軟巖巷道變形破壞的特點(diǎn)及其支護(hù)問(wèn)題研究

胡秋云

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán) 紅柳煤礦，寧夏 靈武 750408）

0 引言

在我國(guó)已探明的煤炭資源占世界總量的11.1%，但埋深的1000m以下的為2.95萬(wàn)億噸，占煤炭資源總量的53%。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)能源的需求量日益增加，開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大，淺部易采的礦產(chǎn)資源日趨枯竭，地下礦山向深部開(kāi)采是必然趨勢(shì)。

1 軟巖巷道變形破壞的特點(diǎn)及其影響因素

1.1 軟巖巷道變形破壞特點(diǎn)

1）圍巖的自穩(wěn)時(shí)間短、來(lái)壓快。所謂自穩(wěn)時(shí)間，就是在沒(méi)有支護(hù)的情況下，圍巖從暴露到開(kāi)始失穩(wěn)的時(shí)間。軟巖巷道的自穩(wěn)時(shí)間僅為幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)，巷道來(lái)壓快，要立即支護(hù)或超前支護(hù)，方能保證圍巖不致冒落。

2）圍巖變形量大、速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)深部高應(yīng)力軟巖巷道的特點(diǎn)就是圍巖變形速度快、變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，巷道掘進(jìn)的第1-2天，變形速度少的5-l0mm/d，多的達(dá)50-100mm/d；變形持續(xù)時(shí)間一般25-60天，有的長(zhǎng)達(dá)半年以上仍不穩(wěn)定。巷道的圍巖的變形量，在支護(hù)良好的情況下，其均勻變形量一般達(dá)到60-l00mm/d以上，大的甚至300-500mm/d；如果支護(hù)不當(dāng)，圍巖變形量很大，300-l000mm/d以上的變形量司空見(jiàn)慣。

3）圍巖的四周來(lái)壓、底臌明顯在較硬巖層中。圍巖對(duì)支護(hù)的壓力主要來(lái)自頂板，力主要來(lái)自頂板和兩幫，但在深部軟巖巷道中硬巖層圍巖對(duì)支護(hù)的原則是四周來(lái)壓、底臌明顯。底臌明顯是深部軟巖巷道的重要特征，如果巷道底臌或底臌不明顯，圍巖就不是軟巖。深部軟巖巷道四周來(lái)壓，如果不支護(hù)，將出現(xiàn)一個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱帶，巷道破壞首先就是從不設(shè)防的底臌開(kāi)始，又因底臌導(dǎo)致兩幫移近和失腳，直到片幫冒頂，巷道全部破壞。

4）普通的剛性支護(hù)普遍破壞，深部軟巖巷道變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，普通剛性支護(hù)所承受的變形壓力很大，施工后很快就發(fā)生破壞，必須再次或多次翻修后巷道才能使用。

1.2 軟巖工程變形力學(xué)機(jī)制

軟巖工程變形、破壞和失穩(wěn)的原因是多方面的，但其根本原因是其具有復(fù)雜的變形力學(xué)機(jī)制。軟巖的變形力學(xué)機(jī)制大致可歸納為三大類：即物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型和結(jié)構(gòu)變形型。

物化膨脹型的軟巖變形機(jī)制與軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性有關(guān)，其又有3種類別：分子膨脹機(jī)制、膠體膨脹機(jī)制和毛細(xì)膨脹機(jī)制。

應(yīng)力擴(kuò)容型的軟巖變形力學(xué)機(jī)制與力源有關(guān)，其有4種類別：即構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制、水的作用、自重應(yīng)力和工程偏應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)變形型的軟巖變形機(jī)制則與硐室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)。同一巖層的巷道，順層的巷道破壞甚為嚴(yán)重，穿層的巷道破壞比較輕微，原因是變形受力結(jié)構(gòu)面的影響而呈現(xiàn)各向異性的特征。根據(jù)巖層層理或節(jié)理的形態(tài)不同，其變形力學(xué)機(jī)制又可分為斷層型、軟弱夾層型、層理型、優(yōu)勢(shì)節(jié)理型、隨機(jī)節(jié)理型等變形力學(xué)機(jī)制。

1.3 軟巖巷道圍巖與支架變形的主要影響因素

上述三類軟巖變形的力學(xué)機(jī)制基本概括了軟巖膨脹變形的主要?jiǎng)右?，由此可知影響巷道圍巖與支架變形的主要因素為：

1）巖性因素：巖體本身的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度及膠結(jié)物的性能，膨脹性礦物的含量等，這均是影響軟巖巷道變形的內(nèi)在因素。

2）工程應(yīng)力的影響：它是造成圍巖變形的外在因素。垂直應(yīng)力、構(gòu)造殘余應(yīng)力及工程環(huán)境和施工的擾動(dòng)應(yīng)力，鄰近巷道施工、采動(dòng)影響等，特別是多種應(yīng)力的迭加情況影響更大。

3）水的影響：包括地下水及工程用水，尤其是對(duì)膨脹巖，水對(duì)其變形的影響極大，水不僅造成粘土質(zhì)巖的膨脹，同時(shí)還大大的降低了巖石的強(qiáng)度。

4）時(shí)間因素：流變是軟巖的特性之一，巷道的變形與時(shí)間密切相關(guān)。

2 軟巖巷道支護(hù)原理

由于巷道開(kāi)挖，破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力產(chǎn)生了重新分布，隨著時(shí)間發(fā)展和空間位置的變化，應(yīng)力和應(yīng)變又處于不斷調(diào)整狀況中，在這中間圍巖主要經(jīng)歷的是以自承能力為主的穩(wěn)定進(jìn)程。

