浅谈软岩支护设计专题报告

浅谈软岩支护摘 要随着我国煤炭产量的逐年加大，矿山开采条件的日益复杂，当前，软岩巷道支护已成为困扰矿区生产建设的一大难题。主要对煤矿软岩巷道的支护问题进行了探讨，概述了软岩的概念及分类，并简要分析了软岩变形破坏的原因及规律，总结了锚杆支护技术、砌碹支护及喷砼技术、两帮煤体注浆加固技术等七种支护技术的作用原理及其优缺点与使用条件。关键词 软岩；变形规律；支护技术0 引言软岩巷道的围岩控制和巷道维护是世界矿业和岩石力学的难题之一，也是目前国外急需解决的问题之一。随着矿山开采条件的复杂化，软岩支护问题所涉及到的工程领域越来越多，问题也越来越复杂。我国煤层赋存条件复杂，软岩在近半数矿井都有赋存。随着采深的增加，原岩应力水平不断提高，当采深超过围岩软化临界深度后，围岩产生明显的塑性大变形、难支护现象，围岩原有的弱面进一步扩展，产生新的节理、裂隙，甚至松动、破碎，围岩进一步恶化，给巷道维护带来极大困难，这就给地下工程围岩稳定性研究提出了新的课题软岩工程问题。为解决或降低这一问题对煤矿生产和其他岩土工程所造成的不利影响，国内外与岩土工程相关的各个领域，都投入了大量的人力和物力进行软岩支护等方面的研究工作。通过大量的工程实践人们认识到改善围岩的结构性能充分发挥围岩的自承能力，是一条维护围岩稳定的有效途径，特别是对松软破碎难以支护的巷道。近30年来，随着“新奥法”隧洞施工理念、锚喷加固技术、注浆加固技术等在世界范围内的广泛推广，人们对软岩及软岩巷道的围岩变形规律和压力特征的认识都上升到了一个新的阶段，与软岩特性及软岩巷道围岩变形规律和压力特征相适应的许多支护和加固措施也应运而生，尤其是基于“新奥法”的“三锚”支护（锚喷、锚索、锚注）是较为成功和典型的技术。一般我们所运用的支护工业过程是：开挖初喷锚杆锚索复喷锚注。但是这个过程是否是最佳的支护工艺过程还缺乏一定的理论依据。因此如何解决支护工艺过程、支护参数的变化对软岩巷道围岩应力场和位移场的影响，便引起了人们的极大关注。1软岩巷道支护理论的国外发展情况1.1早期理论20 世纪初发展起来的以海姆、 朗肯和金尼克理论为代表的古典压力理论认为, 作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。但随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符合实际之处，于是，坍落拱理论(也称为松软压力理论) 应运而生，其代表有太沙基理论和普氏理论。此类理论认为：坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力。20 世纪50 年代以来,人们开始用弹塑性力学来解决巷道支护问题,其中最著名的是Fenner 公式和Kastner公式。1. 2新奥法到了60 年代，奥地利工程师L. V. Rabcewicz(腊布希维茨) 在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法(New Aus trian Tunneling Method ) ，简称为新奥法(NATM) ，目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978 年，L. Mttl ler(米勒)教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22 条 5- 6。其中主要的是：1) 围岩是隧道的主要承载结构，初期支护和最终衬砌仅仅起封闭作用，其目的是在围岩中建立承载环或三维承载球壳。 2)如果要求用围岩来支护隧道，则必须尽可能维持围岩强度。因此，要尽可能防止围岩松动和大范围变形。松动和变形会引起围岩强度逐渐衰减，为了维持围岩强度，应根据时间和围岩应力变化，选择适当的支护手段。 3)为了选择最佳承载环结构，必须正确估计时间对围岩特性的影响(或对围岩与衬、 砌共同体特性的影响)。为此，要求进行初期实验室试验，特别是洞内位移量测试验。其中最重要的参数是岩石类别、 直立自稳时间及变形速度。 4)衬砌和永久支护必须是薄壳型，以减小衬砌受弯机会，从而减少挠曲断裂。其必要强度靠钢筋网、 钢拱架和锚杆达到,而不是加厚衬砌或支护截面。5)按静力学观点，隧道被看作是由岩石、 支护结构和(或)衬砌构成的厚壁管。作为1 根管子，只要不开槽口，它就是静定的。因此闭合非常重要,围岩特性变化主要取决放这根/管子0的闭合时间。6)隧洞的主要承载部分是围岩。围岩的强度主要取决于单个岩块之间的摩擦力，因此，必须尽一切可能防止围岩的松动，保持围岩的原有抵抗力。7)支护的目的是为了更好地发挥和促进围岩的承载作用，以及在岩体中建立承载环。8)在静力学上，隧洞可被视为由岩石承载环和支护组成的厚壁圆筒结构。因为圆筒只有在它没有缝口时才能在力学上发挥作用，所以，衬砌环的闭合特别重要,而不能指望由洞底岩层本身起闭合环的作用。除了岩层特别坚固，不需要这种闭合的情况外，都应设置仰拱。9)从应力重新分布考虑，最好的开挖方式是全断面掘进。1980 年,奥地利土木工程学会地下空间分会把奥法定义为在岩体或土体中设置的以使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计施工方法。1. 2. 1新奥法的先进性1) 新奥法摒弃了隧道力学中旧的以普氏理论和太沙基理论为代表的松动地压理论，将岩体视为承载体,这种认识上的重大转变给支护带来了一场革命,它提倡的主动支护和柔性支护方法(锚喷、 注浆等)对软岩是有效的。