孔莊煤礦1.5Mta新井設(shè)計含6張CAD圖.zip,煤礦,1.5,Mta,設(shè)計,CAD 淺析煤礦軟巖巷道支護理論與技術(shù) 摘要——文章解釋了軟巖巷道的概念及軟巖的性質(zhì)，闡述了軟巖巷道支護的基本理論與技術(shù)，并對該領(lǐng)域的前景進行展望。 關(guān)鍵詞——軟巖巷道；軟巖性質(zhì)；支護理論 1.引言 隨著我國經(jīng)濟快速增長而導(dǎo)致的能源需求量日益增大，作為我國最主要能源的煤炭的需求量也日益增長。與之相匹配的巷道掘進量也達到了一個很大的數(shù)目，隨著深度的增加，軟巖巷道在各類巷道中所占比例越來越大，特別是在華北華東地區(qū)掘井較深的煤礦表現(xiàn)尤為突出。軟巖巷道支護技術(shù)已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。 2.軟巖巷道的概念 從20世紀60年代到90年代初，關(guān)于軟巖的概念在國內(nèi)外一直爭論不休，軟巖定義多達幾十種，概括起來大體上可分為三類，即描述性定義、指標化定義和工程定義。其中最具代表性的和權(quán)威性的是國際巖石力學(xué)學(xué)會對軟巖的定義和GB50218-94定義的“工程巖體分級標準”。20世紀90年代默契，由中國院煤炭部軟巖專家組和煤礦軟巖工程技術(shù)研究推廣中心組織專家專題討論，提出了地質(zhì)軟巖和工程軟巖的概念，提出了二者的區(qū)別和聯(lián)系，并建議在軟巖工程中應(yīng)用工程軟巖的定義。 2.1地質(zhì)軟巖 地質(zhì)軟巖在地質(zhì)學(xué)中指強度低、孔隙率大、膠結(jié)程度差、受結(jié)構(gòu)面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層。該類巖石多為泥巖、夜宴、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì)。 國際巖石力學(xué)學(xué)會將地質(zhì)軟巖定義為單軸抗壓強度在0.5~25MPa之間的巖石，分類依據(jù)是巖石的強度指標?？梢詮囊韵氯齻€方面標表述地質(zhì)軟巖。 （1）成分 軟巖一般由固體相、液體相和氣體相三相組成的多相體系，有時由兩相組成。固體相是由許許多多大小不等、形狀不同的礦物顆粒按照各種不同的排列方式組合在一起，構(gòu)成軟巖的主要部分，成為“骨架”。在顆粒之間的孔隙中，通常有液體相的水溶液和氣體形成三相體，有時只被水或氣體充填形成二相體。 （2）內(nèi)部結(jié)構(gòu) 從細觀結(jié)構(gòu)上描述，軟巖微結(jié)構(gòu)具有“松”和“散”的特征。 “松”是巖石中在成巖過程中由于原巖急劇冷卻，氣體大量逸出或受風化作用的影響，使巖石結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)量減小、孔隙率增大的綜合反映。這種巖石在煤礦中較少，一般賦存在淺部，如噴出巖漿火山灰形成的浮石等。 “散”是由于巖石在成巖過程中僅是沉積、壓緊，而少固結(jié)，成巖時間較短造成的。煤礦中新近紀遇水變成流沙的砂巖大都屬于此類。 （3）力學(xué)指標 從力學(xué)性質(zhì)上描述軟巖，可以用“軟”和“弱”兩個字作定性概括。 “軟”是指這類巖石受力作用后容易產(chǎn)生變形，且流變特性十分明顯。一般堅硬巖石的彈性模量可以超過50GPa，甚至超過100 GPa，而軟巖的彈性模量常常低于15 GPa。此外，軟巖容易產(chǎn)生塑性變形，遇水易發(fā)生崩解、膨脹和泥化，脫水易風化等。這是工程中最難處理的有代表性的一種巖體。 “弱”是指巖石的強度較低，國際巖石力學(xué)學(xué)會把軟巖定義為單軸抗壓強度在0.5~25MPa之間的一類巖石，而硬巖的單軸抗壓強度可超過100MPa以上。 地質(zhì)軟巖的定義用于工程實踐中會出現(xiàn)一些矛盾，如巷道所處深度足夠淺地應(yīng)力水平足夠低，則單軸抗壓強度小于25MPa的巖石也不會產(chǎn)生軟巖的特性；相反，大于25MPa的巖石，如果其所處工程部位足夠深，地應(yīng)力足夠高，也可以產(chǎn)生巖石的大變形、大地壓和難支護的現(xiàn)象。因此，地質(zhì)軟巖的定義不能正確用于工程實踐，故提出了工程軟巖的概念。 2.2工程軟巖 目前，國內(nèi)外普遍認為巷道圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖應(yīng)力與圍巖強度的相互作用，即圍巖的狀態(tài)。離開巷道工程特征而僅僅依據(jù)巖層天然的基本特性——松、散、軟、弱來確定軟巖，顯然是不確切的，況且工程巖體的堅硬與軟弱是相對的。開采深度大，圍巖應(yīng)力高或工程開挖的范圍越大，圍巖變形量越大，圍巖變形量越大，圍巖破壞程度越嚴重，其穩(wěn)定性亦越難控制；反之，即使圍巖強度很低，但圍巖應(yīng)力也很小，則巷道支護并沒有多大難度。 工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。工程力是指作用在工程巖體是的力的總和，它可以是重力、構(gòu)造殘余應(yīng)力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應(yīng)力等；顯著塑性變形是指以塑性變形為主的變形量超過了工程設(shè)計的允許變形值并影響了工程的正常使用，包含顯著的彈塑性變形、黏彈塑性變形、連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等；工程巖體是軟巖工程研究的主要對象，是巷道開挖擾動影響范圍之內(nèi)的巖體，包含巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征。該定義揭示了軟巖的相對性實質(zhì)，即取決于工程力與巖體強度的相互關(guān)系。當工程力一定時，不同的巖體，強度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性，強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特性。對于同種巖體，在較低工程力作用下，則表現(xiàn)為硬巖的小變形特性；在較高水平工程力的作用下，則可能表現(xiàn)為軟巖的大變形特性。 綜上所述，所為軟巖應(yīng)包含三方面的概念：一是巖體的結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境，表現(xiàn)為軟弱、破碎、松散、高地應(yīng)力等；二是巖體的物理、化學(xué)和力學(xué)特性，表現(xiàn)為低強度、流變、風化、膨脹等；三是圍巖的工程特征，表現(xiàn)為長期流變，變形量大、來壓迅速等，所謂的“難支護”。 2.3 地質(zhì)軟巖與工程軟巖的關(guān)系 工程軟巖和地質(zhì)軟巖的關(guān)系是：當工程荷載相對于地質(zhì)軟巖的強度足夠小時，圍巖沒有產(chǎn)生大的破壞區(qū)，地質(zhì)軟巖不產(chǎn)生軟巖顯著塑性變形力學(xué)特征，即不為工程軟巖。只有在工程力作用下圍巖產(chǎn)生大破壞區(qū)，發(fā)生了顯著變形的地質(zhì)軟巖，才作為工程軟巖。在大深度、高應(yīng)力作用下，部分地質(zhì)硬巖也呈現(xiàn)出顯著的變形特征，則視其為工程軟巖。 3.