【正文】 等系列技 術(shù) 、 鋼 架 支護(hù) 系列技 術(shù) 、 鋼 筋混 凝 土支護(hù) 系列技 術(shù) 、料石 碹 支護(hù) 系列技 術(shù) 、注 漿 加固系列技 術(shù) 和 預(yù)應(yīng) 力 錨 索 支護(hù) 系列技 術(shù) 。其主要 內(nèi) 容有： (1)錨 桿 預(yù) 拉力的大小 對(duì)頂 板的 穩(wěn) 定具有 決定 作用。 若圍 巖是各向同性，且垂直 應(yīng) 力和水平 應(yīng) 力相等， 則為圓 形松 動(dòng) 圈；若垂直 應(yīng) 力和水平 應(yīng) 力不相等， 則為橢圓形松 動(dòng) 圈，且其 長(zhǎng)軸 與主 應(yīng) 力方向垂直。 3. 加固拱作用。 KV 為巖石完整性指數(shù)。 3．巖石吸水膨脹、水解性強(qiáng) 軟巖一般都含有親水性很強(qiáng)的蒙脫石、伊利石等粘土礦物質(zhì)，這些巖石的水解性很強(qiáng)，遇水后軟化，體積急劇膨脹，同時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹壓力。自 穩(wěn) 時(shí)間是軟 巖物理力 學(xué) 性 質(zhì) 、工程地 質(zhì) 特性和 礦壓顯現(xiàn)的綜 合性反映。此時(shí)圍巖位移速度減小、變形較為緩慢。 6. 膨脹率與巖體天然孔隙比、結(jié)構(gòu)狀態(tài)和介質(zhì)溶液性質(zhì)相關(guān)，天然孔隙比愈大，其膨脹率愈??；天然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度愈大，其膨脹率愈小。之后，水分子進(jìn)一步增加，出現(xiàn)非結(jié)合水以后，粒間逐漸失去結(jié)合水膜的連接，巖體將由充分膨脹而發(fā)生崩解。 表 1－ 6 粘土 礦 物的塑性指 數(shù) 礦 物 種類 高嶺石 伊利石 蒙 脫石 液限（％） 塑限（％） 塑性指 數(shù)（ Ｉ） 38～ 59 25～ 37 11～ 28 95～ 120 40～ 58 49～ 63 290～ 710 60～ 100 220～ 650 巖體中粘粒含量與塑性指 數(shù)的關(guān)系曲線 近似 為 直 線。 103m2/kg、蒙 脫石為 810179。 105N/m2) 0 22 0～ 20 ～ 18 ～ 14 ～ 8 ≦ 6 ≦ 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 5 軟巖的瞬時(shí)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度，即軟巖強(qiáng)度具有隨時(shí)間增長(zhǎng)而衰減的特性。尤其是含蒙脫石成分愈高，巖體的工程力學(xué)性質(zhì)愈差。 上述 等等一些圍巖為軟巖的礦山，雖然現(xiàn)有的各種支護(hù)理論和措施很多，但 是由于對(duì)軟巖支護(hù)機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠清晰，以致有些礦山就一味地提高錨桿強(qiáng)度或不斷地施加預(yù)應(yīng)力，使得支護(hù)體并沒(méi)有充分的發(fā)揮其作用，導(dǎo)致實(shí)際的支護(hù)效果不大。由于金屬材料價(jià)格較高 ,支護(hù)費(fèi)用相當(dāng)高。 上面所舉出的等等一些 實(shí) 例表明軟巖巷道地壓 災(zāi)害對(duì)礦山安全生產(chǎn)威脅巨大，加強(qiáng)對(duì)軟巖巷道地壓災(zāi)害控制的研究迫在眉睫。