高应力软岩巷变形破坏特征及稳定性控制分析研究Word格式文档下载.docx
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因此，国内外的专家学者对于软岩的涵义尚且没有一个同一的认识。
1981年9月，国际岩石力学协会委托日本岩石类型协会召开了“国际软岩研讨会”；
1984年12月，我国煤炭部矿山压力情报中心站、《煤炭学报》编辑部、中国煤炭学会岩石力学专业委员会联合发起“煤炭矿山压力名词讨论会”，集中了国内矿山岩石力学方面的专家学者，在昆明市专门讨论了软岩的定义；
1990年9月，在英国利兹<
Leeds）大学召开了“软岩工程地质”的学术讨论会，国际上著名岩石力学权威J.H.阿特金森<
Atkinson）、M.E.巴顿<
Barton>
和E.霍克<
Hoek）参加了这次学术讨论会；
1996年8月，我国煤炭工业部在龙口市召开了全国煤炭软岩工程学术讨论会，出版了《中国煤炭软岩巷道支护理论与实践》论文集，总结了十多年的软岩工程经验。
从上述的文献中可以看出，人们对于软岩的研究程度已经有了长足的进展，但是与实际需要之间仍然存在着很大的差距，就连软岩的命名和概念，国内外仍然没有一个统一的意见，往往出现同名异岩或者同岩异名的混乱现象，尤其是对于软岩的定义众说不一，给对于软岩的深入研究带来了很大的困难，因此，很有必要对此进行深入的研究与探讨。
通过原煤炭部软岩专家组、煤炭软岩工程技术研究推广中心的有关专家的深入研究探讨，对软岩的概念进行了定义，并且对其属性进行总结和加以分类。
2、软岩的分类
2.1岩体的分类大都要考虑岩石强度和岩体的完整程度，这是决定各类工程岩体稳定性的两项基本的共性因素。
因此根据主要影响因素和工程岩体分级国家标准所依据的岩石坚硬程度<
岩体单轴饱和抗压强度Rc>
和岩体完整程度<
岩体完整性指数Kv）这两个各类工程岩体稳定性的基本共性因素，将软岩分为5类，即软弱型软岩、破碎型软岩、高应力型软岩、软弱破碎型软岩、膨胀性软岩。
2.1.1软弱型软岩：
岩块强度低，岩石完整性较好，岩体单轴饱和抗压强度Rc小于30MPa,岩体完整性指数Kv小于0.55大于0.15。
2.1.2破碎型软岩：
岩体完整性差，岩块强度较高，岩体单轴饱和抗压强度Rc大于30MPa小于60MPa，岩体完整性指数Kv小于0.15。
2.1.3高应力型软岩：
岩块强度较高，岩体完整性差，具有很高的应力或采动应力，岩体单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv满足条件：
260>
3Rc+250Kv>
160。
2.1.4软弱破碎型软岩：
岩块强度低，完整性差，岩体单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv满足Rc<
5Kv<
0.15。
2.1.5膨胀性软岩：
膨胀性矿物和地下水。
2.2软岩可分为地质软岩和工程软岩两大类别。
2.2.1地质软岩
按地质学的岩性划分，地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。
该岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。
国际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度在0.5MPa到25MPa之间的一类岩石，其划分依据基本上是依据强度指标。
该软岩定义用于工程实践中会出现矛盾。
如巷道所处深度足够的小，地应力水平足够的低，则小于25MPa的岩石页不会产生软岩的特征；
相反，大于25MPa的岩石，其工程部位足够的深，地应力水平足够的高，页可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。
因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故而提出了工程软岩的概念。
2.2.2工程软岩
工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。