軟巖的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)與工程特性 3.1 軟巖的物理性質(zhì) 軟巖的物理性質(zhì)包括容重、比重、孔隙率、礦物成分、微結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)粘結(jié)及水理性質(zhì)等。 3.1.1軟巖的結(jié)構(gòu)特征 通過對我國軟弱巖層的粘土礦物分析，其成分主要有四類：高嶺石、蒙脫石、伊利石及伊蒙混層礦物。 （1）粘土礦物的結(jié)構(gòu)特征 高嶺石、蒙脫石、伊利石等粘土礦物屬于層狀或?qū)印湢罟杷釒r，有兩種結(jié)構(gòu)單元類型作為礦物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)：一種是硅氧四面體，另一種是硅氧八面體。 高嶺石的結(jié)構(gòu)層由一層四面體和一層八面體構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)具有剛性晶格，陽離子交換量很小，層間不能水化。其水化作用僅靠水分子和晶體外層表面的相互作用進行，晶體結(jié)構(gòu)沿厚度方向并不變化。 伊利石和蒙脫石都是兩層四面體加八面體構(gòu)成。蒙脫石構(gòu)造的明顯特征是水和其他極性分子極易進入晶層中，引起晶格沿厚度方向膨脹。蒙脫石具有很強大的離子交換能力，它具有很高的親水性，遇水泥化、膨脹，強度大大降低。伊利石晶層中間的平衡陽離子主要是鉀離子，它的單位晶層比較固定，水和極性分子不易進入層間以致引起膨脹。 （2）軟弱巖層的微結(jié)構(gòu)特征 粘土類巖石的微結(jié)構(gòu)分為5種類型：蜂窩狀、骨架狀、基質(zhì)狀、絮流狀及層流狀。 蜂窩狀結(jié)構(gòu)的特點是疏松、不牢固、孔隙率搞，具有強烈的壓縮性，抗壓、抗剪強度低。 骨架狀結(jié)構(gòu)較蜂窩狀結(jié)構(gòu)密實一些，其最大的特點是有觸變性。 具有基質(zhì)狀結(jié)構(gòu)的粘土類巖石在整個無定向的粘土機制中含有無序分不到 粉土粒和沙粒，屬于中等密實程度。 層流狀結(jié)構(gòu)的特征是結(jié)構(gòu)單元按大小具有良好的分選性及巖層里面的高度定向性，具有嚴重的各向異性。 我國煤礦中，年代比較老或者以高嶺石、伊利石為主的軟弱巖層一般具有絮流或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，而年代比較新或富含蒙脫石礦物的軟弱巖層多數(shù)具有蜂窩狀或骨架狀結(jié)構(gòu)。 （3）軟弱巖層的結(jié)構(gòu)連接 軟弱巖層的力學(xué)性質(zhì)并不取決于礦物晶體的強度，而在于它們之間的結(jié)構(gòu)力。原始顆粒強度很高，使之發(fā)生破壞非常困難，只有礦物顆?；蛭⒓垠w間的相互作用，即結(jié)構(gòu)連接，才是決定軟弱巖層強度和變形的本質(zhì)因素。 據(jù)分散體系物理、化學(xué)、力學(xué)的研究成果可知，對粘土類巖石結(jié)構(gòu)連接有重要影響的有磁力、庫倫力、分子力、離子——靜電力、化學(xué)力和毛細管力。 磁力是由粘土類巖石中的赤鐵礦等在顆粒表面形成薄膜產(chǎn)生的，這種力不大。 庫侖力是由顆粒表面所帶靜電電荷而產(chǎn)生的，同號相斥、異號相吸。 分子力在粘土類巖石中起著很大的作用，其特點是有遠距離作用。他受三種類型的相互作用制約：極性分子之間的定向作用；雙電極分子電場中非極性分子極化產(chǎn)生的感應(yīng)作用；在分子和電子相互作用下所產(chǎn)生的分散作用。 離子—靜電力：巷道底板巖層經(jīng)常是含水的，礦物顆粒與交換離子相互作用即可獲得電荷。如果另一個顆粒接近此帶電顆粒，則陽離子同時與兩個顆粒相互作用，兩顆粒之間就會形成離子—靜電力。 化學(xué)力：在膠結(jié)的粘土類巖石中，由化學(xué)價鍵形成的化學(xué)結(jié)構(gòu)連接占優(yōu)勢地位?；瘜W(xué)力是近距離作用力，這種結(jié)構(gòu)連接具有很高的能量，接觸強度與顆粒晶體結(jié)構(gòu)的強度相似。 毛細管力：在三相系的粘土類巖石中應(yīng)該考慮毛細管彎液面的存在，它可以牽引顆粒，提高它們的連接強度。 以分子遠距離的相互作用形成凝聚接觸；以離子—靜電力為基礎(chǔ)的接觸形成過度接觸；靠化學(xué)鍵和離子—靜電力的相互作用形成同相接觸。凝聚接觸強度低，同相接觸強度最高，過度接觸強度居中。 3.1.2 軟巖的水理性質(zhì) 軟巖的水理性質(zhì)一般是指水與軟巖作用引起軟巖物理狀態(tài)發(fā)生的某些特性，包括巖石的吸水性、水力傳導(dǎo)性、軟化性、抗凍性、可溶性和膨脹性。對煤礦軟巖工程來說，最重要的是軟巖的膨脹性和吸水性。由于軟巖的礦物成分及微結(jié)構(gòu)特征，造成了它與水的特殊關(guān)系，同時軟巖內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，所以水很容易進入軟巖內(nèi)部，引起軟化、崩解及膨脹現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致軟巖強度急劇降低。 軟巖遇水后通常有兩種破壞方式：一是軟化、碎裂、崩解，但體積基本不增加；二是體積發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致軟化、松散。 （1）含水率 巖石的含水率是W是指巖石在天然狀態(tài)下所含水分的質(zhì)量與在溫度105℃時烘干至恒重的巖石質(zhì)量的比值，其計算方法為 W=Gw/Grd×100% （2-1） 式中 Gw——巖樣中水的質(zhì)量； Grd——烘干至恒重的巖樣質(zhì)量。 含水率高是軟巖的基本屬性之一。根據(jù)實驗測定，不同時代形成的軟巖，其含水特性有很大不同。統(tǒng)計結(jié)果表明，經(jīng)常出現(xiàn)嚴重失穩(wěn)的軟巖巷道，其巖層的含水率大致為：石炭二疊系軟巖W=3%~5%，侏羅系軟巖W=10%~15%，古近系和新近系軟巖W=5%~15%，第四系軟巖W=15%~20%。 巖石的孔隙率與含水率通常是一致的，因此巖石的含水率反映了巖石中裂隙和孔隙的多少?？紫堵蚀蠛秃矢呤擒泿r強度降低的主要原因。 （2）軟化系數(shù) 巖石浸水后，引起其強度降低的性質(zhì)稱為水對巖石的軟化作用。巖石抵抗水的軟化作用的性能主要取決于巖石中親水性礦物和易溶性礦物的含量以及巖石中孔隙性與微裂隙的發(fā)育程度。親水性或可溶性礦物的含量愈多、巖石中的孔隙和裂隙愈發(fā)育，巖石愈易軟化，其強度也就降低愈多。水對巖石強度的影響常用軟化系數(shù)α表示，其定義為 α=巖石飽水狀態(tài)的抗壓強度/巖石干燥狀態(tài)的抗壓強度 由于軟巖孔隙、裂隙較多，而且多粘土質(zhì)組成成分，粘土礦物顆粒較小，其親水性強。泥巖遇水后，巖石內(nèi)部增生了大量的微孔隙，這些微孔隙的出現(xiàn)破壞了天然巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系，使得巖石出現(xiàn)泥化現(xiàn)象。當水貫入軟巖的孔隙和裂隙中，細小巖粒的吸附水膜便會增厚，引起軟巖的體積膨脹，由于這種體積膨脹是不均勻的，使得軟巖內(nèi)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力，于是導(dǎo)致了巖石顆粒的碎裂、解體。軟巖崩解過程見圖3.1。 圖3.1 軟巖崩解過程 （3）膨脹 蒙脫石與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起軟巖膨脹，可是原體積增加50%~60%。判別軟巖膨脹性的指標有蒙脫石含量及自由膨脹率等。