煤矿软岩巷道支护技术浅析设计专题报告

专题部分煤矿软岩巷道支护技术浅析摘要：近年来，随着矿山开采条件的日益复杂，所涉及的工程领域越来越多，我国的许多矿区，目前都存在着软岩巷道支护困难问题，并成为影响矿区发展和矿井经济技术效益的主要凶手之一 。软岩巷道支护历来是巷道工程的难题，通过对软岩巷道的特征分析，及支护原理和方法的论述，对软岩巷道支护技术进行了探讨。关键词：软岩巷道；破坏特点；支护原理；支护方法1 前言我国煤矿软岩工程技术的发展起始于矿产资源开发工程。上世纪60年代，煤矿软岩问题在部分矿区开始出现，70年代就更为广泛， 引起了有关部门的高度重视。中科院地质所和武汉岩土力学所、北京煤科总院、中国矿大、东北大学、辽宁工程技术大学等在软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、软岩巷道围岩变形力学机制、软岩巷道围岩控制、软岩巷道支护设计与工艺及施工和监测方面进行了试验研究，取得多方面的科研成果。进人80年代，煤矿开采深度日益加大，深井高应力软岩普遍出现，更加推动了煤炭系统的软岩研究向纵深层次发展，产生并形成了以“联合支护理论” 和“松动圈理论” 为代表的多个学派。90年代以后，除了煤炭系统又有新的研究成果之外，我国的三峡工程、小浪底工程、大规模的城市现代化高层建筑、城市地下工程、道路交通的建设，使得软岩滑坡问题、软岩隧道及隧道群稳定问题、软岩基坑问题的研究进行的十分广泛和深入， 并取得了长足发展。作为全国性软岩工程技术研究繁荣的标志是1995年“中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会” 的诞生以及1996年“煤矿软岩工程技术研究推广中心” 的成立， 这一切都有力地推动我国煤矿软岩工程技术的研究，并取得了一系列科研成果。随着国民经济的发展，煤的需求量逐年增长，开采的范围也不断扩大。无论新老矿井，在开掘巷道时都遇到了大量的软岩层，特别是随着开采深度的不断增加，深部地压明显增大。加之开采条件愈趋复杂，给巷道的掘进与维护带来了很多的困难。在开掘过程中，由于围岩的变形、位移、膨胀，使巷道掘进速度减慢，每天仅能完成几米。巷道竣工不久，支护受到严重破坏，某些矿的掘砌成本高达每米几千元，甚至上万元，是稳定围岩中同类巷道的34倍而且维修困难。在软岩层中施工巷道，掘进容易，但维护极其困难，采用常规的施T方法和传统的支护结构，往往不能奏效。因此研究软岩支护问题便成为巷道施工的关键问题。 目前从理论和实践来讲，软岩巷道的支护大多采用复合支护形式，如何在软岩巷道中应用好这种支护形式，无疑具有很大的研究价值。软岩巷道支护一直是矿业工程的难题，随着矿井开采规模的加强和向纵深发展，软岩巷道的支护与维护问题更加突出。2 软岩的分类、属性及特性软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质指强度低、孔隙度大、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性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、易扰动性等特点，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩该类巷道的维护问题一直困扰着我矿的生产和建设。随着工作面的增加地应力增大软岩巷道的支护更加困难。我矿很多地区都是典型的软岩矿区都出现了软岩巷道支护设计困难的情况。软岩巷道支护设计应充分考虑软岩的工程特性和遵循软岩巷道围岩变形规律。软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高应力的岩体之总称，软岩分为地质软岩和工程软岩。地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量的膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱层；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，工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水平作用力和工程扰动力以及膨胀应力等，显著性塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值，并影响了工程的正常使用。