软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究.pdf

中国矿业大学学报990 6 10 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究 靖洪文 宋宏伟 郭志宏 摘要 通过对软岩巷道工程特征的研究，提出用定量指标稳定的围岩松动圈 厚度值Lp（Lp≥150 c m ）来判定“软岩巷道工程”的方法. 以此为基础，进而分析了围 岩松动圈碎胀、水胀及复合等变形机理，提出对大松动圈碎胀变形Ⅳ，Ⅴ类软岩采用 锚喷网支护，Ⅵ类软岩采用联合支护，对水胀变形软岩首先采用综合防治水措施的新 思路，并被大量的工程证明是正确的. 关键词 软岩，松动圈，碎胀变形，水胀变形，控制技术 中图分类号 T D 353 Study on Deation Mechanism of Broken Zone Around Soft Rock Roadway and Its Control Technique Jing Hongwen Song Hongwei Guo Zhihong College of Architecture and Civil Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract The engineering features of soft rock roadway are discussed. The quantitative way of assessing soft rock roadway by the thickness LpLp≥150 cm of broken zone is put forward. Furthermore, the deation mechanism of bulking, dwelling and so on is analyzed. It is believed that for Ⅳ,Ⅴ bulking soft rock bolting and shotcreting with wire mesh should be used, for Ⅵ combined supporting, and for dwelling soft rock water ought to be treated firstly. The reliability has been confirmed by industrial tests. Key words soft rock,broken rock zone,bulking deation, dwelling deation, control technique 软岩巷道支护一直是煤矿生产建设中的难题, 也是目前国内外尚未解决的问题. 尽管 国内外学者对软岩工程进行了大量的研究工作, 并取得了很多成果, 但由于软岩问题的复 杂性, 目前不仅软岩工程支护设计仍停留在经验的工程类比及盲目的试验基础上, 而且软 岩工程判定及分类方法也缺乏可行的量化指标, 造成工程实践中的浪费. 在原岩中开挖巷道，破坏了围岩原有的三向应力平衡状态，围岩中的应力将重新 分布，同时伴随应力集中现象出现. 如果集中应力小于围岩强度，围岩虽有变形出现， 但巷道整体处于稳定状态，不存在支护问题；只有当集中应力大于围岩强度，围岩发 生破坏时, 巷道才产生非线性变形. 如果这种非线性变形得不到有效控制，巷道就会冒落 或断面尺寸缩小而不能满足使用要求，因而须进行加固或返修. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 1／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 本文在探讨软岩巷道工程特征的基础上，提出用全面反映围岩应力和围岩强度等 因素综合作用结果稳定的围岩松动圈厚度来定量确定软岩工程，进而分析其非线 性变形破坏机理，重点研究了碎胀变形机理及支护参数设计方法，并且经过工程实践 证实其可靠性. 