软岩工程实用加固技术研究可研报告之欧阳体创编.docx

1、软岩工程实用加固技术研究可研报告之欧阳体创编关于软岩工程实用加固技术研究可研报告一、时间：2021.02.03创作：欧阳体二、项目背景和必要性二、项目实施阻碍因素三、软岩加固在国内外发展现状 四、项目实施技术极其分类一、项目背景和必要性由于深部岩体处于复杂的工程地质环境，使得深部岩体表现出的力学特性与浅部开采时往往具有很大的差异，并且，随着开采深度的增加，伴随着硬岩矿井向软岩矿井的转型。在浅部开采基础上发展起来的传统加固理论、设计方法及技术已经难以适应深部巷道加固的要求，尤其是深部软岩巷道加固涉及及实际的需要。 随着开采深度不断增加，受高应力的影响，软岩问题愈加严重，深部围岩处于软岩状态，施工

2、条件趋于复杂化，巷道及硐室加固的难度和劈坏程度不断增加。底臌是煤矿巷道中经常发生的动力现象，巷道底臌使断面缩小，阻碍运输、通风和人员性能走，因底臌而造成巷道报废的现象时有发生。严重影响生产和威胁安全。软岩巷道加固问题日益突出。研究高效而经济的软岩巷道加固方法，是目前矿井生产急需解决的问题。软岩是我国煤炭系统的习惯用语。它的概念已不是狭义的字面含义。目前人们普遍认可的软岩包括松散型软岩、破碎型软岩、流变型软岩、膨胀型软岩和高地应力型（硬岩软化型软岩）。而软岩多松散破碎，结构疏松，容重低，孔隙率较高，强度小，稳定性差，并且易吸水崩解，膨胀性强。因此，软岩巷道自稳性差，围岩压力大，来压快，自稳时间短

3、，变形量大且持续时间长，速度快，范围广，具有很大的危害。因此，如何能够很好的加固软岩巷道，是中国也是世界煤炭业的一个重要课题。二、项目实施阻碍因素目前，软岩加固还有很大的困难，如果这些困难不能够得到解决，就很难实施加固工程。造成软岩巷道地压显现剧烈，加固困难的原因有很多方面，其中主要有以下几点。1、岩层成岩年代晚，胶结程度差 我过软岩矿区主要分布在开采新生界第三纪褐煤和开采中生界上侏罗纪的褐煤矿区。这些矿区煤层顶底板岩石都非常松软破碎，易风化，因此怕风，怕水，怕展。2、岩石强度低 煤矿软岩多为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩等，单向抗压强度都比较低。由于岩石强度低，表现在围岩松散、软弱，在中等或稍高应

4、力水平状态下就能产生较大的围岩变形，加固困难。3、节理发育，岩体破碎 有些矿区，虽然岩石强度很高，但由于节理比较发育，岩体破碎，加固也十分困难。所以，在岩块强度高的节理化地层中，也可能表现出软岩特征。4、围岩应力水平高 岩石强度低是形成软岩的重要因素，但这只是问题的一个方面。岩石强度的高低是一个相对的概念，它与地应力紧密相联。如果岩体强度低，但地应力绝对值也低，就表现不出软岩特征。围岩应力水平高，表现在三个方面： 1）巷道埋深大 随着开采深度的增加，一些原本稳定性好的围岩也显现出软岩的特征； 2）构造应力大 3）集中应力作用 连接处巷道、受邻近巷道掘进影响的巷道等，其围岩均承受一定的集中应力，

5、从而使围岩由稳定状态过渡到软岩状态。5、岩石吸水膨胀 遇水膨胀地层，多含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分，亲水后产生显著的体积膨胀，巷道开挖在这种软岩地层中，若治水措施不当，极难加固。因此，若想要对软岩能够进行有效的加固，就必须先对上述的问题进行分析和解决。三、软岩加固在国内外发展现状 新奥法 20世纪60年代，奥地利工程师在总结前任经验基础上，提出一种心的隧道设计施工方法新奥法，目前已经成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，米勒教授曾较为全面地论述了这种方法的基本指导思想和主要原则，并且将其概括为22条。1980年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为：一在岩体或土体

