软岩巷道支护

1、软岩巷道支护简介软岩巷道支护简介目录u1 1 软岩分类及特征软岩分类及特征u2 2 国内外软岩巷道支护的发展与现状国内外软岩巷道支护的发展与现状u3 3 软岩巷道支护特点及围岩控制原理软岩巷道支护特点及围岩控制原理u4 4 软岩巷道支护方式及各种支护方法软岩巷道支护方式及各种支护方法u5 5 对新奥法的认识对新奥法的认识 软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成软岩巷道工程是软岩工程的一个主要组成部分。我国许多煤矿巷道布置在松软围岩中，部分。我国许多煤矿巷道布置在松软围岩中，而松软围岩具有强度低、膨胀性和流变形严重而松软围岩具有强度低、膨胀性和流变形严重等特点，影响着矿井的安全生产和经济效益，等特

2、点，影响着矿井的安全生产和经济效益，随着煤炭工业的发展，开采深度的日益增大，随着煤炭工业的发展，开采深度的日益增大，目前在全国有许多矿井存在严峻的软岩巷道支目前在全国有许多矿井存在严峻的软岩巷道支护技术问题。由于软岩巷道工程所处的复杂工护技术问题。由于软岩巷道工程所处的复杂工程地质条件，其支护问题一直是困扰我国煤炭程地质条件，其支护问题一直是困扰我国煤炭生产的一个主要问题，同时这也是采矿界和煤生产的一个主要问题，同时这也是采矿界和煤炭生产企业关注和研究的主要对象。选择合理炭生产企业关注和研究的主要对象。选择合理的支护方式不仅对煤炭生产的安全至关重要，的支护方式不仅对煤炭生产的安全至关重要，而且

3、对提高煤炭企业的经济效益也有着很大的而且对提高煤炭企业的经济效益也有着很大的影响。影响。引言引言 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。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。以及在上程力的作用下产生显著按照软岩自然特征、物理化学特性。以及在上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。软岩有别于硬岩胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。软岩有别于硬岩而独具的特性有以下几点：而独

4、具的特性有以下几点：1）可塑性，由于软岩胶结程度差，结构疏松，孔隙率高，强度可塑性，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吸塑性，岩石变化，吸附水分子形成水化膜，从而使岩石具有极大的吸塑性，岩石强度急剧降低，在无控制条件下失去自身支承能力。强度急剧降低，在无控制条件下失去自身支承能力。2）膨胀性，软岩在水作用下产生体积膨胀现象。膨胀性，软岩在水作用下产生体积膨胀现象。3）崩解性，软岩在物理、化学、力学、因素都作用下发生鳞片

5、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状解体 4）流变性，有韧性的软岩受力发生流变，其过程与时间密切相流变性，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关的特性5）易扰动性，由于软岩的内部结构特点，软岩对抗外界环境扰易扰动性，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。极为敏感。1 1 软岩分类及特征软岩分类及特征 2 国内外软岩巷道支护的发展与现状国内外软岩巷道支护的发展与现状在在50、60年代，我国煤矿平均开采深度基本在年代，我国煤矿

6、平均开采深度基本在300m以下，一般采用砌暄加固就可使巷道保持稳定以下，一般采用砌暄加固就可使巷道保持稳定70年代吸收了国外新奥法施工经验，锚喷支护在软岩巷道中得到了很好年代吸收了国外新奥法施工经验，锚喷支护在软岩巷道中得到了很好的应用，并出现了锚喷网与料石谴联合支护及条带谴支护等方式。的应用，并出现了锚喷网与料石谴联合支护及条带谴支护等方式。80年代大力发展了全封闭可缩性支架及锚喷网联合支护方式，并采用年代大力发展了全封闭可缩性支架及锚喷网联合支护方式，并采用锚喷支护方式与大型钢筋混凝土弧板联合支护，此外还出现了各种适锚喷支护方式与大型钢筋混凝土弧板联合支护，此外还出现了各种适合软岩支护的新

