軟巖巷道變形破壞的特點及其支護問題研究

胡秋云

（神華寧夏煤業集團 紅柳煤礦，寧夏 靈武 750408）

0 引言

在我國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2.95萬億噸，占煤炭資源總量的53%。經濟的快速發展對能源的需求量日益增加，開采規模不斷擴大，淺部易采的礦產資源日趨枯竭，地下礦山向深部開采是必然趨勢。

1 軟巖巷道變形破壞的特點及其影響因素

1.1 軟巖巷道變形破壞特點

1）圍巖的自穩時間短、來壓快。所謂自穩時間，就是在沒有支護的情況下，圍巖從暴露到開始失穩的時間。軟巖巷道的自穩時間僅為幾十分鐘到幾個小時，巷道來壓快，要立即支護或超前支護，方能保證圍巖不致冒落。

2）圍巖變形量大、速度快、持續時間長深部高應力軟巖巷道的特點就是圍巖變形速度快、變形量大、持續時間長。一般來說，巷道掘進的第1-2天，變形速度少的5-l0mm/d，多的達50-100mm/d；變形持續時間一般25-60天，有的長達半年以上仍不穩定。巷道的圍巖的變形量，在支護良好的情況下，其均勻變形量一般達到60-l00mm/d以上，大的甚至300-500mm/d；如果支護不當，圍巖變形量很大，300-l000mm/d以上的變形量司空見慣。

3）圍巖的四周來壓、底臌明顯在較硬巖層中。圍巖對支護的壓力主要來自頂板，力主要來自頂板和兩幫，但在深部軟巖巷道中硬巖層圍巖對支護的原則是四周來壓、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壓，如果不支護，將出現一個支護結構的薄弱帶，巷道破壞首先就是從不設防的底臌開始，又因底臌導致兩幫移近和失腳，直到片幫冒頂，巷道全部破壞。

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

1.2 軟巖工程變形力學機制

軟巖工程變形、破壞和失穩的原因是多方面的，但其根本原因是其具有復雜的變形力學機制。軟巖的變形力學機制大致可歸納為三大類：即物化膨脹型、應力擴容型和結構變形型。

物化膨脹型的軟巖變形機制與軟巖本身分子結構的化學特性有關，其又有3種類別：分子膨脹機制、膠體膨脹機制和毛細膨脹機制。

應力擴容型的軟巖變形力學機制與力源有關，其有4種類別：即構造應力機制、水的作用、自重應力和工程偏應力。

結構變形型的軟巖變形機制則與硐室結構與巖體結構面的組合特性有關。同一巖層的巷道，順層的巷道破壞甚為嚴重，穿層的巷道破壞比較輕微，原因是變形受力結構面的影響而呈現各向異性的特征。根據巖層層理或節理的形態不同，其變形力學機制又可分為斷層型、軟弱夾層型、層理型、優勢節理型、隨機節理型等變形力學機制。

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機制基本概括了軟巖膨脹變形的主要動因，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：巖體本身的強度、結構、膠結程度及膠結物的性能，膨脹性礦物的含量等，這均是影響軟巖巷道變形的內在因素。

2）工程應力的影響：它是造成圍巖變形的外在因素。垂直應力、構造殘余應力及工程環境和施工的擾動應力，鄰近巷道施工、采動影響等，特別是多種應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，尤其是對膨脹巖，水對其變形的影響極大，水不僅造成粘土質巖的膨脹，同時還大大的降低了巖石的強度。

4）時間因素：流變是軟巖的特性之一，巷道的變形與時間密切相關。

2 軟巖巷道支護原理

由于巷道開挖，破壞了原巖應力平衡狀態，圍巖應力產生了重新分布，隨著時間發展和空間位置的變化，應力和應變又處于不斷調整狀況中，在這中間圍巖主要經歷的是以自承能力為主的穩定進程。

軟巖巷道支護的重點應放在充分利用和發揮自承能力上，支護原理是：根據巖層不同屬性，不同地壓來源，從分析地壓活動基本規律入手，運用信息化設計方法，使支護體系和施工工藝過程不斷適用圍巖變形的活動狀態，以達到控制圍巖變形，維護巷道穩定的目的。具體的說，有以下幾個方面：

1）必須改變傳統的單純提高支護剛度的思想，支護結構及強度與加固圍巖、提高圍巖自承能力相結合，與圍巖變形及強度相匹配，實踐證明，單純提高支護剛度的方法是難以奏效的；

2）必須采取卸壓、加固與支護相結合的方法，統籌考慮、合理安排、對高地應力地區，要卸得充分，對大變形地區，要讓得適度，對松散破碎區，要注意整體加固，對巷道圍巖整體要支護住；

3）進行圍巖變形量測，準確地掌握圍巖變形的活動狀態，結合量測結果進行反饋，以確定二次結構的參數，確定補強時間、再次支護時間和封底時間；

4）樹立綜合治理、聯合支護、長期監控的支護思想體系。

3 關鍵部位耦合支護原理

3.1 關鍵部位產生的力學機理

關鍵部位的產生是由于支護體力學特性與圍巖的力學特性出現不耦合造成的。按其變形力學機制不同，關鍵部位有4種類型。

Ⅰ型關鍵部位是指支護體和圍巖的強度不耦合，非均勻的荷載作用在等強的支護體上，形成局部過載，產生局部破壞，最終導致支護體的失穩。

Ⅱ型關鍵部位是指支護體和圍巖的剛度正向不耦合，支護體剛度小于圍巖剛度，圍巖產生的過量變形得不到限制，致使圍巖劇烈變形損傷，強度降低，從而將其本身所承擔的荷載轉移到支護體上，形成局部過載而產生破壞。

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

Ⅳ型關鍵部位的支護體與圍巖結構變形不耦合，支護體產生均勻的變形，圍巖中的結構面（如軟弱夾層、層理面、斷層面、節理面等）產生差異性滑移變形，使支護體局部發生破壞。

3.2 關鍵部位的特征及其識別準則

（1）關鍵部位的變形特征：關鍵部位的變形特征均是不穩定的變形曲線。

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

（3）關鍵部位的識別準則：判定是否出現關鍵部位，一般按照以下準則進行判斷：

a）變形準則：巷道周邊各點變形及其速率同時滿足：Ui≥0.6[U]；速率大于等 0時，表明出現了關鍵部位。

b）強度破壞準則：出現了腐蝕現象，則表征產生了關鍵部位。

c）空間位置準則：根據關鍵部位的特征及其空間位置關系，可分為同位型關鍵部位和異位型關鍵部位。對于同位型關鍵部位，破壞特征出現的位置就是關鍵部位的位置，而對于異位型關鍵部位，破壞特征出現的位置與關鍵部位空間位置不一致，需要作具體的力學分析才能得出。

4 結束語

總之，當前我國關于深部巖巷圍巖穩定控制與支護的理論及技術還很不成熟。而且，由于斷面形狀、圍巖性質、服務限等方面的明顯差異，深部巖巷與煤巷圍巖穩定與支護有很大不同。對深部巖巷圍巖穩定與支護中涉及的理論與關鍵技術的研究顯得尤為迫切，這不僅關系到我國的能源資源能否可持續開發利用，更關系到國民經濟能否持續發展。

［1］劉特洪,林天健.軟巖工程設計理論與施工實踐[M].中國建筑工業出版社,2001.

［2］何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學[M].科學出版社,2002.