2) 最大限度地发挥了围岩本身原有的支撑能力。3) 施工过程中, 通过量测手段来掌握围岩稳定状态, 发现情况可以及时采取措施,因而可保证安全施工。4)与传统的钢拱架厚壁混凝土支护体系相比,新奥法支护结构是以锚杆、 喷混凝土、 可缩可塑性钢拱架等材料构成的薄壁柔性的支护结构。薄壁柔性结构在受剪状态下工作, 而旧的厚壁结构在受弯状态下工作。新奥法可以充分利用混凝土的抗剪强度, 大幅度降低材料用量。另外, 由于是薄壁衬砌,故开挖石方量也大大减少。采用新奥法具有节省人力、 资源及成本低等优点。5) 传统方法构筑隧道是在凹凸不平的岩层表面构筑防水层, 难于得到可靠的防水效果。新奥法的衬砌是通过两次被覆来完成, 可以先在一次被覆后的光滑表面上构筑防水层,然后再做二次被覆, 从而大大提高防水效果。1. 2. 2新奥法的不足1) 新奥法要求一次支护后达到变形相对稳定时再进行二次支护,等稳往往是等垮。2) 新奥法的二次支护是全断面等强度支护,而围岩荷载是不均匀的,因此常常在薄弱环节失稳,进而导致巷道破坏。3) 新奥法二次支护时间的选择, 必须基于大量细致的现场应力、 位移监测,但如何利用量测结果,也缺乏明确的围岩稳定性的判据。过程比较繁杂,现场工程技术人员不容易接受,可操作性差。4) 在实际设计施工中, 受工程技术人员对新奥法的理解限制, 经常出现生搬硬套,或以为喷锚支护就是新奥法等, 易出现工程事故。1994 年10 月伦敦希思罗机场快速线采用新奥法施工的隧道发生塌方,甚至引发了一场始于英国, 波及国际的围绕新奥法的激烈争论。5) 如何达到新奥法提出的既安全又经济的最佳支护状态, 如何合理地确定支护力的大小及刚度、 支护时间及围岩最大允许变形量来实现支护的最佳状态等一系列问题,还没有解决。2软岩巷道支护理论的国内发展情况我国松软岩土体巷道支护技术研究工作始于1958 年。20世纪80 年代以来,与软岩工程相关的全国性学术会议召开了20 余次, 使地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的阶段。2. 1轴变论于学馥教授在20世纪50 年代提出“轴变论”理论,它是运用连续介质和静力学方法提出来的理论,其基本要点如下:1) 地应力是引起围岩变形破坏的根本作用力,所以强调把工程所处的实测地应力作为力学分析的前提条件。 2)从具体的应力和围岩应力研究围岩变形破坏规律。3)不是所有的巷道都会出现像太沙基和普罗托吉雅夫理论所说的垮落拱。调整围岩应力分布状态可以使本来会破坏的巷道不破坏。4) 巷道垮落后的稳定轴比“ 高、 宽之比”是有规律的,它决定于地层原始应力(地应力)的分布状态。5)根据地应力、围岩应力、岩体力学性质和变形特征,对地压进行分类是分析围岩变形破坏、地压活动规律和选择巷道维护方法的基础。 轴变论是分析围岩破坏规律的理论, 重点强调了轴比的重要性,并没有谈如何支护。2. 2联合支护理论冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发展起来的, 其观点可以概括为:对于巷道支护,一味强调支护刚度是不行的,特别是对于松软岩土围岩要先柔后刚, 先抗后让, 柔让适度,稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。2. 3锚喷-弧板支护理论 孙钧、郑雨天和朱效嘉等提出的锚喷-弧板支护理论是对联合支护理论的发展。该理论的要点是:对软岩总是强调放压是不行的,放压到一定程度后,要坚决顶住, 即采用高标号、 高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式,坚决限制和顶住围岩向中空位移。2. 4松动圈理论松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的,其主要内容是: 凡是坚硬围岩的裸露巷道, 其围岩松动圈都接近于零, 此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在,但并不需要支护。松动圈越大,收敛变形越大,支护难度就越大。因此,支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。锚喷支护机理: 根据围岩松动圈支护理论,锚喷支护的机理和支护参数应以松动圈的大小来确定。由于围岩松动圈产生过程中的碎胀力是支护的对象,因而可按分类表将其合并为3 种情况, 以理论方法确定锚喷支护的参数。1)小松动圈支护机理。当 L = 0 40 cm 时, 称为小松动圈。当 L = 0 时,意味着开巷后围岩只有弹塑性变形,其变形量小,变形时间短, 因此不存在支护问题。对于整体性好、 耐风化的围岩可不支护，因此，锚、喷都无必要。通过工业试验, 单独使用喷混凝土支护的条件为L = 0 40 cm。2)中松动圈支护机理。当 L = 40 150 cm 时,称为中松动圈。围岩的碎胀力比较明显, 围岩的收敛变形将使喷层产生裂缝或破坏,因此, 必须用锚杆控制其变形。由于 L 值一般小于常用锚杆长度,因此可以用悬吊理论。但锚杆的悬吊对象是围岩松动圈在形成过程中的碎胀力, 其悬吊点为松动圈以外的岩体。锚固力大于4 kN 可满足支护要求。应当强调的是锚杆作为主体支护, 喷层将只作为锚杆间围岩的支护和防止围岩风化, 因此喷层厚度一般在50 100 mm。3) 大松动圈支护机理。