如果在化驗粘土質(zhì)巖石礦物組成時，蒙脫石類礦物含量超過10%~15%，自由膨脹率大于40%時，通常就認為屬于膨脹性軟巖。在這種圍巖中掘進巷道就有發(fā)生膨脹的危險。 巖石的膨脹力是指巖石試件浸水飽和后膨脹所產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，這時試件的含水率即為最終飽和含水率。測試表明，不論是原巖試件還是重塑試件，膨脹力隨著膨脹率的增加而明顯增大，反之亦然。這說明膨脹率大的巖石，膨脹力也大。膨脹率是巖石分類、判別的可靠指標。巖層吸水膨脹是影響井巷工程穩(wěn)定性的重要因素，是巷道底鼓的主要原因。 3.2軟巖的力學(xué)性質(zhì) 軟巖的力學(xué)性質(zhì)是指其受力后表現(xiàn)出的各種變形及強度特征。巖石受載時首先發(fā)生變形，當載荷增大到超過某一數(shù)值（極限強度）時就會導(dǎo)致巖石破壞，所以巖石的變形和破壞是巖石在荷載作用下力學(xué)性質(zhì)變化過程的兩個階段。軟巖力學(xué)的特性與時間是密切相關(guān)的。因此，在軟巖力學(xué)特性測試中，要特變強調(diào)時間因素。對于軟巖而言，在單軸抗壓強度試驗中，應(yīng)變速度大于200με/s的加載可視為瞬時加載。 3.2.1瞬時加載的力學(xué)性質(zhì) （1）單軸抗壓 通過單軸抗壓試驗，可以得到軟巖的多種力學(xué)特性指標，如彈性模量E、泊松比μ、單向應(yīng)力應(yīng)變（σ——s）曲線等。單軸抗壓試驗開始階段內(nèi)，粘土巖的微裂隙、微孔隙繼續(xù)閉合，但伴隨有少量新的微裂紋產(chǎn)生。對于軟巖而言，完全彈性階段是沒有的，即使在很低的應(yīng)力水平上，也能測的一定的塑性變形。 彈性變形段過后，縱向變形曲線開始發(fā)生彎曲，橫向變形同樣呈非線性增加。當應(yīng)力達到粘土類巖石的單軸抗壓強度時則發(fā)生破壞，承載能力降低。在此階段內(nèi)新裂紋占優(yōu)勢，隨著應(yīng)力增加，微裂紋不斷產(chǎn)生和發(fā)展，最后匯合成宏觀裂紋，是粘土類巖石破壞。由此可見，軟弱巖層單軸壓縮變形與強度特征在于：由壓密階段過渡到彈性階段，最后由于裂紋數(shù)目及尺寸的增加使得軟弱巖層發(fā)生破壞。 由單軸抗壓試驗可知，一般軟巖的單軸抗壓強度為5~30MPa，彈性模量E為10~15GPa，泊松比μ為0.25~0.35。 （2）三軸抗壓 通過三軸抗壓試驗可以測得軟巖的多項強度指標，如內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ等，它是確定軟巖強度判別依據(jù)的必要實驗依據(jù)。 我國礦區(qū)大多數(shù)軟弱巖層的單軸抗壓強度小于20MPa，內(nèi)聚力小于3MPa，內(nèi)摩擦角小于35°。 有些巖層雖然巖塊強度強度很高，但是由于巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，再受到風化及水作用的影響，導(dǎo)致巖體強度很低。此外，隨著礦井開采深度的不斷增加或受到采動影響，有些強度大的巖層也表現(xiàn)出大變形特性，這就是高地應(yīng)力巖層。所以軟巖的力學(xué)參數(shù)僅是其特性的一個方面，應(yīng)該把巖石放在具體生產(chǎn)及地質(zhì)條件下判斷是否屬于軟巖的范疇。 （3）抗剪與抗拉 剪切試驗中，可以得到軟巖的內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ和剪切強度τ。 由于結(jié)構(gòu)連接形式不同，不僅軟弱巖層的抗剪強度有顯著差異，而且其變形過程表現(xiàn)出不同的特性。對于結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大的凝聚接觸型軟弱巖層，其抗剪強度很低，僅有很小的彈性變形階段，之后便是塑性流動。對于過度接觸性軟弱巖層，其彈性階段較長，峰值強度與殘余強度相差較小。而對于強度較高的同相接觸型巖石，幾乎到抗剪極限都是彈性變形，殘余強度比峰值強度小很多。 因為軟巖的單向抗拉強度很?。?5MPa），一般無需做單向抗拉試驗。 3.2.2軟巖的流變力學(xué)特性 巖石特性的時間效應(yīng)是由巖石的性質(zhì)所決定的，尤其是軟巖。從廣義上講，軟巖的力學(xué)特性也就是軟巖的流變力學(xué)特性。 （1）蠕變性 蠕變是流變的一種特殊形態(tài)，是在恒定荷載作用下發(fā)生的流變性質(zhì)，是指物體內(nèi)應(yīng)力一定，應(yīng)變狀態(tài)隨時間變化的一種力學(xué)現(xiàn)象。蠕變性用蠕變方程和蠕變曲線來表示。 在較高應(yīng)力水平下，蠕變曲線一般可分為3個階段，如圖3.2a所示。 圖3.2 典型蠕變曲線 a. 蠕變曲線三階段 b. 蠕變曲線三類型 ①I階段——衰減蠕變。應(yīng)變速率由大逐漸減小，蠕變曲線上凸，即 ②II階段——等速蠕變。應(yīng)變速率近似為常數(shù)或0，蠕變曲線近似為直線，即 ③III階段——加速蠕變。應(yīng)變速率逐漸增加，蠕變曲線下凹，即 并不是任何材料在任何應(yīng)力水平上都存在蠕變?nèi)A段，同一材料在不同應(yīng)力水平上的蠕變階段表現(xiàn)不同，可以分為以下3類，如3.2b所示： ①穩(wěn)定蠕變。在低應(yīng)力水平下（ =），只有蠕變I階段和II階段，且II階段為水平線，永遠不出現(xiàn)III階段那種變形迅速增大而導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。 ②亞穩(wěn)定蠕變。在中等應(yīng)力水平下（= >），也只有蠕變I階段和II階段，但是II階段蠕變曲線為稍有上升的斜直線，在相當長的時間內(nèi)不出現(xiàn)III階段。 ③不穩(wěn)定蠕變。在比較高的應(yīng)力水平下（=>>），連續(xù)出現(xiàn)蠕變I、II、III階段，變形在后期迅速增長而導(dǎo)致破壞。 材料的蠕變曲線通常是通過實驗得到的，也可以通過現(xiàn)場實測得到。應(yīng)該指出，只有在無支護巷道的圍巖變形曲線屬于蠕變曲線，因為無支護巷道內(nèi)壓力為0，外壓力即原始地應(yīng)力始終不變，因此，其變形曲線是在不變荷載條件下所測得。 （2）松弛性 松弛也是流變的一種特殊狀態(tài)，是指物體內(nèi)部的應(yīng)變狀體一定，應(yīng)力狀態(tài)隨著時間變化的一種力學(xué)現(xiàn)象。松弛性是指在保持恒定變形條件下，應(yīng)力隨時間延續(xù)而逐漸減小的性質(zhì)，用松弛方程 []和松弛曲線表示（見圖3.3）。 圖3.3 松弛曲線 松弛特性可劃分為3種類型： ①立即松弛。變形保持恒定后，應(yīng)力立即消失到0松弛曲線與軸重合，如圖3.3中所示所示。 ②完全松弛。變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸消失，如圖3.3中，曲線。 ③不完全松弛。變形保持恒定后，應(yīng)力逐漸松弛，但最終不能完全消失，而趨于某一定值，如圖3.3中，曲線。 還有一種極端情況：變形保持恒定后應(yīng)力始終不變，即不松弛，松弛曲線平行于t軸，如圖3.3中曲線。 在同一變形條件下，不同材料具有不同類型的松弛特性；同一材料，在不同變形條件下也可能表現(xiàn)為不同類型的松弛特性。松弛曲線也是由實驗得到的。 （3）流動極限的衰減性質(zhì) 流動極限就是具有流變性材料的屈服極限。實驗證明，它往往隨著時間的延長而衰減。軟巖流變的另一重要特征是隨強度時間延長而明顯降低。 