因此，采用合理的軟巖巷道支護(hù)方式，對(duì)礦山的安全管理、高效生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)都起著至關(guān)重要的作用。 軟巖巷道 圍巖具有松、散、軟、弱等特點(diǎn)，巷道開鑿后地壓大，圍巖變形嚴(yán)重，以致 頂板 離層、冒頂、片幫、底鼓等現(xiàn)象突出，給施工帶來(lái)很大困難。由于巷道失穩(wěn)引起的地壓災(zāi)害事故屢見(jiàn)不鮮，造成了人員、財(cái)力、物力等多方面的巨大損失，嚴(yán)重影響了礦山的安全開采。 軟巖巷道地壓災(zāi)害 事故 實(shí)例 據(jù)國(guó)家煤礦安全局發(fā)布的報(bào)告， 2020 年 11 月 1－ 27 日，全國(guó)煤礦共 發(fā)生煤礦事故 126 起，死亡 375 人，同比減少 25 起，多死亡 92 人，分別下降 %和上升 %。 軟巖巷道支護(hù)的廣泛性和重要性 軟巖巷道是當(dāng)今地下工程中復(fù)雜而重要的技術(shù)問(wèn)題，在我國(guó)礦山建設(shè)中，軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題經(jīng)常遇到，隨著礦山開采向深部發(fā)展，巷道圍巖應(yīng)力相應(yīng)加大，或由于巷道布置和采動(dòng)的原因，造成巷道和采空區(qū)周圍應(yīng)力集中，增加了軟巖巷道 礦壓顯出的劇烈程度，使軟巖巷道支護(hù)更加困難。為了有效地減少支護(hù)材料的投入量 ,降低支護(hù)材料成本 ,根據(jù)各施工巷道的具體性質(zhì)和頂、底板巖性 ,在條件適宜的情況下 ,大膽采用了錨桿 (索 ) 支護(hù)替代傳統(tǒng)的 U 型鋼可縮性支架。 軟巖的一般概念與特性 軟巖是具有特殊工程地質(zhì)特征和物理力學(xué)性質(zhì)的巖體。 粘土礦物名稱 物理性質(zhì) 化學(xué)成分 顏色 硬度 比重 高嶺石 純者白色、有雜質(zhì)者染成淺黃、淺灰、淺紅、淺綠、淺褐色，致密塊體，無(wú)光澤，細(xì)薄鱗片 1～ 3 ～ AL4(OH)8[Si4O10](H2O)4 或 AL4[OH]8[SI4O10]H2O 伊利石 （水母石） 純者皆白色，有雜質(zhì)者染成黃、綠、褐色，塊狀體可呈油脂光澤 1～ 2 ～ (K,H3O)Al2(H2O,OH)2[ALSI3O10] 蒙脫石 白色或灰白色，有雜質(zhì)者染成黃色，淺玫瑰色、藍(lán)或綠色，土塊時(shí)光澤暗淡 1～ 2 2～ 3 {(Al2XMg X)(OH2)[SI4O10]}xNax*nH2O 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 4 軟巖的強(qiáng)度 軟巖親水性強(qiáng)，遇水強(qiáng)度顯著下降。一般其長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度約為其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 40～ 70%。 103m2/kg。 粒度愈小可塑性就愈強(qiáng) ，尤其是 膠 粒和粘粒的可塑性 特別 強(qiáng) 烈。 軟巖膨脹率的大小與下列主要因素有關(guān)： 1. 膨脹率與礦物成分和粘粒含量有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，巖體所含礦物成分愈差（特別是含大量蒙脫石）、粘粒含量愈高（特別是小于 5179。 軟巖的流變性 軟巖變形隨時(shí)間而增長(zhǎng)的特性稱為流變性。巖體處于彈塑性剩余潛能繼 續(xù)緩慢釋放階段，同時(shí)又處于巖體吸水膨脹及蠕變的開始階段。 