当 L 150 cm 时, 称为大松动圈, 属软岩。L = 150 cm 是围岩松动圈支护理论划分为软岩的界线。该类岩石地压显现特征为压力大, 2 3 层料石碹常被压坏, 围岩变形量大,变形时间长,支护不成功时底鼓严重。对于这类围岩,必须选用较强的支护才能防止底鼓。合理的支护还应有一定的可缩性。在大松动圈围岩中施工的巷道,采用组合拱理论可以有效地进行支护。3软岩的概念软岩一般指巷道和隧道施工中常遇到的各种含粘土的岩石，如泥岩或粘土岩、粘土页岩、泥质板岩及煤层底板的粘土层等，其中泥岩为最典型的软岩。泥岩中含有大量(50%70%以上)颗粒小于 0.005mm 的粘土。粘土的矿物成分有高岭土、伊利石或水云母和蒙脱石等。泥岩易于风干，置于水中几小时至几天崩解, 风干后再吸水则有或多或少膨胀性; 高岭土和伊利石膨胀性微弱。泥岩的膨胀性主要来自蒙脱石, 蒙脱石含量越高, 膨胀性越强烈。泥岩容重较轻、孔隙率大、含水量较高、单轴抗压强度较低、弹模低、泊松比高, 而且蠕变性强, 在低应力水平就发展到不稳定蠕变, 随着含水量的改变, 泥岩的一些物理性质随着改变。泥岩的强度低、塑性变形大、蠕变性强, 而且有的泥岩风干后再遇水有膨胀性。所以如果巷道底板赋存泥岩, 将表现为强烈的底鼓现象, 若巷道四周都是泥岩, 则各方向都将产生较大的塑性变形、蠕变变形，甚至膨胀变形, 给巷道维护带来较大的困难。3.1地质软岩 地质软岩是指单轴抗压强度小于 25MPa 的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称, 该类岩石为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石, 是天然形成的复杂地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度(c)在 0.525MPa 的一类岩石, 其分类依据基本上是依强度指标。该软岩定义应用于工程实践中会出现矛盾, 如巷道所处安全深度足够小，地应力水平足够低，则小于 25MPa 的岩石也不会产生软岩的特性;相反, 大于25MPa 的岩石,其工程部位足够深, 地应力水平足够高, 也可以产生软岩的大变形, 大地压和难支护的现象。因此, 地质软岩的定义不能用于工程实践。3.2工程软岩 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点, 那么本定义不仅重视软岩的强度特性, 而且强调软岩承受的工程力荷载的大小。强调从软岩的强度和工程力荷载的对应统一关系中分析, 把握软岩的相对性质实质。当工程力一定时, 不同的岩体, 强度高于工程力水平的大多表现为软岩的力学特性, 强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性; 而对于同种岩石, 在较低工程力作用下, 则表现为硬种岩的变形特性, 在较高工程力作用下, 则可能表现为软岩的变形特性。3.3软岩分类及特征软岩仅是地质岩体中一部分, 但却是地质介质中极为复杂的部分。按照软岩自然特征、物理化学特性。以及在工程力的作用下产生显著变形的机理作为分类的主要依据, 软岩分为五类: 即低强度软岩、膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。按煤矿井巷工程锚喷支护设计试行规范中围岩的分类分 5 类稳定、稳定性较好、中等稳定、稳定性较差和不稳定。前四类较具体，第类较笼统，不能满足要求，应予补充。软岩的这个分类意见，可在施工实践中进一步修正。 软岩有别于硬岩而独具的特性有以下几点：可塑性, 由于软岩胶结程度差, 结构疏松,孔隙率高,强度低, 粘土矿物亲水性强，在工程力和水的作用下矿物质分子结构发生变化，吸附水分子形成水化膜，从而使岩石具有极大的可塑性，岩石强度急剧降低，在无控制条件下失去自身支承能力。膨胀性，软岩在水作用下产生体积膨胀现象。崩解性，软岩在物理、化学、力学、因素都作用下发生鳞片状解体。流变性，有韧性的软岩受力发生流变，其过程与时间密切相关的特性。易扰动性，由于软岩的内部结构特点，软岩对抗外界环境扰动的能力极差，对施工震动、吸水膨胀、软化泥化、暴露风化等影响极为敏感。4 软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律4.1软岩巷道围岩变形力学机制按照软岩的自然特征、物理化学性质，以及在工程力的作用下产生显著变形的机理，将软岩分为膨胀性软岩（也称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩四种类型。从理论上分析软岩巷道围岩变形力学机制，可分为三种形式，即物化膨胀类型（也称低强度软岩）、应力扩容类型和结构变形类型。4.2 软岩巷道围岩变形的影响因素 岩石本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能、膨胀性矿物的含量等岩石性质是影响软岩巷道围岩变形的内部因素。自重应力、残余构造应力、工程环境和施工的扰动应力，特别是诸应力的叠加状况和主应力的大小、方向是影响软岩巷道围岩变形的主要外部因素。膨胀性软岩浸水后颗粒表面水膜增厚、间距加大、连接力削弱，体积急剧增大，同时引起岩石内部应力不均，容易破坏。对扰动的敏感是软岩的特性之一，邻近巷道施工、采面回采的震动对软岩巷道围岩变形的影响较明显。软岩具有明显的流变特性，时间也是不可忽略的影响因素。