深部软岩巷道失稳变形特征及支护对策

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  摘 要:煤矿软岩巷道支护一直是矿业工程难点问题之一。随着矿井开采规模的增大和开采深度的不断加大,软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出,软岩问题愈趋严重,直接影响煤矿安全高效生产。在概述了软岩的概念和分类以及基本属性的基础上,分析了软岩巷道变形破坏特征,提出了软岩巷道支护的一般原则,并总结了几种常用的软岩巷道支护形式。大量实践表明,选取合适的软岩巷道支护方法,对完善和提高我国软岩支护的技术水平,提高经济效益, 都有着十分重要的意义。
  关键词:软岩巷道;变形破坏特征;支护形式;经济效益
  煤矿软岩巷道支护是软岩工程的一个主要组成部分[1]。由于软岩巷道所处的复杂工程地质条件,其支护问题一直是困扰煤炭生产的主要问题[2]。随着开采深度的增加,软岩矿井的数量也在不断增多,由于软岩巷道支护不当而造成的巨大的返修量不仅造成巨大浪费,而且使整个矿井陷于困境,甚至关闭。因此,软岩问题引起岩石力学工程界、矿业开采界的重视和关注[3]。
  经过国内外专家大量的理论研究、现场试验与测试、实验室实验等手段,在软岩巷道支护理论和支护技术方面取得了大量的研究成果。
  1 软岩的基本属性
  1.1 软岩的定义
  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,目前国内外对“软岩”这一概念的认识还未能形成统一的观点,但概况起来有如下三种:(1)描述性定义:陆家梁高工[4]从软岩的成岩时间、结构、胶结程度以及自身强度方面出发,他认为:松软岩层是指那些松散、软弱的岩层,它是相对于坚硬岩层而言的;(2)指标性定义:国际岩石力学学会定义[5]:软岩是指单轴抗压强度在0.5~25MPa的一类岩石;(3)工程性定义:中国矿业大学董方庭教授[6]提出,围岩松动圈大于l.5m的围岩称为软岩。
  何满潮教授[7]通过近10年的工程实践检验,抽象出软岩的本质特征,提出了新的软岩概念,将软岩分为地质软岩和工程软岩。地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的孔隙度大、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钻土矿物的松、散、软、弱岩层,而工程软岩是指在工程力作用下能够产生显著塑性变形和流变特性的工程岩体,其中工程力指的是作用在巷道工程岩体上力的总和,它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力及膨胀应力等。
  1.2 软岩的分类
  准确地判断围岩的类型,恰当地评价巷道在所处围岩及应力环境条件下支护的难易程度,对于巷道支护参数的选定至关重要。根据《工程岩体分级标准》所依据的岩石坚固性程度(岩石单轴饱和抗压强度(σc))和岩体完整程度(岩体完整性指数(kv)、泥质含量)这两个决定各类工程岩体稳定性的基本共性因素作为主要影响因素,将软岩分为:高应力型软岩、节理型软岩、膨胀性型软岩和复合型软岩四大类[8]。
  1)膨胀性软岩
  膨胀性软岩是指含有黏土等高膨胀性矿物,并在较低应力水平(<25MPa)条件下即发生显著塑性变形的低强度工程岩体。工程实践中,膨胀性软岩一般的地质特点是泥质岩类为主的低强度工程岩体,其显著特征是含有大量黏土矿物而具有膨胀性,并根据其膨胀性大小分为:强膨胀性软岩(自由膨胀变形>15%)、中膨胀性软岩(自由膨胀变形 10%~15%)和弱膨胀性软岩(自由膨胀变形<10%)。
  2)高应力软岩
  高应力软岩是指在较高应力水平条件下(>25MPa)才发生显著塑性变形的中高强度工程岩体,其地质特征是泥质成分较少,但有一定含量,砂质成分较多。其塑性变形机理是处于高应力水平时,岩石骨架中的基质(黏土矿物)发生滑移和扩容,此后再接着发生缺陷或裂纹的扩容和滑移塑性变形。