實(shí)踐表 明， 軟 巖的自 穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng) 者 數(shù) 小 時(shí) ，短者 數(shù) 分 鐘 ，極短者 趨 于零。 4．巷道埋深大 ，圍巖 構(gòu)造應(yīng)力大 ，受 集中應(yīng)力作用 明顯 我國(guó)立井的平均深度在 20 世紀(jì) 50 年代低于 200m， 90年代平均已達(dá) 600m。 國(guó)內(nèi)外軟巖工程研究的現(xiàn)狀及相關(guān)經(jīng)驗(yàn) 軟巖理論的研究現(xiàn)狀 近年 來(lái) ， 國(guó)內(nèi) 外相 關(guān)專業(yè) 人士和 學(xué)者 對(duì)軟 巖工程 進(jìn) 行了大量的研究工作，對(duì)軟 巖的特性有了 較為 成熟的 認(rèn)識(shí) ，并在此基 礎(chǔ) 上提出了不少 軟 巖巷道 支護(hù)理論 ，在世界范 圍內(nèi) ， 被廣 大科技人 員 和工 程師 接受 的關(guān)于錨 桿 支護(hù)理論 有 懸 吊理論 、 組 合梁 理論 和加固拱 理論 。根據(jù) 國(guó)內(nèi) 一些研究院研 究試驗(yàn)證 明， 用錨 桿加固后的拱，提高了承 載 能力。 若圍 巖不是各向同性， 則 在巖石 強(qiáng) 度低的部位 將產(chǎn) 生 較 大松 動(dòng) 圈。 當(dāng)預(yù) 拉力 達(dá) 到了一定程度 時(shí) ， 錨 桿 長(zhǎng) 度范 圍內(nèi) 的 頂 板離 層 得以控制，建立了 剛 性梁 頂 板，它本身形成一 個(gè)壓力 支 撐結(jié) 構(gòu)。 在露天 礦軟 巖 邊 坡加固 護(hù) 坡方面 , 形成了 錨 索加固系列技 術(shù) 、 錨 桿加固系列技 術(shù) 、 鋼 混凝土格 柵狀護(hù) 坡技 術(shù) 、抗 滑樁 系列技 術(shù) 和地表排水和地下排水系列技 術(shù) 等。 (2)在 縱深 ～ 6m范 圍內(nèi) ， 圍 巖 處 于 壓縮狀態(tài) ，出 現(xiàn)壓 密 區(qū) ， 這 是 圍 巖 開始向穩(wěn) 定 方向轉(zhuǎn) 化的重 要標(biāo) 志。正是基于 這 種 認(rèn)識(shí) ，才使主 動(dòng) 加固 圍 巖的 錨噴支護(hù)得 到了極大 發(fā) 展，它正逐步取 代傳統(tǒng)支護(hù) 而成 為 主要的 支護(hù) 形式。廣義的頂板離層除包括狹義的“頂板離層”外，還包括頂板巖層彈塑性變形、擴(kuò)容變形、碎脹變形、折曲變形等。當(dāng)巖石發(fā)生破壞之后 ,應(yīng)力雖然降低 , 但體積變形一直在增大，直至殘余強(qiáng)度。另外缺乏及時(shí)有效的支護(hù)也是影響片幫事故發(fā)生的重要原因，因?yàn)椴患皶r(shí)支護(hù)或支護(hù)方法不當(dāng)都不能有效地控制地壓活動(dòng)，發(fā)生片幫事故。片 幫深度主要與巷高、圍巖強(qiáng)度、支承壓力分布特征以及裂隙分布狀況等因素有關(guān)。其一，直接底板為軟弱巖層，兩幫和頂板的強(qiáng)度大大高于底板的強(qiáng)度（如兩幫和頂板為砂巖并進(jìn)行有效支護(hù) ）。底板剪切楔塊的產(chǎn)生是由底板巖體中的應(yīng)力狀態(tài)所決定。 無(wú)論 是 圓 形巷道 還 是拱形巷道， 隨著 直接底 板軟 弱巖 層 厚度的增加，底鼓 量將 急 劇 增 長(zhǎng) 。 ③ 當(dāng) 底板 為 含蒙 脫石 和伊蒙混 層 等膨 脹巖層時(shí)會(huì)產(chǎn) 生膨 脹 性底鼓。 軟巖巷道支護(hù)原理 松 軟 巖 層 巷道 支護(hù) 的 著 眼 點(diǎn)應(yīng) 放在充分利用 和發(fā)揮 自承能力上。 