4.3 软岩巷道围岩变形规律软岩巷道围岩变形具有明显的时间效应。表现为初始变形速度很大，变形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，持续时间很长。如不采取有效的支护措施，由于围岩变形急剧增大，势必导致巷道失稳破坏。软岩巷道多表现为环向受压，且为非对称性。软岩巷道不仅顶板变形易冒落，底板也产生强烈底鼓，并引发两帮破坏顶板坍塌。软岩巷道围岩变形随埋深增加而增大，存在一个软化临界深度，超过临界深度变形量急剧增加。软岩巷道围岩变形在不同的应力作用下，具有明显的方向性。巷道自稳能力差，自稳时间短。4.4软岩巷道变形破坏的原因及规律由于巷道开挖，在巷道周边围岩内将会形成一个松动圈，松动圈内的岩块既不是连续体，也不是松散体。围岩虽然已出现裂缝，但是破裂岩块之间仍处于相互衔接、相互啮合的状态。为了较好的了解软岩变形破坏过程，人们通过模拟实验来反映围岩变形破坏状态，得出应力 - 应变曲线，如图1所示。实验结果揭示: 巷道围岩松动圈在 - 规律也经过压密、弹性、塑性、破坏四个阶段，当松动圈围岩所受应力达到其极限强度时，巷道松动圈围岩将发生破坏。从现场实际观测结果可以得出软围岩巷道变形规律: 巷道围岩的压密、膨胀、松弛(松动)区将会随着巷道的破坏而由表及里转化。5 软岩支护原则对策5.1支护原则1“因地制宜”原则。软岩类别多种多样，构成的软岩巷道复合型变形力学机制类型也多种多样。因此，软岩巷道支护必须“因地制宜”，支护措施要满足其变形力学机制的要求。2“步步为营”原则。软岩巷道支护是一个复杂的过程，不可能一次解决全部问题。究其本质，软岩巷道具有复杂的复合型变形力学机制，要对软岩巷道稳定性实行有效控制，必须有一个从“复合型”向“单一型”的转化过程，是靠一系列具有针对性的支护措施来实现的。3 塑性圈原则。和硬岩巷道支护的指导思想不同，软岩巷道支护必须允许出现塑性圈。硬岩巷道支护是力求控制塑性区的产生，最大限度发挥围岩的自承载力；软岩巷道支护是力求有控制地产生一个合理厚度地塑性圈，最大限度地释放围岩变形能。对软岩巷道稳定性控制来讲，塑性圈的出现具有三个力学效应：a.大幅度降低变形能；b.减少切向应力集中程度；c.改善围岩的承载状态。4 综合优化原则。一个优化的软岩巷道支护，要同时满足三个条件：a. 能充分地释放围岩变形能；b. 能充分地保护围岩的力学强度；c.使支护造价小而巷道稳定性好。上述四个原则在软岩巷道支护过程中相辅相成，构成了软岩巷道稳定性控制基本原则。5.2基本支护对策软岩巷道的支护宜采用以下几方面对策：5.2.1 维护和保持围岩残余强度一般软岩，在经受水或者风化影响后，强度将降低，所以开巷后应及时喷射（注入）混凝土以封闭岩面，防止围岩风化潮解，减少围岩强度的损失。例如，施工过程中的光面爆破等技术措施，有利于保持围岩的强度。5.2.2 提高围岩残余强度提高围岩残余强度有三个技术途径：第一，提高支护阻力，改善围岩应力状态。开巷后应尽快完成支护的主体结构，使围岩由双向应力状态转为三向应力状态，从而提高围岩的残余强度。第二，用锚杆支护加固围岩。锚杆能利用其锚固力将破碎围岩锚固起来，恢复和提高破裂围岩的残余强度，形成具有较高承载能力和可塑性的锚固层。第三，锚索加固。破碎严重的岩体，单纯依靠锚杆加固不能满足要求时，可考虑及时采用锚索加固，这是提高松动破碎围岩强度最有效的方法。5.2.3 充分发挥围岩承载能力充分发挥围岩的承载能力，主要体现在以下四个方面：第一，选取受力均匀的巷道断面，如圆形断面。巷道断面形状的确定应尽量考虑适应围岩应力场特点。第二，多层次复合支护技术支护，并注重软岩巷道底板的重点支护。第三，采用可缩性支护，当变形压力超过围岩的承载能力后，支护体系可缩让压，这一过程是减少支护受力，让围岩发挥更大承载能力的过程。第四，强调二次支护，二次支护要在围岩变形稳定后适时完成，给巷道围岩提供最终支护强度和刚度，以保持巷道较长时间的稳定性和安全储备。二次支护时机，应根据实际监测数据确定。6 软岩巷道支护方式6.1煤巷支护煤巷支护传统采用木棚支护，到二十世纪八十年代逐步演变为矿用工字钢支护，和U 型钢支护。木棚支护虽然对围岩的支护强度大大提高了，但由于工字钢的梯形支护承受顶压能力差，常常出现顶梁弯曲，梁腿钻进底板或弯曲破坏。随着矿井逐步向深部区的开采, 地应力的增大，引进采用了25# U 型钢支护改变了对围岩的支护方式，减小了顶压对巷道的破坏程度,进而又更替使用了更大强度的29#U 型钢，使巷道的支护强度得到了更进一步的提高。在采用U型钢网支护的过程中，通过卸压使高应力区向围岩深部转移，减少了围岩高应力对支架的破坏。 实施迎头煤层注水，增大煤层粘结力，减小围岩松动圈范围，防止煤墙片帮和冒顶，提高了支护效果。6.2岩巷支护岩巷支护由料石，混凝土砌碹支护演变到推广使用锚喷支护、锚网喷支护，支护强度大大加强，巷掘速度大幅度提高。锚喷支护工艺为，岩石暴露后，先对顶板拱基线以上基本成型的巷道初喷沙浆(1020mm厚) 护顶作临时支护，然后打锚杆挂金属网喷浆进行二次支护达到成巷为永久巷道。在破碎岩体中还需架设 U型钢支护,以支撑围岩,增加抵抗围岩压力的能力。锚杆支护参数在实践中也不断地改变, 锚杆长度由 1.5m变为 1.8m。锚杆的材料由靠摩擦力实现全长锚固的管缝式锚杆变为高锚固力的树脂锚杆。锚杆的支护规格由 0.81.m 变为0.70.7m 提高了锚杆支护形成的组合拱的厚度和强度。随着矿井向深部区的转移，矿山压力的增大，以上支护方式已不能够满足岩巷支护的需要。