工程软岩定义揭示了软岩的相对性实质，即是否为软岩取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体可能表现为硬岩特性，也可能表现为软岩的特性，而对于同一种岩石，在较低工程力的作用下可表现为硬岩的变形特性，在较高的工程力作用下可能表现为软岩的大变形特性。工程软岩与地质软岩的关系为：当工程载荷相对于地质软岩的强度足够小时，地质软岩不产生显著塑性变形的特征，此时不作为工程软岩。只有在工程力的作用下发生了显著塑性变形的地质软岩，才视为工程软岩。2.1 软岩的分类根据软岩的强度特性、泥质含量、结构面特点等差异及其发生显著塑性变形的机理不同，工程软岩可以分为4大类，即膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。2.2 软岩的物理力学属性及其工程特性2.2.1 软岩的物理力学属性 软岩的力学属性：表现为可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等特点； 软岩的可塑性：是指软岩在工程力的作用下，常常表现为不可逆变形的现象；软岩的膨胀性：是指软岩在物理、化学、力学等因素的作用下，产生体积变化的现象； 软岩的崩解性：是指软岩在物理、化学、力学等因素的作用下产生片状解体的现象；软岩的流变性：是指软岩受力变形过程与时间有关，包括塑性流动、粘性流动、结构面闭合和滑移变形等现象；软岩的易扰动性：是指由于软岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性，导致软岩抗外界环境扰动的能力极差的特性。2.2.2 软岩的工程特性软岩有两个工程特性：软岩临界载荷和软化临界深度，它揭示了软岩的相对性实质。(1)软岩临界荷载。软岩的蠕变试验表明，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定的变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于该荷载水平时，岩石出现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一荷载，称为软岩的软化临界荷载，亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。当岩石所受荷载水平低于临界荷载时，该岩石属于硬岩范畴；当荷载水平高于软化临界荷载时，岩石表现出软岩的大变形特性，此时称之为软岩。(2)软化临界深度。与软化临界荷载相对应的存在着软化临界深度。一般来讲，软化临界深度也是一个客观量。当巷道的位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护的现象；但当巷道位置较浅，小于该深度时，大变形、大地压的现象明显消失。这一深度称之为岩石软化临界深度。2.2.3 软岩的软化方式 软岩的临界载荷：当所施加的载荷小于某一载荷水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸不再变化；当施加的载荷大于某一载荷水平时，岩石出现明显的塑性变形加强现象，即产生不稳定变形，这一载荷，称为软岩的软化临界载荷，亦即能使岩石产生明显变形的最小载荷。岩石软化临界载荷是客观存在的。软化临界载荷是判定是否为软岩的准则，当岩石所受载荷水平低于软化临界载荷时，则该岩石属于硬岩范畴；而只有当载荷水平高于软化临界载荷时，该岩石表现出了软岩的大变形特性，此时该岩石称之为软岩。岩石进入软岩状态的途径：岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径，从理论上可分为初始软化型、强度软化型、应力增长型、强度降低与应力增加复合型四种类型。随着煤巷服务年限的增加，有一些硬岩也表现出一些软岩的性质，严重影响支护的质量和矿井的安全。因此在巷道支护的过程中，要用仪器测量实验等方式明确软岩的临界载荷，确定可能成为软岩的硬岩范围，对此类硬岩进行重点监控，确保支护的安全合理性。2.2.4 软岩变形的特征 变形量大：软岩工程中，围岩变形量大是变形的主要特征，用传统的支护方法，一般很难控制其变形。变形速度快：一般的软岩巷道因受开挖或采动等其它因素的影响，围岩变形十分迅速。变形持续时间长：变形持续时间长是软岩巷道的特点之一。2.2.5 采煤环境对软岩的影响 巷道的围岩裂隙水，巷道内空气里的水分，以及底板积水等都可以使软岩吸水膨胀，产生很大的碎胀及膨胀力，使巷道发生变形和破坏。