軟巖巷道施工作業(yè)中支護(hù)問(wèn)題淺析

賈立民

【摘 要】通過(guò)對(duì)軟巖及其分類、特征的闡述，分析了軟巖巷道支護(hù)困難的原因。針對(duì)軟巖巷道圍巖壓力具有來(lái)壓迅猛，圍巖變形量大，巷道四周同時(shí)來(lái)壓和持續(xù)流變，以及對(duì)各類擾動(dòng)極為敏感等特點(diǎn)，明確了軟巖巷道支護(hù)的基本原則與支護(hù)措施。

【關(guān)鍵詞】軟巖巷道；圍巖強(qiáng)度；支護(hù)困難；流變性；底鼓；自穩(wěn)能力；高強(qiáng)錨桿

中圖分類號(hào)：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1、軟巖及其分類

軟巖亦稱松軟巖層，它是指“強(qiáng)度低、孔隙率大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量易膨脹粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，且具有流變性和高地應(yīng)力的特點(diǎn)?！?/p>

關(guān)于巷道軟巖分類，目前主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）按巖石的堅(jiān)固性判別

在地質(zhì)柱狀圖中，如果淺埋巷道穿過(guò)的巖層的普氏系數(shù)， 可初步認(rèn)定為軟巖巷道。

（2）按巖層所含礦物成分判別

在地質(zhì)資料中，如果巷道穿過(guò)的巖層含有大量的高嶺石、伊利石、蒙脫石及其混合物（一般含量大于15%～20%）可視為膨脹性松軟巖層。如果該巖層處于巷道底板，應(yīng)預(yù)先采取預(yù)防底鼓的各種措施。

（3）按圍巖自穩(wěn)定時(shí)間判別

已開(kāi)掘的巷道，在無(wú)支護(hù)情況下圍巖自穩(wěn)定時(shí)間小于12h，可以認(rèn)定該巷道的巖層是屬于軟巖的范疇，應(yīng)按軟巖支護(hù)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

（4）按圍巖松動(dòng)圈大小判別

測(cè)量巷道圍巖松動(dòng)圈大于1.5m時(shí)，可以認(rèn)定該巷道是屬于軟巖的支護(hù)范疇，要按軟巖支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

2、軟巖巷道的特征

對(duì)于軟巖巷道，最明顯的特征是地壓顯現(xiàn)都比較劇烈，巷道維護(hù)困難，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）圍巖的自穩(wěn)時(shí)間短、來(lái)壓快

所謂的自穩(wěn)時(shí)間，就是在沒(méi)有支護(hù)的情況下，圍巖從暴露起到開(kāi)始失穩(wěn)而冒落的時(shí)間。軟巖巷道的自穩(wěn)時(shí)間僅為幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)，巷道來(lái)壓快，要立即支護(hù)或超前支護(hù)，方能保證巷道圍巖不致冒落。

巷道圍巖的自穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于圍巖強(qiáng)度和地壓大小，同時(shí)也和巷道的斷面形狀、掘進(jìn)方法、巷道所處的位置等有關(guān)。

（2）圍巖變形量大、速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

軟巖巷道的突出特點(diǎn)就是圍巖變形速度快、變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。一般軟巖巷道掘進(jìn)后的第1～2d，變形速度小的為5～10mm/d，大的達(dá)50～100mm/d；變形持續(xù)時(shí)間一般為25～60d，有的長(zhǎng)達(dá)半年以上仍不能確定。

軟巖巷道的圍巖變形量，在支護(hù)良好的狀態(tài)下，其均勻變形量一般達(dá)到60～100mm以上，大的甚至達(dá)300～500mm；如果支護(hù)不當(dāng)，圍巖變形量很大，300～1000mm以上的變形量是司空見(jiàn)慣的。謝一礦-780m水平位于泥巖內(nèi)的運(yùn)輸大巷，在開(kāi)巷后的100d內(nèi)，頂?shù)准皟蓭偷囊平糠謩e達(dá)到625mm和387mm，一年后達(dá)到1200mm和800mm，支護(hù)翻修后所產(chǎn)生的附加變形量仍達(dá)到300～400mm。上述特點(diǎn)是軟巖巷道最突出的特征。