巷道所处的围岩性质发生变化，围岩破碎且有构造应力的影响，导致锚喷支护巷道变形严重，经多次翻修也未能阻止部分地段巷道的变形, 但采用锚喷支护U型钢棚支护的地段支护效果较佳。锚网喷 +U型钢 + 壁后注浆 + 锚索补强支护方式，通过在不少煤矿井底车场、中央变电所及水仓的成功应用, 为此种支护方式在软岩巷道中支护提供了范例。此种支护方式充分利用了 围岩不再是纯粹的载荷体，而是能够被利用的承载体 的原理，使巷道支护与围岩相互作用共同承载,通过锚网支护形成并增厚组合，拱壁后注浆，锚索主动支护，使巷道支护与围岩成为一个整体起到共同承载的作用，提高了巷道的支护效果。7 软岩巷道支护技术从软岩的定义和软岩巷道围岩的破坏过程可以看出，软岩具有压力大、强度低、变形速度快和巷道四周受压的特点，根据软岩的特点，在支护方面不能单纯提高支护刚度的方法来提高支护效果，单纯提高支护刚度会使巷道支护体系迅速遭到破坏，经常造成前掘后翻的局面，再者单一支护方式不能更好的发挥支护作用。软岩巷道支护是支护结构和围岩结构相互调节，相互控制的过程，岩层破坏不仅是岩体材料的变形破坏，更主要是整体结构的变形，失稳和破坏，因此单一支护形式，如木支架，金属支架，U型钢支架等支护形式，都不能有效地满足软岩变形特性的要求。还有靠一次成巷很难达到预期目的，采用短掘短砌、立即支护或一次成巷的方法也不适宜，只有采用二次支护及联合支护方能取得预期的支护效果。结合前面所分析的软岩巷道的变形特点，巷道的支护理论、原理及软岩巷道对支护的要求各矿主要根据巷道围岩强度、压力方向及围岩的整体性来选择巷道断面形状和支护形式。在确定巷道断面时主要考虑围岩的四周压力变化情况，在选择支护形式时要使支护体具有先柔后刚的特点，让围岩应力在变形中得到有效释放以减少对支护体的压力，并且采取二次支护技术，进一步提高巷道围岩的稳定性和安全性。在实际过程中，根据软岩的条件可选择以下支护方式。7.1 锚杆支护技术锚杆支护把围岩视为主动支护体，在软岩巷道围岩发生较大位移变形前施行锚固，使围岩形成具有较大刚度的整体，充分利用围岩本身的强度和自承能力，变荷载为承载体，阻止和减少离层进一步发展。在巷道围岩上按一定网度布设锚杆形成锚杆群，其作用原理可分为悬吊作用、组合作用、挤压加固作用。7.1.1软岩巷道支护理论在世界范围内, 被广大科技人员和工程师们接受的关于锚杆支护理论有悬吊理论、 组合梁理论、 组合拱理论、 最大水平应力理论、 围岩强度强化理论。这些传统理论适用于不同的围岩条件, 得到了广泛的应用。近年来, 又发展了巷道围岩松动圈理论 和基于水平应力的刚性梁理论为煤巷和软岩巷的锚杆支护提供了理论指导。1悬吊理论悬吊理论认为: 锚杆支护的作用就是将巷道顶板较弱岩层悬吊在上部稳定的岩层上,以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体,当巷道开挖后,直接顶因弯曲、 变形与老顶分离,如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上, 就能减少和限制直接顶的下沉和分离,以达到支护的目的。巷道浅部围岩松软破碎,或者巷道开挖后应力重新分布,顶板出现松动破裂区, 这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动的岩土上, 这是悬吊理论的进一步发展。悬吊理论最直观地揭示了锚杆的支护作用,在分析过程中不考虑围岩的自承能力,而且将被锚固体与原岩体分开, 与实际情况有一段差距, 因此其不足之处是明显的。悬吊理论只适用于巷道顶板,不适用于两帮和底板。如果顶板中没有坚硬稳定岩石或顶板软弱岩层较厚,围岩破碎区范围较大, 受锚杆长度所限, 无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层上,悬吊理论就不适用。2组合梁理论组合梁理论认为:在层状岩体中开挖巷道,当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时,锚杆的悬吊作用居于次要的地位。如果顶板岩层中存在若干分层,顶板锚杆的作用, 一方面依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力, 防止岩石沿层面滑动,避免各岩层出现高层现象;另一方面,锚杆杆体可增加岩层间的抗剪强度,阻止岩层间的水平错动,从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁成一个较厚的岩层( 组合梁)。这种组合厚岩层再上覆岩层载荷的作用下, 其最大弯曲应变和应力都将大大减少。组合梁理论认为锚杆的作用是将顶板岩层锁紧成较厚岩层。在分析中,将锚杆作用与围岩的自稳作用分开, 与实际情况有一定差距, 并且随着围岩条件的变化,在顶板破碎、连续受到破坏时,组合梁也就不存在了。组合梁理论只适于层状顶板锚杆支护的设计,对于巷道的帮和底不适用。3组合拱理论组合拱理论认为:在拱形巷道围岩的破碎区中安装预应力锚杆时,在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力,如果沿巷道周边布置锚杆群,只要锚杆间距足够小各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错,就能在岩体中形成一个均匀的压应带, 即承压拱,这个压缩拱可以承受其上部岩石形成的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受力, 处于三向压应力状态,其围岩强度得到提高,支撑能力也相应增大,因此锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱和较高的强度, 其厚度越大,越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理, 但在分析过程中没有深入考虑围岩! 