7、型锚杆、柔性喷层等。合软岩支护的新型锚杆、柔性喷层等。90年代以来，采用锚喷支护与注浆锚杆注浆加固围岩相结合，以及年代以来，采用锚喷支护与注浆锚杆注浆加固围岩相结合，以及注浆加固与可缩性支架相结合，加强底角支护等，取得了较好的技注浆加固与可缩性支架相结合，加强底角支护等，取得了较好的技术经济效果，且在矿压理论和支扩理论方面都取得了较大进步。术经济效果，且在矿压理论和支扩理论方面都取得了较大进步。国国内内软软岩岩巷巷道道支支护护技技术术发发展展 德国、英国、法国、波兰等西欧国家直至德国、英国、法国、波兰等西欧国家直至80年代巷道支护仍以年代巷道支护仍以金属支架金属支架为主，在浅部巷道支护中金属支

8、架用量约占支护总量的为主，在浅部巷道支护中金属支架用量约占支护总量的70%左右，并取得左右，并取得良好的支护效果。良好的支护效果。20世纪世纪90年代初，美国、澳大利亚等国大力发展年代初，美国、澳大利亚等国大力发展高预应高预应力高强锚杆支护技术力高强锚杆支护技术；美国、澳大利亚在近十年的煤矿深部井采中，一直；美国、澳大利亚在近十年的煤矿深部井采中，一直以以锚喷支护锚喷支护为主体进行联合支护，深部不稳定围岩一般采用锚喷网、组合为主体进行联合支护，深部不稳定围岩一般采用锚喷网、组合锚杆锚杆(喷网喷网)、高强超长锚杆、高强超长锚杆(喷网喷网)等支护形式，对于深部极不稳定围岩主要等支护形式，对于深部极

9、不稳定围岩主要采用组合锚杆析架与锚索支护、锚喷网与锚索联合支护等形式。目前，西采用组合锚杆析架与锚索支护、锚喷网与锚索联合支护等形式。目前，西欧大多数国家各类型的锚杆支护、锚索支护及联合支护约占软岩巷道支护欧大多数国家各类型的锚杆支护、锚索支护及联合支护约占软岩巷道支护总量的总量的90%；俄罗斯顿巴斯地区深部巷道以支撑能力大的；俄罗斯顿巴斯地区深部巷道以支撑能力大的ACrl、ACrZ以及以及AK新型锚杆，其支撑能力为新型锚杆，其支撑能力为190一一330kN，同时可用高强度托板钢带，形，同时可用高强度托板钢带，形成锚网带联合支护成锚网带联合支护137一一l，取得了良好的支护效果和经济效益；德国

10、主要，取得了良好的支护效果和经济效益；德国主要矿井开采进入深部岩层，深部软岩巷道支护主要采用锚杆、锚索、注浆和矿井开采进入深部岩层，深部软岩巷道支护主要采用锚杆、锚索、注浆和封闭型的钢构混凝土衬砌组成的多重高强封闭型的钢构混凝土衬砌组成的多重高强联合支护联合支护，支护效果显著，但导，支护效果显著，但导致其开采支护成本昂贵。致其开采支护成本昂贵。2 国内外软岩巷道支护的发展与现状国内外软岩巷道支护的发展与现状国外软岩巷道支护技术发展国外软岩巷道支护技术发展 2 国内外软岩巷道支护的发展与现状国内外软岩巷道支护的发展与现状国内软岩国内软岩巷道支护理巷道支护理论发展论发展陈宗基院士在陈宗基院士在20