煤矿局部的地区构造比较复杂，构造应力较大，布置的巷道中软岩受到应力影响破坏。采动动压的影响，随着跨采技术的应用及向矿井深部开采，采动影响致使软岩变形，使巷道变形有所增加。2.2.6 软岩巷道支护存在的问题 松软岩巷道最明显的特征是地压显现比较剧烈。巷道维护困难，主要表现在：围岩的自稳时间短、来压快、围岩变形量大、速度快、持续时间长、四周来压、底鼓明显、遇水膨胀、变形加剧，可以用四个字来概括：松、散、软、弱。现代岩石力学揭示，岩石破裂后仍具有残余强度，松动破裂围岩仍具有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，也是抵抗平衡原岩应力的承载体而且是主要的承载结构体，所以支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。因此，松软岩巷道支护原理是：根据岩层的不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律人手，运用信息化设计方法，使支护体系和施工工艺过程不断适用围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。 软岩巷道支护问题，尤其是软岩回采巷道的支护问题，是矿业工程中的一大顽疾，以往对软岩巷道的支护问题，在理论认识和支护方法上存在一定问题，主要表现在以下几个方面：1围岩变形破坏机理，支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，才能选择适当的软岩的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数。2支护对策，软岩巷道与硬岩巷道变形破坏特征不同，应采取适应于软岩巷道的支护对策。3支护参数，支护参数选择是影响巷道稳定性的一个非常重要的因素。以往对支护参数的选取基本上采用工程类比法。当工程地质条件简单，此法基本满足要求；当地质条件复杂是不能满足要求的，再加上目前很少有软岩巷道支护成功事例，无法进行工程类比。对于软岩巷道，单纯的采用常规的锚喷支护、u型钢支架等难以控制围岩软化等引起的过量变形与破坏，其问题所在主要有以下几个方面：(1)围岩自承圈厚度小，常规支护多采用端锚锚杆，其所形成的围岩自承圈厚度较小，一般情况，锚固后围岩的自承圈厚度约为06 m，远小于锚杆杆体长度，造成锚杆的浪费，同时难以抵抗较大的围岩压力；(2)初期支护刚度过大，巷道开挖后由于围岩应力重新分布和发生变形而对支护体产生较大的压力，它与支护体的刚度有较大的关系，支护体的刚度越大，其抵抗围岩压力越大，如果支护刚度偏大，则不能适应巷道开挖初期变形速度快，变形量大的特点，进而导致巷道围岩支护变形不协调而发生破坏；(3)围岩表面约束能力差，由于高应力或构造应力的影响，使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区，破碎区的发展导致围岩自承圈破坏。对于高应力或受构造应力影响下软岩巷道，采用普通的锚网(铁丝网)喷支护时，由于喷体强度相对较低，对围岩约束能力差，不能有效地扼制围岩的局部破坏和破碎区向纵深发展，进而导致围岩破坏。3 软岩巷道变形破坏特点及其影响因素3.1 软岩巷道的变形破坏特点(1)软岩巷道的变形呈现蠕变变形三阶段的规律，并且具有明显的时间效应。初期来压快、变形量大，巷道自稳能力很差，如果不加以控制很快就会发生岩块冒落，直至造成巷道破坏。如果用钢性支架强行支护而不适应软岩的大变形特性，则造成支架被压坏、巷道垮落。(2)软岩巷道多为环向受压，且非对称。巷道开挖后不仅顶板变形易于冒落，底板也将产生强烈的底鼓。如果对巷道底鼓不加以控制，则会出现严重的底鼓并导致两帮破坏，顶板冒落。(3)软岩巷道变形一般随矿井深度加大而增大。不同矿区、不同地质条件下都存在一个软化临界深度，超过临界深度，支护的难度明显增大，且软岩巷道变形在不同的应力作用下，具有明显的方向性。(4)软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏和泥化破坏。3.2 软岩工程变形力学机制软岩工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但其根本原因是其具有复杂的变形力学机制。软岩的变形力学机制大致可归纳为3大类：即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。