材料的流動極限衰減性質(zhì)對于實際工程施工具有重要意義，但是由于目前的實際資料還很少，所以在流變分析中還很難考慮這一因素。 3.2.3軟巖的變形與強度特征 （1）巖體的變形特征取決于結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體。對于塊狀結(jié)構(gòu)的軟巖，加載初期有壓密階段,彈性階段短，塑性變形大，最終表現(xiàn)為主破裂面貫通結(jié)構(gòu)面，呈滑移破壞。破裂結(jié)構(gòu)的軟巖，彈性階段極短，塑性階段較長，主要為沿其中的軟弱結(jié)構(gòu)面滑移破壞，屬塑性破壞。 （2）軟巖的強度特征與巖體的尺寸、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，它有以下特點：①隨著巖體尺寸的增大，其強度降低。②應(yīng)力方向與結(jié)構(gòu)面之間的夾角明顯地影響著巖體強度。③隨著側(cè)向應(yīng)力的增大，結(jié)構(gòu)面對巖體強度的影響減小。④低圍壓下巖體強度的結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯，而在高圍壓下結(jié)構(gòu)的影響不明顯，其力學(xué)特征近似完整巖石。 3.3軟巖物理性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系 3.3.1軟巖礦物成分與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系 由于高嶺石抗剪強度最高，伊利石次之，蒙脫石最低，所以隨著蒙脫石含量增加，膨脹土的內(nèi)摩擦角逐漸減小。這種趨勢在蒙脫石含量小于40%時比較明顯，之后曲線趨于穩(wěn)定。即蒙脫石含量達到一定數(shù)值后，它的變化對膨脹土的抗剪強度沒有多大影響。 當軟弱巖層中主要粘土礦物成分是伊利石時，伊利石與沙粒含量的比值控制著巖石的強度特征和變形特征。軟弱巖層的抗壓強度、彈性模量、抗剪強度等隨著砂粒含量增大而增大。 對于含有伊利石、高嶺石及砂粒的軟弱巖層，砂粒含量是決定其力學(xué)性質(zhì)的重要因素，隨著砂粒含量的增加，巖石強度增高。 對于有多種成分的軟巖，其力學(xué)性質(zhì)與礦物成分亦有明顯的規(guī)律性。凡含有大量蒙脫石礦物的軟弱巖層，其單軸抗壓強度一般小于10MPa；蒙脫石含量達40%以上時，單軸抗壓強度一般不會超過30MPa。隨著蒙脫石及伊蒙混層礦物含量減小，單軸抗壓強度有增大的趨勢。 3.3.2軟巖微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系 孔隙率是反應(yīng)軟巖中孔隙、裂隙的一個綜合指標。隨著孔隙率的增加，軟巖強度降低。具有凝聚接觸的軟巖孔隙率非常高，因而具有較大程度的壓縮性，其抗壓、抗拉及抗剪強度都很低。軟巖受力后孔隙率將發(fā)生變化，隨著孔隙率的增加，強度降低。 軟弱巖層受力后微結(jié)構(gòu)不斷變化，表現(xiàn)為微裂紋的產(chǎn)生、擴展及匯合。在應(yīng)力偏量大的情況下，軟弱巖層的微裂紋既長又寬，是其體積增加的本質(zhì)原因，說明在大偏應(yīng)力下，擴容是軟弱巖層巷道變形的一個重要原因。 3.4軟巖的工程特性 軟巖之所以能產(chǎn)生顯著地塑性變形，是因為軟巖中的泥質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)面控制了軟巖的工程力學(xué)特性。一般說來，軟巖具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、觸變性。 3.4.1可塑性 可塑性是指軟巖在工程力的作用下產(chǎn)生變形，去掉工程力之后這話總變形不能恢復(fù)的性質(zhì)。低應(yīng)力軟巖、高應(yīng)力軟巖和借利好軟巖的可塑性機理不同，低應(yīng)力軟巖的可塑性是由軟巖中泥質(zhì)成分的親水性所引起的，而節(jié)理化軟巖是有所含的結(jié)構(gòu)面擴展、擴容引起的，高應(yīng)力軟巖是泥質(zhì)成分的親水性和結(jié)構(gòu)面擴容共同引起的。 3.4.2膨脹性 軟巖在力或水的作用下體積增大的現(xiàn)象，稱為軟巖的膨脹性，根據(jù)膨脹機理，膨脹性可分為內(nèi)部膨脹性、外部膨脹性和擴容膨脹性三種。 （1）內(nèi)部膨脹性也稱為層間膨脹性，它是指水分子進入晶胞層間而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象。 （2）外部膨脹性是極化的水分子進入顆粒與顆粒之間而產(chǎn)生的膨脹現(xiàn)象，也稱為粒間膨脹性。 （3）擴容膨脹性是軟巖受力后其中的微裂隙擴展、貫通而產(chǎn)生的體積膨脹現(xiàn)象，故亦稱為應(yīng)力擴容膨脹性。 實際工程中，軟巖的膨脹是綜合機制，對低應(yīng)力軟巖來講，以內(nèi)部膨脹和外部膨脹機制為主；對節(jié)理化軟巖來講，則以擴容機制為主；對高應(yīng)力軟巖來講，可能是諸種機制同時存在且均起重要作用。 3.4.3崩解性 低應(yīng)力軟巖與高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖的崩解機理是不同的。低應(yīng)力軟巖的崩解性是軟巖中的粘土礦物集合體在與水的作用時膨脹力不均勻分布造成的崩裂現(xiàn)象；高應(yīng)力軟巖和節(jié)理化軟巖的崩解性則主要表現(xiàn)為在巷道工程力的作用下，由于裂隙發(fā)育的不均勻造成局部張應(yīng)力集中而引起的向空間崩裂、片幫的現(xiàn)象。高應(yīng)力軟巖也存在著遇水崩解的現(xiàn)象，但不是控制性因素。 3.4.4流變性 軟巖是一種流變材料，流變特性材料的力學(xué)性狀和行為是流變學(xué)的研究范疇。流變性又稱粘性，是指物體受力變形過程與時間有關(guān)的變形性質(zhì)。軟巖的流變性包括彈性后效、流動、結(jié)構(gòu)面的閉合和滑移變形，流動又可分為粘性流動和塑性流動。彈性后效是一種延遲發(fā)生的彈性變形和彈性恢復(fù)，外力卸除后最終不留下永久變形。流動是一種隨時間延續(xù)而發(fā)生的塑性變形，其中粘性流動是指在微小外力作用下發(fā)生的塑性變形，塑性流動是指外力達到極限值后才開始發(fā)生的塑性變形。閉合和滑移是巖體中結(jié)構(gòu)面對壓縮變形和結(jié)構(gòu)面間的錯動，也屬塑性變形。 3.4.5易擾動性 軟巖的易擾動性系指由于軟巖軟弱、裂隙發(fā)育、吸水膨脹等特性，導(dǎo)致軟巖抵抗外界環(huán)境擾動的能力差，對卸荷松動、施工震動、臨近巷道施工擾動極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風化的特點。 綜合上述內(nèi)容可以看出，不同地質(zhì)時期的軟巖由于其生成環(huán)境不同，礦物含量也不同，表現(xiàn)在工程上，其水理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)都存在較大差別。 4.軟巖巷道工程支護基本理論 4.1現(xiàn)代支護理論 隨著巖石力學(xué)的發(fā)展和錨噴支護的應(yīng)用，逐漸形成了以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)的，支護與圍巖共同作用的現(xiàn)代支護原理，應(yīng)用這一原理就能充分發(fā)揮圍巖的自承力，從而獲得非常好的經(jīng)濟效果。