1 软岩巷道工程的矿压显现特征 软岩工程地压大，致使一般刚性支护不能进行有效的维护，多至3层料石碹也遭到 破坏；围岩变形量大，变形持续时间长，一般达1～3个月；底臌现象明显. 综合起来表 现为支护难度大，在选择支护时必须摒弃各种刚性支护，而选择各种支撑力较强的可 缩性支护. 用这个概念来划分软岩工程的范畴将包括深部工程、构造应力明显地区、 密集工程群、受采动影响的巷道工程和遇水软化膨胀岩层地区等. 它们都能达到上述支 护难度，即每矿都有可能遇到软岩工程问题. 围岩松动圈巷道支护理论［1］在对围岩状态进行深入研究后，发现松动圈的存在 是煤矿巷道围岩的固有特性，它的范围大小可以用声波仪进行测定. 稳定后的围岩松动 圈厚度是围岩应力p 与围岩强度R的复杂函数，Lp＝f （p ，R）. 它是一个综合指标，反 映了支护的难易程度，而且大量相似模拟试验及现场实测表明，煤矿巷道的跨度（一 般3～5 m 范围）及支护强度（一般为0 . 1～0 . 2 M Pa ）等影响不大. 当松动圈厚度大于 150 c m 时，多种支护，特别是刚性支护发生严重破坏；当松动圈厚度小于150 c m 时，支护破坏轻微. 因此就这个意义而言，“软岩”已不单纯指围岩的软硬或者地应力 水平的高低，而是把“软岩”与“硬岩”的界限划定在松动圈厚度为150 c m 处，大于 该值时称为大松动圈软岩工程. 大松动圈软岩工程分类见表1，共分成3类. 表1 大松动圈软岩工程分类 T a b l e 1 T h e c l a s s i f i c a t i o n o f s o f t r o c k r o a d w a y w i t h a l a r g e b r o k e n z o n e Lp/ c m 围岩类别围岩类型支护机理及方式备 注 150 ～2 0 0Ⅳ一般软岩锚杆组合拱理论锚喷网支护 2 0 0 ～30 0Ⅴ较软软岩锚杆组合拱理论全断面锚喷网支护 ＞30 0Ⅵ极软软岩二次支护理论 联合支护 注 近期研究表明Lp相同但岩石不同时支护难度有差异. 用松动圈厚度判定软岩工程有两个突出特点1） 松动圈厚度可现场实测，容易 取得且可靠性高；2 ） 松动圈厚度是一个综合指标，它全面反映原岩应力（包括采动 应力）、岩体性质（包括强度、裂缝、软弱夹层等）、施工和水等的影响，在工程中 又不需要对这些指标进行观测和具体量化，现场应用方便. 这一划分软岩工程支护范畴 的分类方法已经过大量工程验证［2 ］，获得良好的效果. 2 大松动圈软岩变形机理分析 巷道开挖后，一般总要引起巷道周边围岩的收敛变形，其变形量的大小是衡量巷 道矿压显现强烈程度和维护状况的重要指标. 研究其变形组成和机制，预测其变形规 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 2 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 律、特征和变形量值，以便合理确定支护形式和参数，最大限度地利用围岩自身支撑 能力，避免目前大松动圈软岩巷道中经常遇到的支护多次破坏和频繁返修的困难局 面，具有重要的实用价值. 当围岩松动圈厚度Lp≥150 c m 时，围岩突出地表现为软岩 工程特征，但由于巷道围岩形成松动圈的机理不同，则其支护对策亦不同. 因此，依据 支护对象（碎胀变形、水胀变形、复合变形）及支护对策上的差异又可将分类表中大 松动圈软岩分成碎胀型、水胀型和复合型3类. 2 . 1 碎胀型软岩 岩石是一种脆性材料，在受力过程中，产生较小的变形就会进入破裂状态. 