軟巖巷道破壞機(jī)理分析

徐京狄

摘要：本文首先對(duì)軟巖的定義，力學(xué)特性及受力后的變形特性進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并在此基礎(chǔ)上圍繞軟巖巷道圍巖的破壞機(jī)理，從多種角度對(duì)軟巖巷道進(jìn)行分析研究，得出導(dǎo)致軟圍巖巷道不穩(wěn)定的原因是多樣的。

關(guān)鍵詞：軟巖巷道;巷道圍巖;力學(xué)

一、引言

20世紀(jì)從60年代和90年代，軟巖的概念在國(guó)內(nèi)外討論定義了多達(dá)幾十個(gè)。然而，不同的文獻(xiàn)有不同的定義，總之，一般可分為描述性定義，指標(biāo)化定義和工程定義，每一種定義都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

1、描述性定義

陸家梁指出軟巖是指巖層結(jié)構(gòu)松散、軟弱的巖層。相對(duì)于堅(jiān)硬巖層而言，軟巖自身強(qiáng)度較低。

2、指標(biāo)化定義

軟巖是指巖體抗壓強(qiáng)度σc<20MPa的巖層。

3、工程定義

董方庭教授提出按松動(dòng)圈的大小來(lái)劃分軟巖，巷道圍巖松動(dòng)圈大于1.5米的才能叫做軟巖[36]。

何滿潮教授在軟化臨界荷載概念的基礎(chǔ)上創(chuàng)作性對(duì)軟巖進(jìn)行了定義，突顯出了軟巖相對(duì)性的本質(zhì)。通過(guò)一系列的軟巖蠕變力學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，巖石在收到施加的載荷當(dāng)不超過(guò)一定值時(shí)處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，巖石的變形量會(huì)逐漸趨于某一固定值而不再繼續(xù)變化;同種巷道圍巖的軟化臨界荷載是一樣的的。對(duì)圍巖的施加的載荷低于軟化臨界荷載時(shí)，巖石表現(xiàn)為硬巖特性，這時(shí)的巖石可以被稱(chēng)為硬巖;當(dāng)施加的負(fù)載水平高于軟化臨界荷載時(shí)，圍巖的表現(xiàn)為軟巖特性，此時(shí)的圍巖稱(chēng)為軟巖。

二、軟巖巷道圍巖破壞主要影響因素

在深部地層中，圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境中，并且由于軟巖的強(qiáng)度低，單軸飽和抗壓強(qiáng)度在5Mpa-115Mpa之間，甚至更低。因此，圍巖變形破壞非常強(qiáng)烈，表現(xiàn)在：

第一、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。

第二、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5一10mm/d，多的達(dá)50一100mm/d;變形持續(xù)時(shí)間一般25一60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60-100mm/d以上，大的甚至300一5OOmm/d;如果支護(hù)不當(dāng)，圍巖變形量很大，300-1000mm/d以上的變形量司空見(jiàn)慣。

第三、圍巖的四周來(lái)壓、底朦明顯在較硬巖層中。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、底朦明顯。底朦明顯是深部軟巖巷道的重要特征，如果巷道底朦或底朦不明顯，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)防的底朦開(kāi)始，又因底朦導(dǎo)致兩幫移近和失腳，直到片幫冒頂，巷道全部破壞。

第四、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。這是剛性支護(hù)不適應(yīng)軟巖巷道變形破壞規(guī)律的必然結(jié)果。

上述3類(lèi)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)力拘迭加情況影響更大。

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)其變形的影響汲大，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)。

三、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，隨著對(duì)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[}as}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)者層不同屬性，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)到控制圍者變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的[f2}1。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;

結(jié)束語(yǔ)

軟巖是一種復(fù)雜的巖石力學(xué)介質(zhì)，其復(fù)雜性在于在一定條件下的會(huì)發(fā)生顯著的塑性變形，在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中一般可將其分為兩大類(lèi)：地質(zhì)軟巖和工程軟巖。地質(zhì)軟巖的主要特點(diǎn)是松、散、軟、弱，具體表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度不高、孔隙度較大、膠結(jié)程度低、受構(gòu)造面和風(fēng)化作用等影響顯著及含有大量膨脹性粘土;工程軟巖則是指在工程力的影響下，會(huì)產(chǎn)生劇烈塑性變形的巖體。軟巖由于其復(fù)雜、難控等特性，使軟巖巷道的圍巖控制一直是困擾各國(guó)煤礦安全、高效生產(chǎn)的重大問(wèn)題，也是工程上亟待解決的技術(shù)問(wèn)題之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]康紅普，劉玉堂.軟巖巷道底鼓的機(jī)理及防治措施[A]：何滿潮.中國(guó)煤礦軟巖巷道支護(hù)理論與實(shí)踐[C].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.98～99.

[2]賈明魁，趙興東，賈安立.極軟巖巷道底鼓錨注支護(hù)控制技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).2005Vo.l24，No.3