歸納起來，現(xiàn)代支護原理包含的主要內(nèi)容有以下幾個方面： （1）現(xiàn)代支護原理建立在圍巖與支護共同作用的基礎(chǔ)上，即把圍巖與支護看成是由兩種材料組成的復(fù)合體。按照一般結(jié)構(gòu)觀點，亦即把圍巖通過巖石支撐環(huán)作用使之成為結(jié)構(gòu)的一部分。 （2）充分發(fā)揮圍巖自承能力是現(xiàn)代支護原理的一個基本觀點，并由此降低圍巖壓力以改善支護的受力性能。 發(fā)揮圍巖的自承能力，一方面不能讓圍巖進入松動狀態(tài)，以保持圍巖的自承力；另一方面允許圍巖進入一定程度的塑性，使圍巖自承力得以最大限度的發(fā)揮。當圍巖洞壁位移接近允許變形值時，圍巖壓力就達到最小值。圍巖剛進入塑性時能發(fā)揮最大自承力這點可由圖4-1加以說明。 圖4.1 巖石應(yīng)力——應(yīng)變和摩擦力——位移曲線 （a）巖體單軸壓縮試驗 的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；（b）巖體節(jié)理面位移和摩擦力的關(guān)系 I——彈性區(qū)；II——強度下降區(qū)；III——松動區(qū) 現(xiàn)代支護原理一方面要求采用快速支護、緊跟作業(yè)面支護、預(yù)先支護等手段限制圍巖進入松動；另一方面要求采用分次支護、柔性支護、調(diào)節(jié)仰拱施作時間等手段允許圍巖進入一定程度的塑性，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。 （3）現(xiàn)代支護原理的另一個支護原則是盡量發(fā)揮支護材料本身的承載力。采用柔性薄型支護、分次支護、封閉支護以及深入到圍巖內(nèi)部進行加固的錨桿支護，都具有充分發(fā)揮材料承載力的效用。 （4）根據(jù)地下工程的特點和當前技術(shù)水平，現(xiàn)代支護原理主張采用現(xiàn)場監(jiān)控測試手段，指導(dǎo)設(shè)計和施工，并由此確定最佳的支護結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)、施工方法和施工時機。 （5）現(xiàn)代支護原理要求按巖體的不同地質(zhì)、力學(xué)特征，選用不同的支護方式、力學(xué)模型和相應(yīng)的計算方法以及施工方法。 4.2軟巖工程支護原則與對策 （1）根據(jù)不同壓力類型選用不同巷道支護方法 松軟巖層存在松動壓力、變形壓力和膨脹壓力等三種主要圍巖壓力類型。 ①對松動壓力可以采用剛性支護來防止破碎巖塊的垮落，同時采取加固圍巖措施。 ②對變形壓力根據(jù)流變特征設(shè)計支護剛度、控制支護時間和施工順序，在不產(chǎn)生有害變形的前提下，通過可縮性支架或支護結(jié)構(gòu)允許圍巖適當變形，以釋放部分能量。 ③對于膨脹壓力，除采取與變形壓力相同原則外，特別要預(yù)防圍巖物理化學(xué)效應(yīng)，防止圍巖脫水風干，遇水再膨脹或崩解。 （2）改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，充分發(fā)揮圍巖自承能力 改善圍巖力學(xué)性質(zhì)主要通過提高圍巖的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強度、彈性模量等力學(xué)指標來提高巖體強度。軟巖巷道支護體結(jié)構(gòu)及強度設(shè)計時，應(yīng)與加固圍巖、提高圍巖自承力相結(jié)合。 （3）降低圍巖應(yīng)力和先放后讓與邊讓邊抗相結(jié)合 軟巖巷道支護應(yīng)建立“二次支護”的概念，采取卸壓、讓壓與加固和支護相結(jié)合的方法。對于高地應(yīng)力，采取卸壓措施降低圍巖的地應(yīng)力，要卸的充分；對于大變形，要讓得適度；對于軟弱部分，要進行圍巖加固；對于威嚴整體，要有足夠剛度支護體。井巷開挖后，采用與圍巖共同形成承載結(jié)構(gòu)；另一方面，使圍巖在“應(yīng)力解除”后因回彈、膨脹變形而產(chǎn)生的高壓得以釋放，支架與圍巖共同協(xié)調(diào)變形。二次支護在經(jīng)測定確定圍巖變形位移已趨于平穩(wěn)后施作，此時，支架應(yīng)具有一定的剛度和強度，防止圍巖繼續(xù)產(chǎn)生過量的變形而引起支護失敗。二次支護仍應(yīng)本著“讓”的原則實施。 （4）消除“環(huán)境效應(yīng)”對巖體強度的不利影響 （5）根據(jù)圍巖壓力分布特點選擇合理的斷面形狀 （6）通過施工監(jiān)測動態(tài)調(diào)整支護設(shè)計與參數(shù) 巷道支護應(yīng)視為一個過程，通過監(jiān)控量測信息反饋調(diào)整支護參數(shù)。當前國內(nèi)外施工均以允許收斂變形量和收斂變形速度來檢測地下工程的穩(wěn)定性。 總之，軟巖中巷道的支護應(yīng)根據(jù)軟巖的具體工程地質(zhì)特征及力學(xué)特性，并重視軟巖塑性流變的特性，確立適宜的支護結(jié)構(gòu)和支護方式，支護方式的選擇，應(yīng)消除水對圍巖的影響，需本著“放、讓、頂”的思想，遵循“以柔克剛，先柔后剛，先放后讓，柔放適度，適時頂住”的原則。 4.3應(yīng)力控制理論 應(yīng)用圍巖應(yīng)力控制理論是對巷道圍巖進行控制的最有效的途徑。應(yīng)力控制法也成為圍巖弱化法、卸壓法等，它是通過局部弱化圍巖來調(diào)整圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，如變徑向應(yīng)力為切向應(yīng)力。通過改變應(yīng)力方向，使巷道始終處于良好的應(yīng)力環(huán)境，從而達到提高其穩(wěn)定性的目的。 4.3.1躲壓 躲壓主要表現(xiàn)為巷道位置的選擇。 圍巖控制理論就是充分利用變形持續(xù)過程的這段時間使圍巖二次應(yīng)力<圍巖二次強度<支護體的強度，從而保持圍巖穩(wěn)定，使支護有效。 圍巖的變形特征是極其復(fù)雜的，它決定于許多因素，如應(yīng)力狀態(tài)、巖性、結(jié)構(gòu)面、膠結(jié)程度、含水情況和時間效應(yīng)等。 4.3.2鉆孔卸壓 通過在被保護的巷道威嚴內(nèi)鉆孔，使掘進引起的支承壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。同時，鉆孔還為巷道圍巖變形提供了一定補償空間，吸收一部分變形，從而減小巷道變形量。 研究表明，在巷道圍巖中鉆卸壓孔后，沿卸壓孔方向或沿卸壓孔排列方向的巷道變形量減小，而垂直卸壓鉆孔排面方向的巷道變形量增大。即在兩幫鉆卸壓孔時，兩幫相對移近量減小，而頂、底板相對移近量增大；相反。在頂、底板中鉆卸壓孔時，頂?shù)装逑鄬σ平繙p小，兩幫相對移近量增大。因此，若要減小兩幫變形量，可在巷道兩幫鉆卸壓孔；若要減小頂、底板相對移近量，應(yīng)在頂、底板中鉆卸壓孔。若欲控制巷道底鼓，只需在底板巖層中鉆卸壓孔。 鉆卸壓孔的效果取決于卸壓鉆孔的長度、孔距和孔徑。卸壓鉆孔長度決定了卸壓后支承壓力峰值的位置，因為從理論上講，支承壓力向圍巖深部轉(zhuǎn)移的深度等于卸壓鉆孔的長度。 卸壓鉆孔的間距b應(yīng)以能確保鉆孔間的煤柱破壞，從而使支承壓力峰值向巷道圍巖深部有效轉(zhuǎn)移為原則。因此，卸壓孔的間距與開采深度、煤巖強度和卸壓孔直徑相關(guān)。J.P.A.Roest等人的研究表明，當卸壓孔間距為其直徑的1.5~1.7倍時，卸壓效果最佳。而卸壓孔直徑d也有一個最佳值，有研究表明，當d/B=0.1時，卸壓效果最好。 初卸壓鉆孔的長度、間距和孔徑外，鉆孔卸壓的效果在很大程度上與卸壓時機有關(guān)，越早卸壓效果越好。 