不仅强调了软岩的软、弱、松、散的低强度的特点，而且强调软岩所承受的工程力载荷的大小，强调从软岩的强调和工程力载荷的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性质。
该定义的主题词是工程力、显著变形和工程岩体。
工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。
工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，他可以使重力、结构残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等。
显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的变形值并影响了工程的正常使用，显著塑性变形包含显著地弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。
按照产生显著塑性变形的机理，工程软岩又可分为四大类，即膨胀性软岩<
又称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。
根据高应力类型的不同，高应力软岩可细分为自重应力软岩和构造应力软岩。
前者的特点是与深度有关，与方向无关；
而后者的特点是与深度无关，而与方向有关。
高应力软岩根据应力水平分为3级，即高应力软岩、超高应力软岩和极高应力软岩<
表1）。
高应力软岩分级 <
表1）
级别
应力水平/MPa
高应力软岩
25～50
超高应力软岩
50～75
极高应力软岩
>
75
三、软岩巷道分类及支护
根据软岩结构力学特点，岩体是由岩块<
结构体）和结构面<
节理、裂隙、裂缝等）组成的结构体。
由于组成岩体的岩块强度和结构面特性不同，不同类型软岩巷道围岩变形规律各不相同，实践中应根据不同类型软岩巷道围岩变形规律、失稳规律确定其支护原则和支护方案。
3.1软岩巷道分类
3..1.1软弱型软岩巷道
软弱型软岩的变形以岩块变形为主，结构面的影响比较小。
由于软弱型软岩的岩块强度很小，所以这类软岩巷道破坏机理以塑性变形和流变变形为主，巷道变形的特点是变形持续时间较长、变形速度居高不下、变形量大，表现为明显的流变变形特征。
软弱型软岩巷道破坏形式主要有持续性的挤压流动性底鼓、大变形量的顶板及两帮收敛变形。
3.1.2破碎型软岩巷道
破碎型软岩的变形时由岩块变形和结构面变形两部分组成的。
所以这类巷道变形以松动塌落变形和流变变形为主。
破碎型软岩巷道破坏形式主要有顶板冒落、两帮片落鼓折、大变形量的顶板及两帮收敛变形。
3.1.3高应力型软岩巷道
高应力型软岩巷道在岩块强度较高时，变形破坏以松动塌落为主，具体形式有冒顶、片帮；
在岩块强度较低时，变形破坏以流变变形为主。
高地应力区软岩巷道的主要破坏形式有大变形和岩爆两种。
当变形量很大且延续时间很长时，就产生了持续不断的破坏以致深入到围岩内部，使围岩塑性区逐渐增大造成硐室大规模坍塌，因此，巷道围岩破坏具有明显的时效性。
为了防止岩体破坏，支护作用必须控制持续不断的变形和破坏，并维持巷道的稳定。
3.1.4软弱破碎型软岩巷道
软弱破碎型软岩兼有软弱型与破碎型软岩变形的特点，破坏机理十分复杂，表现强烈的流变变形特性。
软弱破碎型软岩巷道具体变形形式有来压迅猛、持续高速流变变形。
3.1.5膨胀性软岩巷道
泥岩或泥质胶结页岩、砂岩由于内含蒙脱石、伊利石等膨胀性粘土矿物，在此类地层中修建的建筑物由于围岩的膨胀性变形而产生许多病害。
膨胀性软岩巷道变形以膨胀和流变变形为主，围岩变形量大持续时间长，极易坍塌。
3.2支护原则和支护方案
根据以上不同类型软岩巷道的划分及其变性特征、变形机理等分析，确定不同类型软岩巷道的支护原则和推荐的支护方案<
表2）。
不同类型软岩巷道的支护原则和推荐的支护方案表<
表2）
类别
软岩类型
变形机理与特征
支护原则
一次支护推荐方案
I
软弱型软岩
巷道变形以塑形和流变变形为主，破坏形式主要有持续性的挤压流动性底鼓、大变形量的顶板及两帮收敛变形
高强度支护，适当让压，全封闭支护结构
锚喷网加可缩性金属支架；
锚注支护加喷射混凝土和金属网
II
破碎型软岩