支护的相互作用,只是将支护结构的最大支护力简单相加, 从而得到复合结构总的最大支护阻力,缺乏对被加固体本身力学行为的进一步分析探讨, 计算也与实际情况存在一定差距,一般不能作为准确的定量设计, 但可作为锚杆加固设计和施工的参考。4最大水平应力理论最大水平应力理论由澳大利亚学者W. Jg ale提出。该理论认为, 矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力,水平应力具有明显的方向性,最大水平应力一般为最小水平应力的1. 5 2. 5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响, 且有三个特点: ( 1)与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小,顶底板稳定性最好; ( 2)与最大水平应力呈锐角相交的巷道,其顶底板变形破坏偏向某一帮; ( 3)与最大水平应力垂直的巷道,顶底板稳定性最差。在最大水平应力作用下, 顶底板岩层易于发生剪切破坏,出现错动而膨胀造成围岩变形,锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直与轴向的岩层剪切错动,因此必须要求锚杆具备强度大、刚度大、抗剪阻力大,才能起到约束围岩变形的作用。5围岩强度强化理论随着锚杆支护理论研究的深入,开始涉及到锚杆支护机理的实质性问题,国内外学者对经锚杆锚固后围岩岩体力学性能的改善进行了研究,程度不同地探讨了锚杆加固后岩石强度、弹性模量 E、内聚力 C、和内摩擦角等问题,取得了相应的研究成果: ( 1)系统布置锚杆可以可以提高岩体的 E、C并认为锚固体的提高较大, 而提高的幅度不大;( 2)锚杆锚固区域围岩具有正交异性,在锚杆沿着试件的轴向,围岩的弹性模量 E 随着锚杆密度的增加而增大,围岩强度的提高主要是内摩擦角增加,而C几乎没有变化; ( 3)合理的锚杆支护可以有效地改变围岩的应力状态和应力应变特性, 而不同弹性模量的带锚岩体所表现出来的锚固效果是不同的; ( 4)锚杆的锚固效果与锚杆密度、长度、型式、锚杆材料的抗剪强度和刚度有关,并从不同角度提出了最佳的锚杆布置方案;( 5)锚固的变形破坏符合莫尔! 库仑准则; ( 6)锚杆支护在力学上等价于对孔硐周围岩体施加一定量的径向约束力。6巷道围岩松动圈理论该理论在实践中,取得了很大成功,目前越来越多的矿山使用该理论进行支护设计。主要内容有:( 1)松动圈因围岩不同其形状也不相同。若围岩是各向同性,且垂直应力和水平应力相等,则为圆形松动圈;若垂直应力和水平应力不相等,则为椭圆形松动圈,且其长轴与主应力方向垂直。若围岩不是各向同性, 则在岩石强度低的部位将产生较大松动圈。( 2)松动圈的形成有一个时间过程,松动圈发展时间与巷道收敛变形在实践上一致。( 3)支护对象为松动圈内围岩的碎胀变形和岩石的吸水膨胀变形(仅限于膨胀地层)。另外,深部围岩的部分弹塑性变形、扩容变形和松动圈自重也可能对支护产生压力。( 4)支护的作用是限制围岩松动圈形成过程的碎胀力造成的有害变形。根据松动圈的厚度, 还提出了围岩分类表,认为当松动圈厚度 L 150 cm时,为大松动圈,属于软岩,其支护机理为组合拱理论。该理论有很大的先进性, 并在重要方面未作假设。7“刚性梁”理论该理论是基于岩体中存在的水平应力,由美国的郭颂博士提出的。其主要内容有:( 1)锚杆预应力的大小对顶板的稳定性具有决定作用。当预应力达到一定的程度时,锚杆长度范围内的顶板离层得以控制,建立了刚性梁顶板, 它本身形成一个压力自撑结构。( 2)刚性梁顶板可充分利用水平应力来维护顶板的稳定性。水平力的存在,在一定程度上保护着顶板,使其代表顶板岩层处于横向压缩状态。( 3)在刚性梁顶板的条件下,顶板的垂直应力被转移到巷道两侧煤体纵深, 巷道两侧的压力减少。与无预应力锚杆支护的 先护帮,后护顶 的原则相反,该理论主张先护顶,后护帮的原则。在一定的极限范围内顶板的稳定性与巷道宽度关系不大。以此理论为指导,进行锚杆支护设计,可以极大地增大锚杆排距, 从而降低巷道支护成本,提高巷道掘进速度。而要使巷道顶板 刚性 化的关键是大力提高锚杆安装时的预应力。7.1.2巷道锚杆支护机理及锚杆的研制1锚杆的研制国内外实践证明了该支护的优越性。现在,国内正大力推广锚杆支护,并且也推出了很多型号的锚杆。高强度、 可延伸、 全长锚固是发展的趋势。新汶矿业(集团)公司研制了一种用20 MnSi 钢制造的新型锚杆, 其强度比Q235 锚杆高40%以上,且全厂等强、 锚固力大、 成本低。郝近海等研制了一种新型帮锚杆! 全长膨胀锚杆,可切割, 价格低,并提出了“锚固墙”理论。近年来,还研制了了两节墩头式组合锚杆,可提供大的预应力。其它新型锚杆还有:( 1)小直径快硬水泥锚杆, 杆体采用异直径特殊对接, 加大螺纹直径, 使杆体具有等强性及可伸性,锚杆端采用弯曲异形结构, 捣入式装药。操作方便。