  3)节理化软岩
  节理化软岩是指含泥质成分很少(或几乎不含)且节理裂隙极为发育的岩体。此类岩体中,岩块的强度颇高,呈现硬岩力学特性,但整个工程岩体在巷道工程力的作用下则发生显著塑性变形,呈现出软岩的特性,其塑性变形机理是在工程力作用下,结构面发生滑移和扩容变形。
  根据节理化程度不同,节理化软岩可细分为镶嵌节理化软岩、碎裂节理化软岩和散体节理化软岩。并根据结构面组数和结构面间距两个指标,将其划分为较破碎软岩、破碎软岩和极破碎软岩,见表1[9]。
  1.3 软岩的力学性质
  软岩有两个基本力学属性:软化临界荷载和软化临界深度,它揭示了软岩的相对性实质。
  1)软化临界荷载
  随着应力水平的提高,特别是围压的增大,岩石产生的塑性变形明显增加,使得在低应力水平下表现为硬岩特性的岩石,在高应力水平下显示出显著的塑性变形。对于给定的工程围岩,均由弹性变形为主的工程状态向以塑性变形为主的工程状态转化的临界点,我们称之为软化突变点,而与之相对应的应力水平称为软化临界荷载。
  当岩石种类一定,其软化临界荷载也是客观存在的。围岩所处的地应力场的应力水平是否超过软化临界荷载是判断围岩是否为软岩的标准,一当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时,则该岩石属于硬岩范畴;而只有当荷载水平高于软化临界荷载时,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。
  2)软化临界深度
  与软化临界荷载相对应,岩石亦存在着一个软化临界深度。对给定巷道,软化临界深度也是一个客观量。当巷道埋深大于软化临界深度时,围岩出现大变形,大地压和难支护现象;当巷道埋深小于该临界深度时,则围岩的大变形,大地压现象消失,巷道支护容易,这一临界深度被称之为岩石软化临界深度。
  3)软化临界荷载与软化临界深度的关系
  软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载,故软化临界荷载和软化临界深度可以相互推求,在无构造残余应力的地区,其关系为:
  (1)   在构造应力较大的地区,其关系为:
  (2)
  式中,Hcr:软化临界深度,m;σcr:软化临界荷载,MPa;Δσhc:残余构造应力,MPa;γ:工程岩体容重,t/m3。
  2 软岩巷道变形破坏特征
  软岩巷道的变形破坏特征不仅受围岩的力学性质影响,而且受巷道所处的地应力环境和工程因素等影响。一般情况下,软岩巷道破坏具有如下特征:
  1)变形破坏方式多:变形破坏方式一般有拱顶下沉、坍塌、片帮和底鼓,巷道表现出强烈的整体收敛和破坏,变形破坏形式既有结构面控制型,又有应力控制型,主要以应力控制型为主。
  2)变形量大:巷道的收敛变形从数厘米到数十厘米,最大可达1.0 m以上,严重者可封堵整个巷道。从变形破坏来看,岩体以挤出大变形为主,有巷道侧帮的张拉挤出破坏,有巷道顶板挤出下沉,也有巷道的强烈底鼓。
  3)初期变形速率大:软岩巷道初期收敛速度达到3cm/d,即使在施工常规的锚喷支护以后,软岩巷道的收敛速度仍可达到2 cm/d,而且其变形收敛速度降低缓慢。
  4)持续时间长:由于软岩具有强烈的流变性和低强度,软岩巷道掘进后,围岩的应力重分布持续时间长,软岩巷道变形破坏持续时间很长,具有明显的时间效应,往往长达1~2年。如果不采取有效的支护措施,围岩变形的急剧增大,势必导致巷道的失稳破坏。
  5)围岩破坏范围大:由于软岩巷道中围岩的强度与地应力的比值很小,因此,软岩巷道围岩的破坏范围大,特别是当支护不及时或不当时,围岩破坏区的范围可达2.5倍洞径,甚至更大。
  6)各位置破坏不一:在巷道周边不同部位,变形破坏程度不同,这反映了软岩巷道所处的地应力强度因方向而异和软岩具有强烈的各向异性。变形破坏在方向上的差异性往往导致支护结构受力不均,支护结构中产生巨大的弯矩,这对支护结构稳定是非常不利的。