(1)物化膨胀型的软岩变形机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，其又有3种类别：分子膨胀机制、胶体膨胀机制和毛细膨胀机制。(2)应力扩容型的软岩变形力学机制与力源有关，有4种类别：即构造应力机制、水的作用、自重应力和工程偏应力。(3)结构变形型的软岩变形机制则与硐室结构与岩体结构面的组合特性有关。同一岩层的巷道，顺层的巷道破坏甚为严重，穿层的巷道破坏比较轻微，原因是变形受结构面的影响而呈现各向异性的特征。根据岩层层理或节理的形态不同，其变形力学机制又可分为断层型、软弱夹层型、层理型、优势节理型、随机节理型等变形力学机制。3.3软岩巷道变形破坏的原因分析在煤矿开采的过程中，随着开挖的深度不断加大，地质构造越来越复杂。这时，如果巷道围岩恰好位于软岩层，就会造成巷道长期不稳定，从而造成巷道的顶板出现不同程度的弯曲下沉，巷道的两壁向内挤压，底部上凸，有时还会出现锚杆拉断等现象，当巷道变形达到一定程度，还会出现软岩破碎、两壁开裂，断面缩小等严重状况，这样就会严重影响巷道的正常使用。通过十字基点法和矿压观测法对软岩巷道的各部分变形状况进行设点观察测量，并对观察测量的数据进行详细分析，从而得出了软岩巷道破坏的特点和根本原因有以下几点。（1）软岩巷道建制初期变形速度较快，持续时间较长数据表明，在掘进初期第一周内巷道变形速度相对较快，并且变形量也比较大。一周之后，巷道的变形速度开始变慢，但是仍然有明显的变形，这种状况大约持续到一个月作用才渐趋稳定。出现这种状况的主要原因是由于软岩巷道处于大埋深的状态下，软岩的承压状态出现改变造成的。如果软岩巷道的埋深较浅，所受到的应力就相对较小。（2）顶板、底板、两壁的变形量不同数据表明，软岩巷道掘进之后，巷道的顶板会出现下沉，底板会出现上凸，两壁会出现内移等现象，并且顶板、底板、两壁的变形量明显不同，顶板、底板变形的量明显大于两壁的变形量。在软岩巷道的各部分结构中，变形破坏最严重的地方就是巷道拱部，变形严重时甚至出现墙体开裂现象，在下壁肩窝部位，是破坏非常严重的部位。（3）锚杆的受力也存在时间效应由于软岩巷道的变形具有时间效应，因此锚杆的受力也存在着时间效应，并且随着时间的变化而呈现规律性的变化。在软岩巷道建成之初，锚杆的安装应力比较低，因此受力也比较低，因为早期软岩巷道变形速度比较快，因此，锚杆的受力也会逐渐加大。在软岩巷道两壁拱基线处以及巷道的两肩窝锚杆的受力比较大，并且巷道下壁肩窝处受力更大，这样就会造成锚杆杆体受力过大在屈服后被拉断。（4）软岩巷道表层破碎岩石大小不同由于软岩巷道各处受力不同，从而造成对软岩的挤压力度不同，因此导致软岩巷道的破碎程度不同，其中两壁围岩破碎的岩石大约在005 m之间，层理裂隙区破碎的岩石在05 m一12 m左右；顶板围岩破碎的岩石大约在O_o7 m左右，层理裂隙区破碎的岩石在07 m一15 m之问。3.4 软岩巷道围岩与支架变形的主要影响因素上述3类软岩变形的力学机制基本概括了软岩膨胀变形的主要动因，由此可知影响巷道围岩与支架变形的主要因素有以下几种。(1)岩性因素。岩体本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能、膨胀性矿物的含量等，均是影响软岩巷道变形的内在因素。(2)工程应力是造成围岩变形的外在因素。垂直应力、构造残余应力及工程环境和施工的扰动应力，邻近巷道施工、采动影响等，特别是多种应力的迭加情况影响更大。(3)水的影响。包括地下水及工程用水，尤其是对膨胀岩，水对其变形的影响极大，水不仅造成粘土质岩的膨胀，同时还大大的降低了岩石的强度。(4)时间因素。流变是软岩的特性之一，巷道的变形与时间密切相关。4. 软岩支护原理4.1 软岩巷道的支护原理软岩巷道支护与硬岩巷道支护原理截然不同，这是由于其本构关系不同所决定的。硬岩巷道支护原理不允许硬岩进人塑性，因进入塑性状态的硬岩将失去承载能力。而软岩巷道的独特之处是，其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等)的合力：，式中，为巷道开挖后使围岩向临空区运动的合力；为以变形的形式转化的工程力；为围岩的自承力；为工程支护力。可以看出，巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力并不是由工程支护力全部承担，而是由三部分承担。首先有软岩的弹塑性能以变形的方式释放一部分，即转化为岩体形变。其次，另一部分由岩体自身承担。如果岩体强度很高，即，则巷道可以自稳。对于软岩较小，一般， 巷道要稳定，必须进行工程支护，即加上 。为求工程稳定，通常（）值要大于（）的值。