深部軟巖巷道支護耦合轉化技術研究

趙景民等

摘 要：通過對深部開采軟巖巷道的變形破壞機理的研究，巷道變形破壞主要是由于支護體力學特性與圍巖力學特性在強度、剛度以及結構上出現不耦合所造成的；且變形首先從關鍵部位開始，進而導致整個支護系統的失穩。因此，要保證深部軟巖巷道圍巖的穩定性，必須實現支護體與圍巖的耦合，當錨桿與圍巖在剛度上實現耦合時，能最大限度地發揮錨桿對圍巖的加固作用；當錨網與圍巖在強度上實現耦合時，將會使圍巖的應力場和位移場趨于均勻化；當錨索與圍巖在結構上耦合時，可以充分利用深部圍巖強度來實現對淺部圍巖的支護。同時列舉了部分復合型想單一型的耦合轉化技術，為巷道錨桿耦合支護技術的實施提供了依據。

關鍵詞：深部開采 軟巖巷道 耦合支護 耦合轉化

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0096-02

1 深部工程的現狀

隨著經濟的不斷發展，在工業發展中煤炭資源的開采是其基本的推動力，同時，煤炭開采也逐漸成為一門重要的技術學科。在煤炭的開采過程中，巷道要如何維護好本身的穩定性能，這已經成為采礦與巖土這兩個工程之間要解決的問題。近些年來，支護的手段與方法在煤炭行業中得到了很好的發展，從被動的棚子支護轉變為主動的錨桿支護，并且根據不同的實際工程條件與地址條件，它們都將在不同的使用范圍內出現。同時，在支護的發展中，其本身理論上有了相對完備的發展。而現在比較先進的支護方式則是錨桿支護方式。它可以很好的適用于不同的地質條件，在勞動強度上也比較低，且經濟效益很好[1]。軟巖巷道工程成功支護的技術關鍵之一是正確確定軟巖的變形力學機制及其復合型。深入研究深部工程圍巖特征，掌握深部圍巖的變形破壞機理，以有效地控制圍巖的變形與破壞，在煤礦安全生產，高產高效中具有重要的理論指導意義和現實意義。

2 軟巖巷道的變形力學機制的確定

每種變形力學機制有其獨特的特征型礦物、力學作用和結構特點，其軟巖巷道的破壞特征也有所不同[2～3]，通過野外工程地質研究和室內物化、力學實驗分析以及理論分析，可以正確的確定軟巖巷道的變形力學機制類型。

（1）I型變形力學機制主要依據其特征礦物和微隙發育情況進行確定為物化膨脹型，根據特征可分為IA型（蒙脫石型分子吸水膨脹機制）、IAB型（伊-蒙脫石型分子吸水膨脹+膠體膨脹）、IB型（高嶺石型膠體膨脹機制）、IC型（微隙型微裂隙膨脹機制）。其中A類軟巖的控制性因素為分子吸水機制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強；B類控制性因素為膠體吸水機制，晶胞之間不允許進入水分子，黏粒表面形成水的吸附層；C類控制性因素為微隙-毛細吸水機制。

（2）II型變形力學機制主要根據受力特點及在工程力作用下巷道的特征確定為應力擴容型，根據特征可分IIA型（構造應力機制）、IIB型（重力機制）、IIC型（水力機制）、IID型（工程偏應力機制）。其中A類軟巖控制性因素為殘余構造應力，變形破壞與方向有關，與深度無關；B類控制性因素為自重力型；C類控制性因素為地下水；D類控制性因素為工程開挖擾動，變形破壞與設計有關，巷道密集，巖柱偏小。

（3）III型變形力學機制主要是指受結構面影響的非對稱變形力學機制，要求先鑒別結構面的力學性質及其構造體系歸屬，然后再依據其產狀與巷道走向的相互交切關系來確定，此類型為結構變形型，根據特征可分為IIIA型（斷層型）、IIIB型（弱層型）、IIIC型（層理型）、IIID型（節理型）、IIIE型（隨機節理型）。其控制性因素分別為斷層斷裂帶、軟弱夾層、層理、優勢節理、隨機節理。

軟巖巷道的變形力學機制不是單一的，而是集多種變形力學機制于一體的復合型變形力學機制，復合型變形力學機制是軟巖巷道難支護的根本原因。

3 深部軟巖工程耦合支護轉化技術

3.1 深部軟巖工程耦合支護的基本原理

深部軟巖工程的耦合支護基本原理[4]就是通過對深部軟巖工程中的關鍵部位進行有效合理的支護，并且在關鍵部位上要限制圍巖對其產生有害變形與差異性變形，使得支護的力學特性和結構與深部軟巖工程圍巖的力學特性及結構之間達到一定的強度剛度與結構的耦合。故而，要通過很多次的支護，才能使圍巖與支護之間得到相應的耦合，在進行初次的支護基礎上，在關鍵部位中初次引起支護失穩的地方，進行二次或者多次耦合支護，從而達到對深部軟巖的支護變形、破壞的有效控制，使其達到穩定狀態。