軟巖巷道支護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)放在充分利用和發(fā)揮自承能力上，支護(hù)原理是：根據(jù)巖層不同屬性，不同地壓來(lái)源，從分析地壓活動(dòng)基本規(guī)律入手，運(yùn)用信息化設(shè)計(jì)方法，使支護(hù)體系和施工工藝過(guò)程不斷適用圍巖變形的活動(dòng)狀態(tài)，以達(dá)到控制圍巖變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。具體的說(shuō)，有以下幾個(gè)方面：

1）必須改變傳統(tǒng)的單純提高支護(hù)剛度的思想，支護(hù)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度與加固圍巖、提高圍巖自承能力相結(jié)合，與圍巖變形及強(qiáng)度相匹配，實(shí)踐證明，單純提高支護(hù)剛度的方法是難以奏效的；

2）必須采取卸壓、加固與支護(hù)相結(jié)合的方法，統(tǒng)籌考慮、合理安排、對(duì)高地應(yīng)力地區(qū)，要卸得充分，對(duì)大變形地區(qū)，要讓得適度，對(duì)松散破碎區(qū)，要注意整體加固，對(duì)巷道圍巖整體要支護(hù)住；

3）進(jìn)行圍巖變形量測(cè)，準(zhǔn)確地掌握圍巖變形的活動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合量測(cè)結(jié)果進(jìn)行反饋，以確定二次結(jié)構(gòu)的參數(shù)，確定補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間、再次支護(hù)時(shí)間和封底時(shí)間；

4）樹(shù)立綜合治理、聯(lián)合支護(hù)、長(zhǎng)期監(jiān)控的支護(hù)思想體系。

3 關(guān)鍵部位耦合支護(hù)原理

3.1 關(guān)鍵部位產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理

關(guān)鍵部位的產(chǎn)生是由于支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖的力學(xué)特性出現(xiàn)不耦合造成的。按其變形力學(xué)機(jī)制不同，關(guān)鍵部位有4種類型。

Ⅰ型關(guān)鍵部位是指支護(hù)體和圍巖的強(qiáng)度不耦合，非均勻的荷載作用在等強(qiáng)的支護(hù)體上，形成局部過(guò)載，產(chǎn)生局部破壞，最終導(dǎo)致支護(hù)體的失穩(wěn)。

Ⅱ型關(guān)鍵部位是指支護(hù)體和圍巖的剛度正向不耦合，支護(hù)體剛度小于圍巖剛度，圍巖產(chǎn)生的過(guò)量變形得不到限制，致使圍巖劇烈變形損傷，強(qiáng)度降低，從而將其本身所承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移到支護(hù)體上，形成局部過(guò)載而產(chǎn)生破壞。

Ⅲ型關(guān)鍵部位是指支護(hù)體與圍巖的剛度負(fù)向不耦合，支護(hù)體剛度大于圍巖剛度，圍巖膨脹能力不能充分轉(zhuǎn)化為變形能而釋放，造成局部能量積聚，使支護(hù)體局部過(guò)載而破壞。

Ⅳ型關(guān)鍵部位的支護(hù)體與圍巖結(jié)構(gòu)變形不耦合，支護(hù)體產(chǎn)生均勻的變形，圍巖中的結(jié)構(gòu)面（如軟弱夾層、層理面、斷層面、節(jié)理面等）產(chǎn)生差異性滑移變形，使支護(hù)體局部發(fā)生破壞。

3.2 關(guān)鍵部位的特征及其識(shí)別準(zhǔn)則

（1）關(guān)鍵部位的變形特征：關(guān)鍵部位的變形特征均是不穩(wěn)定的變形曲線。

（2）關(guān)鍵部位的裂紋特征：工程裂紋的反分析理論，可用來(lái)確定需要耦合支護(hù)的關(guān)鍵部位。

（3）關(guān)鍵部位的識(shí)別準(zhǔn)則：判定是否出現(xiàn)關(guān)鍵部位，一般按照以下準(zhǔn)則進(jìn)行判斷：

a）變形準(zhǔn)則：巷道周邊各點(diǎn)變形及其速率同時(shí)滿足：Ui≥0.6[U]；速率大于等 0時(shí)，表明出現(xiàn)了關(guān)鍵部位。

b）強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則：出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，則表征產(chǎn)生了關(guān)鍵部位。

c）空間位置準(zhǔn)則：根據(jù)關(guān)鍵部位的特征及其空間位置關(guān)系，可分為同位型關(guān)鍵部位和異位型關(guān)鍵部位。對(duì)于同位型關(guān)鍵部位，破壞特征出現(xiàn)的位置就是關(guān)鍵部位的位置，而對(duì)于異位型關(guān)鍵部位，破壞特征出現(xiàn)的位置與關(guān)鍵部位空間位置不一致，需要作具體的力學(xué)分析才能得出。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，當(dāng)前我國(guó)關(guān)于深部巖巷圍巖穩(wěn)定控制與支護(hù)的理論及技術(shù)還很不成熟。而且，由于斷面形狀、圍巖性質(zhì)、服務(wù)限等方面的明顯差異，深部巖巷與煤巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)有很大不同。對(duì)深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)中涉及的理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究顯得尤為迫切，這不僅關(guān)系到我國(guó)的能源資源能否可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，更關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展。

［1］劉特洪,林天健.軟巖工程設(shè)計(jì)理論與施工實(shí)踐[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

［2］何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學(xué)[M].科學(xué)出版社,2002.