优化的巷道支护设计应该同时满足三的条件： 趋于最大；趋于最大；趋于最小。但是，要使达到最大，就不能达到最大。要同时使两者都趋于最大，关键是选取变形能释放的时间和支护时间。软岩层巷道支护的着眼点应放在充分利用和发挥自承能力上。支护原理是：根据岩层不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律入手，运用信息化设计方法，使支护体系和施工工艺过程不断适应围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形、维护巷道稳定的目的。具体的说，有以下几个方面：(1)必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想，支护结构及强度应与加固围岩、提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，实践证明，单纯提高支护刚度的方法是难以奏效的：(2)必须采取卸压、加固与支护相结合的方法，统筹考虑、合理安排，对高应力区，要卸得充分，对大变形区，要让得适度，对松散破碎区，要注意整体加嘲，对巷道围岩整体要支护住：(3)进行围岩变形量测，准确地掌握围岩变形的活动状态，根据量测结果进行反馈，以确定二次支护结构的参数，确定补强时问，再次支护时间和封底时间：(4)树立综合治理、联合支护、跃期监控的支护思想体系。 4.2 软岩巷道支护围岩控制原理软岩巷道支护控制原理体现在以下三方面：一是通过注浆或锚杆提高围岩自身的强度，二是利用锚索充分调动深部围岩的强度，三是提高护强度，阻止围岩蠕变。顶底板和两帮构成巷道承载结构，顶板、底板和两帮组成一个不可分割的系统。支承压力通过两帮传递给底板，两帮岩体在巷道内移动的同时挤压破碎底板岩层，引起破碎岩体之间的滑移、剪胀，从而旨起强烈底鼓，同时加剧两帮的破坏。顶板软弱下沉，两帮向巷道内移动；两帮软弱，难以承受顶板传递的支承压力，导致顶板下沉，两帮向巷道内移动。顶板与底板的相互作用通过两帮传递，当顶板为软弱岩层，两帮产生向巷道内位移，底板岩层在水平应力的作用下向巷道内移动，加剧底鼓；当底板岩层为软弱岩层时，受支承压力作用而下沉，导致顶板下沉甚至离层，影响顶板的稳定性，从而进一步加剧底鼓。4.3 二次支护理论以往支护实践表明在高应力、膨胀性软岩巷道用一次支护特别是使用强刚性支护均不可行。包括双料石碹，600ram厚的钢筋混凝土支护等等原因是它们都不适应软岩初期大变形的特点。因此支护主要是提高围岩自身承载能力保证巷道在安全的条件下允许围岩在控制下释压变形，以透应软岩的变形力学机制。为了保证巷道的较长时间的稳定和服务期的安全在围岩变形稳定后必须进二次支护。给巷道围岩提供最终支护强度和刚度。一次支护主要是调动围岩自身的承载能力尽可能地控制围岩变形防止围岩松动以达到施工最大安全度和最好的经济效果，围岩与支护共同发挥承载环的作用初始支护应采用柔性结构；建立二次支护的概念：1)实施密贴支护使围岩与支护共同承载围岩应力。2)充分调动围岩自支承能力开挖过程最大限度的保护原岩强度。3)恰当的控制围岩变形一方面允许围岩向巷道空间位移。以便形成岩石支承环另一方面控制其产生过大的变形造成围岩强度降低。4)-次支护一次支护使巷道基本稳定二次支护进一步提高巷道的安全性。5)全断面一次施工，采用光面爆破，避免出现对围岩的反复扰动和出现棱角造成应力集中。6)采用全封闭支护及时控制底板。5 软岩支护方法51 软岩巷道支护形式软岩巷道支护方法，并不是单一的支护可以奏效的，也不是一次支护最终可以实现的，必须采用联合支护的方式。由于全国各矿区松软岩性质多种多样，井下地质条件及生产条件多变，加上施工习惯也不尽相同，因此，软岩巷道的支护形式也是多种多样的。归纳起来，主要有下列几种形式：(1)砌碹支护。20世纪60年代，砌碹支护曾作为软岩巷道的一种主要支护形式。该支护具有承载能力大、稳定性强等特点，并且在料石问夹有可缩垫层时，还具有一定的可缩变形能力。但是，由于碹体属刚性支架，一般不适应围岩变形很大的软岩巷道支护。(2)可缩性金属支架支护。由于松软岩层中巷道围岩变形较大，通常采用预留断面可缩性金属支架支护。我国目前采用的架型有：梯形、拱形和环形。架型的选择应根据转岩的变形和压力的大小等指标确定。(3)锚喷支护。适用于软岩巷道锚喷支护类型主要有锚杆喷射混凝土和锚杆钢筋网喷射混凝土。根据现场实际情况，设计参数包括巷道断面、锚杆类型和布置方式、喷层厚度、钢筋网规格等。(4)联合支护。联合支护系指采用多种不同性能的单一支护的组合结构。