浅析软岩巷道支护原理与控制技术

浅析软岩巷道支护原理与控制技术

魏涛

宁夏宝丰能源集团股份有限公司宁夏银川市750000

摘要：随着矿井开采向深部延伸，原岩应力与构造应力不断升高，使得高应力软岩巷道围岩稳定性控制问题成为困扰煤矿安全生产的主要难题。通过阐述软岩的特性和软岩巷道支护技术，表述了软岩的多样性，在微观上存在差异性，因此构成的软岩巷道的复合型变形力学机制类型存在多样性。说明了软岩巷道支护技术原理和支护原则，并从非线性力学设计介绍新的支护方式。

关键词：软岩巷道；支护原理；支护技术

软岩巷道在我国分布广泛，随着煤矿开采深度的不断增加，井下煤矿巷道将处于更高的地应力环境中，尤其在地质构造活动强烈的地区，井下巷道支护及稳定性更加难以保证。软岩巷道围岩软弱，强度低，具有膨胀性埋深大，地应力水平高。采动荷载作用大变形、高地压、难支护变形时间长、量大、速度快，破坏程度高，传统支护失败。深部软岩巷道显现出显著的大变形、高地压、难支护特点。

1、软岩巷道支护原理

我国软岩巷道支护理论早期有于学馥提出的“轴变论”理论，冯豫、陆家梁等在“新奥法”基础上提出的联合支护理论。在此基础上孙钧、郑雨天等提出的锚喷——弧板支护理论，后来中国矿业大学董方庭提出的松动圈理论和方祖烈提出的主次承载支护理论。

1.1提高围岩自撑能力

围岩暴露后，要立即架设临时支架，临时支架要有较大变形能力和支撑能力，并作为永久支护一部分，与永久支护联为一体共同抵抗地压，当采用锚喷做临时支护时，最好选用可拉伸锚杆或柔性喷层，用一定手段把围岩残余强度与支护形成一体，提高围岩自撑能力和自稳时间。

1.2永久支护应是封闭型结构，关键是控制底鼓

巷道开凿后，由于施工方法和工艺限制，一般往往不注重底拱封闭时间和施工质量，底板封闭又属隐蔽工程，造成质量低劣、间隔时间长，这正是软岩巷道支护上的薄弱环节，巷道受力后，多先在底板处失稳，然后向上扩展。当永久水沟形成时，由于排水影响更容易造成底板强烈变形和应力重新分布，最后导致巷道变形严重或破坏。因此施工过程中，底拱质量好坏是关键问题。

1.3支架应有足够变形能力和足够承载能力

当原岩应力较大时，要完全阻止围岩变形和破坏，这就需要高强度、高抗力支架，但由于目前很多条件制约，大面积应用推广高强支架还有一定困难，因此，选用支架时要求支架要有较大变形能力来释放围岩应力，一般在一次支护后间隔一段后架设，让围岩充分变形和围岩自身压能释放后，进行二次支护，这种支护必须在支架允许变形范围内，使支架与围岩相互作用达到平衡，一般多用U型钢可缩型支架来完成。

1.4严密充填

封闭与加固衬砌中，充填与充填材料亦相当重要，充填不仅使支架或碹体对围岩产生作用，亦能防止围岩松动与脱落，又使支架或碹体均匀受载，提高承载能力。巷道开凿后，围岩在裸露状态下，风化、水化作用使围岩强度大大降低，并失去稳定性，因此及时封闭加固围岩（初喷或复喷）是提高围岩强度和稳定性的必要手段。

2、软岩巷道控制原则

由于软岩工程具有变形速度快、持续时间长、导致变形量大的特征，所以软岩工程应采取科学的支护原则与与对策措施。要根据不同的压力类型选用不同的巷道支护方法，降低围岩应力和先放后让与边让边抗结合，消除“环境效应”对岩体强度的不利影响，根据围岩压力分布特点选择合理的断面形状，通过施工监测动态调整支护设计与参数。

2.1整体性原则。使支护与围岩形成的复合体发挥协同作用，表现出较大的刚度和较强的抵抗变形能力。

2.2结构性原则。就是从支护与围岩共同作用形成的复合结构中的应力状态出发，通过加强锚固或增加锚固深度，改善支护结构中关键部位的应力状态，保证支护结构整体应力状态的均衡。

2.3全面性原则。就是在加强巷道顶帮支护的同时，加强巷道底角和底板围岩的支护，形成全断面支护结构。

2.4有效性原则。保证形成的支护结构具有较大刚度和较强的承载能力，满足有效抵抗静动压作用巷道围岩碎涨变形和蠕变变形的要求。

2.5时效性原则。考虑支护体的长时强度，避免支护体在静动压作用下进入屈服状态，导致支护结构不能满足长期稳定的需要。

3、软岩巷道围岩稳定控制技术

工程实践表明，对于软岩巷道，无论是新开巷道、还是实施了多次支护的翻修巷道，其破坏是一个渐进的力学过程，总是从某一个或几个部位开始发生变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。在软岩巷道变形破坏过程中首先破坏的部位可称之为关键部位，关键部位的形成是软岩巷道发生塑性大变形的力学标志；关键部位产生的原因是软岩巷道发生大变形过程中，由于支护体与围岩变形不协调而引起的。

3.1高性能锚喷支护技术。即采用高强度、高刚度和高预应力锚杆（索）配合金属网、钢带（钢筋梯）、喷射混凝土等组成复合锚喷支护结构。支护结构根据不同情况加以选择①对于不受动压影响的软岩巷道，可采用锚网喷加锚索或锚网喷加锚索加钢梁（或钢筋梯）耦合支护。②对于受采动影响或高应力区的软岩巷道，可采用锚网喷加锚索加U型钢联合支护或锚网喷加锚索加桁架联合支护。③对于大断面硐室，可采用锚网喷加锚索加钢筋混凝土砌碹或锚网喷加锚索加网壳耦合支护。

3.2整体让抗压支护技术。预留变形量和二次支护技术，二次支护过早将难以抗拒围岩的初期剧烈变形，二次支护过晚，围岩自身承载能力又会急剧下降，即二次支护在时间和强度上与围岩变形特性不能协调，二次支护的作用下降甚至失效。

3.3软弱围岩整体转化技术。对于膨胀性软岩（S型）以防水为主；高应力软岩（H型）以卸压为主。节理化软岩（J型）以注浆为主。复合型软岩（HS、HJ、HJS复合型）则通过相应转化达到相应条件。并结合锚固与注浆加固技术控制。

对于软岩巷道支护应分析高应力、节理化、强膨胀和复合型软岩的工程特征、变形机理、控制准则，为支护形式的确定控制提供了理论依据.并按复合型向单一型成功转化的原理、路线和实施方法，确定实用相应的耦合支护对策.同时通过数值模拟提高设计合理性和可靠性。

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