11、20世世纪纪6060年代从大量工年代从大量工程实践中总结出程实践中总结出岩性转化理论岩性转化理论于学馥等人提出于学馥等人提出了轴变论理论了轴变论理论和开挖系统控和开挖系统控制理论。制理论。何满潮教授提何满潮教授提出了出了软岩工软岩工程力学支护理程力学支护理论论何满潮教授提出了何满潮教授提出了关键部位耦合组关键部位耦合组合支护理论合支护理论方祖烈教授提方祖烈教授提出了出了主次承主次承载区支护理论载区支护理论由董方庭教授由董方庭教授等人提出的等人提出的围岩松动圈围岩松动圈理论理论以郑雨天教授、孙以郑雨天教授、孙钧教授和朱效嘉教钧教授和朱效嘉教授为代表的学者在授为代表的学者在联合支护的基础上联合支护

12、的基础上提出了锚喷提出了锚喷弧弧板支护理论板支护理论冯豫、郑雨天、陆冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等人家梁、朱效嘉等人在总结新奥法支护在总结新奥法支护的基础上，提出了的基础上，提出了联合支护技术联合支护技术 2 国内外软岩巷道支护的发展与现状国内外软岩巷道支护的发展与现状国外软岩国外软岩巷道支护理巷道支护理论发展论发展散体压力理论，代表：散体压力理论，代表：太沙基（太沙基（K.TerzaghiK.Terzaghi）和普氏（和普氏（M.M. M.M. ）理论）理论奥地利学者奥地利学者Rabeewciz在在20世纪世纪60年代提出年代提出了新奥法理论了新奥法理论20世纪世纪70年代，萨拉年代，萨拉蒙

13、（蒙（M.D.Salamon）等又提出了能量支等又提出了能量支护理论护理论数值计算方法，如数值计算方法，如有限元、有限差分、有限元、有限差分、边界元，离散元，边界元，离散元，代表软件：代表软件：ANSYSANSYS、ADINAADINA、UDECUDEC、FLACFLAC2020世纪初发展的巷道支护世纪初发展的巷道支护理论理论古典压力理论，古典压力理论，代表有：海姆（代表有：海姆（A.HaimA.Haim）、）、朗金（朗金（W.J.M.RankineW.J.M.Rankine）和金尼克（和金尼克（A.H. A.H. ）理论）理论日本的山地宏和樱日本的山地宏和樱井春提出了围岩的井春提出了围岩的应

14、变控制理论应变控制理论 软岩巷道软岩巷道支护特点支护特点软岩易风化、遇水易膨胀软岩易风化、遇水易膨胀软岩巷道的地压大、来压快、变形大、软岩巷道的地压大、来压快、变形大、变形持续时间长。变形持续时间长。软岩巷道围岩自承载能力低软岩巷道围岩自承载能力低软岩巷道的地压特征是四周来压，不仅有顶压、侧软岩巷道的地压特征是四周来压，不仅有顶压、侧压，还有底压，因而软岩巷道都出现一定量的底鼓。压，还有底压，因而软岩巷道都出现一定量的底鼓。深度大，应力水平高深度大，应力水平高围岩软，强度低围岩软，强度低3 3 软岩巷道支护特点及围岩控制原理软岩巷道支护特点及围岩控制原理软岩巷道支护控制原理体现在以下三方面软岩

15、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，三是提高支护围岩自身的强度，二是利用锚索充分调动深部围岩的强度，三是提高支护强度，阻止围岩蠕变。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，挤压破碎底板岩层，引起破碎岩体之间的滑移

16、、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，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

17、的弱岩层时，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。稳定性，从而进一步加剧底鼓。 因此，要想有效地支护多种变形力学复合的软岩巷道，单一的支护方因此，要想有效地支护多种变形力学复合的软岩巷道，单一的支护方法是难于奏效的，必须采取综合、联合支护方法，抓住关键变形力学机理，法是难于奏效的，必须采取综合、联合支护方法，抓住关键变形力学机理，连带附加变形力学机理，合理运用综合型支护，从而达到软岩巷道变形控连带附加变形力学机理，合理运用综合型支护，从而达到软岩巷道变形控制的目的。制的目的。3 3 软岩巷道支护特点及围岩控制原理软岩巷道支护特点及围岩控制原理软岩巷道

