胡秋云

（神华宁夏煤业集团 红柳煤矿，宁夏 灵武 750408）

0 引言

在我国已探明的煤炭资源占世界总量的11.1%，但埋深的1000m以下的为2.95万亿吨，占煤炭资源总量的53%。经济的快速发展对能源的需求量日益增加，开采规模不断扩大，浅部易采的矿产资源日趋枯竭，地下矿山向深部开采是必然趋势。

1 软岩巷道变形破坏的特点及其影响因素

1.1 软岩巷道变形破坏特点

1）围岩的自稳时间短、来压快。所谓自稳时间，就是在没有支护的情况下，围岩从暴露到开始失稳的时间。软岩巷道的自稳时间仅为几十分钟到几个小时，巷道来压快，要立即支护或超前支护，方能保证围岩不致冒落。

2）围岩变形量大、速度快、持续时间长深部高应力软岩巷道的特点就是围岩变形速度快、变形量大、持续时间长。一般来说，巷道掘进的第1-2天，变形速度少的5-l0mm/d，多的达50-100mm/d；变形持续时间一般25-60天，有的长达半年以上仍不稳定。巷道的围岩的变形量，在支护良好的情况下，其均匀变形量一般达到60-l00mm/d以上，大的甚至300-500mm/d；如果支护不当，围岩变形量很大，300-l000mm/d以上的变形量司空见惯。

3）围岩的四周来压、底臌明显在较硬岩层中。围岩对支护的压力主要来自顶板，力主要来自顶板和两帮，但在深部软岩巷道中硬岩层围岩对支护的原则是四周来压、底臌明显。底臌明显是深部软岩巷道的重要特征，如果巷道底臌或底臌不明显，围岩就不是软岩。深部软岩巷道四周来压，如果不支护，将出现一个支护结构的薄弱带，巷道破坏首先就是从不设防的底臌开始，又因底臌导致两帮移近和失脚，直到片帮冒顶，巷道全部破坏。

4）普通的刚性支护普遍破坏，深部软岩巷道变形量大、持续时间长，普通刚性支护所承受的变形压力很大，施工后很快就发生破坏，必须再次或多次翻修后巷道才能使用。

1.2 软岩工程变形力学机制

软岩工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但其根本原因是其具有复杂的变形力学机制。软岩的变形力学机制大致可归纳为三大类：即物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。

物化膨胀型的软岩变形机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，其又有3种类别：分子膨胀机制、胶体膨胀机制和毛细膨胀机制。

应力扩容型的软岩变形力学机制与力源有关，其有4种类别：即构造应力机制、水的作用、自重应力和工程偏应力。

结构变形型的软岩变形机制则与硐室结构与岩体结构面的组合特性有关。同一岩层的巷道，顺层的巷道破坏甚为严重，穿层的巷道破坏比较轻微，原因是变形受力结构面的影响而呈现各向异性的特征。根据岩层层理或节理的形态不同，其变形力学机制又可分为断层型、软弱夹层型、层理型、优势节理型、随机节理型等变形力学机制。

1.3 软岩巷道围岩与支架变形的主要影响因素

上述三类软岩变形的力学机制基本概括了软岩膨胀变形的主要动因，由此可知影响巷道围岩与支架变形的主要因素为：

1）岩性因素：岩体本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能，膨胀性矿物的含量等，这均是影响软岩巷道变形的内在因素。

2）工程应力的影响：它是造成围岩变形的外在因素。垂直应力、构造残余应力及工程环境和施工的扰动应力，邻近巷道施工、采动影响等，特别是多种应力的迭加情况影响更大。

3）水的影响：包括地下水及工程用水，尤其是对膨胀岩，水对其变形的影响极大，水不仅造成粘土质岩的膨胀，同时还大大的降低了岩石的强度。

4）时间因素：流变是软岩的特性之一，巷道的变形与时间密切相关。

2 软岩巷道支护原理

由于巷道开挖，破坏了原岩应力平衡状态，围岩应力产生了重新分布，随着时间发展和空间位置的变化，应力和应变又处于不断调整状况中，在这中间围岩主要经历的是以自承能力为主的稳定进程。

软岩巷道支护的重点应放在充分利用和发挥自承能力上，支护原理是：根据岩层不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律入手，运用信息化设计方法，使支护体系和施工工艺过程不断适用围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。具体的说，有以下几个方面：

1）必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想，支护结构及强度与加固围岩、提高围岩自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，实践证明，单纯提高支护刚度的方法是难以奏效的；

2）必须采取卸压、加固与支护相结合的方法，统筹考虑、合理安排、对高地应力地区，要卸得充分，对大变形地区，要让得适度，对松散破碎区，要注意整体加固，对巷道围岩整体要支护住；

3）进行围岩变形量测，准确地掌握围岩变形的活动状态，结合量测结果进行反馈，以确定二次结构的参数，确定补强时间、再次支护时间和封底时间；

4）树立综合治理、联合支护、长期监控的支护思想体系。

3 关键部位耦合支护原理

3.1 关键部位产生的力学机理

关键部位的产生是由于支护体力学特性与围岩的力学特性出现不耦合造成的。按其变形力学机制不同，关键部位有4种类型。

Ⅰ型关键部位是指支护体和围岩的强度不耦合，非均匀的荷载作用在等强的支护体上，形成局部过载，产生局部破坏，最终导致支护体的失稳。

Ⅱ型关键部位是指支护体和围岩的刚度正向不耦合，支护体刚度小于围岩刚度，围岩产生的过量变形得不到限制，致使围岩剧烈变形损伤，强度降低，从而将其本身所承担的荷载转移到支护体上，形成局部过载而产生破坏。

Ⅲ型关键部位是指支护体与围岩的刚度负向不耦合，支护体刚度大于围岩刚度，围岩膨胀能力不能充分转化为变形能而释放，造成局部能量积聚，使支护体局部过载而破坏。

Ⅳ型关键部位的支护体与围岩结构变形不耦合，支护体产生均匀的变形，围岩中的结构面（如软弱夹层、层理面、断层面、节理面等）产生差异性滑移变形，使支护体局部发生破坏。

3.2 关键部位的特征及其识别准则

（1）关键部位的变形特征：关键部位的变形特征均是不稳定的变形曲线。

（2）关键部位的裂纹特征：工程裂纹的反分析理论，可用来确定需要耦合支护的关键部位。

（3）关键部位的识别准则：判定是否出现关键部位，一般按照以下准则进行判断：

a）变形准则：巷道周边各点变形及其速率同时满足：Ui≥0.6[U]；速率大于等 0时，表明出现了关键部位。

b）强度破坏准则：出现了腐蚀现象，则表征产生了关键部位。

c）空间位置准则：根据关键部位的特征及其空间位置关系，可分为同位型关键部位和异位型关键部位。对于同位型关键部位，破坏特征出现的位置就是关键部位的位置，而对于异位型关键部位，破坏特征出现的位置与关键部位空间位置不一致，需要作具体的力学分析才能得出。

4 结束语

总之，当前我国关于深部岩巷围岩稳定控制与支护的理论及技术还很不成熟。而且，由于断面形状、围岩性质、服务限等方面的明显差异，深部岩巷与煤巷围岩稳定与支护有很大不同。对深部岩巷围岩稳定与支护中涉及的理论与关键技术的研究显得尤为迫切，这不仅关系到我国的能源资源能否可持续开发利用，更关系到国民经济能否持续发展。

［1］刘特洪,林天健.软岩工程设计理论与施工实践[M].中国建筑工业出版社,2001.

［2］何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M].科学出版社,2002.