軟巖支護

吳斌

摘要:文章主要對煤礦軟巖巷道支護技術問題進行了探討,概述了軟巖的概念和分類以及軟巖的工程特征,并探討了煤礦軟巖巷道支護存在的問題,最后從三個方面對煤礦軟巖巷道支護技術問題進行了研究,具體包括軟巖巷道支付的技術關鍵分析,最佳支護時間分析以及軟巖巷道支護的對策。

關鍵詞:軟巖巷道;聯合支護;巷道變形;最佳支護時間

一、軟巖的基本概念

(一)軟巖的概念和分類

軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流變、強風化蝕變及高應力的巖體之總稱,軟巖分為地質軟巖和工程軟巖。地質軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量的膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱層;工程軟巖是指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程巖體,工程力是指作用在工程巖體上的力的總和,它可以是重力、構造殘余應力、水平作用力和工程擾動力以及膨脹應力等,顯著性塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設計的允許變形值,并影響了工程的正常使用。工程軟巖定義揭示了軟巖的相對性實質,即是否為軟巖取決于工程力與巖體強度的相互關系。當工程力一定時,不同巖體可能表現為硬巖特性,也可能表現為軟巖的特性,而對于同一種巖石,在較低工程力的作用下可表現為硬巖的變形特性,在較高的工程力作用下可能表現為軟巖的大變形特性。工程軟巖與地質軟巖的關系為:當工程載荷相對于地質軟巖的強度足夠小時,地質軟巖不產生顯著塑性變形的特征,此時不作為工程軟巖。只有在工程力的作用下發生了顯著塑性變形的地質軟巖,才視為工程軟巖。

(二)軟巖的工程特性

軟巖有兩個工程特性:軟巖臨界載荷和軟化臨界深度,它揭示了軟巖的相對性實質。

1.軟巖臨界荷載:軟巖的蠕變試驗表明,當所施加的荷載小于某一荷載水平時,巖石處于穩定的變形狀態,蠕變曲線趨于某一變形值,隨時間延伸而不再變化;當所施加的荷載大于某一荷載水平時,巖石出現明顯的塑性變形加速現象,即產生不穩定變形,這一荷載稱為軟巖的軟化臨界荷載,亦即能使巖石產生明顯變形的最小荷載。當巖石所受荷載水平低于臨界荷載時,該巖石屬于硬巖范疇;當荷載水平高于軟化臨界荷載時,巖石表現出軟巖的大變形特性,此時稱之為軟巖。

2.軟化臨界深度:與軟化臨界荷載相對應的存在著軟化臨界深度。一般來講,軟化臨界深度也是一個客觀量。當巷道的位置大于某一開采深度時,圍巖產生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護的現象;但當巷道位置較淺,小于某一深度時,大變形、大地壓的現象明顯消失。這一臨界深度被稱為巖石軟化臨界深度。

二、煤礦軟巖巷道支護存在的問題

(一)軟巖巷道變形破壞的特點

1.軟巖巷道的變形呈現蠕變變形三階段的規律,并且具有明顯的時間效應。初期來壓快、變形量大,巷道自穩能力很差,如果不加以控制很快就會發生巖塊冒落,直至造成巷道破壞。如果用鋼性支架強行支護而不適應軟巖的大變形特性,則巷道也難以維護,造成支架被壓壞、巷道垮落。

2.軟巖巷道多為環向受壓,且非對稱,巷道開挖后不僅頂板變形易于冒落,底板也將產生強烈的底鼓,如果對巷道底鼓不加以控制,則會出現嚴重的底鼓并導致兩幫破壞,頂板冒落。

3.軟巖巷道變形一般隨礦井深度加大而增大,不同礦

區、不同地質條件下都存在一個軟化臨界深度,超過臨界深度,支護的難度明顯增大,且軟巖巷道變形在不同的應力作用下,具有明顯的方向性。

4.軟巖的失水和吸水均可造成軟巖發生膨脹變形破壞和泥化破壞。

(二)軟巖巷道支護存在的問題

軟巖巷道支護問題,尤其是軟巖回采巷道的支護問題,是礦業工程中的一大頑疾,以往對軟巖巷道的支護問題,在理論認識和支護方法上存在一定問題,主要表現在以下幾個方面:

1.圍巖變形破壞機理,支護是一個過程,要使這一過程與圍巖變形過程相協調,必須充分而深入地研究圍巖的變形機理,只有在此基礎上,才能選擇適當的軟巖的支護時機、支護型式以及確定合適的支護參數。

2.支護對策,軟巖巷道與硬巖巷道變形破壞特征不同,應采取適應于軟巖巷道的支護對策。

3.支護參數,支護參數選擇是影響巷道穩定性的一個非常重要的因素。以往對支護參數的選取基本上采用工程類比法。當工程地質條件簡單,此法基本滿足要求;當地質條件復雜是不能滿足要求的,再加上目前很少有軟巖巷道支護成功事例,無法進行工程類比。