（3）圍巖的四周來(lái)壓、底臌明顯

在較堅(jiān)硬的巖層中，圍巖對(duì)支架的壓力主要來(lái)自頂板，中硬巖層對(duì)支架的壓力來(lái)自頂板和兩幫，但在松軟巖層巷道中則四周來(lái)壓、底臌明顯。松軟巖層，由于結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低，很難支撐上覆巖層的重量，圍巖在自重地壓（γH）的作用下，以垂直變形為主，垂直變形中又以底臌為主。

軟巖巷道四周來(lái)壓，如果底板不支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)一個(gè)薄弱帶，巷道破壞首先就是從不設(shè)防的底板開(kāi)始，又因底臌導(dǎo)致兩幫移近和底腳失穩(wěn)，直到片幫冒頂，巷道全部破壞。

（4）圍巖遇水膨脹、變形加劇

軟巖一般都含有親水性很強(qiáng)的蒙脫石、伊利石等粘土礦物的巖石，這些巖石遇水后軟化，體積急劇膨脹，因而變形也更劇烈，產(chǎn)生很大的膨脹壓力。

（5）普通的剛性支護(hù)普遍破壞

軟巖巷道變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，普通剛性支護(hù)所承受的變形壓力很大，施工后很快就發(fā)生破壞，必須再次或多次翻修后巷道才能使用。這是剛性支護(hù)不適應(yīng)軟巖巷道變形規(guī)律的必然結(jié)果。

3、圍巖支護(hù)的相互作用

所以我們要選擇合適的支護(hù)特性曲線。軟巖巷道剛掘出時(shí)，由于圍巖應(yīng)力重新分布，引起圍巖劇烈變形，即使采用高阻力的支護(hù)也難以阻擋。因此，必須正確選擇支護(hù)體的剛度與安設(shè)時(shí)間，是支護(hù)特性曲線與圍巖變形相適應(yīng)，使掘巷期間的能量得到釋放，這是保持軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素。

1）支架1在F點(diǎn)安設(shè)，在B點(diǎn)處與巖體達(dá)到平衡。這種支架因剛度偏大，會(huì)承受較高的載荷，故支架結(jié)構(gòu)容易損壞并導(dǎo)致巷道圍巖破壞塌落。這是一種剛度過(guò)大的支護(hù)系統(tǒng)。

2）支架2的剛度較低，在F點(diǎn)處安設(shè)，在C 點(diǎn)處與巖體達(dá)到平衡，如巷道施工過(guò)程中圍巖準(zhǔn)許達(dá)到C點(diǎn)處的位移值，巖層壓力大部分由巖體承受，則支架所承受的巖層壓力就較小。這是一種較為理想的支護(hù)系統(tǒng)。

3）支架3也在F處安設(shè)，但剛度比支架2要小得多，所以在D點(diǎn)才與圍巖達(dá)到平衡。但是此點(diǎn)的巖體已經(jīng)松動(dòng)，位移量較大，如周圍出現(xiàn)應(yīng)力擾動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致支架載荷增長(zhǎng)，這是一種剛度較小的支護(hù)系統(tǒng)。

4）支架4與支架2的剛度相同，但支架4安設(shè)太遲，不僅圍巖出現(xiàn)過(guò)大的位移，發(fā)生松動(dòng)破壞，而且支架將承受其值大于變形壓力的松動(dòng)壓力，這是一種滯后時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的支護(hù)系統(tǒng)。

綜上可見(jiàn)，在一定的圍巖條件下，支護(hù)體剛度越大，它分擔(dān)的圍巖壓力也越大。因此，在以變形壓力為主的巖體中過(guò)分加大支護(hù)體的剛度并不能收到預(yù)期效果，故在松軟巖層中不宜采用剛性支護(hù)。