6、中设置的使地下空间的周围岩体城一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。其核心是利用围岩的自撑作用来支撑隧道，促使围岩本身变为加固结构的重要组成部分，使围岩与构筑的加固结构共同形成为坚固的支撑环。新奥法既不是单纯的施工方法，也不是单纯的加固方法，而是充分利用和调动巷道围岩强度与自身承载能力，按岩石力学、围岩加工共同作用原理制定的一套地下工程涉及、施工、加固、监测新概念。它是先用工程类比法确定第一次锚喷的参数，随之进行围岩的监控量测。经过量测信息反馈来调整加固参数。利用现代岩石力学中围岩与支架共同作用的理论，利用一次加固的变形、手链以至局部开裂来释放围岩中的部分能量，延续一段时间后，再用二次加

7、固补强，来解决一般的软岩加固问题。新奥法必须重视加固过程中的监控量测，将涉及、施工、量测结合起来，这是国际上新奥法的精髓。量测采用现代测试技术收敛计对围岩变形和支架受力进行量测。新奥法使用于各种地质条件的岩层及任何形状大小的巷道断面。用新奥法进行巷道掘进，可以保证质量，保持稳定性，延长巷道的使用寿命，降低施工费用，还可以减少20%的巷道掘进量，实属一种良好的软岩巷道加固方法。 应变控制理论日本山地宏和樱井春辅提出了围岩加固的应变控制理论。该理论认为隧道围岩的应变随加固结构的增加而减少，而容许应变则随加固结构的增加而增大。因此，通过增加加固结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围内。加固结构

8、的涉及则是由工程量测结构确定了对于应变的加固工程的感应系数后确定的。 能量支护理论萨拉蒙等人提出了能量支护理论，认为加固结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，加固结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。一二年，主张利用加固结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和加固体吸收的能量， 加固结构具有自动释放多余能量的功能。 轴变论和开挖系统控制论于学馥等人于1981年提出轴变论，认为巷道塌落可以自行稳定可以用弹性理论进行分析围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的塌落是改变巷道轴比，导致应力重分布。应力重分布的特点是高盈利下降、低应力上升，并向无拉力和均匀分布发展，直到稳

9、定而停止应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为椭圆形。近年来，于学馥等人运用系统论、热力学等理论提出-开挖系统控制理论，开挖干扰了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。 联合支护技术该技术是在新奥法基础上发展起来的，以冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉为代表。重要观点为对于巷道加固，一味强调加固刚度是不行的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定加固。 锚喷-弧板支护理论该理论是对联合支护理论的发展，其要点为对软岩总是强调放压是不行的，让压后要坚决顶住，即强调联合支护理论的先柔后刚的刚性支护行事，坚决限制围岩向中空位移。 松动圈理论该理论是董方庭教授提出的，其主要内容凡是裸体巷道，其围岩松

10、动圈都接近于零。此时巷道围岩的弹塑性虽然存在，但并不需要加固。松动圈越大，收敛变形越大，加固厚度就越大。因此，加固的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。 关键部位藕合组合支护理论该理论是中国矿业大学北京校区何满朝教授提出的，认为地下工程的破坏是由于加固体与围岩在强度、刚度、结构上存在不藕合造成的，巷道的加固应该从其变形力学机制入手，对症下药。复杂巷道加固应分为两次加固，一次加固为柔性加固，二次加固为关键部位的藕合加固。 围岩动态工程分类理论该理论从基于诊断具体巷道围岩的结构组合及应力环境下巷道的破坏形式和特点出发，对巷道围岩破坏演化规律进行分析，最终实现面向巷道围岩不同部位有针对性的定

