关于软岩巷道变形特征及其支护技术的探讨

关于软岩巷道变形特征及其支护技术的探讨

【摘 要】随着开采深度的增加，软岩巷道面临的问题日渐突出。文章首先阐述了软岩的分类和软岩的特征，然后对软岩巷道的变形特点和影响因素进行了分析，最后在此基础上提出了软岩巷道的支护对策。

【关键词】软岩；巷道；支护技术

近年来，随着矿山开采深度的增加和范围的扩大，不稳定及极不稳定围岩与日俱增，特别是部分开采时间较长的矿井，都存在着软岩巷道支护问题。部分或全部布置在软岩中的巷道易失稳变形破坏，表现为底鼓，两帮内挤出现折帮，顶板由于断裂、离层而造成掉顶或冒顶等，传统的支护方式已经满足不了生产的需要，造成巷道维护困难，失修严重，多次维护成本高，矿井生产效率低下。为此，需充分理解软岩巷道变形的机理及支护原理，采取合理的支护措施并选择合理的采矿方法，以保证矿山的安全生产。

1 软岩分类及特征

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，以及在工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：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。软岩有别于硬岩而独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可塑性，岩石强度急剧降低，在无控制条件下失去自身支承能力。

（2）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、力学等因素作用下发生鳞片状解体。

（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关。

（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。

2 软岩巷道变形破坏特点及其影响因素

2.1 软岩巷道的变形特点

（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。

2.2 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。

2.3 影响软岩巷道变形的主要因素

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。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。

3 软岩巷道的支护对策

3.1 提高围岩自稳能力

巷道上覆岩体重量引起的自重应力主要是由巷道围岩承受的，支架只承受一小部分。因此，应重视改善围岩的力学性质，提高围岩的自稳能力。改善围岩力学性质的主要措施是提高岩体的力学指标，包括提高岩体抗拉、抗压强度和弹性模量，提高岩体的粘结力和内摩擦角等。为了达到这些目的，可采用封闭围岩暴露面、安装锚杆、向岩体内注浆以及支架壁后填充等方法。锚杆对提高岩体强度，特别是提高岩体屈服后的抗剪强度有明显的作用。它能把各种断裂面所切割的岩块联结成整体，又可给围岩表面施加正应力和围岩内部形成“预应力承载层”，这是与其它支护形式的本质区别。

3.2 软岩巷道支护的三项关键技术

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：（1）正确的确定软岩变形机制的复合型；（2）有效的将复合型转化为单一型；（3）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。

3.3 注意控制底鼓

（1）底板防治水

水是导致软岩巷道底鼓的重要因素。正确疏导顶板、两帮淋水及施工用水，及时排掉底板积水，及时封闭围岩，避免底板反复受到水的浸泡，是防止底鼓的有效方法。在掘进过程中应及时砌筑水沟，将水沟设置在巷道的下帮。对局部顶板、两帮淋水大的地点应设置相应的集水及导水设施。

（2）注浆锚固底板

在已破坏的底板打锚注杆，通过锚注杆上的若干个小孔将浆液注入岩层破碎面。浆液凝固后将已破碎的岩层重新粘结为整体，从而可部分或全部恢复岩层的

原始强度，提高底板的承载能力，减少巷道底鼓。浆液也会封堵底板岩层的裂隙，使之与空气隔绝，防止因风化、浸水而造成膨胀和强度降低。

3.4 巷道支护时间的优化

软岩巷道掘进后应尽早喷射薄层混凝土、封闭围岩，以防止吸水、潮解风化，进一步保护围岩。然后打锚杆或加金属网、复喷、架可缩金属支架等，及时构成有足够支护抗力又有足够的柔性及可缩性的一次支护。

一次支护后应加强对围岩与支护变形的监测。如位移速率始终较大、不足以使围岩由急剧变形转化为缓慢稳定变形时，说明一次支护抗力不足，应采取相应补充加强措施，如补打锚杆、加密可缩支架等。一次支护的喷层可能发生开裂，亦属正常现象，只须采取多次复喷、薄喷即可。

4 结语

软岩巷道由于其岩石的特殊性而对巷道施工和维护造成了很大影响。但只要正确理解和应用软岩支护理论，把软岩巷道支护技术大胆地应用到实践中去，软岩巷道掘进的技术难题还是能够给予充分解决的。软岩巷道支护是一个复杂而又细致的工作，合理的软岩支护技术具有成本低效果安全可靠等特点。锚注支护是国内软岩及动压巷道支护的新的有效途经。

参考文献：

[1]何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].科学出版社，2002.

[2]张居仁，王晓伟，魏国山.浅谈软岩巷道支护[J].黑龙江科技信息，2010（5）.