對于軟巖巷道,單純的采用常規的錨噴支護、U型鋼支架等難以控制圍巖軟化等引起的過量變形與破壞,其問題所在主要有以下幾個方面:(1)圍巖自承圈厚度小,常規支護多采用端錨錨桿,其所形成的圍巖自承圈厚度較小,一般情況,錨固后圍巖的自承圈厚度約為0.6m,遠小于錨桿桿體長度,造成錨桿的浪費,同時難以抵抗較大的圍巖壓力;(2)初期支護剛度過大,巷道開挖后由于圍巖應力重新分布和發生變形而對支護體產生較大的壓力,它與支護體的剛度有較大的關系,支護體的剛度越大,其抵抗圍巖壓力越大,如果支護剛度偏大,則不能適應巷道開挖初期變形速度快,變形量大的特點,進而導致巷道圍巖支護變形不協調而發生破壞;(3)圍巖表面約束能力差,由于高應力或構造應力的影響,使得支護體首先在較為薄弱的地方出現過量變形、巖石松動和破壞,進而形成破碎區,破碎區的發展導致圍巖自承圈破壞。對于高應力或受構造應力影響下軟巖巷道,采用普通的錨網(鐵絲網)噴支護時,由于噴體強度相對較低,對圍巖約束能力差,不能有效地扼制圍巖的局部破壞和破碎區向縱深發展,進而導致圍巖破壞。

三、煤礦軟巖巷道支護技術探討

(一)軟巖巷道支付的技術關鍵

由于軟巖的力學屬性、變形力學機制等特點,對軟巖巷道實施成功支護,需運用三個技術關鍵:

1.正確地確定軟巖變形機制的復合型。

2.有效地將復合型轉化為單一型。

3.合理地運用復合型變形力學機制的轉化技術。

(二)最佳支護時間分析

巷道開挖以后,巷道圍巖應力將重新分布,切向應力在巷壁附近發生高度集中,導致該區域的巖層屈服進入塑性工作狀態,從而形成塑性區。塑性區的出現,致使應力集中區從巖壁向縱深發展,當應力集中的強度超過圍巖屈服強度時,就出現新的塑性區,如此逐步向縱深發展。如果不采取適時有效的支護,臨空塑性區將隨變形的增大而出現松動破壞,即形成松動破壞區。塑性區與松動破壞區不同,塑性區具有一定的承載能力,而松動破壞區已經完全失去承載能力。塑性區分為穩定塑性區和非穩定塑性區。出現松動破壞之前的最大塑性區范圍,稱為穩定塑性區;出現松動破壞區之后的塑性區為非穩定塑性區。對應于穩定塑性區和非穩定塑性區的宏觀圍巖的徑向變形分別為穩定變形和非穩定變形。塑性區的出現,對支護體來講具有兩個力學效應:

1.圍巖中切向和徑向應力降低,減小了作用在支護體上的荷載。

2.應力集中區向圍巖深部轉移,減小了應力集中的破壞作用。

對于高應力軟巖巷道支護來講,應允許其出現穩定塑性區,嚴格限制非塑性區的擴展,也就是要求選擇最佳的支護時間,以便最大限度的發揮塑性區承載能力而不至于出現松動破壞。所以,最佳支護時間的力學含義使最大限度的發揮塑性區的承載能力而不出現松動破壞時所對應的時間。

(三)軟巖巷道支護的對策

對于軟巖巷道,常規的支護方法和單一措施都不能滿足工程的實際需要,必須根據其原因采取相應的支護對策:

1.加強網或噴層的強度和剛度,或在局部薄弱環節,增加錨梁支護,以增強圍巖表面約束能力,限制破碎區向縱深發展。

2.適時進行二次支護且二次支護適當地增加支護強度,以保證初期支護具有一定的柔性,在巷道不失穩的前提下,允許圍巖有較大的變形,讓其充分地釋放能量。同時,支護體后期要有足夠的強度和剛度來控制圍巖與支護的過量變形。

3.實現軟巖巷道厚壁支護,一是采用全長錨固全螺紋鋼等強錨桿,增加圍巖自承圈厚度,實現厚壁支護;二是進行錨索加固,由于錨索長度較大,能夠深入到深部較穩定的巖層中,錨索對被加固巖體施加的預緊力高達200kN,限制圍巖有害變形的發展,改善了圍巖的受力狀態,增加圍巖自承圈厚度,實現厚壁支護;三是改變支護結構,在巷道的兩底腳增加斜拉錨桿或巷道底板開挖成反底拱形并錨噴(梁)支護,從而形成完整的、封閉的支護整體。

4.減少圍巖的破壞,增大圍巖的強度,提高圍巖自承能力。一是推廣光面爆破,減少圍巖震動,控制圍巖環向裂隙,盡量保持圍巖的整體強度;二是盡量保持巷道周邊的光滑平整,避免產生應力集中;三是采用膨脹材料充滿錨桿孔,形成全長錨固。