破裂意 味着岩石中裂隙增多，单位体积增大，我们把岩石由于破裂而产生的体积增大现象称 为碎胀 破裂膨胀）. 碎胀型软岩是指主要支护对象为碎胀变形，它包括两种情况 1） 高应力软岩岩层在自然状态下单轴抗压强度较高，而且受水和风化影响较小； 2 ） 低强度软岩岩层在自然状态下结构松散，软弱，胶结程度差，单轴抗压强度 较低, 一般小于30 M Pa ，而且受水和风化影响较大. 上述两种岩层都是指围岩遇水无明 显膨胀、软化的大松动圈软岩工程. 它一般是由于埋深较大、构造应力明显、采动应力 叠加、巷道较密等原因形成的. 在地下开挖空间要扰动岩石介质，围岩应力进行重分布，导致围岩应力和围岩强 度的变化，围岩应力超出围岩强度值越大，围岩变形破坏越快. 由于起初巷道表面围岩 内的应力集中系数最大而围岩强度最低，因此，巷道周边围岩首先发生变形甚至破 坏，应力峰值向深部转移. 在此过程中，尽管围岩产生破坏，但是只要它不坍塌、冒 落，则对深部围岩体仍然具有一定的支护抗力，使围岩强度得到提高，围岩应力与围 岩强度的差值逐渐减小，围岩破坏逐渐趋向缓和. 当应力峰值趋近或小于围岩强度时， 应力分布趋于稳定，围岩破坏过程趋于结束，最终达到新的应力平衡状态. 由此看出巷 道剧烈变形是由围岩破坏引起的，而且围岩松动圈厚度值越大，巷道围岩变形量越 大，持续变形时间越长. 实验室试验充分证实了上述分析的正确性，在煤炭科学基金资助下，采用M T S8 15 型电液伺服岩石力学试验系统，对砂岩、粉砂岩、泥岩、煤、大理岩等5种岩石的19个 试块进行“零围压”岩石单轴碎胀试验，测定了其全应力-应变过程中体积应变变化及 碎（剪）胀力 图1 情况［3，4］. 从图1各条曲线之间的相互关系可以看出岩石在受力过 程中对接触介质的荷载影响程度（支护与围岩相互作用机理）. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 3／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 图1 砂岩体积应变与碎（剪）胀试验曲线 Fi g . 1 Ex p e r i m e n t a l c u r v e s o f v o l u m e t r i c s t r a i n a n d d i l a t a n c y f o r s a n d s t o n e 综上试验结果表明1） 影响巷道围岩收敛变形的主要因素是岩石破裂后（巷道 围岩形成松动圈）的体积变形，岩石在峰值前（弹塑性）变形量很小，而峰后岩石体 积变形要比峰值前大的多，一般达8 ～10 倍，因此峰后破裂围岩体积膨胀变形才是巷道 收敛变形的主要原因. 在煤矿大松动圈 软岩 巷道围岩收敛变形中，由围岩破坏和软 化、碎胀引起的变形占7 5～95，而围岩弹塑性区的变形引起巷道收敛变形量较小, 一般约占5～2 5. 2 ） 在全应力-应变过程中，峰后岩石体积应变曲线可分成两段在 弱化段，体积膨胀增长较快；在残余强度段，体积膨胀增长比较平缓. 说明岩石在弱化 段大量裂隙张开贯通，而在残余强度段则是一种岩石结构滑移现象，这对研究岩石碎 胀变形机理及分段建立岩石本构关系具有重要的理论和实用价值. 3） 岩石峰后体积应 变大小与岩石性质有关，岩石单轴抗压强度越高，则峰后体积应变量越大. 即同样的围 岩松动圈厚度，由于岩性不同，体积应变值亦不同，其支护难度是不同的. 这一试验结 果从某种意义上讲是对“围岩松动圈巷道支护理论”研究的深化. 综上所述，碎胀变形力是巷道支护的主要荷载，这类巷道破坏的关键是松动圈 （破裂区）内“危石”滑移脱落，即关键块体的坍塌引起其周围岩块的松动冒落. 2 . 2 水胀型软岩 水胀型软岩是指岩石在自然状态下强度并不低，但遇水后强度急剧下降，甚至软 化成泥，同时伴随岩石遇水体积膨胀的一类岩石. 