趙杰偉

(大同煤礦集團安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西 原平 034100)

0 引言

隨著礦井開采深度不斷加深，煤礦深部井巷工程需要承受的地應力、地溫、地下涌水等地質環(huán)境問題也將加重。破碎帶圍巖巷道、大變形松動軟圍巖巷道、三軟煤層巷道等典型的軟巖巷道數量不斷增多，復雜的地質環(huán)境常導致井巷支護困難。不恰當的支護方式無法維持軟巖巷道力學平衡，頂板下沉和底板底鼓導致井巷必須返修重新支護，下沉量過大又可能會使井巷廢棄。因此深部軟巖災害控制和井巷支護技術的研究無疑成為巖石力學領域的一個重點。目前，較為成熟的巖石力學理論和地下工程災害控制技術主要針對淺部工程和硬巖工程，本文通過分析針對深部軟巖工程的破壞機理，探討深部軟巖巷道的幾種支護方式。

1 軟巖井巷變形特征與平衡拱機理

1.1 軟巖井巷變形特征

根據對高應力軟巖圍巖穩(wěn)定性和變形機理的特征研究，其表現形式為3個方面。

圍巖變形量：受到例如全煤巷之類軟巖圍巖特性影響，井巷的破壞主要出現在頂底板以及兩幫，破壞程度都十分明顯，巷道斷面收縮率能超過80%以上，頂板垮落、嚴重底鼓和大面積片幫發(fā)生幾率也較高。

圍巖變形速率：均質的煤體圍巖受到的構造應力，水平方向大于垂直方向，因此即使表面的井巷平衡后流變趨勢仍存在，因此該類圍巖變形速度大。

圍巖變形時效：由于軟巖的流變性，其不可能達到穩(wěn)定性狀態(tài)，圍巖各個方向上的變形隨著時間緩慢變化，明顯的變形需要當構造應力在時間上積累到一定的程度，所以說軟巖的變形具有時效性。

1.2 軟巖平衡拱機理

大同煤田主采煤層為太原組、大同組2個煤系，煤層上部頂板、偽頂多層狀強度較低的泥巖、頁巖、砂質泥巖，有節(jié)理和裂隙發(fā)育。由于軟巖以泥質礦物為主，同時由于軟巖的力學和結構面特性存在可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等特點。軟巖的巖石特性在地應力作用下呈現出第三階段的蠕變突然加速，該階段呈現均速流變，再進行加速流變，變化趨勢呈現復雜高度的非線性。

傳統(tǒng)理論中認為巖體做為一個整體，其所受到地應力超過塑性階段就會形成失穩(wěn)巖體。但是實際井巷開鑿過程中圍巖發(fā)生塑性變形和斷裂后，承壓狀態(tài)下仍然保持承載能力，井巷圍巖變形、片幫和冒落到一定程度會與垂直應力平衡，圍巖呈現自穩(wěn)狀況，形成的理論被稱為“自穩(wěn)平衡現象”。井巷的頂板應力會隨井巷的開鑿而重新分布，垂直方向受到地應力會逐步減弱至零甚至出現相反懸拉應力，水平方向也會隨擠壓應力轉化為局部拉應力。井巷頂板受到的擠壓應力會在圍巖中形成“拱狀承載結構”，這種平衡狀態(tài)被稱為“自穩(wěn)平衡拱”，形成的理論被稱為“自穩(wěn)平衡拱理論”。在此理論中根據井巷的巖體受力狀態(tài)，由于在垂直方向受到拉應力可能存在冒落危險，水平方向受到剪應力的巖體單元體可能存在片幫等危險，并根據危害程度分為穩(wěn)定區(qū)、擠壓受壓區(qū)、易冒落區(qū)，如圖1所示。

圖1 巖體穩(wěn)定性分區(qū)

巖體的破壞狀態(tài)及應變隨應力變化趨勢，巖體隨應力作用達到殘余強度時出現細小裂紋，當應力繼續(xù)增加到屈服強度時會發(fā)生不可逆的塑性變形，巖體的塑性破壞階段的承載力會隨變形而下降，但還會具有承載能力，當到達破碎的強度極限會直接發(fā)生巖體破碎，如圖2所示。在研究出巖體的受力狀態(tài)，據確定巖體穩(wěn)定性區(qū)域確定錨桿支護參數和其他必備輔助支護方式，起到有效圍巖平衡狀態(tài)。

圖2 應力—應變曲線圖

1.3 平衡拱理論平衡方程

根據普氏的關于松散介質的壓力拱理論：井巷開鑿形成空腔后，井巷周圍的軟巖會成為松散狀巖體，頂板巖體由于巖石抗壓作用大于抗拉性時，會造成“自然平衡拱”。頂板壓力與兩幫的巖體形成的45°-φ/2的夾角處會形成2個自由滑動面，頂板處所承受的壓應力只剩余平衡拱內的巖石自重。