巷道变形以松动塌落变形和流变变形为主，破坏形式主要有顶板冒落、两帮片落鼓折、大变形量的顶板及两帮收敛变形
加固岩体结构面，提高岩体整体强度；
高强支护，适当让压
III
高应力型软岩
在岩块强度较高时，变形破坏以松动塌落为主，具体形式有冒顶、片帮；
在岩块强度较低时，变形破坏以流变变形为主
卸压；
支护强度较高
锚注支护加喷射混凝土和金属网；
组合锚杆、金属网加喷射混凝土；
锚喷网加可缩性金属支架
IV
软弱破碎型软岩
表现强烈的流变变形特性，软弱破碎型软岩巷道具体变形形式有来压迅猛、持续高速流变变形
超高强度支护；
加固岩体；
全封闭支护结构
高强度喷网加高强可缩性金属网
V
膨胀性软岩
巷道变形以膨胀和流变变形为主，围岩变形量大持续时间长，极易坍塌
封闭围岩表面；
高阻限制让压；
高强锚喷网加高强可缩性金属网
四、高应力软岩巷道
4.1围岩变形特点
高应力软岩（HighStressedSoftRock,简称H型>
是指在较高应力水平（>
25MPa>
条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体。
这种软岩的强度一般高于25MPa,其特征是泥质成份较少,砂质成分较多,如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。
其工程特点是在深度值不大时,表现为硬岩的变形特征。
当深度加大至一定值时,就表现为软岩的变形特性。
也就是,在地表浅部或低地应力环境时,岩块显示出较坚硬岩特征。
在高地应力环境中,当围压较高时,岩体尚具有较高的强度和模量（弹性模量或变形模量>
当围压较低时,工程岩体则表现出软岩特征。
深部岩石所处的环境、岩石的力学性质与浅部岩石的力学性质有很大的不同。
深部巷道围岩变形特点概括起来为:
围岩变形量大,巷道围岩变形速度快、塑性变形增大。
巷道持续变形、流变为深部巷道变形的主要特征。
4.2_围岩变形因素分析
深部围岩与浅部围岩所处的环境不同,影响两类巷道围岩稳定的因素也不尽相同。
影响深部围岩变形的因素概括起来说有两大方面:
自然因素和人为因素。
自然因素包括围岩的性质、地质构造、地应
力、水化、地温和时间等因素,人为因素包括开挖掘进和采动等因素。
4.3巷道破坏原因初步分析
巷道的破坏是各种因素综合作用的结果。
经分析后认为,影响巷道稳定的因素主要包括岩性、围岩裂隙与地下水、深部高应力与支护结构和参数等。
4.3.1岩性劣化
在煤顶、底板岩层中,顶板主要为砂页岩、泥岩,底板为粘土岩、页岩、细砂岩等。
其中泥岩、粘土岩等岩石的强度较低,在风化和水的作用下会软化、泥化和膨胀,从而显著降低岩体的强度和承载能力,加剧巷道的变形和底腻。
尤其是粘土岩,强度极低且其内部含有腻胀性极强的蒙脱石等矿物成分,瞰胀率高达200%——300%,在二次浸水的情况下,变形极其严重威胁着巷道的稳定。
4.3.2围岩裂陈和地下水作用
煤顶板主要为砂质页岩裂隙发育且回采巷道多处穿越次生小断层由于断层的存在,造成一定范围内的围岩裂隙极其发育,且在深部高应力作用下围岩发生破坏,又成较大范围内的围岩进一步生成裂隙,使得围岩岩体强度大大降低,加剧了围岩的风化,加大了作用在支护结构上的松散压力和变形压力,造成巷道的严重变形破坏。
再者,断层及裂隙的存在使回采后大量地下水渗透到煤层底板岩层中,造成围岩软化、岩体强度降低,使得支护结构的承载能力显著下降,并
导致围岩塑性区范围的扩大,使围岩产生泥化和流变现象,引起巷道产生剧烈底服、顶板下沉和两帮内挤,造成支护结构的全面破坏因此围岩裂隙和地下水是影响巷道稳定的重要因素。
4.3.3深部高应力
四水平回采巷道埋深大多在650——700m之间,在静压作用下,其垂直主应力为17.5MPa.而煤附近围岩强度为25——35MPa,围岩定性系数为0.7——0.5。
可见,当巷道全部或部分处于岩性较差的岩层中时,静压也会使巷道发生严重的变形破坏而处于不稳定状态。
4.3.4支护结构与参数不合理
锚杆支护是一种主动支护方式,但围岩松动后易造成整根端锚锚杆失效,且单一锚杆支护允许的极限变形量很小,当围岩变形量达100——150mm时,支护结构就易失效。
而工字钢棚支护属于被动支护方式,不能充分利用围岩自身的承载能力进行主动支护,也就不能有效地限制围岩裂隙的发展及防止围岩的风化、泥化、碎胀和胀。
