趙景民等

摘 要：通過(guò)對(duì)深部開(kāi)采軟巖巷道的變形破壞機(jī)理的研究，巷道變形破壞主要是由于支護(hù)體力學(xué)特性與圍巖力學(xué)特性在強(qiáng)度、剛度以及結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)不耦合所造成的；且變形首先從關(guān)鍵部位開(kāi)始，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。因此，要保證深部軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性，必須實(shí)現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的耦合，當(dāng)錨桿與圍巖在剛度上實(shí)現(xiàn)耦合時(shí)，能最大限度地發(fā)揮錨桿對(duì)圍巖的加固作用；當(dāng)錨網(wǎng)與圍巖在強(qiáng)度上實(shí)現(xiàn)耦合時(shí)，將會(huì)使圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)趨于均勻化；當(dāng)錨索與圍巖在結(jié)構(gòu)上耦合時(shí)，可以充分利用深部圍巖強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)淺部圍巖的支護(hù)。同時(shí)列舉了部分復(fù)合型想單一型的耦合轉(zhuǎn)化技術(shù)，為巷道錨桿耦合支護(hù)技術(shù)的實(shí)施提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采 軟巖巷道 耦合支護(hù) 耦合轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0096-02

1 深部工程的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在工業(yè)發(fā)展中煤炭資源的開(kāi)采是其基本的推動(dòng)力，同時(shí)，煤炭開(kāi)采也逐漸成為一門(mén)重要的技術(shù)學(xué)科。在煤炭的開(kāi)采過(guò)程中，巷道要如何維護(hù)好本身的穩(wěn)定性能，這已經(jīng)成為采礦與巖土這兩個(gè)工程之間要解決的問(wèn)題。近些年來(lái)，支護(hù)的手段與方法在煤炭行業(yè)中得到了很好的發(fā)展，從被動(dòng)的棚子支護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的錨桿支護(hù)，并且根據(jù)不同的實(shí)際工程條件與地址條件，它們都將在不同的使用范圍內(nèi)出現(xiàn)。同時(shí)，在支護(hù)的發(fā)展中，其本身理論上有了相對(duì)完備的發(fā)展。而現(xiàn)在比較先進(jìn)的支護(hù)方式則是錨桿支護(hù)方式。它可以很好的適用于不同的地質(zhì)條件，在勞動(dòng)強(qiáng)度上也比較低，且經(jīng)濟(jì)效益很好[1]。軟巖巷道工程成功支護(hù)的技術(shù)關(guān)鍵之一是正確確定軟巖的變形力學(xué)機(jī)制及其復(fù)合型。深入研究深部工程圍巖特征，掌握深部圍巖的變形破壞機(jī)理，以有效地控制圍巖的變形與破壞，在煤礦安全生產(chǎn)，高產(chǎn)高效中具有重要的理論指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

2 軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制的確定

每種變形力學(xué)機(jī)制有其獨(dú)特的特征型礦物、力學(xué)作用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其軟巖巷道的破壞特征也有所不同[2～3]，通過(guò)野外工程地質(zhì)研究和室內(nèi)物化、力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析以及理論分析，可以正確的確定軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制類型。

（1）I型變形力學(xué)機(jī)制主要依據(jù)其特征礦物和微隙發(fā)育情況進(jìn)行確定為物化膨脹型，根據(jù)特征可分為IA型（蒙脫石型分子吸水膨脹機(jī)制）、IAB型（伊-蒙脫石型分子吸水膨脹+膠體膨脹）、IB型（高嶺石型膠體膨脹機(jī)制）、IC型（微隙型微裂隙膨脹機(jī)制）。其中A類軟巖的控制性因素為分子吸水機(jī)制，晶胞之間可吸收無(wú)定量水分子，吸水能力強(qiáng)；B類控制性因素為膠體吸水機(jī)制，晶胞之間不允許進(jìn)入水分子，黏粒表面形成水的吸附層；C類控制性因素為微隙-毛細(xì)吸水機(jī)制。