3.2 深部軟巖工程耦合支護的基本特征

根據深部軟巖工程圍巖的變形破壞特征，深部軟巖工程實現耦合支護的基本特征在于圍巖與支護體在強度、剛度及結構上的耦合。

（l）強度耦合。

由于深部軟巖工程圍巖本身所具有的巨大變形能，單純采取高強度的支護形式不可能阻止其圍巖的變形，從而也就不能達到成功進行軟巖巷道支護的目的。與淺部工程及硬巖不同，深部軟巖進入塑性后，本身仍具有較強的承載能力，因此，對于深部軟巖工程來講，應在不破壞圍巖本身承載強度的基礎上，充分釋放其圍巖變形能，實現強度耦合，再實施支護。

（2）剛度耦合。

由于深部軟巖工程的破壞主要是變形不協調而引起的，因此，支護體的剛度應與圍巖的剛度耦合，一方面支護體要具有充分的柔度，允許巷道圍巖具有足夠的變形空間，避免圍巖由于變形而引起的能量積聚；另一方面，支護體又要具有足夠的剛度，將圍巖控制在其允許變形范圍之內，避免因過度變形而破壞圍巖本身的承載強度。這樣才能在圍巖與支護體共同作用過程中，實現支護一體化、荷載均勻化。

（3）結構耦合。

對于圍巖結構面產生的不連續變形，通過支護體對該部位進行加強耦合支護，限制其不連續變形，防止因個別部位的破壞引起整個支護體的失穩，達到成功支護的目的。

3.3 耦合轉化技術endprint

由于各軟巖“綜合征”的內在變形力學機制不同，其耦合轉化的對策有所不同。對應的轉化技術也不同。I型軟巖耦合轉化技術主要有預留層卸壓錨桿技術、柔性噴層技術、柔性錨桿技術、底錨桿支護技術；II型軟巖耦合轉化技術主要有巷道位置及方向三維優化技術、錨索關鍵部位耦合支護技術；III型軟巖耦合轉化技術主要有錨網耦合支護技術、超前錨桿技術、錨桿布置三維優化技術、注漿錨桿技術。

4 應用實例

通過分析工程地質條件、破壞原因及對現場破壞狀況進行調查，充分結合現場的工程條件，確定唐山某礦深部巷道主要變形力學機制有IAB：分子吸水膨脹機制+膠體膨脹機制；IIBC：重力機制+水力機制；IIICE：結構變形型+隨機節理型。對具有IABIIABCIIICE復合型軟巖巷道，首先為了減少應力集中程度，要預留一定的變形空間釋放變形能和塑性能，并及時對圍巖進行封閉，防止膠體遇水膨脹和泥巖吸水軟化，使其轉化為IIABCIIICE型；其次通過超前錨桿加固頂部圍巖，再采用錨桿三維優化優化和底角注漿錨桿技術，使錨網和圍巖在強度和剛度上達到耦合，使得變形能充分得到釋放的基礎上，使得圍巖的自承能力最大限度的發揮，并及時有效地限制圍巖發生有害的變形損傷，使其轉化為IIBC；再采用錨索關鍵部位耦合支護技術和柔層桁架支護技術使圍巖的應力場和應變場均勻化，圍巖變形均勻，當巷道圍巖變形使得初噴混凝土噴層與桁架接觸時，實施全斷面現澆混凝土支護，形成封閉性永久支護，將不穩定的IIB型變形力學機制轉化為穩定的IIB型。

5 結語

綜上所述，通過對軟巖的多年開采，在工程實踐中對軟巖巷道的變形與破壞機理理論上進行相應的研究，深部開采軟巖巷道耦合支護技術不斷得到完善和發展，解決了所承擔的煤炭等關鍵工程和國際合作項目中的軟巖難題，取得了顯著的經濟效益和社會效益同時列舉了部分復合型想單一型的耦合轉化技術，使護系統達到耦合的最佳支護狀態，為巷道錨桿耦合支護技術的實施提供了依據。

參考文獻

[1] 康紅普.煤巷錨桿支護動態信息設計法及其應用[J].煤礦開采，2002（1）：5-8.

[2] 何滿潮.深部工程圍巖特性及非線性動態力學設計理念[J].巖石力學與工程學報，2002，21（8）：1215-1224.

[3] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護設計施工指南[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 李占金.鶴煤五礦深部巖巷變形機理及控制對策研究[D].北京：中國礦業大學，2009.endprint