软岩巷道支护技术综述
来源:用户上传
作者:
【摘 要】软岩巷道支护是煤矿巷道支护的难点和重点，文章对软岩巷道支护理论与支护技术在国内外的发展状况进行了综述。
【关键词】软岩巷道；支护；新奥法；松动圈理论；高预应力、强力支护理论
软岩巷道围岩强度低，结构松软，易吸水膨胀，因而巷道围岩变形大，易发生底鼓，软岩巷道支护是煤矿巷道支护的难点和重点。下面就软岩巷道的支护理论和技术在国内外的发展状况进行介绍。
1 新奥法
到了60年代，奥地利工程师L．V．Rabcewicz(腊布希维茨)在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法(New Austrian Tunneling Method)，简称为新奥法(NATM)，目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，L．Mttller(米勒)教授比较全面地论述了新奥法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。其中主要的是：
1.1 围岩是隧道的主要承载结构，初期支护和最终衬砌仅仅起封闭作用，其目的是在围岩中建立承载环或三维承载球壳。
1.2 如果要求用围岩来支护隧道，则必须尽可能维持围岩强度。因此，要尽可能防止围岩松动和大范围变形。松动和变形会引起围岩强度逐渐衰减，为了维持围岩强度，应根据时间和围岩应力变化，选择适当的支护手段。
1.3 为了选择最佳承载环结构，必须正确估计时间对围岩特性的影响(或对围岩与衬、砌共同体特性的影响)。为此，要求进行初期实验室试验，特别是洞内位移量测试验。其中最重要的参数是岩石类别、直立自稳时间及变形速度。
1.4 衬砌和永久支护必须是薄壳型，以减小衬砌受弯机会，从而减少挠曲断裂。其必要强度靠钢筋网、钢拱架和锚杆达到，而不是加厚衬砌或支护截面。
1.5 从应力重新分布考虑，最好的开挖方式是全断面掘进。
1.6 隧洞的主要承载部分是围岩。围岩的强度主要取决于单个岩块之间的摩擦力，因此，必须尽一切可能防止围岩的松动，保持围岩的原有抵抗力。
1.7 支护的目的是为了更好地发挥和促进围岩的承载作用，以及在岩体中建立承载环。
2 联合支护理论
联合支护技术是在新奥法的基础上发展起来的，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，特别是对于松软岩土围岩要先柔后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。
3 轴变论
我国于学馥教授在20世纪50年代提出“轴变论”理论，它是运用连续介质和静力学方法提出来的理论，其基本要点如下：
3.1 地应力是引起围岩变形破坏的根本作用力，所以强调把工程所处的实测地应力作为力学分析的前提条件。
3.2 从具体的应力和围岩应力研究围岩变形破坏规律。
3.3 不是所有的巷道都会出现像太沙基和普罗托吉雅夫理论所说的垮落拱。调整围岩应力分布状态可以使本来会破坏的巷道不破坏。
3.4 巷道垮落后的稳定轴比“高、宽之比”是有规律的，它决定于地层原始应力(地应力)的分布状态。
4 松动圈理论
松动圈理论是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩的裸露巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此，支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。
锚喷支护机理：根据围岩松动圈支护理论，锚喷支护的机理和支护参数应以松动圈的大小来确定。由于围岩松动圈产生过程中的碎胀力是支护的对象，因而可按分类表将其合并为3种情况，以理论方法确定锚喷支护的参数。
4.1 小松动圈支护机理。当L=0～40 cm时，称为小松动圈。当L=0时，意味着开巷后围岩只有弹塑性变形，其变形量小，变形时间短，因此不存在支护问题。
4.2 中松动圈支护机理。当L=40～150 cm时，称为中松动圈。围岩的碎胀力比较明显，围岩的收敛变形将使喷层产生裂缝或破坏，因此，必须用锚杆控制其变形。
4.3 大松动圈支护机理。当L>150 cm时，称为大松动圈，属软岩。L=150 cm是围岩松动圈支护理论划分为软岩的界线。该类岩石地压显现特征为压力大，2～3层料石碹常被压坏，围岩变形量大，变形时间长，支护不成功时底鼓严重。对于这类围岩，必须选用较强的支护才能防止底鼓。
5 高预应力、强力支护理论
21世纪初，我国煤炭科学研究总院的康红普等人提出了高预应力、强力支护理论。该理论主要针对高应力巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性提出。
5.1 理论要点
5.1.1 巷道围岩变形主要包括两部分：一是结构面离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等扩容变形，属于不连续变形；二是围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形，属于连续变形。由于结构面的强度一般比较低，因此开巷以后，不连续变形先于连续变形。合理的巷道支护形式是，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩不连续变形，保持围岩的完整性，同时支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有较大的连续变形，使高应力得以释放。
5.1.2 预应力锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，使围岩成为承载的主体。在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。
5.1.3 预应力锚杆支护系统存在临界支护刚度，即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系统提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于变形与不稳定状态；相反，支护系统的刚度达到或超过临界支护刚度，围岩变形得到有效抑制，巷道处于长期稳定状态。支护刚度的关键影响因素是锚杆预应力，因此，存在锚杆临界预应力值。当锚杆预应力达到一定数值后，可以有效控制围岩变形与离层，而且锚杆受力变化不大。
5.1.4 锚杆支护对巷道围岩石的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区整体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围岩的连续变形得以释放。
5.1.5 对于高应力巷道，应采用高预应力、强力锚杆组合支护，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。
5.2 该理论提出的锚杆支护形式和参数选择原则
针对高应力巷道条件，为了充分发挥锚杆主动支护作用，提出以下设计原则：
5.2.1 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护，以及巷道维修。
5.2.2 高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。
5.2.3 “三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度(如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度)、刚度(提高锚杆预应力、加长或全长锚固)，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。
5.2.4 临界支护刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护刚度，如果支护刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的刚度应大于I临界值。
参考文献
[1]李通林等.矿山岩石力学.重庆：重庆大学出版社，1991.
[2]范生魁，王月星.软岩巷道支护理论与应用.河北煤炭，2009（4）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-3474598.htm