11、量控制。此外，还有高强度弧板支护理论、位移反分析理论、软岩工程地质力学理论、极限跨度及平衡理论、灰色系统决策理论、优化理论等。由上述分析可以看出，影响较大、自成体系的主要是新奥法，即新奥地利隧道施工法。20世纪60年代中期诞生以来，新奥法在很多国家得以成功应用。20世纪70年代被介绍中国后，按该原理要求组织的许多工程取得了良好的技术经济效果。目前，国内外让un眼先到加固普遍是遵循新奥法的基本原理和方法。事实上，新奥法已经成为具有世界声誉的隧道加固技术。我国软岩巷道加固技术的研究大体上是遵循新奥法的基本原理展开的。但是近年来，随着我国煤矿采深不断加大，运用新奥法进行软岩巷道加固出现了一些问题，主

12、要有新奥法要求一次加固后达到变形相对稳定时再进行二次加固，等稳往往是等夸新奥法的二次加固是全断面等强加固，而围岩荷载是不均匀分布的，因此常常在薄弱缓解失稳，进而导致巷道破坏新奥法二次加固时间的选择，必须基于大量细致的现场应力、位移监测，但对如何利用量测结果，也缺乏明确的围岩稳定性的判据。过程比较繁杂，现场工程技术人员不容易接受，可操作性差。虽然如此，但新奥法以其发挥围岩的自撑作用、动态性、针对性，作为一种指导思想和控制设计原则，仍具有不可替代的重要意义。四、项目实施技术极其分类1普通加固 普通加固就是支架脱离了岩体之外，消极被动地承受岩体变形、破碎施加的能量，以支架自身的强度支撑围岩，在围岩发

13、生变形时，加固有一定的可缩量。 2锚杆的联合支护技术为了进一步提高软岩巷道稳定性，锚杆被广泛一用于锚网喷技术及锚注技术等。锚网喷技术中，锚杆锚固在未破坏的掩体上，阻止围岩松动变形和破坏，喷射混凝土喷层封闭围岩表面，支护锚杆间围岩，防止表面岩层冒落，喷层中铺设钢筋网，可增加喷层的强度和柔性，提高加固的整体性。锚杆、混挺土喷层和钢筋网三者组成的加固体与围岩紧密结合，共同承载，既充分利用和发挥了围岩的自承能力，又在与围岩共同变形过程中及时提供支护抗力，限制围岩产生有害变形，从而保持巷道稳定。锚注加固是兼有锚杆加固与注浆加固共同优点的一种加固方式。在巷道开挖以后，对巷道围岩进行喷浆封闭，防止外延进一步

14、风化，然后在围岩中打入注浆锚杆进行注浆加固。注浆锚杆既有锚杆加固的特点，又能通过此锚杆对围岩进行注浆。通过注浆、浆液充填、压密裂隙空间，使围岩由注浆前的无约束松散状态变为由锚杆、浆体和围岩共同作用的具有承受抗压、抗剪切、抗拉等适应复杂应力、应变状态的加固体。 3锚、网、喷支护锚网喷支护具有及时性、密贴性、柔性作用，具有技术先进、工艺简单、操作简便、安全可靠、经济合理和适用性强等优点。近年来，随着高强锚杆的开发和应用，进一步发挥锚网喷加固的效果，扩大了锚网喷加固技术的应用领域。锚网喷加固技术主要由喷层、锚杆、钢筋网三部分组成。其作用机理如下：1）由于喷层的施作几十且能与围岩密贴，所以，它具有能几

15、十封闭围岩防止围岩风化与潮解、支撑和填平补强围岩、分配外力等作用。同时由于喷层中钢筋网的存在增强了喷层的柔韧性，提高了喷层的抗弯与抗变形能力，能减少裂缝的宽度和数目，使喷层应力分配均匀，整体性能得到改善。2）锚杆是锚网喷加固的核心部分，其通过与喷层的连接把阻止围岩破坏的力传递到稳定的岩层中，有效地控制塑性区、破碎区的反战和围岩的变形，同时，由于锚杆的擂入提高了围岩的强度和整体性，大大增强了围岩的稳定性，锚杆预应力的存在使围岩在未发生大变形的情况下就收到外力的支护，有利于保持围岩固有的力学特性，并控制大变形的发生。针对不同的围岩，可采用不同的锚喷网支护结构参数和施工工艺。岩性较好时可采用分次完成

