基于NATM理论及软岩巷道变形规律的支护方法研究.doc

GAOJIAOLUNTAN 高 教 论 坛基于NATM理论及软岩巷道变形规律的支护方法研究孙志文 李文嵩 张良摘 要：本文在实地测试的基础上，通过对大雁煤业集团公司第一、第二、第三煤矿掘进过程中围岩移动规律的观测研究，提出了在不同围岩运移规律下的软岩支护指导性方法。本结论经过实践，具有很强的可操作性。同时，对其他矿井解决类似问题提供了经验和参考。关键词：NATM理论；软岩 ；支护形式。- 47 -0引言01、 NATM理论“NATM”全称“New Ausrtrian Tunnelling Metnod”，即“新奥地利隧道施工方法”，简称“新奥法”。此方法是地下工程设计和施工的一门技术，目前许多国家都把这种方法应用于隧道、矿山井巷、军工、水电等地下工程。其基本原则有二十几条，但主要是： 在巷道开挖过程中，应最大限度地保持围岩的原始强度； 恰当地控制围岩变形。即：一方面要允许围岩向巷道空间收缩变形，以便形成岩石支撑环。而另一方面又要限制其产生过大变形，造成围岩破坏变形； 掌握巷道变形规律，适时进行支护，既不能过早，也不能过晚，正确地确定岩体或岩体支护系统的特定时间因素； 为了避免巷道断面上尖角处出现应力集中，应采用圆形断面。 02、软岩 作者简介：孙志文（1965-），1988年毕业于阜新矿业学院采矿工程专业。现工作于呼伦贝尔学院，副教授，采矿教研室主任。我国煤矿对松软岩层研究的范围主要是强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层。从软岩形成原因来分析，软岩大致可归属为三种。一是构造软岩，它主要是指受断层、褶曲等地质构造的影响，岩石的整体性受到破坏而疏松变软；二是由于成岩时间短，岩体胶结程度差，从而结构疏松、强度较低；三是由于岩层的深度大，在地应力作用下岩体强度低，自承能力差，节理、层理发育，使得岩体疏松，整体性差。煤矿的软岩多是复合的膨胀岩，并以泥岩、粘土岩等多见，具有易风化、怕水和震动等特征，遇水后具有较大的膨胀性、流变性，稳定性极差。我国目前对松软岩层研究提出判别的主要指标为：岩石单向抗压强度Rc小于30MPa，掘进巷道引起的围岩变形量大于100mm，巷道围岩松动圈范围大于 1500 mm。1、矿井软岩特征及矿压显现规律1.1 大雁一矿西六大巷围岩特征西六大巷是为该矿西六采区（下山采区）服务的机轨合一巷，水平标高+500m。围岩岩性为泥质页岩，岩石的单向抗压强18.57-27.35Mpa,无断层、褶曲等大型地质构造。岩性较为稳定，遇水膨胀。由于受采动影响较小，巷道每天的移近量较小。但部分受到水的影响而引起巷道底鼓，掘进初期，顶、底板移进速度0.05-25mm/d。（见图1）1.2 大雁二矿围岩特征通过对大雁二矿现0水平现场观测表明，在软岩层巷道开挖后，围岩的初期变形量大，并呈现来压迅速，变形速率大；矿压显现明显，持续时间较长；变形不仅顶板下沉、两帮内移而且底板鼓起，巷道的底鼓量有时占顶底板移近量的6090。对于采用一次料石砌碹巷道，因围岩松软，自稳能力低，使巷道直墙位置出现较大拉应力，墙基处出现较大剪应力。由于料石砌暄的抗变形能力差，故出现拱顶变尖，墙体部分鼓出，形成沿巷道轴向的张裂，有时出现整体向巷道内挤出成倒台阶形，拱顶部分料石挤碎，掉渣等导致碹体结构失败。采用刚性支架时，其支架的允许变形量通常小于200mm，围岩变形量超过支架的允许变形量时，随围岩变形的发展，施加于刚性支架的载荷超过其承载能力，致使刚性支架变形，造成围岩变形速度加剧，巷道开始变形而被破坏。另外，现场观测还发现，在不受采动影响的煤层中或较稳定的砂质页岩中开凿巷道，矿压显现较稳定，巷道变形速度较小，岩层中锚喷巷道顶底板位移速度仅为0.020.09mm/d。而在含油泥岩中开凿的巷道，围岩移动量较大，围岩位移变化经历了急剧增长、持续增长、缓慢增长三个阶段（见图2）。