18、围岩控制原理软岩巷道围岩控制原理 1）棚式支护棚式支护由于松软岩层中巷道围岩变形较大，通常采用预留断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面可缩性金属支架支护，我国目前采用的架型有: :梯形、拱梯形、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来确定。指标来确定。 2）锚喷支护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

19、面、锚杆类型和布置方式、喷层厚度、钢筋网包括巷道断面、锚杆类型和布置方式、喷层厚度、钢筋网规格等规格等锚喷支护锚喷支护金属锚杆、锚索金属锚杆、锚索木锚杆木锚杆 竹锚杆竹锚杆 金属网金属网 混凝土混凝土棚式支护棚式支护梯形金属支架梯形金属支架拱形可缩金属支架拱形可缩金属支架木支架木支架钢筋混泥土支架钢筋混泥土支架软岩巷道各种支护方法软岩巷道各种支护方法4 4 软岩巷道各种支护方法软岩巷道各种支护方法金属支架金属支架 3）砌碹支护）砌碹支护在在20世纪世纪60年代以来，砌碹支护曾作为软年代以来，砌碹支护曾作为软岩巷道的一种主要支护形式。该支护具有承载岩巷道的一种主要支护形式。该支护具有承载能力大、

20、稳定性强等特点，并且在料石间夹有能力大、稳定性强等特点，并且在料石间夹有可缩垫层时，还具有一定的可缩变形能力。但可缩垫层时，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形很大的软岩巷道支护4）联合支护）联合支护联合支护系指采用多种不同性能的单一支联合支护系指采用多种不同性能的单一支护的组合结构，根据我国近十年软岩工程支护护的组合结构，根据我国近十年软岩工程支护的经验，锚喷支护作为一次支护方法，是联合的经验，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：锚支护的基础，组成了各种联合支护形式：

21、锚喷喷锚喷联合支护，锚喷锚喷联合支护，锚喷UU型钢架联合支护，型钢架联合支护，锚喷锚喷砌碹联合支护和锚喷砌碹联合支护和锚喷弧板联合支护等。弧板联合支护等。砌碹支护砌碹支护料石料石砖砖混泥土混泥土钢筋混泥土钢筋混泥土联合支护联合支护锚喷锚喷+注浆加固注浆加固锚喷锚喷+U型钢可缩性支架型钢可缩性支架锚喷锚喷+弧板支架弧板支架U型钢可缩性支架型钢可缩性支架+注浆注浆加固加固锚喷锚喷+注浆型钢可缩性支注浆型钢可缩性支架等架等4 4 软岩巷道几种支护方法软岩巷道几种支护方法 4 4 软岩巷道几种支护方法软岩巷道几种支护方法锚网、锚索和预拉力桁锚网、锚索和预拉力桁架架“三位一体三位一体”支护支护顶板预拉力

22、锚索顶板预拉力锚索网梁网梁组合支护组合支护 4 4 软岩巷道几种支护方法软岩巷道几种支护方法大倾角大倾角复合顶板支护技术复合顶板支护技术 4 4 软岩巷道几种支护方法软岩巷道几种支护方法 5 5 对新奥法的认识对新奥法的认识新奥法的基本要点可归纳如下：新奥法的基本要点可归纳如下： 1 1岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进

23、。开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。2 2为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚

24、度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。变形。3 3为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。4 4通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。管理。5 5为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，为了敷设防水

25、层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。可采用复合式衬砌。6 6二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。整体，因而提高了支护体系的安全度。上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭早喷锚，勤量测、紧封闭”。用一个弹簧来理解新奥法原理用一个弹簧来理解新奥法原理1 1洞室边缘某一点洞室边缘某一点A A在开挖前具有原始应力（自重应力和构造应在开挖前具有原始应力（自重应力和构造应力）处于一个平衡状态。如同一根弹性刚度为力）处于一个平衡状态。如同一根弹性刚度为K K的弹簧，在的弹簧，在P0P0作作用下处