深部软岩巷道支护研究
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作者: 柯磊
摘要：本文研究了深部软岩巷道支护，对深部高应力软岩巷道支护存在的主要问题和特点进行了分析，并提出了相关对策。
关键词：深部软岩；巷道支护；高应力；对策
软岩巷道的变形破坏特性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控制。软岩工程是一门实践性、经验性很强的科学技术。其发展基本上是在工程实践中首先开展支护技术的工程试验研究，进而在总结工程经验的基础上通过对支护结构与围岩相互作用机理的研究，上升到理论与实践的高度而发展起来的。
1、深部高应力软岩巷道支护存在的主要问题
深部软岩巷道支护问题，尤其是深部复杂软岩回采巷道的支护问题，是矿业工程中的一大顽疾。以往对深部软岩巷道的控制问题，在理论认识和支护方法上存在一定问题，主要表现在以下几个方面：
（1）围岩变形破坏机理。支护是一个过程，要使这一过程与围岩变形过程相协调，必须充分而深入地研究围岩的变形机理，只有在此基础上，才能选择适当的软岩的支护时机、支护型式以及确定合适的支护参数。
（2）支护对策。深部软岩巷道与一般软岩巷道变形破坏特征不同，应采取适应于深部软岩的支护对策。
（3）支护参数。支护参数选择是影响巷道稳定性的一个非常重要的因素。以往对支护参数的选取基本上采用工程类比法。当工程地质条件简单，此法基本满足要求；当地质条件复杂，是不能满足要求的，再加上目前很少有深部高应力软岩巷道支护成功事例，无法进行工程类比。
对于深部高应力软岩巷道，采用常规的锚喷支护、U型钢支架等难以控制深部高应力围岩软化等引起的过量变形与破坏。其问题所在主要有以下几个方面：
（1）围岩自承圈厚度小。常规支护多采用端锚锚杆，其所形成的围岩自承圈厚度较小，一般情况，锚固后围岩的自承圈厚度约为0.6m，远小于锚杆杆体长度，造成锚杆的浪费，同时难以抵抗较大的围岩压力。
（2）初期支护刚度过大。巷道开挖后由于围岩应力重新分布和发生变形而对支护体产生较大的压力，它与支护体的刚度有较大的关系，支护体的刚度越大，其抵抗围岩压力越大。如果支护刚度偏大，则不能适应巷道开挖初期变形速度快，变形量大的特点，进而导致巷道围岩支护变形不协调而发生破坏。
（3）围岩表面约束能力差。由于高应力或构造应力的影响，使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区，破碎区的发展导致围岩自承圈破坏。对于深部高应力软岩巷道，采用普通的锚网（铁丝网）喷支护时，由于喷体强度相对较低，对围岩约束能力差，不能有效地扼制围岩的局部破坏和破碎区向纵深发展，进而导致围岩破坏。
（4）仅1次锚网喷作为巷道的永久支护不符合深部高应力软岩巷道地压显现规律。深部巷道开挖后，表现为地压大，变形持续时间长等特点，1次支护往往难于奏效。
（5）开放式支护结构不适应深部高应力软岩巷道地压要求。对于深部高应力软岩巷道，围岩变形量一般较大，由于是开放式支护，底板未加处理致使发生很大的底臌，在拉底的同时巷道两帮发生进一步的松动，两帮底角发生破坏，导致巷道的支护状况恶化，巷道失稳。
（6）锚网喷支护结构不合理。在锚网喷支护中，现场一般习惯于先安装锚杆挂网，后喷射混凝土，这样一来，金属网的位置处于混凝土的内层，不利于金属网的抗拉性能和混凝土抗压性能的发挥。
2、深部软岩巷道变形破坏的特点
实践和各种分析结果证实，深部高应力软岩巷道围岩变形破坏具有以下特征：
（1）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米以上，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。
（2）初期变形速率大并有明显的时间效应：巷道开挖后，主要表现为初始变形速度很大，在高应力的作用下，变形趋向稳定后仍以较大的速度产生流变，且持续时间很长，具有明显的时间效应。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。
（3）围岩变形有明显的空间效应：对于高应力软岩巷道工程，巷道所在的深度不仅对围岩变形和稳定状态有明显的影响，而且影响程度很大。埋藏深度越大，即使围岩强度较高，其破坏程度也会很大，维护也十分困难。
（4）伴随有两帮的剧烈位移。
（5）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、支架折损失效、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、深部高应力软岩巷道支护对策
由以上分析可知，对于深部高应力软岩巷道，常规的支护方法和单一措施都不能满足工程的实际需要，必须根据其原因采取相应的支护对策：
（1）加强网的强度和刚度，或在局部薄弱环节，增加锚梁支护，以增强围岩表面约束能力，限制破碎区向纵深发展。
（2）适时进行二次支护且二次支护适当地增加锚索的强度，如适当加长锚杆，增加托梁、钢带等，以保证初期支护具有一定的柔性，在巷道不失稳的前提下，允许围岩有较大的变形，让其充分地释放能量。同时，支护体后期要有足够的强度和刚度来有效控制围岩与支护的过量变形。
（3）实现深部高应力软岩巷道厚壁支护。一是采用全长锚固全螺纹钢等强锚杆，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；二是进行锚索加固，由于锚索长度较大，能够深入到深部较稳定的岩层中，锚索对被加固岩体施加的预紧力高达200KN，限制围岩有害变形的发展，改善了围岩的受力状态，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁支护；三是改变支护结构，在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖成反底拱形并锚喷（梁）支护，从而形成完整的、封闭的支护整体。
（4）减少围岩的破坏，增大围岩的强度，提高围岩自承能力。一是推广光面爆破，减少围岩震动，控制围岩环向裂隙，尽量保持围岩的整体强度；二是尽量保持巷道周边的光滑平整，避免产生应力集中；三是采用膨胀材料充满锚杆孔，形成全长锚固。
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作者简介：柯磊，1987年06月出生，助理工程师，河南信阳人， 2010年01月毕业于安徽理工大学，现任职于团柏矿生产科技术员。
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