这类软岩主要是富含蒙脱石、伊利 石、高岭石等粘土矿物的岩石. 由于这类岩石遇水软化、膨胀，改变了围岩强度与围岩 应力的相对关系，而且加大了围岩应力，所以在这类地层中，如果对底板积水、空气 潮湿控制不当，表面岩石日渐软化膨胀，将在同样地应力条件下使松动圈增大. 同时， 由于这类岩石遇水后体积成倍膨胀，膨胀变形压力巨大，又使围岩内应力升高，结果 围岩的碎胀和吸水膨胀结合起来产生较大的围岩变形. 这一现象有围岩流变的因素，更 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 重要的是围岩不断地脱离应力场，破坏了围岩松动圈内的应力平衡，造成巷道围岩失 稳、支架破坏、生产受到严重影响. 水胀型软岩破坏的主要原因是岩石遇水软化（强度降低）、膨胀造成松动圈再次 扩大，因此，支护的对策是严格控制水的影响，而支护阻力并不要求很大. 2 . 3 复合型软岩 复合型大松动圈软岩是指两种软岩变形因素同时存在，围岩碎胀变形及水胀变形 均较大. 一方面由于围岩应力较大而出现大松动圈，另一方面水的作用降低了围岩强 度，围岩吸水发生体积膨胀. 复合型大松动圈围岩（软岩）巷道之所以具有大变形、大 地压、难支护的工程特点，是因为复合型软岩并非具有单一的碎胀或水胀变形机制， 而是一种同时具有碎胀和水胀两种变形机制的复合类型，而且碎胀变形超前于水胀变 形. 复合型软岩破坏的根本原因是兼有碎胀和水胀两种变形，所以对于此类软岩要十 分注重合理运用复合型向单一型转化技术. 即首先利用对付水胀型软岩防治水措施，将 复合型软岩转化为单一碎胀型软岩进行支护，然后按碎胀型软岩选择支护方式和确定 支护参数. 应当强调的是，煤系地层不同程度具有复合型软岩的特征，如果忽略这一 点，就会造成支护的失败. 3 控制技术 大松动圈巷道围岩表面位移，绝对限制是无法办到的，也是不经济的. 控制原理只 能是既允许围岩有一定变形，释放压力，又控制其过大变形，保持巷道在不影响正常 使用前提下的稳固，以防止冒顶和片帮. 弹性变形在开巷瞬间基本完成，根本无法控制，它不会施加于支护结构. 因此 1） 对大松动圈围岩碎胀变形，只要及时提供支护抗力，并有适量的可缩变形量以释 放压力，促使极限平衡及早实现，即可保持巷道稳定； 2 ） 对大松动圈围岩水胀变 形，必须首先解决水的问题，水胀型软岩支护对策是严格控制水的影响； 3） 对大松 动圈复合变形，必须十分注重合理运用复合型向单一型转化技术，利用对付水胀型软 岩防治水措施，将复合型软岩转化为碎胀型软岩进行支护，然后按碎胀型软岩选择支 护方式和确定支护参数. 3. 1 Ⅳ，Ⅴ类大松动圈碎胀型软岩锚喷网支护 由于岩体破坏、应变软化的结果，将使松动圈内岩体强度随变形发展而逐渐衰 减，直至残余强度. 松动圈内岩块的滑移碎胀变形（流变），并非有益的能量释放，而 是以其承载能力的丧失为代价的，显然是一种有害变形，对此决不能等闲视之. 因此， 在巷道维护工作中，为充分保持并利用破裂围岩的自承能力，必须对破裂区内岩体进 行支护和加固，目的是限制有害的滑移剪胀变形，控制其软化程度，提高其残余强度. 从这个意义上讲，布置在岩体内部的锚杆支护和对岩体内部的注浆加固将是优越的支 护形式和措施. 锚杆支护能实现主动深入到围岩内部加固围岩，提高围岩自承能力和围 岩一起形成一个加固圈；喷层可以及时充填围岩表面裂隙，封闭岩面和隔离水、风对 围岩的破坏，缓解应力集中现象，密贴并提供一定的支护抗力，使巷道周边围岩从二 向应力状态变为三向应力状态；金属网能加强喷层的整体性，提高喷层的抗弯、抗 剪、抗拉能力，而且将单个锚杆连结成整体锚杆群和混凝土形成有一定柔性的薄壁钢 筋混凝土支护圈. 因此锚喷网三者结合是内部加固与外部支护的结合，支护与围岩共同 作用，浑然一体，并能柔性卸载，先柔后刚，先让后抗，最大限度地发挥围岩的承载 能力. 