在工程中為了適應(yīng)圍巖的變形特點(diǎn)和減小變形壓力，往往需要適當(dāng)增加支護(hù)體的柔性或可縮性，使巷道變形控制在最大準(zhǔn)許的范圍內(nèi)，而支護(hù)體又能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4、軟巖巷道支護(hù)對(duì)策

軟巖巷道圍巖壓力具有來(lái)壓迅猛，圍巖變形量大，巷道四周同時(shí)來(lái)壓和持續(xù)流變，以及對(duì)各類擾動(dòng)極為敏感等特點(diǎn)。因此，必須針對(duì)這些特點(diǎn)采取正確的支護(hù)原則和措施。

松軟巖層存在著三種不同的圍巖壓力類型，即松動(dòng)壓力、變形壓力和膨脹壓力。對(duì)松動(dòng)壓力可以采用剛性支護(hù)來(lái)支撐圍巖，防止破碎巖塊的垮落。同時(shí)必須采取各種措施加固圍巖提高巖體的自身強(qiáng)度。變形壓力是軟巖巷道的主要壓力顯現(xiàn)形式。對(duì)于變形壓力必須根據(jù)流變特征合理地設(shè)計(jì)支護(hù)鋼度、控制支護(hù)時(shí)間和支護(hù)施工的順序，即允許圍巖有適當(dāng)?shù)淖冃?，以利于能量釋放，又能將變形控制在一定的范圍之?nèi)，使之不發(fā)展為松動(dòng)壓力。膨脹壓力也可以看作是變形壓力的一種。除采用與控制變形壓力相同的措施外，還要特別注意預(yù)防圍巖的物理化學(xué)效應(yīng)，防止圍巖脫水風(fēng)干。因?yàn)槟承┸泿r經(jīng)脫水風(fēng)干后再遇水，會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的膨脹和崩解。

巷道上覆巖體重量引起的自重應(yīng)力主要是由巷道圍巖承受的，支架只承受很小的一部分。因此，應(yīng)重視改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的自穩(wěn)能力。改善圍巖力學(xué)性質(zhì)的主要措施是提高巖體的力學(xué)指標(biāo)，包括提高巖體抗拉、抗壓強(qiáng)度和彈性模量，提高巖體的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角等。為了達(dá)到這些目的，可采用封閉圍巖暴露面、安裝錨桿、向巖體內(nèi)注漿以及支架壁后充填等方法。錨桿對(duì)提高巖體強(qiáng)度，特別是提高巖體屈服后的抗剪強(qiáng)度（殘余強(qiáng)度）有明顯的作用。它能把各種斷裂面所切割的巖塊聯(lián)結(jié)成整體，錨桿又可給圍巖表面施加正應(yīng)力和圍巖內(nèi)部形成“預(yù)應(yīng)力承載層” ，這是與其它支護(hù)形式的本質(zhì)區(qū)別。

在松軟巖層中采用一次成巷立即封閉圍巖和構(gòu)筑永久支護(hù)的施工工藝，往往收不到應(yīng)有的效果。除非采用可縮量足夠大的支護(hù)，否則不宜巷道掘出后就架設(shè)永久支架，應(yīng)采用先“柔”后“剛”的二次支護(hù)。所謂合適的支護(hù)時(shí)間，主要是對(duì)永久支護(hù)或二次支護(hù)而言的。支護(hù)滯后的時(shí)間必須在巖體能保持自穩(wěn)的條件下選擇。一次支護(hù)應(yīng)緊跟掘進(jìn)盡早安設(shè)，若對(duì)圍巖不采取及時(shí)封閉補(bǔ)強(qiáng)和加固措施，任其松動(dòng)變形，則可能導(dǎo)致圍巖破壞和冒落。二次支護(hù)通常應(yīng)在掘巷引起的圍巖變形基本上趨于穩(wěn)定時(shí)安設(shè)，一般約在掘后50d左右，具體可根據(jù)圍巖變形觀測(cè)確定，并應(yīng)在巷道斷面設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留足夠的變形量。