2． 聯(lián) 合 支護(hù) 根據(jù)松 軟 巖 層 特征，巷道 支護(hù) 一般需分次 進(jìn) 行。松 軟 巖 層變形 具有 時(shí)間 效 應(yīng)長(zhǎng) 的特 點(diǎn) ，所 以堅(jiān) 持長(zhǎng)期監(jiān) 控， 對(duì) 于 及時(shí) 了解 圍巖穩(wěn) 定信息及采取相 應(yīng) 的加固措施具有重要意 義 。 實(shí)驗(yàn)證 明， 錨 桿能利用其 錨 固力 將 破碎 圍 巖 錨 固起 來(lái) ，提高破裂 圍 巖的 殘余強(qiáng) 度，形成具有 較 高承 載 能力和可塑性的 錨 固 層 。 (2)全 斷 面 支護(hù)原則 。 為適應(yīng)軟 巖的 變形 特征， 應(yīng)采 取二次 支護(hù) 成巷的方法。 第二點(diǎn)，軟巖巷道支護(hù)的主要對(duì) 象 是圍巖的剪脹變形和巖石的吸水膨脹性變形，由于支護(hù)不可能在圍巖破壞之前進(jìn)人實(shí)際工作狀態(tài)，所以圖 2— 5中的松弛點(diǎn) Q，不是巖石即將破壞的彈塑性極限狀態(tài)點(diǎn)，而應(yīng)理解為松動(dòng)圈內(nèi)圍巖破中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 21 裂縫過(guò)度碎脹，破裂巖塊即將失去變形過(guò)程中的相互嚙合力而出現(xiàn)松散冒落的狀態(tài)點(diǎn)，二者在概念上是不同的。 軟巖巷道錨噴網(wǎng)支護(hù)機(jī)理 錨噴 網(wǎng) (或叫 錨 網(wǎng) 噴 )支護(hù) 作 為軟 巖巷道的主要 支護(hù) 手段，已 被廣 大工程技術(shù) 界所公 認(rèn) 。二次 支護(hù) 要在 圍 巖 變形穩(wěn) 定后適 時(shí) 完成， 給 巷道 圍 巖提供最 終支護(hù)強(qiáng) 度和 剛 度，以保持巷 道較長(zhǎng)時(shí)間 的 穩(wěn) 定性和安全 儲(chǔ)備 。如果底板不 支護(hù) ，它就 是支護(hù) 的一 個(gè) 薄弱 點(diǎn) ，很容易 發(fā) 生底鼓現(xiàn) 象，降低整 個(gè) 巷道 支護(hù)結(jié) 構(gòu)的承 載 能力， 導(dǎo) 致 支護(hù) 失 敗 。 (3)注 漿 加固。然而， 現(xiàn) 代巖石力 學(xué) 揭示，巖石破裂后具有殘余強(qiáng) 度，松 動(dòng) 破 裂 圍 巖仍具有相 當(dāng) 高的承 載 能力， 圍 巖既 是支護(hù)壓力 的根源，又是抵抗平衡原 巖應(yīng) 力的 載 體，而且是主要的承 載結(jié) 構(gòu)體。 支護(hù) 形式，目前 發(fā) 展 趨勢(shì) 是以 錨噴支護(hù)為 主的 聯(lián) 合 支護(hù) 方式。 根據(jù)上文 對(duì) 巷道 圍 巖破壞力 學(xué) 機(jī)理的分析，具體的 說(shuō) ，可以 將軟 巖巷道 支護(hù)原 理 歸納為 以下幾 個(gè) 方面： 必 須 改 變傳統(tǒng) 的 單純 提高 支護(hù)剛 度的 思想， 支護(hù)結(jié) 構(gòu)及 強(qiáng) 度 應(yīng) 與加固 圍 巖、提高 圍 巖自承能力 相結(jié)合 ，與 圍 巖 變形及強(qiáng) 度相匹配， 實(shí)踐證 明， 單純 提高 支護(hù)剛 度的方法是 難 以奏效的； 必 須 采取卸 壓 、加固 與支護(hù)相結(jié)合 的方法， 統(tǒng)籌 考 慮 、合理安排， 對(duì) 高地應(yīng) 力 區(qū) ，要卸得充分， 對(duì) 大 變形區(qū) ，要 讓 