所以，锚喷网支护的性能十分符合软岩对支护性能特别是一次支护性能的要求. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 基于上述分析，根据松动圈厚度设计锚喷网支护参数，我们在开滦赵各庄煤矿 11，12 水平 埋深分别为96 1. 1和10 56 . 8 m 受采动影响的底板岩巷 Ⅳ类，Lp＝1. 5～1. 8 9 m ）大松动圈软岩巷道（采动碎胀型）及13水平（埋深1 159 m ）煤及半煤岩巷 Ⅴ类，Lp＝2 . 16 ～2 . 2 6 m ）大松动圈软岩巷道进行了工业性试验，获得了成功，年经 济效益达50 0 万元以上［5］. 3. 2 Ⅵ类大松动圈碎胀变形联合支护 对于Ⅵ类大松动圈碎胀型软岩，一般为高应力强膨胀地区或节理化极破碎的岩 石，对此类软岩工程巷道，支护阻力和可缩量是巷道支护成功的主要参数，高阻力和 大的可缩量是确保此类极软岩巷道稳定性的关键. 由于Ⅵ类松动圈厚度大，其碎胀变形 量也很大，一般达到6 0 0 m m 以上，所以一般常用锚杆（锚固长度1. 6 ～2 . 0 m ，锚固 力为5～8 t ）支护不能维护巷道周边围岩的稳定，必须增大锚杆支护强度及可缩量. 从 理论上讲，通过增大锚杆锚固力（锚杆直径加粗、加长等）及金属网强度等措施，锚 喷网（锚索）支护仍可控制此类大松动圈巷道，但从经济实用及施工方便角度讲，采 用锚喷网加U 型钢可缩支架或注浆加固加U 型钢可缩支架（或者用锚喷网加预留有变形 充填层的料石碹、大弧板等方式）等联合支护方式则更为合理［6 ］. 大量的工程实践表明，对Ⅵ类大松动圈软岩巷道企图用一次支护特别是强刚性支 护，包括双层料石碹、6 0 0 m m 厚的钢筋混凝土支护等不能获得成功［7 ］，原因是它 们不适应大松动圈软岩初期变形量大、持续时间长的特点. 因此，锚喷网一次支护主要 是提高围岩松动圈内破裂岩石的残余强度，提高围岩的自承能力，以保证巷道在安全 的条件下允许围岩在高阻控制下释放变形压力，以适应其碎胀变形力学机制. 为保证巷 道较长时间的稳定和服务期间的安全，在围岩变形稳定后必须进行二次支护，给巷道 提供最终支护强度和刚度，并起到安全储备作用. 锚喷网一次支护的关键是根据松动圈厚度确定“组合拱”厚度（一般不应小于1. 2 m ），进而确定锚喷网支护参数；二次支护的关键是确定支护时间应在一次支护 巷道围岩变形稳定后进行，具体应根据巷道开挖后监测情况确定，如松动圈厚度已基 本稳定，u -t 曲线变化平缓等. 淮南谢桥煤矿东风井-2 40 m 总回风巷（泥岩，Ⅵ类 大松动圈软岩工程中，采用 单一常规锚喷网（非锚索）支护发生了失败，但返修时采用锚注与U 型钢联合支护取 得了成功［6 ］. 3. 3 Ⅳ～Ⅵ类复合型软岩转化关键技术治水 开巷后，大松动圈在产生、发展过程中出现碎胀变形的同时，破裂岩体出现宏观 裂隙，地下水的渗入不仅降低破裂面的强度和作用在其上的法向应力，导致围岩强度 下降，松动圈再次扩大，而且岩石遇水膨胀和软化，这种相互作用恶性循环，导致支 护非常困难. 所以，在这类地层中必须采取治水的措施. 由于井下水源分布广，来源多， 在巷道内存在水流，故治水方法必须采取治、防、管、排等综合治理措施. 1 有水必治 井下施工巷道掘进头，对出水、淋水、积水要及时采取措施控制出 水点，不能乱流、漫流，存留时间不能过长. 哪里有水哪里治，能排则排，能导则导， 能疏则疏，分段截流、分片治理，保持巷道无积水. 2 无水要防 施工巷道要有防水措施，做到预防为主. 编制作业规程时，必须考虑 治水方法、防水系统、防水设备和防水设施，做到有备无患. 水沟要紧跟迎头，毛水沟 距迎头不得超过15 m ，永久水沟距迎头不超过50 m . 