但水灰比对锚固力影响较大,浸水时间难以掌握, 因此,巷道顶板不易推广。( 2)新型交叉异形树脂锚杆,锚固端采用国内首创的交叉异性结构,是目前推广使用的一种新型锚杆。( 3)小直径管缝式锚杆, 用A3钢制成, 刚度大, 弹性张力大, 能达到或超过大直径管缝式锚杆的性能;但其加工成本高,对转孔质量要求高,适用于控制松软岩石。( 4)高强度螺纹钢锚杆,其强度达到澳大利亚SCI公司提出的技术标准,尾部滚制螺纹, 树脂卷全长锚杆。( 5)高强度复合竹锚杆,杆体由竹纤维和特种粘合剂在高温高压下制成。易被割煤机切割,是煤巷支护的优选产品。这些锚杆都具有先进性,有较广泛的实用性。在工程中,可结合具体的工程地质条件合理地选择各类锚杆, 积极推广 三小 锚杆支护技术。2锚杆支护的作用机理岩体经锚固后其峰值强度和残余强度均得到提高。但随锚杆密度的增加, 锚杆对岩体残余强度的强化程度大于对峰值的强化程度。安装锚杆可有效地提高岩体的参数。在峰值前,锚固体内聚力提高较小,而内摩擦力增加较大;在峰值后,恰恰相反。而且锚杆的重要作用是改变岩石的支护结构, 在困难条件下, 顶板锚杆的主要作用是成拱作用。根据复合材料力学观点, 从材料力学的复合行为出发, 锚杆支护可增强顶板的韧性、 强度、 抗疲劳。提出了“压缩墙”的新观点,解释了膨胀锚杆支护的作用机理。在锚杆膨胀应力作用下,整个锚杆得以挤压加固,表面裂隙闭合,结力、 内摩擦角提高,由摩尔应力圆可知,围岩抵抗破坏的能力提高,也即提高了围岩的强度。由于这种锚杆是全长式锚固方式,使锚固范围内的围岩形成一个强度高于普通岩体的压缩墙, 该范围内的岩体整体抵抗外部围岩的应力。同时, 由于两帮的围岩度、 黏结力、 内摩擦角的提高使围岩由不稳定边墙转为稳定边墙, 顶部冒落拱的跨度基本与巷道一致, 巷道趋于稳定。对于顶板离层现象, 研究的文献很多,提出了很多力学模型,但是,适用范围有限。3 注浆加固机理研究表明, 宏观上沿硐室轴向围岩裂隙发育, 张开度较大,浆液渗透性好;浆液注入岩石较大的微孔隙中, 使岩石的宏观孔隙度下降, 致密程度增加: 浆液同岩石中的某些物质成分发生反应, 改变了岩石的物质组成;在岩体结构凝结后,对结构面进行充填加固,排除了原先存在于结构面空隙中的水分和空气,改变了岩石中各种物质的比例关系,使破碎岩体重新胶结成整体, 改善了其力学参数,最终提高了岩体的完整性和抵抗力的作用能力。同时,也改善了工程岩体的物理环境和锚杆条件。7.2 锚网喷支护技术锚杆、喷射砂浆和金属网三者组成的支护体与围岩紧密结合，共同承载，既充分利用和发挥了围岩的自承能力，又在与围岩共同变形过程中及时提供支护抗力，限制围岩产生有害变形，从而保持巷道稳定。7.2.1锚网喷支护的主要原理锚网喷技术在原有锚杆支护和喷射砂浆支护的基础上另加一层锚网 将前两中支护很好地结合于一体 既充分发挥锚杆作用 又充分发挥喷射砂浆的作用 同时喷射砂浆后的锚网使围岩表面的破碎带圈整体化 使原有破碎围岩平整均匀 增加抗弯 抗剪能力 并具有较高柔性和较大的允许变形量。锚网喷支护突破了传统旧的支护形式和支护理论 不是被动的对破碎的围岩施加一定压力使其不被落下 而是主动地保持围岩的完整性 稳定性 控制围岩变形 位移及裂隙发展 充分发挥围岩自身的支承作用 即以保为主 以支为辅是加固并保护松动圈 而不是支护松动圈的一种较为合理且适用围岩相对破碎带的一种支护形式锚杆锚杆支护是锚网喷支护中的支护主体 通过锚杆伸入围岩内部 并与一定范围内的围岩共同作用来支护巷道 在锚杆挤压加固的作用下 很好的将 锚杆 围岩 连接 让围岩保持一定稳定性 此时围岩既是外载来源 又是支护结构 能充分发挥围岩自承能力 阻止上部围岩的松动和变形。喷射砂浆喷射砂浆支护作用主要体现于 点 加固与防止风化作用 喷射砂浆以较高的速度射入张开的节理裂隙 产生如同石墙灰缝一样的凝结作用 从而提高了岩体的凝结力和内摩擦角直接提高了围岩的强度改善围岩应力状态作用 一方面可将围岩表面的凹凸不平处填平 消除因岩面不平引起的应力集中现象 另一方面可是巷道周边围岩由单向或双向受力状态转化为三向受力状态 提高了围岩的强度柔性支护结构作用 喷射砂浆的凝结强度大 能和围岩紧密地凝结在一起共同作用 具有一定的柔性 可以和围岩共同变形产生一定量的径向位移 在围岩中形成一定范围的非弹性区 使围岩的自支撑能力得以充分发挥 与围岩共同作用 可以使喷层与岩石的粘结力和抗剪强度足以抵抗围岩的局部破坏 防止个别危岩活动 滑移或坠落 这样 不仅能保持围岩自身稳定 并且能与喷层构成共同承载结构金属网通过金属网大大改善了以往点锚杆的支护形式 增加了锚固挤压的全面积 在锚杆长度相同 密度相同的时候 增大了挤压加固拱的作用 增强了巷道抵抗破坏的能力 同时金属网将喷层和巷道壁连接于一起 防止喷层和巷道壁之间脱落 离层 提高了喷层的抗剪 抗拉能力 同时金属网将锚杆喷射砂浆两种支护方式有效的相结合提高了对松散破碎的软弱岩层的支护强度。7.3砌碹支护及喷砼技术砌碹支护是软岩支护的传统方法，利用支护体自身的支护强度来支撑来自围岩的初期矿山压力，待平衡后，支护体和围岩一起抵抗来自围岩层的压力。这种支护方法适合于巷道围岩非常破碎，矿压较大，采用锚喷支护优越性不显著巷道围岩很不稳定，顶帮岩石易塌落，砼喷不上、粘不牢，锚杆的锚固力明显下降的含油泥岩、粘土岩及断层破碎带。7.3.1砌碹支护的特点(1)施工工艺简单，工人便于掌握。(2)根据围岩情况既可以长段掘砌，又可以短段掘砌。(3)巷道断面形状多样，有圆形、椭圆形、直墙半圆拱、直墙三心拱、直墙圆弧拱等等。