圖4.2 變形量與卸壓鉆孔間距的關(guān)系 1——頂?shù)装逑鄬σ平浚?——兩幫相對移近量 4.3.3鉆孔松動爆破卸壓 （1）鉆孔松動爆破卸壓 鉆孔松動爆破卸壓是在巷道底板或兩幫鉆深度較小的炮孔，在孔底進行限制性爆破，在煤巖體中形成一個連續(xù)的松散、破碎帶，將掘巷產(chǎn)生的支承壓力峰值轉(zhuǎn)移到巷道圍巖深部，從而達到卸壓的目的。同時，已經(jīng)松散、破碎的煤體具有緩沖、墊層作用，即巷道深部圍巖變形將首先作用于它，當它完全被壓實后才作用于巷道周邊的圍巖和支架，巷道才開始變形?？梢姡@孔松動爆破卸壓可以延遲和減小巷道變形。實驗表明，應(yīng)用此法控制巷道底鼓可使底鼓延遲3~10個月產(chǎn)生，底鼓量減小60~75%。因此，在巷道底板中進行松動爆破卸壓，可以有效防治巷道底鼓。 （2）爆破卸壓與注漿加固結(jié)合實踐表明，鉆孔松動爆破卸壓法在圍巖條件好時可以在一定程度上減小巷道變形量，延遲巷道變形，特別是在控制巷道底鼓方面較為有效。然而，隨著松散破碎帶煤巖體被壓實，卸壓作用也隨之消失。 為了改善鉆孔松動爆破卸壓效果，可以將卸壓與松散破碎帶圍巖的加固結(jié)合起來。這種方法先通過鉆孔松動爆破卸壓，然后對已經(jīng)起到卸壓作用的松散破碎圍巖進行注漿加固，因而可獲得比單一方法更好的效果。但這種先卸壓后加固的方法施工工藝復(fù)雜，故在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種爆破加固法。 爆破加固法的爆破卸壓與加固工作同時完成，大大簡化了施工工藝。 （3）爆破卸壓與支架加固相結(jié)合 這種方法的實質(zhì)是：在距巷道周邊一定深度處，靠裝填在一種特制的管縫式錨桿中的炸藥爆破形成卸壓帶，同時錨桿開裂加固卸壓帶以內(nèi)的巷道周邊圍巖。這種方法即起到了卸壓效果，又改善、提高了巷道周邊圍巖的穩(wěn)定性。 4.3.4開槽（縫）卸壓 這種方法實際上相當于鉆孔卸壓法的鉆孔中心距為鉆孔直徑的特殊情況，因此它的卸壓原理與鉆孔卸壓法相同，只是卸壓過程不同。它是通過在被保護巷道的兩幫或定、底板總開卸壓槽，是支承壓力峰值向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，從而達到卸壓的目的。同時，與鉆孔卸壓法開的卸壓鉆孔一樣，卸壓槽（縫）還為巷道圍巖變形（提供了補償空間，從而使巷道變形量減小。 開槽（縫）卸壓在理論上講可以獲得更好的卸壓效果，但由于這種卸壓方法目前還沒有合適的開槽機具，而且要在巷道的不同位置開槽也有較大困難，故在實踐中多采用鉆孔代替槽（縫）。 4.4圍巖加固理論 4.4.1錨桿機械加固原理 目前，人們提出多種機理來解釋錨桿的支護效果，如懸吊作用、組合梁作用、組合拱作用等。這些觀點都有合理的成分，在一定程度上說明了問題。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)控制論的觀點，巷道圍巖的穩(wěn)定性主要受巖體結(jié)構(gòu)的控制，圍巖變形主要是結(jié)構(gòu)變形，圍巖的破壞主要是結(jié)構(gòu)破壞，因此應(yīng)從控制圍巖結(jié)構(gòu)變形和破壞角度來分析錨桿的支護機理。 表4.1 幾種典型的錨桿支護作用機理 錨桿限制約束圍巖變形，并向圍巖施加壓力，從而使處于二維應(yīng)力狀態(tài)的硐室內(nèi)表面附近的圍巖變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)，能制止圍巖強度的惡化 加固作用 由于系統(tǒng)錨桿的加固作用，使圍巖中尤其是松動區(qū)的節(jié)理裂隙破裂面得以連接，因而增大了錨固區(qū)圍巖的強度。錨桿對加固節(jié)理發(fā)育的巖體和圍巖松動區(qū)是十分有效的，有助于裂隙巖體和松動區(qū)整體性增強，形成加固帶 組合梁作用 對于水平和緩傾斜的層狀巖體，用錨桿群能把數(shù)層巖層連在一起，增大層理間摩擦阻力，從 結(jié)構(gòu)力學(xué)觀點來看，就形成了“組合梁” 懸吊作用 為防止個別危巖的掉落或滑落，用錨桿將其與穩(wěn)定圍巖連接起來，這種作用主要表現(xiàn)在加固 局部失穩(wěn)的巖體中 4.4.2化學(xué)注漿加固原理 圍巖注漿加固原理(見圖4.3)關(guān)鍵有兩條：一是提高破裂巖體強度。利用注漿錨桿內(nèi)漿液充填破裂圍巖內(nèi)的破裂面，將破裂巖體固結(jié)起來，使破裂圍巖內(nèi)塊體粘結(jié)成整體結(jié)構(gòu)，同時使原破裂圍巖塊體由單向或雙向受力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，從而大大提提高破裂巖體殘余強度和改善其力學(xué)性能。二是由于注漿錨桿向圍巖中注漿，使得注漿錨桿本身和普通端錨錨桿變成全長錨固錨桿，提高了錨桿的錨固力及錨固體的強度，從而增加圍巖自身承載能力，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體性，保證圍巖的穩(wěn)定性。歸納起來，破裂圍巖錨注支護機理主要有以下幾點。 圖4.3 注漿加固支護機理圖 1——普通金屬錨桿；2——注漿錨桿；3——金屬網(wǎng)噴層；4——注漿擴散范圍；5——錨桿作用形成的錨巖拱；6——噴網(wǎng)層作用形成的組合拱 （1）注漿提高巷道圍巖內(nèi)破碎巖體的強度和變形模量 圍巖注漿加固往往與其他巷道支護形式結(jié)合起來，它不僅改善圍巖巖性和應(yīng)力分布，而且大大縮小圍巖變形，減輕支架承受的外載壓力，改善了支架的受力狀況。 （2）充填壓密裂隙 注漿時漿液在泵壓的作用下，滲透充填一些裂隙，另外經(jīng)擠壓可以使一些填不到的裂隙閉合，提高圍巖的強度。降低巖體的孔隙率，可大幅度提高巖體的強度。同時，裂隙內(nèi)充滿加固材料或壓密后，裂隙附近巖體將由所處的二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，脆性減弱、塑性增強。 （3）注漿封閉水源、隔絕空氣 由理論研究和工程實踐得知水對巷道圍巖有軟化、溶蝕等作用，能顯著降低巷道圍巖的強度。圍巖注漿可有效封堵水通道，隔離巷道流水及防止或減輕水對圍巖的軟化，避免圍巖強度因水的影響而大幅降低。 風化也會對圍巖強度造成較大損失，圍巖注漿后封堵了裂隙，可有效防止圍巖風化。 4.5二次支護原理 軟巖的二次支護理論是在實踐中形成的，它是實現(xiàn)軟巖加固承載圈的施工方法。它根據(jù)圍巖變形量測結(jié)果，確定二次支護時間、方法和支護剛度，以達到最佳支護效果。 4.5.1一次支護存在的問題 我國在軟巖巷道掘進方面強調(diào)一次成巷，目的是針對軟巖變形速度快、變形量大、變形時間長的圍巖特征以提高支護剛度、減少圍巖暴露時間，達到阻止和減緩圍巖變形的目的。然而實踐證明，對于軟巖巷道，由于圍巖流變性較強，變形需要很長一段時間才能穩(wěn)定，所以單純提高支護剛度，依靠一次支護解決支護問題不是很有效的。 單純一次立即支護存在的問題： （1）不能適應(yīng)軟巖的變形規(guī)律。 （2）單純一次立即支護恰值圍巖的劇烈變形期 巷道剛剛開挖不久，圍巖變形速度快，變形壓力大，變形量大，需要一段時間應(yīng)力調(diào)整后方能趨于穩(wěn)定。因此，一次成巷，立即封閉圍巖，構(gòu)筑永久支護往往使圍巖長期不穩(wěn)定。 4.5.2軟巖巷道二次支護原理 硬巖巷道支護原理不允許硬巖進入塑性，因進入塑性狀態(tài)的硬巖將喪失承載能力。而軟巖巷道的獨特之處是其巨大的塑性能必須以某種形式釋放出來。