3 用水必管 施工迎头喷浆、洒水、喷雾、通风、消防、注浆等都需用水，但要 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 管理好用水，建立严格的管理制度，防止跑、漏、冒、滴，对用完的水，及时排入疏 水系统，保持巷道干燥无水. 4 积水必排 井下巷道如有积水，必须及时排入排水系统. 对于复合型软岩，只有围岩破裂松动，潮湿空气或水沿裂缝侵入围岩深部之后， 其变形才能强烈的显现出来. 而且水胀变形在时间上滞后于碎胀变形，但是如采取上述 治水措施，使岩石无水可吸，水胀变形也就无从产生，则复合型软岩转化为单一碎胀 型软岩，从而大大降低了支护难度. 4 结论 1 采用单一综合指标围岩松动圈厚度（Lp≥150 c m ）判定软岩巷道工程，不 仅能全面反映围岩的稳定性，而且现场应用方便. 2 大松动圈软岩工程，无论是何种原因造成的，其松动圈厚度值都在150 c m 以 上. 但对于不同原因造成的软岩工程，应采取不同方法进行处理. 应当强调的是，煤系地 层不同程度的具有复合型软岩的特征，如果忽略这一点，会造成支护的失败. 3 Ⅳ，Ⅴ类大松动圈碎胀变形软岩采用单一锚喷网支护，用“组合拱理论”设计 锚喷网支护参数可以获得成功；Ⅵ类大松动圈碎胀变形软岩须采用联合支护方式，才 可以获得成功. 4 绝对限制大松动圈非线性变形不易实现，也不经济，只能是既允许围岩有一定 变形以释放能量，减小围岩对支护的压力，又能有效控制其过大变形，保持巷道的使 用空间和稳定性. 仅考虑对岩体应力的控制或一味采用各种高强度支护手段是不适宜的. 煤炭科学基金资助项目（96 建0 10 1） 作者简介靖洪文，男，196 3年生，博士研究生，副教授 作者单位靖洪文 宋宏伟 郭志宏 （中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 ） 参考文献 1 董方庭, 宋宏伟, 郭志宏等. 巷道围岩松动圈支护理论. 煤炭学报, 1994, 19（1）2 1～ 31 2 鹿守敏，靖洪文. 巷道锚喷支护机理研究与实践. 建井技术, 1994（4）10 ～14 3 靖洪文, 李世平. 零围压下岩石剪胀性能试验研究. 中国矿业大学学报, 1998 ，2 7 （1）19～2 2 4 Ji n g H W , Li S P. Ex p e r i m e n t a l s t u d y o n v o l u m e t r i c s t r a i n o f r o c k s i n f u l l s t r e s s -s t r a i n p r o c e s s . Jo u r n a l o f Ch i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y , 1999, 9 1 33～37 5 靖洪文, 付国彬, 郭志宏. 深井巷道围岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究. 岩 石力学与工程学报, 1999，18 1 7 0 ～7 4 6 何满潮. 中国煤矿软岩巷道支护理论与实践. 徐州中国矿业大学出版社, 1996 . 1～ 36 7 陆家梁. 软岩巷道支护技术. 吉林吉林科学技术出版社, 1995. 7 7 ～8 1 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50 中国矿业大学学报990 6 10 收稿日期1999-0 6 -2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 10 . h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 50