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生破壞;(3)圍巖表面約束能力差,由于高應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力的影響,使得支護體首先在較為薄弱的地方出現(xiàn)過量變形、巖石松動和破壞,進而形成破碎區(qū),破碎區(qū)的發(fā)展導(dǎo)致圍巖自承圈破壞。對于高應(yīng)力或受構(gòu)造應(yīng)力影響下軟巖巷道,采用普通的錨網(wǎng)(鐵絲網(wǎng))噴支護時,由于噴體強度相對較低,對圍巖約束能力差,不能有效地扼制圍巖的局部破壞和破碎區(qū)向縱深發(fā)展,進而導(dǎo)致圍巖破壞。

三、煤礦軟巖巷道支護技術(shù)探討

(一)軟巖巷道支付的技術(shù)關(guān)鍵

由于軟巖的力學(xué)屬性、變形力學(xué)機制等特點,對軟巖巷道實施成功支護,需運用三個技術(shù)關(guān)鍵:

1.正確地確定軟巖變形機制的復(fù)合型。

2.有效地將復(fù)合型轉(zhuǎn)化為單一型。

3.合理地運用復(fù)合型變形力學(xué)機制的轉(zhuǎn)化技術(shù)。

(二)最佳支護時間分析

巷道開挖以后,巷道圍巖應(yīng)力將重新分布,切向應(yīng)力在巷壁附近發(fā)生高度集中,導(dǎo)致該區(qū)域的巖層屈服進入塑性工作狀態(tài),從而形成塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn),致使應(yīng)力集中區(qū)從巖壁向縱深發(fā)展,當應(yīng)力集中的強度超過圍巖屈服強度時,就出現(xiàn)新的塑性區(qū),如此逐步向縱深發(fā)展。如果不采取適時有效的支護,臨空塑性區(qū)將隨變形的增大而出現(xiàn)松動破壞,即形成松動破壞區(qū)。塑性區(qū)與松動破壞區(qū)不同,塑性區(qū)具有一定的承載能力,而松動破壞區(qū)已經(jīng)完全失去承載能力。塑性區(qū)分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動破壞之前的最大塑性區(qū)范圍,稱為穩(wěn)定塑性區(qū);出現(xiàn)松動破壞區(qū)之后的塑性區(qū)為非穩(wěn)定塑性區(qū)。對應(yīng)于穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)的宏觀圍巖的徑向變形分別為穩(wěn)定變形和非穩(wěn)定變形。塑性區(qū)的出現(xiàn),對支護體來講具有兩個力學(xué)效應(yīng):

1.圍巖中切向和徑向應(yīng)力降低,減小了作用在支護體上的荷載。

2.應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移,減小了應(yīng)力集中的破壞作用。

對于高應(yīng)力軟巖巷道支護來講,應(yīng)允許其出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū),嚴格限制非塑性區(qū)的擴展,也就是要求選擇最佳的支護時間,以便最大限度的發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而不至于出現(xiàn)松動破壞。所以,最佳支護時間的力學(xué)含義使最大限度的發(fā)揮塑性區(qū)的承載能力而不出現(xiàn)松動破壞時所對應(yīng)的時間。

(三)軟巖巷道支護的對策

對于軟巖巷道,常規(guī)的支護方法和單一措施都不能滿足工程的實際需要,必須根據(jù)其原因采取相應(yīng)的支護對策:

1.加強網(wǎng)或噴層的強度和剛度,或在局部薄弱環(huán)節(jié),增加錨梁支護,以增強圍巖表面約束能力,限制破碎區(qū)向縱深發(fā)展。

2.適時進行二次支護且二次支護適當?shù)卦黾又ёo強度,以保證初期支護具有一定的柔性,在巷道不失穩(wěn)的前提下,允許圍巖有較大的變形,讓其充分地釋放能量。同時,支護體后期要有足夠的強度和剛度來控制圍巖與支護的過量變形。

3.實現(xiàn)軟巖巷道厚壁支護,一是采用全長錨固全螺紋鋼等強錨桿,增加圍巖自承圈厚度,實現(xiàn)厚壁支護;二是進行錨索加固,由于錨索長度較大,能夠深入到深部較穩(wěn)定的巖層中,錨索對被加固巖體施加的預(yù)緊力高達200kN,限制圍巖有害變形的發(fā)展,改善了圍巖的受力狀態(tài),增加圍巖自承圈厚度,實現(xiàn)厚壁支護;三是改變支護結(jié)構(gòu),在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形并錨噴(梁)支護,從而形成完整的、封閉的支護整體。

4.減少圍巖的破壞,增大圍巖的強度,提高圍巖自承能力。一是推廣光面爆破,減少圍巖震動,控制圍巖環(huán)向裂隙,盡量保持圍巖的整體強度;二是盡量保持巷道周邊的光滑平整,避免產(chǎn)生應(yīng)力集中;三是采用膨脹材料充滿錨桿孔,形成全長錨固。