假設(shè)巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運動的各種力的合力為（見圖4.4），則軟巖巷道支護原理可表示為 式中 ——挖掉巷道巖體后使圍巖向臨空區(qū)運動的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構(gòu)造應(yīng)力和工程偏應(yīng)力等； ——以變化的形式轉(zhuǎn)化的工程力，可以包括彈塑性轉(zhuǎn)化，念彈塑性轉(zhuǎn)化，膨脹力的轉(zhuǎn)化，對于軟巖來講，主要是塑性能以變形的方式釋放； ——圍巖自撐力，即圍巖本身具有一定強度，可承擔部分或全部荷載； ——工程支護力。 圖4.4 PT合力示意圖 軟巖巷道和硬巖巷道圍巖變形的主要差別在于軟巖變形有著明顯的時間特性，其塑性能的釋放和圍巖的變形不可能在短時間內(nèi)完成，一般要經(jīng)歷較長的時間。 5.軟巖工程穩(wěn)定檢測技術(shù)和支護技術(shù) 5.1施工監(jiān)測技術(shù) 5.1.1監(jiān)測的意義與目的 監(jiān)測的目的，一是井下作業(yè)人員通過隨時觀測巷道圍巖活動情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可及時采取措施，保證安全生產(chǎn)；二是通過監(jiān)測獲得圍巖穩(wěn)定狀況的信息，為修改、完善設(shè)計提供依據(jù)。大松動圈軟巖巷道的穩(wěn)定性是一個過程十分復(fù)雜的問題，監(jiān)測工作作為軟巖巷道施工必不可少的一個重要組成部分，通過對松動圈厚度值、圍巖表面收斂變形、圍巖內(nèi)部位移等數(shù)據(jù)觀測可及時準確地掌握圍巖變形力學(xué)形態(tài)隨時間的變化情況等，在此基礎(chǔ)上，注意調(diào)整支護結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理性，妥善安排施工工藝過程，一直到表征圍巖和支護系統(tǒng)力學(xué)狀態(tài)的物理量隨時間而漸趨穩(wěn)定，以維護巷道的穩(wěn)定。軟巖工程監(jiān)測的目的可以概括為以下幾點： （1）監(jiān)測支護參數(shù)的有效性 由于巖體生成條件和地質(zhì)作用的復(fù)雜性，地下工程軟巖的穩(wěn)定性受到施工方法、開挖順序、支護方法、支護時間及圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)等諸多因素的影響，使得軟巖工程支護設(shè)計很難準確地適應(yīng)圍巖的力學(xué)性質(zhì)，所以通過施工過程中對某些參數(shù)進行現(xiàn)場監(jiān)控量測，往往能人情許多模糊因素所導(dǎo)致的開挖后圍巖和支護上出現(xiàn)的力學(xué)行為，來驗證支護設(shè)計的正確性，監(jiān)督施工進程，同時通過上述量測信息的反饋，可以及時對原設(shè)計支護形式或者支護參數(shù)進行修正提供科學(xué)的依據(jù)。 （2）合理確定二次支護時間 一次支護后由于圍巖應(yīng)力的釋放，一般支護結(jié)構(gòu)均不能適應(yīng)巷道較大的變形，導(dǎo)致第一次支護必然有一定數(shù)量的破壞。通過分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，主要依據(jù)圍巖松動圈、圍巖變形收斂值以及收斂速度，支護受力的實測數(shù)據(jù)等，可以合理地控制圍巖變形及確定二次支護的時間。 （3）確定合理的預(yù)留變形量 由于大松動圈軟巖巷道的圍巖表面收斂變形量大，在巷道斷面設(shè)計時必須預(yù)留一定的圍巖表面收斂變形量，以備變形收縮到一定程度時，不至于影響巷道的使用及巷道維修。 5.1.2監(jiān)測的內(nèi)容與方法 工程觀測的內(nèi)容較多，一般有三個方面：一是位移量測，二是應(yīng)力量測，三是支護結(jié)構(gòu)上的壓力量測。 （1）圍巖表面位移量測 巷道圍巖表面位移直觀地反映巷道表面位移的大小及巷道斷面的縮小程度，可以判斷圍巖的運動是否超過其最大允許值，是否影響巷道的正常使用。而位移量、位移速率、位移隨時間的變化規(guī)律和圍巖最終的位移量則是指導(dǎo)施工、評定圍巖穩(wěn)定重要指標。 （2）圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測 圍巖內(nèi)部位移反映距巷道表面不同深度的圍巖移近量，可以判定圍巖的塑性區(qū)范圍以及圍巖的穩(wěn)定狀況，分析錨桿和圍巖之間是否發(fā)生錯動，判斷錨桿的應(yīng)變是否超過極限應(yīng)變，是衡量圍巖穩(wěn)定性及檢驗支護效果的依據(jù)。 （3）圍巖松動圈監(jiān)測 松動圈的測定方法很多，有鉆孔潛望鏡法、鉆孔攝影法、鉆孔電視法、形變——電阻率法及聲波測試法等，最為常用和方便的聲波測試法。 （4）錨桿受力監(jiān)測 錨桿受力監(jiān)測是用錨桿測力計和測力錨桿進行的。錨桿測力計用來觀測錨桿托板的托錨力，測力錨桿用以觀測全長錨固錨桿受力沿桿體長度的分布情況。觀測錨桿的受力狀況是全面分析錨桿錨固機理及評價支護效果的基礎(chǔ)。 5.2軟巖支護結(jié)構(gòu)類型 按照對軟巖支護結(jié)構(gòu)的作用機理不同，目前采用的支護結(jié)構(gòu)可歸納為如下三類： （1）外部支護 這類支護結(jié)構(gòu)通常具有足夠大的剛度和斷面尺寸，一般用來承受強大的松動壓力。通常采用砌碹、金屬支架、鋼筋混凝土大弧板等。 （2）內(nèi)部加固 這類支護結(jié)構(gòu)主要由錨桿、錨索和圍巖注漿等，主要通過提高圍巖的內(nèi)聚力和摩擦角來提高圍巖的強度，從而提高圍巖的自承能力。 （3）聯(lián)合支護 在軟巖工程中，一般都必須實施人工支護才能保持其一定的穩(wěn)定性。因而，軟巖工程發(fā)展中的主要問題是圍巖穩(wěn)定性控制。 5.3圍巖外部支護 5.3.1砌碹支護 砌碹支護過去是一種比較常見和簡單的支護技術(shù)，約占我國地下采煤巷道支護中的20%，主要材料是石料和混凝土等。在井下巷道支護中，一般以碹體的形式出現(xiàn)，以阻擋巷道的四周來壓。在淺埋低應(yīng)力巷道工程中，砌碹支護能較好地維護巷道的穩(wěn)定。但在軟巖工程中，一般傳統(tǒng)的砌碹支護會產(chǎn)生多種嚴重破壞，無法有效保證工程的長期穩(wěn)定。 5.3.2金屬支架支護 拱形可縮性金屬支架用礦用特殊型鋼制作，它的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。每架棚子由三個基本構(gòu)件組成——一根曲率為的弧形頂梁和兩根上端部曲率為的柱腿。弧形頂梁的兩端插入或搭接在柱腿的彎曲部分上，組成一個三心拱。 圖5.1拱形可縮性金屬支架 支架可縮性可以用卡箍的松緊程度來調(diào)節(jié)和控制，通常要求卡箍上的螺帽扭緊力矩大約為150N·m，以保證支架的初撐力。在設(shè)計巷道斷面選擇支架規(guī)格時，應(yīng)考慮留出適當?shù)淖冃瘟?，以保證巷道的后期使用要求。 影響金屬支架承載能力的因素有很多，主要有以下幾個方面： （1）斷面形狀和大小。 （2）外載作用形式。 （3）壁后充填填實情況。 （4）支架架設(shè)質(zhì)量。 5.3.3混凝土大弧板支護 混凝土大弧板支護是專為軟巖設(shè)計的新型支護，見圖5.2。這種支護的特點是采用了超高標號鋼筋混凝土弧板，弧板混凝土強度等級達C100。其截面含剛率1.3%左右，板厚0.2~0.3m，寬0.32~0.49m，每塊重4.8~8t，每圈根據(jù)巷道斷面大小由4~6塊弧板組成圓形支架，每2~3圈相接成巷1m。