根据我国近10 a软岩工程支护的经验，锚喷支护作为一次支护方法，是联合支护的基础，组成了各种联合支护形式：即锚喷一u型钢架联合支护，锚喷一砌碹联合支护和锚喷一弧板联合支护等。52 软岩巷道支护技术关键由于软岩的力学属性、变形力学机制等特点，对软岩巷道实施成功支护需运用三个关键技术： 正确的确定软岩变形机制的复合型； 有效的将复合型转化为单一型； 合理的运用复合型变形力学机制的转化技术。由于软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制，即复合型变形力学机制，复合型变形力学机制是软岩巷道变形和破坏的根本原因。因此，单一的支护形式是难以奏效的，只有采用联合支护的方法，合理的运用复合型向单一型转化的技术，即与软岩变形过程中每个支护力学措施的支护顺序、时间、效果相联系，适合复合型变形力学机制的特点，才能保证支护成功。5.3 最佳支护时间分析巷道开挖以后，巷道围岩应力将重新分布，切向应力在巷壁附近发生高度集中，导致该区域的岩层屈服进入塑性工作状态，从而形成塑性区。塑性区的出现，致使应力集中区从岩壁向纵深发展，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，就出现新的塑性区，如此逐步向纵深发展。如果不采取适时有效的支护，临空塑性区将随变形的增大而出现松动破坏，即形成松动破坏区。塑性区与松动破坏区不同，塑性区具有一定的承载能力，而松动破坏区已经完全失去承载能力。塑性区分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围，称为稳定塑性区；出现松动破坏区之后的塑性区为非稳定塑性区。对应于稳定塑性区和非稳定塑性区的宏观围岩的径向变形分别为稳定变形和非稳定变形。塑性区的出现，对支护体来讲具有两个力学效应：1围岩中切向和径向应力降低，减小了作用在支护体上的荷载。2应力集中区向围岩深部转移，减小了应力集中的破坏作用。对于高应力软岩巷道支护来讲，应允许其出现稳定塑性区，严格限制非塑性区的扩展，也就是要求选择最佳的支护时间，以便最大限度的发挥塑性区承载能力而不至于出现松动破坏。所以，最佳支护时间的力学含义使最大限度的发挥塑性区的承载能力而不出现松动破坏时所对应的时间。5.4 软岩巷道支护的对策对于软岩巷道，常规的支护方法和单一措施都不能满足工程的实际需要，必须根据其原因采取相应的支护对策：1加强网或喷层的强度和刚度，或在局部薄弱环节，增加锚梁支护，以增强围岩表面约束能力，限制破碎区向纵深发展。2适时进行二次支护且二次支护适当地增加支护强度，以保证初期支护具有一定的柔性，在巷道不失稳的前提下，允许围岩有较大的变形，让其充分地释放能量。同时，支护体后期要有足够的强度和刚度来控制围岩与支护的过量变形。3实现软岩巷道厚壁支护，一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；二是进行锚索加固，由于锚索长度较大，能够深人到深部较稳定的岩层中，锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200kN，限制围岩有害变形的发展，改善了围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；三是改变支护结构，在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷(梁)支护，从而形成完整的、封闭的支护整体。4减少围岩的破坏，增大围岩的强度，提高围岩自承能力。一是推广光面爆破，减少围岩震动，控制围岩环向裂隙，尽量保持围岩的整体强度；二是尽量保持巷道周边的光滑平整，避免产生应力集中；三是采用膨胀材料充满锚杆孔，形成全长锚固。6 软岩巷道工程支护原则在众多的实践中，根据支护原理要树立统筹考虑、联合支护、长期监控的支护思想体系。(1)巷道位置的选择：巷道位置最好选在工程地质条件好。工程量少的地段；巷道轴线方向和最大主应力方向平行或小角度相交。(2)巷道断面开掘形状要适应地应力分布特点。一般应使巷道周边圆滑，防止应力集中。(3)施工工艺应尽量减少对围岩的震动，支护结构、参数、施工工艺要密切注意和围岩变形状态相匹配。(4)围岩变形是围岩力学形态变化最直接体现，它不仅直接反映了地压规律，而且也是松软岩层用来分析判断围岩稳定程度的可靠手段。因此，进行现场变形量测，掌握围岩变形活动状态和时间效应，并在此基础上选择支护结构和参数，妥善安排掘进和支护工艺过程，以确保支护体系和支护特性曲线和变形活动状态相适应、相匹配，以最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支撑能力这是做好维护的关键。