软岩破碎巷道大刚度二次支护稳定原理
摘要:从组成岩体的宏观和微观力学性质角度出发，分析了软岩、破碎巷道实施锚网喷二次支护后仍然破坏的原因和影响因素，应用软岩巷道支护理论，提出了一次锚网喷支护和二次料石碹支护的力学模型，分析了各自的力学特点，得出了锚喷网一次支护和大刚度高强度料石碹二次支护的支护方式，破碎、软岩巷道支护稳定原理为：一次支护让压，围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡，充分发挥围岩承载力，大刚度二次支护，减少巷道岩体偏应力，使巷道围岩切向应力相对降低，径向应力相对升高，促进围岩应力向稳定应力状态转化，优化了软岩巷道支护参数。通过在程村矿的软岩、破碎巷道采用二次支护实践,取得了良好的支护效果。
目前,软岩巷道大变形围岩的稳定性控制理论及方式仍处于试验、探索阶段,由于围岩体承载能力差，支护方式的选择受到限制，巷道的稳定性控制更为困难.多数巷道处于多次返修、多次扩刷、多次支护的状态，由于基建矿井建设工期和井底巷道维护的要求，程村矿井亟待进行深井、软岩巷道支护的技术攻关，为此，本文对井底车场软弱的泥岩巷道群进行了不同支护方式的试验研究，选择安全可靠的支护方式，取得了理想的效果.
2 巷道破坏原因分析
2.1 岩体弱面对围岩稳定性的影响
如前所述,由于巷道围岩被软弱面(断层、裂隙、节理、层理)切割，导致围岩的各向异性与不连续，致使围岩松动破裂引起危岩滑落。围岩产生松动破碎后，强度显著降低，自稳能力丧失，产生更大的变形位移与松动压力，使巷道稳定与支护处于不利的状态。松动破裂带内的岩石沿破裂面移动，破裂带外岩体的弹性与塑性变形，将破碎岩石向巷道内挤压。如支护不及时，便发生冒顶、片帮、底鼓等现象，并形成各种形状的冒落拱，新暴露出来的岩体，由三向应力状态转变为双向压力状态，产生新的破碎和冒落，因此，锚网喷支撑体将承受较大的松动压力。
2.2 岩体性质对围岩稳定性的影响
如表2所示，巷道围岩中含有33%~46%的高岭石和2%~4%的伊利石等中等
膨胀性的黏土矿物，粒度小，黏粒和胶粒含量高，具有明显的塑性和流变特性，来压早、持续时间长，围岩自稳时间短，围岩变形则呈现加速蠕变的特点。同时围岩还具有一定的膨胀性。高岭石的膨胀机制与蒙脱石及伊蒙混层矿物不同，高岭石的结构也是由相互平行的晶胞组成，其晶胞之间是通过O2与OH连接，连结力较强，不允许水分子进入晶胞之间。所以不具备晶格内部膨胀特性，尽管这样，由于高岭石黏粒含量高，这种黏粒为准胶体颗粒,具有胶体的特性,在其周围可形成一层较厚的水化膜吸附层。由于井下空气潮湿且围岩破碎，黏粒吸收空气中的水分后，公共强结合水化膜逐渐消失，黏粒的弱结合水膜加厚而出现弱结合公共水膜，这时，岩体体积增大而变成塑性状态。
2.3 支护方案对围岩稳定性的影响
井底车场开工初期，采用600 mm厚钢筋混凝土碹，其他巷道主要采用缝管或Φ20 mm×1800 mm树脂锚网喷，初喷+二次锚网复喷+注浆锚索支护。巷道断面为半圆拱形，两种支护方式均未封底。由于围岩松软,巷道围岩松动圈范围大，已掘巷道顶板出现较大面积的垮落，受围岩松软低强度和埋深及地质构造应力大的双重作用影响，锚网喷巷道压力显现强烈，围岩变形具有四周来压和显著的流变时间效应。巷道开挖后，过于强调锚网喷和注浆的作用，低估了软岩巷道岩石自身的变形能量的释放，即岩石的流变持续时间长，变形量大。顶部变形下沉易垮落；两帮也整体向巷内移动；同时，底板产生强烈底鼓，两底角内移上抬、底板中部凸起。