可满足不同地质条件对巷道断面形状的要求。(4)初次支护费用比光爆锚喷和拱形可缩性金属支架低。(5)对围岩有较好的封闭性。(6)缺点是劳动强度大、 施工速度慢。因其属于刚性支护形式 ,受地压冲击时受力不均匀，易开裂、 变形，巷道维护较困难。7.3.2砌碹支护的适应条件由于松软岩层本身具有松、散、软、弱四种不同属性，所以，在设计巷道时，必须根据岩层性质、 地压显现特点和规律选择合理的支护形式。实践经验表明，在软岩巷道施工中，适于砌碹支护条件的主要有以下几种:(1)巷道围岩非常破碎，矿压较大，采用锚喷支护优越性不显著。(2)巷道围岩很不稳定，顶帮岩石极易塌落，混凝土喷不上、 粘不牢、 锚杆的锚固力明显下降。(3)巷道大面积淋水或部分涌水处理无效的地段。(4)服务年限较长的巷道如水仓、绞车房等，以及对巷道断面尺寸要求较严格的峒室。(5)工程量不大，且又不具备安装锚喷设备条件的巷道、峒室。(6)对混凝土强度有破坏性影响的化学腐蚀地段。(7)服务年限较短(15 年)的巷道，如煤层之间的联络巷，采用支棚或锚喷形式都不理想时，也可采用砌碹支护。7.3.3砌碹支护的一般技术要求与注意事项根据岩石性质和支承压力合理选择巷道位置。合理选择巷道位置是保证砌碹巷道服务年限的重要环节之一。首先 ,要根据岩石性质,尽量将巷道布置在遇水膨胀量小,较坚硬的岩层中。其次,布置巷道要尽量避开支承压力有害影响区。用以上两种方法有效地避开了支承压力有害影响区,保证了巷道的服务年限。根据岩石性质和巷道用途合理选择巷道断面形状和断面尺寸。巷道断面形状和断面尺寸合理与否,直接影响着煤矿安全生产和经济效益的提高。因此,巷道设计基本原则是:在满足安全与技术要求的前提下,力求提高断面利用率,缩小断面、降低造价。在软岩地层中设计巷道,采用砌碹支护时,其形状多采用圆形。这是因为软岩层顶压、 侧压很大,底鼓较严重,而圆形碹体受力均匀,抗压强度高,能较好地抵抗来自各个方向的压力,相对于其它形状巷道变形较小。在实践中,根据不同的岩石性质和用途,也可采用椭圆形或直墙半圆拱加反底拱的支护形式。总之,选择巷道的断面形状 ,必须综合考虑巷道围岩的性质、地压的大小和方向; 巷道的服务年限、用途及巷道所在的层位;巷道支护方式和支护材料这三大基本因素。通常是根据前两个因素决定支护方式和支护材料。然后,再根据有关规定和原则,便可确定巷道的断面形状。巷道断面尺寸取决于巷道的用途,在软岩地层,需要二次支护的巷道还要考虑初次支护的断面要稍大一些,以便二次支护后,巷道仍能满足生产的需要。支护材料与支护厚度的选择支护材料主要有毛料石、水泥砌块、砖、砂子,水泥或白灰。根据龙口矿区软岩地层的特点和实践经验,采用当地产的花岗岩料石,巷道的壁厚350mm450mm为宜。砌碹支护应注意的几个问题“刚柔结合”和“先柔后刚”砌碹支护属刚性支护,当地压过大时,碹体很容易被压碎,崩落,影响安全生产。因此，一些矿井正在探索用“刚柔结合,先柔后刚”的支护方式来克服各种压力的不良影响。如龙口市洼东煤矿采用碹体水平缝隙加垫木楔的方法,使碹体的抗压能力有了显著提高。加强对围岩的封闭砌碹巷道受到破坏,巷道封闭不严是重要因素之一。在碹体与围岩间预留间隙，并用砼、砂或碎矸石等填实，形成碹体均匀受压的缓冲层，在保证巷道有一定的可缩性情况下，尽量提高巷道整体承载能力。壁后充填要饱满对于壁后较大的空隙,要用矸石充填饱满,防止因碹体受力不均匀,造成巷道变形甚至失稳。重视打眼 爆破工作打眼、爆破工作的好坏,对砌碹巷道的质量、进度等都有较大的影响。一是炮眼布置要符合规定,防止爆破过程中打坏碹体,二是装药量要适当,防止对巷道围岩的强烈震动。7.4 U型钢可缩性支架壁后充填层技术U型钢可缩性支架是广泛应用于煤矿岩巷的一种被动支护，其最大优点是当围岩作用于支架上的压力达到一定值时，支架便产生屈服缩动，缩动的结果使围岩作用于支架上的压力下降，从而避免了围岩的压力大于支架的承载力而导致支架的破坏，保证了巷道的正常使用。但是由于施工技术、岩性条件等的限制，任何刚开挖出来的巷道周边都是凹凸不平的，与光滑的 U 型钢支架出现点接触现象，引起支架的受力不均匀，造成支架在复杂力系作用下工作，出现应力集中导致支架局部屈服从而影响整个支架的性能。根据国内外的试验结果和使用经验表明，U型钢可缩性支架壁后充填技术可以使支架均匀受力，有效地发挥支架的性能，在壁后密实充填的情况下，U 型钢支架的承载能力可比不进行壁后充填时提高2.53倍。因为将一定厚度的胶结硬化材料进行壁后充填，可使支架与围岩紧密接触，保证支架能及时承载和均匀承载。当围岩来压后通过充填层的压缩变形产生让压作用，提高围岩的自承载能力，控制围岩的变形。实施壁后充填后，巷道围岩与支架相互作用体系从无壁后充填情况下的“支架-围岩”作用体系变成了“支架-充填层 - 围岩”三位一体的作用体系。U型钢支架壁后充填采用砼喷射机直接喷射充填，不但充填密实、效果好，而且施工工艺简单、技术要领容易掌握，大大降低了工人的劳动强度，加快掘进速度。该支护方法主要适用于强膨胀岩层及断层破碎带。7.5离壁支护技术所谓的离壁支护是指在料石碹或U型支架与巷道毛断面之间留有一定的间隙，且不进行壁后充填的一种打破常规的特殊支护形式。常规的料石碹或U型支架人工壁后充填，不仅工人的劳动强度大、工艺复杂、工作效率低，而且充填不匀称，造成充填物受力不均匀，在多数情况下是以“点”或“局部”形式传递压力，使碹体产生局部破坏。同时，围岩施加于支护体的压力具有一个峰值，峰值过后压力减小，然后稳定下来，稳定下来的载荷为围岩松动圈内岩石重量，而常