特别是在回采工作面上下顺槽，随着工作面的推进，工作面前方顺槽顶板变化更为剧烈（见图3）1.3 大雁三矿水仓围岩特征三矿井底中央水仓位于副井井筒南侧，标高350，分甲、乙两仓，总长度 529.5m，其中平巷500m、斜巷29.5m，围岩为泥岩，流变性和蠕变较强。由于该围岩稳定性较差，遇水膨胀，围岩压力大，350水平已超过大雁矿区软化临界深度，出现了软岩巷道大变形、大地压、难支护的现象，70的巷道前掘后翻，普通支护方法已无法满足支护要求，严重地制约了矿井建设。其压力显现主要表现为： 变形量大，初期变形速度快； 水平收敛量与垂直收敛量基本相等，底鼓变化量相对较小（见图4，1线为顶板位移曲线，2线为巷道帮位移曲线，3线为底板位移曲线），巷道断面均匀收敛； 围岩深度内移随径向深度减小，以表面为以最大。123 通过对大雁矿区三个矿的现场观测表明，在软岩层开掘巷道后，围岩都有不同程度的变形。变形规律也由于巷道的类别、岩层的性质、埋藏深度、水文地质等情况的不同而有着很大差别。2、软岩巷道支护形式的选择研究根据“新奥法”以及上述不同围岩的变形规律，选择适合的支护方式、支护方法非常重要。2.1 对于岩性比较单一、矿山压力比较小的围岩支护方法的选择对于大雁一矿西六采区类型的围岩，针对顶板每天的移近量较小，而底鼓移近量对巷道支护影响很大的规律，两帮以及顶拱采用一次性锚喷即可达到很好的支护效果；而对于煤层底板来说，为了有效地控制由于时间长、底板遇水膨胀破坏巷道，除了加强对巷道施工质量的严密监控外，必要时可做底拱或打底锚杆。2.2 对于变形时间较短，围岩移近量较大的围岩支护方法的选择对于大雁二矿泥岩巷道围岩的变化规律来说，由于变化规律明显，塑性变形时间不是很长（20天左右），因而适时选择临时支护以及永久支护的时间差成为问题的关键。危岩暴露后，要立即架设临时支架，支架要有较大的变形能力，并作为永久支护的一部分，与永久支护联为一体共同抵抗地压。当采用锚喷作为临时支护时，最好选用可伸缩锚杆或柔性喷层，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。2.3 对于流变性和蠕变较强的泥岩巷道支护方法的选择根据新奥法第1条支护原则，在巷道开挖过程中应最大限度地保持围岩的原始强度。软岩破碎带应用手镐、风镐挖掘，避免因放炮震动而降低围岩原始强度。掘进时尽可能减少对围岩的破坏，同时要及时用水泥浆封闭围岩及裂隙，形成锚固承载圈，以提高锚杆的初锚力及预应力，提高抗剪能力，改变围岩受力状态，真正能够起到加固围岩的作用。同时锚杆要有足够的长度，错杆长度应大于松动厚度1.5倍以上。另外，根据新奥法第条支护原则，为了避免巷道断面上尖角处出现应力集中，采用圆形断面为最佳；根据联合支护要求，单一支护不能满足支护刚度要求时，可采用联合支护；根据新奥法第条原则，如果第一次支护的喷层承载能力确实不能保证围岩稳定性时，可增设钢拱架联合支护来解决，必要时可适时进行二次支护。3、实效针对上述实验及研究结果，该矿区三个煤矿在充分考虑具体生产实际的基础上采用了相应的、行之有效的掘进、支护方法。一矿西六大巷仅采用拱形巷道（混凝土块砌筑底拱），一次锚喷支护（喷层厚度250mm）就收到了理想支护效果，经测试每天围岩运移量介于0.03mm至0.11mm，20天后趋于稳定；二矿新开掘的巷道普遍采用了拱形巷道（个别加底拱），锚喷支护配合U型钢可缩性支架，围岩移动都得到了控制。但由于二矿工作面顺槽已经做成并在生产当中，工作面形状、支护形式已经无法改变，经过充分考虑，采用了缩性较强的液压支柱配合长钢梁加原有的锚杆支护，顺槽下沉量得到了控制。对于三矿水仓的施工，由于围岩压力、流变性均较大，掘进过程中采用了只放中心炮，手镐刷大断面的做法，尽量保持围岩的完整性和原岩应力。同时，在支护方式上采用了二次支护。第一次支护（临时支护）采用了锚、网、喷联合支护。本支护系统锚杆长2400mm，每根锚杆加一块 15015015mm木垫板（柔性让压），1501506mm反托盘，60606mm钢垫片（弹性锚杆也起让压作用）双螺帽，100100钢筋网，混凝土厚度150mm。第二次支护在巷道开掘