  7)来压快:软岩巷道变形收敛速度高,在很短时间内,围岩即与支护结构接触,产生压力。围岩与支护结构相互作用后,围岩的变形破坏并不立即停止,而是继续下去,这是因为软岩具有流变性,在围岩流变过程中,围岩的强度降低,因此,地压随时间而逐步增长。
  8)对应力扰动和环境变化非常敏感:主要表现为巷道受临近开掘、水的侵蚀、爆破震动及采动影响时,都会引起巷道围岩变形破坏的急剧增长。
  3 软岩巷道支护对策
  3.1 软岩巷道支护设计原则
  l) 软岩巷道支护设计首先必须搞清围岩的物理化学性质,岩石力学特性及参数( 如孔隙度、单轴抗压强度、弹性模量、矿物组分、膨胀性和流变性、岩体结构及应力分析等资料) 正确确定围岩的变形力学机制类型。根据不同的变形力学机制类型, 选用不同的支护技术对策、以理论指导实践。否则,光靠在实践中去摸索必然会费时多、失误多,效益差。
  2) 根据软岩巷道开挖后围岩来压快,变形大的特点,必须采用“先让后抗”,“先柔后刚”的支护原则。
  3) 软岩支护设计必须采用卸压、让压、加固与支护相结合的原则。对于高地应力要卸得充分;对于大变开要让得适度;对于软弱部分要进行加固调整,及时支护以保持围岩的自承强度。
  4 )软岩支护设计一般采用二次支护、多次支护或联合支护(也称复合支护)的方法,对软岩的动态环境,进行综合治理。但随着支护理论研究的不断深人,支护材质和支护结构的不断改进,采用“以支为主, 以让为辅,支让结合”的原则,近年来已实现了软岩支护一次成巷,不需翻修和返修。
  5) 软岩支护设计必须优化巷道断面尺寸及几何形状。尽量采用小断面和受力较好的园形断面。
  6) 软岩支护必须考虑对底朦的防治,尽量采用全封闭结构支架。
  7) 由于软岩自稳时间短,宜及时支护,且支架应有较大的支护初撑力。
  8) 软岩巷道施工操作应尽量用少震动和少挠动的工艺。尽可能采用机掘、光爆。修复巷道采用人工手挖的方法。
  9) 软岩巷道施工必须采用长期监测、信息反馈、及时补强的手段和措施,以保护巷道工程的长期稳定。
  3.2 软岩巷道支护形式
  对软岩巷道工程常用的支护形式进行总结和分析,得出各种支护形式的优缺点,为软岩巷道支护形式的改进和完善提供依据。软岩巷道常用支护形式及其分析如下:
  3.2.1 整体刚性支护
  主要包括全封闭钢支架支护、整体预制模板支护、现浇封闭钢筋混凝土支护等。事实上,随支护刚度增大,围岩压力随之增加;虽然支护承载力增加,但支护载荷并未降低,支护的变形和破坏状况没有得到改善。
  3.2.2 刚性支护加柔体垫层支护
  主要有圆料砌碹加可缩层和条带碹等形式。该方式为井巷围岩提供一定支护强度,并有一定可缩性。但由于砌体本身刚度较大,允许变形小,对软岩巷道围岩的大变形不适应;同时,该方式施工速度慢,工人劳动强度高。
  3.2.3 U型钢可缩性支架支护
  该法主要用于膨胀性岩层及断层破碎带支护。这种支架不仅有可缩性,而且有较高的初承力和支撑能力;作用在支架上的压力与围岩的移近量成反比关系,也就是说在一定条件下支架可缩后,支架上的荷载减小而且还会有调整和得到改善。但是,在使用过程中,U型钢可缩性支架的支撑能力经常得不到充分发挥。其主要原因在于:巷道掘进和支护工艺都不可避免地在支架背后形成不同尺寸的空穴,使支架的周边与巷道围岩出现不规则的点、线接触。围岩变形时,支架受到集中荷载和偏心荷载的作用而产生失稳变形, 支架受力状况恶化,使支架出现压弯、扭曲等变形而失效;而且随支架支护阻力要求的提高,钢支架的质量越来越大,钢材用量大,支护成本高。
  3.2.4 锚喷支护
  对于软岩巷道的支护,锚杆及其联合支护被认为是一种合理有效的方式。人们习惯将锚杆支护称为主动支护,其实并不是所有的锚杆支护都属于主动支护。主动支护与被动支护的区别并不在于支护类型,而在于支护体能否主动给围岩以预紧力。安装锚杆时,给锚杆施加足够的预应力,不仅可消除锚杆构件的初始滑移量,而且可为围岩提供一定预紧力,以降低围岩受拉截面的拉应力。
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