16、加固的施工工艺，岩性较差时可采用一次完成就爱股的施工工艺。 4锚、网、喷与U钢金属支架联合加固对特别松软、破碎岩层，采用锚、网、喷加固作用不明显时根据围岩变形的特点，采取锚、网、喷、作为一次加固，可使喷层及时封闭围岩，容易做到及时加固，提供一定的初锚力和较大的锚固力，能较好地满足特别松软、破碎围岩巷道第一阶段围岩变形的要求。当巷道围岩变形基本稳定后，使用U型钢可缩性金属进行二次加固，以适应第二阶段围岩变形的要求。实现深部高应力软岩巷道厚壁加固。一是采用全场锚固全螺纹钢等强锚杆，增加围岩自承圈厚度，实现厚壁加固：二是进行锚索加固。由于锚索长度较长，能够深入到深部较稳定的岩层中，锚索对被加固岩体施

17、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，增加唉围岩自承圈厚度，实现厚壁加固：三是改变加固结构。在巷道的两底脚增加斜拉锚杆或巷道底板开挖城反底拱形并锚喷（梁）加固，从而形成完整的、封闭的加固整体。 5高强锚杆、预应力锚索加固由于软岩巷道围岩开掘后围岩来压快、变形大，普通锚杆锚固力低且无法提供较大的初撑力阻止围岩变形，采用预应力高强锚杆可以很好地解决这个问题。在锚杆安装时施加一定的预应力，这样就可以提供较大的初撑力，及较小巷道围岩的变形速度，同时高强锚杆又可以提供较大的锚固力，提高锚固体的自承能力。对于极软岩巷道，在惊醒锚网喷加固后虽然对巷道顶板起到了加固作用、改善

18、并保持了顶板的整体性，但是当围岩松动圈的范围大雨锚固体的厚度时，锚固体将失去着力点，此时极易发生锚固体以上离层及出现巷道顶板整体下沉或垮落的现象。在这宗情况下，只需较小密度的预应力锚索，就可以将锚固体悬吊于稳定坚硬的上部岩体上，避免巷道垮落。巷道围岩破坏是一个渐近的、从局部到整体的破坏过程，并且总是从围岩或支护系统的某一个或几个位置首先变形、损伤，进而导致整个系统的失稳和破坏，首先发生不连续变形或破坏的区域就是锚索加固的最佳位置。 6砌碹加固及喷砼技术砌碹支护是软岩加固的传统方法，利用加固体自身的加固强度来支撑来自围岩的初期矿井压力，待平衡后，加固体和围岩一起抵抗来自围岩层的压力。这种加固方法

19、使用于巷道围岩经常破碎，矿压较大，采用锚固力加固优越性不显著，巷道围岩很不稳定，顶帮岩石极易塌落，砼喷不上、粘不牢，锚杆的锚固力明显下降的含油泥岩、粘土岩及断层破碎带。砌碹支护属刚性支护,由于巷道本身成形不规则，当应力重新分布时，支护体是局部而不是全部接触岩层。先接触岩层的支护体必将先产生形变，在地压过大时从某一支护薄弱点开始遭受损坏，碹体很容易被压碎，崩落。参考文献1 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究J. 岩石力学与工程学报, 2005 2 康红普，软岩巷道底臌的机理及防治M . 煤炭工业出版社, 1993. 3 何满潮, 袁和生等.中国煤矿锚杆支护理论与实践M, 北京科学出版社, 2004. 4 赵先刚. 锚注联合支护技术在高应力松软围岩巷道中的应用 J , 煤炭工程, 2007 5 何满潮, 景海河,孙晓明. 软岩工程地质力学研究进展 J . 工程地质报, 2000 6 何满潮, 李春华. 锚索关键部位二次支护技术研究及其应用J. 建井技术, 20027 何满潮, 高尔新. 软岩巷道耦合支护力学21 世纪学科生长点J.煤炭学报, 1997, 228 李凝, 杨玉华. 软岩巷道支护技术调研J , 煤炭工程, 2003 时间：2021.02.03创作：欧阳体