得適度， 對(duì) 松散破碎 區(qū) ，要注意整體加固， 對(duì) 巷道 圍 巖整體要 支護(hù)住 ； 進(jìn) 行 圍 巖 變形 量 測(cè)， 準(zhǔn)確地掌握 圍 巖 變形 的活 動(dòng)狀態(tài) ，根據(jù)量 測(cè)結(jié) 果 進(jìn) 行回 饋 ，以確定二次 支護(hù)結(jié) 構(gòu)的 參數(shù) ，確定 補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間 ，再次 支護(hù)時(shí)間 和封底 時(shí)間；樹 立 綜 合治理、 聯(lián) 合 支護(hù) 、 長(zhǎng)期監(jiān) 控的 支護(hù) 思想體系。 4． 支護(hù)強(qiáng) 度 使得巷道的底板通常 處 于敞 開 不 支護(hù)狀態(tài) 是由于以下原因： ① 生 產(chǎn)上出 于安全考 慮 ， 總 是加固或 支護(hù)巷 道的 頂 板和 兩幫 以 防止冒頂 和片 幫 ，而 認(rèn)為 底板即使破壞也 無(wú)關(guān)緊 要 ； ② 挖底出碴工作量大，砌筑底拱 費(fèi)事； ③ 錨 固底板施工比 較 困 難； ④ 一旦 支護(hù)控 制不住底鼓， 臥底時(shí)還 需要清理 損 壞的 支護(hù) ，工作量更大等。 2．巖 層應(yīng) 力 巖 層 性 態(tài) 是巷道底鼓的充分 條 件，巖 層應(yīng) 力 則為 必要 條 件。（當(dāng)頂板和兩幫的巖性與底板相當(dāng)時(shí)，在頂板和兩幫也同樣會(huì)產(chǎn)生楔形破壞）。底鼓主要是在遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力場(chǎng)作用下擠壓周邊破壞巖體向巷道內(nèi)流動(dòng)，不封底時(shí)，底鼓速度通常比頂板收斂速度大很多，封底時(shí)底鼓速度要小一些，但卻增加了頂幫的收斂速度。借鑒普氏冒落拱理論分析可知，若此時(shí)兩幫巖體已完全破碎，但塊體較大，此時(shí)，在垂直層里的支承壓力作用下，巖壁將形成橫拱形片中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 15 幫 （圖 2－ 4） 。 1. 壓剪式片幫的力學(xué)機(jī)理 當(dāng)兩幫巖 體因破碎程度較低而尚有一定殘余強(qiáng)度時(shí)，在較高支承壓力的作用下，巖幫將會(huì)發(fā)生剪切滑移式片幫 (圖 2－ 2)。有些巷道圍巖呈明顯的層狀分布，并且多受節(jié)理裂隙切割，這在地層的沉積和地質(zhì)變動(dòng)過(guò)程中即已形成。井下巷道由于受到原始應(yīng)力的作用，開掘前處于彈性壓縮狀態(tài)，開挖后原始應(yīng)力平衡遭到破壞，一部分彈性能得以釋放，圍巖就會(huì)產(chǎn)生向巷道內(nèi)移進(jìn)的彈性變形。由于自然地質(zhì)因素的缺陷、圍巖性質(zhì) 的不利、支護(hù)質(zhì)量的低劣等而導(dǎo)致冒頂?shù)陌l(fā)生。 (3)在 6～ 9m區(qū) 段范 圍 ， 圍 巖初期 壓縮狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?后期膨 脹狀態(tài) ，并且應(yīng)變 值收 斂穩(wěn) 定在 左右。比較詳細(xì)地介紹了軟巖巷道的支護(hù)技術(shù)，軟巖巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方法和軟巖巷道監(jiān)控測(cè)量技術(shù)。水平 應(yīng) 力的存在，在一定程度上保 護(hù)著頂 板，使其代 替 頂板巖 層處 于 橫