（2）II型變形力學(xué)機(jī)制主要根據(jù)受力特點(diǎn)及在工程力作用下巷道的特征確定為應(yīng)力擴(kuò)容型，根據(jù)特征可分IIA型（構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制）、IIB型（重力機(jī)制）、IIC型（水力機(jī)制）、IID型（工程偏應(yīng)力機(jī)制）。其中A類軟巖控制性因素為殘余構(gòu)造應(yīng)力，變形破壞與方向有關(guān)，與深度無(wú)關(guān)；B類控制性因素為自重力型；C類控制性因素為地下水；D類控制性因素為工程開(kāi)挖擾動(dòng)，變形破壞與設(shè)計(jì)有關(guān)，巷道密集，巖柱偏小。

（3）III型變形力學(xué)機(jī)制主要是指受結(jié)構(gòu)面影響的非對(duì)稱變形力學(xué)機(jī)制，要求先鑒別結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)及其構(gòu)造體系歸屬，然后再依據(jù)其產(chǎn)狀與巷道走向的相互交切關(guān)系來(lái)確定，此類型為結(jié)構(gòu)變形型，根據(jù)特征可分為IIIA型（斷層型）、IIIB型（弱層型）、IIIC型（層理型）、IIID型（節(jié)理型）、IIIE型（隨機(jī)節(jié)理型）。其控制性因素分別為斷層斷裂帶、軟弱夾層、層理、優(yōu)勢(shì)節(jié)理、隨機(jī)節(jié)理。

軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制不是單一的，而是集多種變形力學(xué)機(jī)制于一體的復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制，復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制是軟巖巷道難支護(hù)的根本原因。

3 深部軟巖工程耦合支護(hù)轉(zhuǎn)化技術(shù)

3.1 深部軟巖工程耦合支護(hù)的基本原理

深部軟巖工程的耦合支護(hù)基本原理[4]就是通過(guò)對(duì)深部軟巖工程中的關(guān)鍵部位進(jìn)行有效合理的支護(hù)，并且在關(guān)鍵部位上要限制圍巖對(duì)其產(chǎn)生有害變形與差異性變形，使得支護(hù)的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)與深部軟巖工程圍巖的力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)之間達(dá)到一定的強(qiáng)度剛度與結(jié)構(gòu)的耦合。故而，要通過(guò)很多次的支護(hù)，才能使圍巖與支護(hù)之間得到相應(yīng)的耦合，在進(jìn)行初次的支護(hù)基礎(chǔ)上，在關(guān)鍵部位中初次引起支護(hù)失穩(wěn)的地方，進(jìn)行二次或者多次耦合支護(hù)，從而達(dá)到對(duì)深部軟巖的支護(hù)變形、破壞的有效控制，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 深部軟巖工程耦合支護(hù)的基本特征

根據(jù)深部軟巖工程圍巖的變形破壞特征，深部軟巖工程實(shí)現(xiàn)耦合支護(hù)的基本特征在于圍巖與支護(hù)體在強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上的耦合。

（l）強(qiáng)度耦合。

由于深部軟巖工程圍巖本身所具有的巨大變形能，單純采取高強(qiáng)度的支護(hù)形式不可能阻止其圍巖的變形，從而也就不能達(dá)到成功進(jìn)行軟巖巷道支護(hù)的目的。與淺部工程及硬巖不同，深部軟巖進(jìn)入塑性后，本身仍具有較強(qiáng)的承載能力，因此，對(duì)于深部軟巖工程來(lái)講，應(yīng)在不破壞圍巖本身承載強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，充分釋放其圍巖變形能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度耦合，再實(shí)施支護(hù)。

（2）剛度耦合。

由于深部軟巖工程的破壞主要是變形不協(xié)調(diào)而引起的，因此，支護(hù)體的剛度應(yīng)與圍巖的剛度耦合，一方面支護(hù)體要具有充分的柔度，允許巷道圍巖具有足夠的變形空間，避免圍巖由于變形而引起的能量積聚；另一方面，支護(hù)體又要具有足夠的剛度，將圍巖控制在其允許變形范圍之內(nèi)，避免因過(guò)度變形而破壞圍巖本身的承載強(qiáng)度。這樣才能在圍巖與支護(hù)體共同作用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化。