支架的每米均布承載能力達500~700kN。 圖5.2 混凝土大弧板支護圖 1——平滑可縮夾層；2——軟性充填材料； 3——吊裝孔、注漿預(yù)留孔；4——混凝土高強度弧板 5.4圍巖內(nèi)部加固支護 5.4.1傳統(tǒng)錨噴支護 錨噴支護是一個支護系列，和其他支護技術(shù)相比有其眾多優(yōu)點，它可用于不同巖性、不同斷面、不同用途的各種地下工程。實踐證明，它的經(jīng)濟效益也比較顯著，該技術(shù)目前已得到廣泛應(yīng)用。 （1）錨噴支護的特點 ①及時性。②密貼性。③封閉性。④可分性。⑤適應(yīng)性。⑥組合性。⑦經(jīng)濟性。 ⑧科學(xué)性。 （2）軟巖巷道對錨噴支護的要求 ①不宜采用端錨。②立即封閉圍巖。③提高錨噴的柔性。 （3）噴層 噴層的作用主要是封閉、加固圍巖，防止危石下落，提高圍巖強度等。目前地下工程錨噴支護的噴層多為噴射混凝土或水泥砂漿，凝結(jié)硬化后為脆性材料，其柔性很差，只能承受壓力，抗拉、抗剪強度極低。為滿足一次支護時軟巖初期變形量大、變形速度快，而且保證噴層不開裂，則要求噴層有較大的柔性。 （4）錨桿 錨桿的作用按其作用機理不同有懸吊、加固圍巖等。錨桿的種類根據(jù)其錨固的形式分為端頭錨固和全長錨固，按變形特征可分為全長摩擦式、全長粘結(jié)式和可拉伸式等多種。 5.4.2高強預(yù)拉力錨桿支護 5.4.3錨索與錨注支護 （一）錨索支護 與錨桿支護相比，錨索支護具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預(yù)緊力等諸多優(yōu)點，是大松動圈巷道支護加固不可缺少的重要手段。其加固范圍、支護強度、可靠性是普通錨桿支護所無法比擬的。 錨索主要起懸吊作用，它把下部松動圈及可能不穩(wěn)定的巖層吊于上部穩(wěn)定的巖層，或者大松動圈之外，因此，依據(jù)懸吊理論，則錨索的總長度應(yīng)按下式計算 式中 ——錨索的錨固段長度，常取1500mm； ——錨索的外露長度，常取150~250mm； ——錨索的有效長度（松動圈的厚度值或者不穩(wěn)定巖層厚度值）。 （二）錨注支護 （1）錨注支護參數(shù)確定 ①注漿錨桿的間排距 注漿孔的布置應(yīng)是相鄰兩孔固結(jié)漿液的徑向分布在一定程度上互相貫通，且漿液多余的部分能充填固結(jié)體之間的孔隙。根據(jù)孔的布置方式及每個注漿孔的擴散半徑，可以確定出孔間距的大小。 ②注漿參數(shù) 注漿參數(shù)主要指注漿量、注漿壓力和注漿時間等。這些參數(shù)必須根據(jù)巷道圍巖需要注漿范圍的大小、裂隙的發(fā)育程度等因素來確定。 注漿量的大小最主要的注漿參數(shù)之一，由于圍巖的裂隙發(fā)育情況、松動范圍和圍巖性質(zhì)等方面的差異，單位體積的圍巖注漿量往往有很大差別。如果注漿量確定。那么注漿壓力和注漿時間往往是相輔相成的。注入同樣體積的漿液所需的時間就越少；反之亦然。 （2）注漿工藝及注意事項 施工必須嚴格按照有關(guān)的規(guī)程進行，并應(yīng)注意各工序的先后次序及其匹配關(guān)系，一般的巷道錨注施工工藝流程如圖5.3所示。 圖5.3巷道錨注施工工藝流程 為保證錨注任務(wù)的順利完成，中空注漿錨桿的安裝和注漿過程中還必須注意下述事項： ①迎頭巷道成型后，要緊跟迎頭及時進行噴漿護表等一次支護。 ②為保證注漿錨桿的錨固質(zhì)量及圍巖注漿過程中的封孔效果，錨桿必須按照設(shè)計圖紙要求的尺寸和材質(zhì)加工制作。 ③錨桿注漿前必須確保其通暢，遇有管芯堵塞的錨桿，不允許注漿。 ④注漿泵水平放置在巷道底板上，不允許注漿泵在注漿過程中有晃動、傾斜等現(xiàn)象發(fā)生。 ⑤按特性曲線圖，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥至所需的注漿終壓。 ⑥漿液的調(diào)制必須嚴格按設(shè)計的配方、配比進行，調(diào)漿前篩除水泥等干料中的雜物，并在專門的調(diào)漿容器內(nèi)進行調(diào)漿工作，嚴禁在吸漿捅內(nèi)調(diào)漿。 5.5軟巖聯(lián)合支護 5.5.1聯(lián)合支護的概念 聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)是柔性支護與剛性支護的組合，系指采用多種不同畢能的單一支護的組合結(jié)構(gòu)。聯(lián)合支護中單一支護各自充分發(fā)揮其所固有的性能，揚長避短，共同作用，以適應(yīng)圍巖變形的要求，最終達到圍巖和巷道穩(wěn)定的目的通常初期支護是柔性支護，一般采用錨噴支護；最終支護采用剛性支護。 5.5.2聯(lián)合支護的原則 （1）巷道開挖初期圍巖變形速度最快、變形量大，因此，一次支護必須滿足大變形的要求。 （2）巷道開挖后采用的各種支護方法都應(yīng)是聯(lián)合支護的組成部分。 （3）聯(lián)合支護方法必須針對圍巖性質(zhì)及地址條件進行設(shè)計，不應(yīng)前篇一律。 （4）各種單獨支護方法應(yīng)相互間剛?cè)嵯酀噍o相成。 （5）聯(lián)合支護取材方法不應(yīng)過于繁雜，應(yīng)采取簡易的組合方式，以便現(xiàn)場施工。 5.5.3聯(lián)合支護的主要形式 （1）各種錨桿支護的聯(lián)合 錨桿在巷道支護中的作用是不同的，可分為超前錨桿、圍壁插筋錨桿、徑向加固錨桿，還有加固頂板的桁架錨桿等。各種錨桿優(yōu)選組合是最積極、最實用、最有效的方法。 （2）錨噴支護與U型鋼支架聯(lián)合 錨噴支護與U型鋼支架聯(lián)合最方便，效果也是比較好的，只要經(jīng)濟上允許，通常優(yōu)先使用。 （3）錨噴支護與砌體支護的聯(lián)合 錨砌聯(lián)合中砌體包括料石、混凝土砌塊以及鋼筋混凝土弧板等。這種聯(lián)合支護壁后充填非常重要，否則達不到預(yù)期效果。 （4）錨噴、錨注與U型剛聯(lián)合支護 即在錨噴支護與U型剛支架聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上注漿以加固圍巖。 （5）“三錨”耦合支護 即同時使用錨桿、錨索和錨注技術(shù)，在大松動圈軟巖巷道中，利用錨桿的擠壓成拱、錨索的懸吊和減跨、錨注的通過提高巖體粘聚力及摩擦角來提高巖體的抗剪強度來進行聯(lián)合支護，這種方法成為“三錨”耦合支護?！叭^”耦合支護要注意三種支護方式的不同作用機理，在設(shè)計施工中要注意施工的先后順序和時機，以達到最佳耦合效果。 “三錨”支護的獨特優(yōu)點是，不僅主動加固圍巖，而且能把深部圍巖強度調(diào)動起來，和淺部支護巖體共同作用，控制巷道穩(wěn)定性，這將是軟巖巷道支護的主流發(fā)展方向。 6軟巖工程支護技術(shù)前景 軟巖巷道支護方面，近10多年來，已經(jīng)取得了一系列的科技成果和經(jīng)驗，但是煤礦軟巖圍巖控制技術(shù)無論在理論研究和設(shè)計上，還是在支護工藝、配套設(shè)備以及施工組織上都有待于進一步完善和提高。 6.1軟巖工程信息技術(shù) 為了推動我國煤礦軟巖巷道威嚴控制技術(shù)的進一步完善和發(fā)展，對我國軟巖巷道圍巖控制技術(shù)的理論和生產(chǎn)實踐進行全面的總結(jié)分析，對已有的理論與工程實踐進行深入細致的研究，建立比較系統(tǒng)的、能夠指導(dǎo)和運用于軟巖工程實際的軟巖工程技術(shù)智能信息系統(tǒng)，具有極其重大意義。因此，軟巖工程技術(shù)的信息化勢在必行。 6.2軟巖工程測試技術(shù) 同其他工程材料相比，巷道圍巖