深部软岩巷道支护的研究

中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2014）01-0052-01

摘要：通过对国内外深部巷道支护方法现状的分析，指出了围岩性质、地质构造、埋藏深度以及周围环境等自然因素以及开采技术因素对深部软岩巷道变形、破坏的影响，探讨了动压下巷道支护方法存在的关键技术难题。对深部软岩巷道支护提出了几点认识。

关键词：深部巷道 软岩巷道 变形特征 支护原则

1、前言

目前，我国赋存在1000 m以下的煤炭资源约为2.95万亿t，占煤炭资源总量的53%。我国煤矿开采深度正在以每年8～12 m的速度增加，预计大约在未来20 a我国很多矿井将进入到1000～1 500 m的深度。国内外的经验都表明，随着开采深度的增加，地应力增大、地温升高、涌水量等地质环境复杂性加大，将导致巷道支护成本急剧增加和突发性工程灾害以及重大恶性事故增加等一系列问题，为深部矿井开采均提出了严重的挑战[1，2]。

2、国内外研究现状

2.1国外研究现状

Fenner等人提出的理想弹塑性模型，假设岩体服从摩尔-库仑屈服准则，分析计算了围岩的应力，推导出目前工程上广泛用来求围岩弹塑性区应力和弹塑性区半径的卡斯特纳方程。Cundall提出并发展了离散单元法，现今已出现二维和三维的可变形离散单元法及考虑动荷载的动力离散单元法。随着高应力软岩巷道支护理论的不断深入研究，支护技术手段也取得了长足发展。德国主要采用封闭式双层组合支架，还发展了一种主要由刚套管和让压件组成的组合支架，波兰主要采用重型金属可缩性封闭式支架[3]。

2.2国内研究现状

蒋斌松等采用非关联弹塑性分析，获得了应力和变形的封闭解；为解决巷道开挖过程中的围岩变形、破坏和控制问题，蒋金泉等运用FLAC、李宏业运用ANSYS、张后全等运用RFPA2D软件做了大量的研究，取得了很好的成绩。

支护方式方面，近几年我国着重研究试验了锚网喷索、锚网喷索注浆加固二次支护、U型钢支架锚索、U型钢支架喷注、混凝土（或料石）碹注浆加固、壁后充填全断面封闭式U型钢可缩支架等，以及上述部分支护形式和锚网喷、卸压等联合支护技术，在工程实践中取得了一定的效果[3-5]。

3、巷道围岩变形、破坏影响因素

巷道维护的难易程度取决于围岩的变形。深部软岩巷道围岩的变形包括巷道周边及围岩深部在矿山压力作用下的变形和巷道围岩的流变。巷道围岩的变形也是矿山压力显现的主要表现形式，深部软岩巷道的围岩变形受到各种各样的因素影响，其主要因素有：

3.1自然因素

3.1.1围岩性质

表征围岩的物理力学性质的主要因素包括岩体的弹性模量、单轴抗压强度、以及岩体的内摩擦角等，一般来说，物理力学性质越稳定，岩体的单轴抗压强度和内摩擦角也会越大。围岩的物理力学性质决定着巷道的变形和破坏。

3.1.2地质构造

岩层中包含的层理、节理及断层形成的弱面结构，使围岩岩体本身的各项强度都降低。因而，在地下受到构造应力的影响，围岩产生强烈的变形。弱面容易产生离层，并受重力作用，较易发生冒落。

3.1.3巷道埋藏深度

围岩的稳定性受到矿井深度的影响，随着采深的增加，围岩的应力超过自身的强度，巷道就会发生剧烈变形形成塑性区，巷道就处于失稳状态。

3.1.4水的作用

软化现象可以使岩石的强度降低。泥质类软岩容易产生各种软化现象，围岩容易产生大的塑性变形。

3.1.5时间的影响

岩石都具有一定的流变性，即使岩石处于给定载荷状态，随着时间的变化，岩石也会产生变形，有时会直至破坏。

3.2开采技术因素

3.2.1巷道布置方式

巷道布置的方式不同，受到的构造和采动影响的程度也不一样。巷道在掘进影响稳定后，受采动影响的变形较为明显，且初次采动的影响大于二次采动的影响。

3.2.2护巷煤柱尺寸

煤柱尺寸决定着巷道侧向支承压力的影响范围。我国煤矿中常应用的是留小煤墙的沿空掘巷方式。

3.2.3巷道开掘面积

巷道的面积越大，破碎区的范围也会越大，因而围岩的位移也越大，围岩的位移受巷道断面面积的影响较大。

3.2.4采动的影响

巷道既受到本工作面的采动影响，又同时受到相邻工作面的采动影响。整个影响阶段包括：掘进影响阶段-掘进影响稳定阶段-采动影响阶段-采动影响稳定阶段-二次采动影响阶段。

4、软岩巷道变形破坏特征

由于本构关系不同，决定了软岩巷道和硬岩巷道支护原理截然不同，硬岩巷道支护的目的是不允许岩石进入塑性状态，因为硬岩进入塑性状态就意味着丧失承载能力，然而软岩巷道的支护必须允许软岩进入塑性状态，目的是达到其最大塑性承载能力。如图1所示，软岩巷道支护的独特之处还在于其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来，软岩巷道的支护原理可以表示为：

式中 —开挖巷道岩石后使围岩向临空区运动的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等；

—以变形的形式软化的工程力，对于软岩来讲，主要是塑形能以变形的方式释放；

—围岩自撑力，即围岩本身具有一定强度，可承担部分或者全部载荷；

—工程支护力；

5、结论

（1）深部软岩巷道支护要“对症下药”，根据深部软岩巷道的复合型变形力学机制类型采取相应的措施，支护过程就是一个从“复合型”向“单一型”的转化过程，这一过程的完成是依靠一系列支护措施来实现。

（2）在巷道安装顶板离层仪，及时掌握巷道两帮及顶、底板的变形情况，局部巷道出现冒顶，应及时处理，保证巷道围岩的完整性及支护体的支护效果。

（3）深部软岩巷道支护要优化巷道参数和断面形状，在“支”的同时要强调“护”，支护体同时满足能充分地释放围岩变形能和充分地保护围岩的力学强度，以充分发挥其自承能力。

参考文献：

[1]康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M].北京：煤炭工业出版社，1993.

[2]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]谭云亮，宁建国，赵同彬，等.深部巷道围岩破坏及控制[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

[4]高富强，高新峰，康红普.动力扰动下深部巷道围岩力学响应FLAC分析[J].地下空间与工程学报，2009，5（4）：680-685.

[5]孟庆彬，韩立军，乔卫国，等. 深部高应力软岩巷道变形破坏特性研究[J]. 采矿与安全工程学报，2012，29（4）：481-486.

作者简介：赵鑫；男；1986，07，28；汉族；辽宁工程技术大学；采矿工程；中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司；无职务；助理工程师；