松软岩层变形具有时间效应长的特点，所以坚持长期监控，对于及时了解围岩稳定信息及采取相应的加固措施具有重要意义成功的实现软岩巷道工程支护，关键在于设计思想及支护观念的更新和改变。早期的支护理论沿用地面结构工程原理设计支护参数，围岩是支护的对象，支护只是人工构筑的承载结构而已。然而，现代岩石力学揭示，岩石破裂后具有残余强度，松动破裂围岩仍具有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，又是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体。支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。因而，在松软岩巷道支护中，要遵循以下几方面原则：(1)工程优化原则。软岩巷道工程支护应遵循工程优化原则，该原则包括： 巷道方向优化原则，对于工程地质条件复杂、构造压力场明显的矿井，在决定井巷方向时避免将过多井巷垂直于较大压力方向，以免井巷失稳，遭到破坏，必要时改变开采工艺；巷道空间位置优化原则，巷道应尽量在较硬岩层中，以求得稳定性好、工程造价低； 巷道断面优化原则，巷道几何形状应与支护结构和谐配套，既要满足工艺使用上的要求，又要造价低廉，避免功能重叠而增加造价。同时合理的断面形状能够充分的保护围岩的力学强度，降低支护的难度。(2)“对症下药”原则。软岩的多样性，决定了支护对策的多样性。只有正确的确定软岩的变形力学机制，找出造成软岩工程变形破坏的原因，才能采取相应的支护措施，达到软岩工程与支护的稳定。(3)过程原则。软岩巷道支护是一个过程，不能一蹴而就。因为软岩工程的变形与破坏是具有复合型变形力学机制的“综合症”和“并发症”，要对软岩工程稳定性实行有效的控制，必须有一个由“复合型”向“单一型”的转化过程。这一过程的完成是依靠一系列对症下药的支护措施来实现的。(4)塑性圈原则。与硬岩工程支护的指导思想不同，软岩工程支护必须允许出现塑性圈。硬岩工程支护是力求控制塑性区的产生，最大限度的发挥围岩的自承能力；而软岩工程支护是力求有控制地产生一个合理的塑性圈，最大限度的释放围岩的变形能，这是由于软岩的特性决定的。7.松软岩巷道支护设计方法松软岩巷道支护设计主要是选择合理的支护形式和支护参数。如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端，一是支护强度太高，浪费材料和工时，二是支护强度不够，出现支护破坏造成片帮冒顶事故。所以，选择合理的支护形式和参数是设计的根本。目前，松软岩巷道支护设计方法大体上分三类，即工程类比法、理论计算法和实测法。三种方法各有优缺点，工程类比法是当前应用较广的方法，它是根据已经支护的类似工程的经验，通过工程类比，直接提出支护参数，简单、易用，但它与设计者的实践经验关系很大，有一定的盲目性，科学依据不足。理论计算法可做为定性参考，可用于支护设计参数的验证。实测法比较实用，具有可靠性和合理性，已被许多国家采用。7.1软岩巷道支护结构的选择根据软岩的不同类型、位移、压力及使用条件等情况，软岩支护结构有传统支护、锚喷支护以及两者组合的混合支护、缓冲支护、让压支护等多种支护结构。由于各矿区松软岩层的地质条件及围岩条件的复杂性和随机性，目前尚无公认的理论计算方法。所以必须从软岩巷道支护工程的实际情况出发，应冈地制宜选择使用，使其在技术上、经济上更加合理。(1)砌碹封闭式支护采用圆形、椭圆形、马蹄形等合理巷道断断形状与其相应的料石和混凝土块砌碹封闭支护。此种传统的刚性支护结构，适用于浅部、位移及压力小大的膨胀性软岩巷道。碹的壁后充填软矸或砂。云南省田坝煤矿二号井煤建公司矿建处施工队采用生石灰、山砂、，灰渣配比成的壁后充填柔性材料，经实际应用其支护效果较好。(2)圆碹加砌木砖封闭式支护这种支护结构与砌舻闭式支护的区别是在料石和混凝土砌块之间均匀地加砌一定数量的木砖，I史砌碹刚性支护形成定的可缩量，增加了适应围岩变形的可缩性能，每块木砖厚一般为20-50 mill，当围岩的压力越大、变形量越大时，所需木砖的块数就越多，木砖的厚度也就越大。由于木砖受压收缩，当围岩反力作用在圆碹上，碹体作用在木砖上，碹体压力超过木砖的抗压极限强度时，木砖收缩，圆碹和围岩一起内移。显然，加木砖的圆碹支护改善了砌碹刚性支护的刚度，增加了软岩的适应范围，但木砖防腐耐久性差，只适用于服务年限不长，且不重要的软岩巷道。