（3）結(jié)構(gòu)耦合。

對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的不連續(xù)變形，通過(guò)支護(hù)體對(duì)該部位進(jìn)行加強(qiáng)耦合支護(hù)，限制其不連續(xù)變形，防止因個(gè)別部位的破壞引起整個(gè)支護(hù)體的失穩(wěn)，達(dá)到成功支護(hù)的目的。

3.3 耦合轉(zhuǎn)化技術(shù)endprint

由于各軟巖“綜合征”的內(nèi)在變形力學(xué)機(jī)制不同，其耦合轉(zhuǎn)化的對(duì)策有所不同。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化技術(shù)也不同。I型軟巖耦合轉(zhuǎn)化技術(shù)主要有預(yù)留層卸壓錨桿技術(shù)、柔性噴層技術(shù)、柔性錨桿技術(shù)、底錨桿支護(hù)技術(shù)；II型軟巖耦合轉(zhuǎn)化技術(shù)主要有巷道位置及方向三維優(yōu)化技術(shù)、錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)技術(shù)；III型軟巖耦合轉(zhuǎn)化技術(shù)主要有錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)、超前錨桿技術(shù)、錨桿布置三維優(yōu)化技術(shù)、注漿錨桿技術(shù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)分析工程地質(zhì)條件、破壞原因及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)破壞狀況進(jìn)行調(diào)查，充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工程條件，確定唐山某礦深部巷道主要變形力學(xué)機(jī)制有IAB：分子吸水膨脹機(jī)制+膠體膨脹機(jī)制；IIBC：重力機(jī)制+水力機(jī)制；IIICE：結(jié)構(gòu)變形型+隨機(jī)節(jié)理型。對(duì)具有IABIIABCIIICE復(fù)合型軟巖巷道，首先為了減少應(yīng)力集中程度，要預(yù)留一定的變形空間釋放變形能和塑性能，并及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行封閉，防止膠體遇水膨脹和泥巖吸水軟化，使其轉(zhuǎn)化為IIABCIIICE型；其次通過(guò)超前錨桿加固頂部圍巖，再采用錨桿三維優(yōu)化優(yōu)化和底角注漿錨桿技術(shù)，使錨網(wǎng)和圍巖在強(qiáng)度和剛度上達(dá)到耦合，使得變形能充分得到釋放的基礎(chǔ)上，使得圍巖的自承能力最大限度的發(fā)揮，并及時(shí)有效地限制圍巖發(fā)生有害的變形損傷，使其轉(zhuǎn)化為IIBC；再采用錨索關(guān)鍵部位耦合支護(hù)技術(shù)和柔層桁架支護(hù)技術(shù)使圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)均勻化，圍巖變形均勻，當(dāng)巷道圍巖變形使得初噴混凝土噴層與桁架接觸時(shí)，實(shí)施全斷面現(xiàn)澆混凝土支護(hù)，形成封閉性永久支護(hù)，將不穩(wěn)定的IIB型變形力學(xué)機(jī)制轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的IIB型。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)軟巖的多年開(kāi)采，在工程實(shí)踐中對(duì)軟巖巷道的變形與破壞機(jī)理理論上進(jìn)行相應(yīng)的研究，深部開(kāi)采軟巖巷道耦合支護(hù)技術(shù)不斷得到完善和發(fā)展，解決了所承擔(dān)的煤炭等關(guān)鍵工程和國(guó)際合作項(xiàng)目中的軟巖難題，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益同時(shí)列舉了部分復(fù)合型想單一型的耦合轉(zhuǎn)化技術(shù)，使護(hù)系統(tǒng)達(dá)到耦合的最佳支護(hù)狀態(tài)，為巷道錨桿耦合支護(hù)技術(shù)的實(shí)施提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 康紅普.煤巷錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)法及其應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2002（1）：5-8.

[2] 何滿潮.深部工程圍巖特性及非線性動(dòng)態(tài)力學(xué)設(shè)計(jì)理念[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（8）：1215-1224.

[3] 何滿潮，孫曉明.中國(guó)煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計(jì)施工指南[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] 李占金.鶴煤五礦深部巖巷變形機(jī)理及控制對(duì)策研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.endprint