關于自然平衡拱的計算，可以根據圖3所示模型作為計算模型。在自然平衡拱模型中只剩余軸向壓力，而任意點坐標設為(x，y)。

(1)

圖3 模型計算模型

2 巷道失穩(wěn)分析及支護技術

2.1 巷道頂板與兩幫失穩(wěn)分析

井巷在破壞變形過程中，冒落會在巖體所受拉應力區(qū)域，井巷承壓過程會在頂板上存在拉應力為零的點形成一個接近橢圓型圓弧，也就是“自穩(wěn)平衡拱”。而在巷道頂板和自穩(wěn)平衡拱所包含的區(qū)間，這一部分區(qū)域巖體會呈現出拉應力。通常拉應力區(qū)是在巷道開鑿后呈現出來的，巖體頂板處的冒落碎塊基本存在這一部分區(qū)域的圍巖中，由于這種巖體受到的抗拉應力作用，這個就成為了應重點治理的危險源。根據井巷斷面、巖石圍巖性質和地應力等影響井巷支護的因素帶入到自穩(wěn)平衡拱模式中，推導出自穩(wěn)平衡拱曲線方程如下。

(2)

式中：W0—巷道原始寬度，m；P0—原巖應力，MPa；σ—抗拉強度，MPa。

2.2 巷道兩幫失穩(wěn)分析

巷道開鑿過程中會打破原有巖體的應力狀態(tài)，應力失衡，巖體會發(fā)生下沉或冒落，直到圍巖應力狀況重新平衡，而對井巷兩幫會產生裂紋，裂紋會延伸發(fā)育，承載能力會下降，兩幫發(fā)生片幫和冒落。如果不做好井巷兩幫的支護，兩幫的片幫會與頂板狀況相互影響，成為一個惡性循環(huán)：頂板受地應力彎曲變形，兩幫處受擠壓應力產生裂隙，裂隙擴展致使巖體碎裂，邊幫進一步擴展片幫、垮幫，兩幫處對巖體自身承載力下降，頂板整體承載力下降，頂板變形量加大，頂板支護狀況惡化會進一步惡化兩幫的支護狀況。巷道發(fā)生破壞的形式會受到圍巖巖性的特性和結構面特性影響，進而出現壓剪式、滑落式、劈裂式或橫拱式等不同形式的邊幫失穩(wěn)的地質災害。

2.3 軟巖支護技術

整體剛性支護：相對其他支護方式有效限制圍巖位移量，減少圍巖松動、滑動和破碎，能夠提拱圍巖的最小松動壓力，如全封閉鋼支架支護、整體預制模板支護、現澆封閉鋼筋混凝土支護等。但缺點也較為明顯，承載力雖然提高，但不適于大變形、大地壓軟巖，成本也較高，巷道斷面也較大。

剛性支護加柔體墊層支護：在剛性支護的基礎上增加了可縮層或條帶碹，與單純剛性支護相比，提高了一定的可縮性，但允許變形量有效，與剛性支護缺點相同，施工進度慢，相對投入較多且用工量大。

U型鋼可縮性支架支護：U型鋼可縮性支架提高了支護過程中可縮性和允許位移量，適用于對膨脹性巖層及斷層破碎帶的支護工作。相對于剛性支護有較好的初承力和支撐能力，使用過程中壓力會隨巖體位移下降而減弱，支架伸縮后可有效降低載荷。但缺點在于對材料使用量較多，成本過高。

超高強度錨桿：超高強度螺紋鋼錨桿與傳統(tǒng)錨桿、錨索支護方式相比，其抗屈服強度、抗破裂強度、支護阻力都是普通錨桿3倍，超高強度錨桿能進一步控制巷道圍巖離層、變形量和層理裂隙。

錨注支護：圍巖巖體強度低，松動范圍大，巷道開挖后頂板巖體易破壞，傳統(tǒng)支護方式不能使頂板成為圍巖形成完整受壓狀態(tài)的組合拱，錨注支護方式實現“錨注一體化”，注漿充填圍巖縫隙，同時錨桿作為注漿通道，同時利用錨桿提高圍巖強度和變形模量。

錨噴支護：屬于聯合支護方法之一，減少模板使用，同時利用噴層形成粘結作用，與巖體和噴層連接共同承壓，同時減少松散巖塊冒落，控制錨桿的初始滑移，提高圍巖預應力，適用于臨時和永久支護。

3 結論

(1)本文簡單分析了軟巖巷道變形量大、變形速率快、變形存在失效性的3種特征。

(2)對深部工程支護的自穩(wěn)平衡拱理論機理進行了分析，根據平衡拱理論對井巷支護中頂板承載能力計算和兩幫破壞形式的分析。

(3)分析了整體剛性支護、剛性加柔體墊層支護、U型鋼可縮性支架支護、超高強度錨桿、錨注和錨噴支護6種常用的軟巖支護方式的機理和特性。