(3)条带碹支护在松软、膨胀软岩中，采用圆碹加砌木砖仍不能满足释放较大能量的要求时，可采用条带碹，这也是解决软岩支护问题的途径之一。条带碹就是用料石或混凝土砌筑成一定长度的支护碹体，称之为“条带 条带与条带之问留有一定宽度的空隙，称为“卸压通道”，通道让顶、帮围岩暴露，允许围岩向巷道空间方向挤出，起到能量或应力释放的作用，为围岩变形提供机会，以减轻对碹体的压力。条带碹除了适用于塑性流变大，有粘土膨胀性矿物成分的软岩平巷或坡度较小的斜巷外，对受采动影响的巷道也有较大的适应性。而且条带碹还具有成本低、施工速度快、便于维修等优点。(4)离壁碹支护离壁碹支护就是碹体和支架离开围岩顶板及两帮有 定距离的 种支护形式。离壁尺寸取决于围岩释放能量的大小，围岩释放能量大，变形量也大，离壁的尺寸也大。离壁碹之所以能支护软岩巷道并稳定下来，就是它留出释放能量的变形空间，让围岩变形。离壁碹支护适应于围岩释放能量较大的软岩巷道。(5)可缩性u型钢支护u型钢支护有多种结构形式，根据巷道断面尺寸的不同分为4节、5节、6节等不同类型。一般常用18#36#U型钢制做，节与节之间搭接长度300-400mI，用卡箍、螺栓或钢楔锁紧装置来获得摩擦接头阻力。当围岩变形压力超过U型钢接头摩擦阻力时，u型钢接头发生收缩，围岩释放能量，巷道断面收敛减小，形变压力降低，U型钢支架停止收缩。当围岩变形压力再次超过接头阻力时，支架将再次重复上述过程，直到围岩和支架达到稳定时为止。因此，U型钢支架有两个功能一是有一定的承载能力，吸收一部分能量：二是有可缩性，能释放支架吸收不完的能量，而且其关系是自动的，可以控制的。云南田坝煤矿通过在三号井软岩巷道支护的实践，取得了良好的支护效果。特别是在围岩压力大、松软的2904溜子道使用18#U型钢可缩性支架，获得了较好的经济效益。u型钢支架适用性较强，它不仅能适用软岩巷道支护，而且能适用 位移及压力大的动压巷道支护，且便于安装与多次复用。同时，u型钢支架之间的空隙，也是释放围岩应力的良好卸压缺口。其缺点是耗钢量大、加工要求高，对围岩的封闭、防水及防风化性能差。所以在易风化、崩解性差的巷道中采用这类支架，最好是先喷一层混凝士将围岩封闭后再架设支架。(6)置换支护这种支护的实质是将软岩多挖出一定深度，用高强度材料(混凝土、碎石、矿渣和砂子等)置换，然后再进行支护，使软岩的位移压力得到控制，获得较好的支护效果。置换支护有两种基本形式：当软岩只占巷道断面的一部分时，采用局部置换支护：当全断面位于软岩之中时，采用全部置换支护。(7)锚喷网支护在流变、膨胀性不很大的软岩中，锚喷网支护是有效的支护结构。其支护特点要求是：巷道掘进后及时喷一层薄混凝 匕以封闭围岩、防水防风化、保护围岩强度与自承能力。以锚为主，软岩锚杆要选用全长锚固具有滑移让压特性适应大位移量的锚杆，锚杆密度要大，一般小于400600mm，最好是长锚杆与短锚杆并用。 加铺金属网并用锚杆将网与岩壁锚固紧。 复喷混凝土，形成锚喷网一次支护。观察围岩与支护的变形位移，并适时复喷补强：到围岩趋于稳定时，复喷混凝土到设计厚度，形成永久性二次支护。(8)锚喷与u型钢可缩支架的联合支护在流变、膨胀性较大的软岩中，仅采用锚喷网支护还不足以适应围岩的位移和压力，需在锚喷网支护的基础上，再架u型钢可缩支架构成联合支护结构，叮发挥两者的特长，支护效果更好。联合支护在云南的许多煤矿成功地应用，充分说明此种支护方式能解决松软膨胀地层的软岩巷道支护问题。(9)缓冲锚喷砌碹支护在流度、膨胀性很大的软岩中，采用缓冲锚喷砌碹支护是十分有效的。在这种结构中，先采用上述锚喷网支护，它具有良好的及时性、封闭性、柔性和较大的支护抗力。它既是一次并代替临时支护，又是永久支护的重要组成部分。在对次支护监测补强的基础上，待围岩趋于平缓稳定变形阶段时，再及时进行内层砌碹支护。砌体要具有较好的防水封闭性，并与锚喷网支护共同作用成为永久性支护结构。同时在外层锚喷网支护与内层砌碹支护之间，必须留有一定的缓冲间隙，用以吸收围岩在长时期内继续产生的缓慢变形位移与压力。当缓冲间隙最终消失时，围岩与支护达到稳定，确保围岩与支护的长期稳定正常安全使用。缓冲间隙一般应充填压缩系数大的疏松物质，如炉灰、锯末等。因外层有可靠的锚喷网支护，围岩不会产生松脱失稳，故缓冲间隙不充填，即空气缓冲，则可收到更好的效果。参考文献1 杜计平，林在康，张东升.采矿工程专业毕业实习、毕业设计大纲.徐州:矿业工程学院，20082 徐永圻.煤炭开采学.徐州:中国矿业大学出版社，19913 杨孟达.煤矿地质学.北京:煤炭工业出版社，20004 杜计平.采矿学.徐州:中国矿业大学出版社，20095 戴绍城.高产高效综合机械化采煤技术与装备