因此,支护形式选择不当或没能充分发挥支护所特有的性能,也会成巷道的严重破坏。
4.3.5巷道底板稳定性差
在巷道治理中对巷道的角和底板一直没有采取有效的支护措施,因此当巷道顶、帮压力较大时,由于压力传递易造成巷道底板中的应力集中,从而使得巷道底板产生塑性变形,出现底朦,进而直接影响巷道顶、帮的稳定,产生顶板下沉和两帮内挤。
且地下水通过巷道底板裂隙渗透到底板深部,造成底板围岩的软化、泥化及膨胀,进一步降低了底板岩层的承载能力,加剧了底板的变形,造成巷道支护结构的全面破坏。
五软岩支护理论与方案
5.1支护原理
软岩巷道支护原理可以表示为:
Pt=Pd+Pr+Ps,（1>
式中:
Pt——巷道开挖后,围岩向巷道区运动的合力,包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等。
Pd——以变形形式软化的工程力,可以包括与时间弹塑性转化无关、与时间有关的粘弹塑性和膨胀力的转化。
对于软岩来讲,主要是塑性能以变形的方式释放。
Pr——围岩自撑力。
Ps——工程支护力。
式（1>
反映,巷道开挖后引起的围岩向巷道区运动的合力Pt并不是纯粹由工程支护力Ps全部承担,而是由三部分共同分担。
PS首先由软岩的弹塑性能以变形的方式释放一部分,亦即PT的一部分转化为岩体形变。
其次,Pr承担一部分。
如果岩体强度很高,Pr>
Pt-Pd则巷道可以自稳。
对于软岩,Pr较小,一般Pr<
Pt-Pd,故巷道要稳定,必须进行工程支护,即加上Ps。
为求工程稳定,通常（Ps+Pr>
值要大于（Pt-Pd>
值。
一个优化的巷道支护设计应该同时满足Pd∀Max、Pr∀Max、Ps∀Min。
实际上,要使Pd∀Max,Pr就不能达到最大。
要使Pr∀Max,Pd就不能达到最大。
要同时满足Pd∀Max、Pr∀Max达到最大,关键是选取变形能释放的时间和支护时间。
5.2_国内外简况
松碎、软弱、膨胀及风化等岩层统称为软岩,这种岩层很不稳定,矿压显现明显。
在软岩中开挖巷道往往存在大变形的问题,如顶板下沉、底臌、两帮的流变等,有的达到几十厘M、甚至达到几M。
软岩巷道支护问题,是世界各国采矿界面临的一个普遍性技术难题。
西欧一些国家以新奥法的理论为基础,采用不同断面的矿用型钢设计刚性或可缩性金属支架,来解决困难条件下的巷道支护问题。
俄罗斯、波兰、土耳其等一些产煤国家仍在采用各种不同类型的金属支架来处理巷道的支护问题。
这些支护方式存在诸多局限性,一是不能从根本上解决困难条件下的巷道支护问题。
二是施工复杂、巷道支护破坏后再修复就更为困难。
三是巷道支护成本高。
美国、澳大利亚、南非等国则主要采用以锚杆为主体的支护体系,包括高强、超高强锚杆、全长锚固锚杆、组合锚杆、锚桁架等支护形式,继锚杆之后,又推出了锚索来进一步提高支护材料的强度和锚固着力点的深度。
随着开采深度逐年递增,深部高应力软岩巷道支护难度越来越大,对原有的锚杆支护体系提出了新的挑战。
近年来,锚索支护技术已成为我国深部软岩巷道支护的重要技术之一,其特点是能把深部围岩调动起来和浅部围岩共同作用,控制围岩的稳定性。
5.3支护原则
5.3.1支护总原则
充分利用围岩自稳性。
5.3.2制顶先制帮
维护好两帮，可有效提高顶板的稳定性，降低顶板控制难度。
5.3.3制帮先制底
底鼓会造成两帮不稳，进而引起顶板不稳，极限平衡拱扩大，因此，必须重视地板控制。
5.3.4肩脚是关键
现场往往忽视巷道两肩和两帮底结合部，而两肩支护，上控制顶板，下控制两帮；
两帮脚支护，上控制两帮，下控制底鼓，这是支护的关键区。
5.3.5整环支护
锚杆支护是系统工程，必须形成底板—两帮—顶板的整环控制。
5.3.6减少扰动，分区支护，整体控制
复修巷道围岩松碎，应减少对围岩的扰动，采取分区加固，缩小不稳定区，降低支护难度，提高安全性，最终形成整体控制。
六、小杰
随着矿产开采深度的增大，深部高应力软岩巷道工程支护成为世界性的难题之一，对于高应力软岩巷道破坏变形特征进行研究，找到一个良好的稳定性控制方法，具有十分重要的意义。
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