3 巷道支护方案的力学分析
3.1 支护方案的确定
上述支护方式失败的原因是未充分考虑软岩变形的自身特点，无充分的预留空间，而只是在一定程度上限制围岩变形，不符合软岩支护的一般原则。
上述分析可知软岩巷道支护必须满足如下条件：1)能释放围岩的变形能，但又不能是围岩松脱冒落，否则支撑体就要阻止其变形；2)支护方案能改变围岩的力学性质，提高围岩的抗拉强度和黏聚力；3)巷道支护的造价较低。根据围岩状况和上述要求较为理想的支护方案应为“一次锚网喷+让压变形+二次全断面刚性料石碹”联合支护方式，具体的实施方法如下：1)为减少爆破对围岩稳定性的影响，采用光面爆破技术；2)爆破后实施一次锚网喷临时支护，喷浆及时封闭围
岩，防止围岩吸水膨胀软化；3)装管缝式锚网喷(第一次支护)，并注浆，观测围岩变形情况；4)喷射混凝土(第二次支护)；5)根据需要对个别区段进行复喷；6)根据围岩观测情况，对基本不稳定区段进行二次料石碹支护，在料石碹的拱顶、两肩、拱底加木砖做缓冲体，允许料石碹有微量的变形，调整碹体内的应力分布，避免局部发生破坏。
3.2 支护方案的力学分析
3.2.1 二次支护的力学分析
按照平面应变轴对称问题考虑，取巷道围岩体顶角dθ的一部分扇形体进行第二次支护的岩体应力变化趋势的分析。模型扇形体外径位于二次支护应力影响区外(r=Rw，Δδr=0)，两直线边上为切向应力相对改变值Δδθ，围岩体内径周边上施加二次支护阻力q2，锚网喷的锚固端圆周（r=Rm）上对锚固区岩体作用强度为F=(R0/Rm)q2的二次锚网喷压紧力，建立二次支护相对围岩应力的计算力学模型如图1。
图1 二次支护的相对围岩应力分布计算模型
根据扇形体受力的径向力学平衡方程得，碹体(支架)第二次支护
Oq2F=R0R0q2RmRm2??q2cos?R0d???2?????sinR0d?20R?d?dr 2岩体切向应力增量的积分
?R?R0???d???R0q2
R?锚网喷一次支护，岩体切向应力
?R0???d??0
锚网喷一次支护后,沿径向线上分布的切向应力相对改变值Δσθ的总值为零;Δσθ在锚固区内及邻近锚固区的岩体为+(σθ升高),远离锚固区外为-(σθ降低).碹体(或支架)二次支护后,沿径向线上分布的切向应力相对改变值Δσθ的总值为负值.当碹体刚度大、巷道位移基本为零时,Δσθ为负(σθ降低),Δσr为正(σr升高).
锚网喷作为二次永久支护的软岩巷道,岩体本身强度低,C,φ值小.在侧压作用下,巷道塑性区切向应力值提高有限;由于应变软化,围岩体承载能力较低.而目前的锚网喷设计支护强度在0.2~0.4 MPa,二次锚网喷支护锚固区围岩体的总体承载能力增加较少.另外,锚网喷支护阻力不直接参与巷道围岩体的径向平衡,只间接提高切向应力值来阻止围岩体位移.
3.2.2 料石碹刚性支护的承载能力分析
料石碹材料为石灰岩,强度高且为脆性,材料性质在极限破坏状态之前可视为线弹性.刚性料石碹受力状态为,巷道周边岩石切向应力最大,当应力超过岩石的单轴抗压强度时,材料基本不产生屈服即发生碎裂或片状剥落破坏.因此,刚性料石碹的极限受力状态为周边岩石达到单轴抗压强度、碹体内部基本为弹性变形.试验巷道断面为底拱封闭底板的直墙半圆拱型.巷道拱部的承载能力按圆形巷道端面、四周受均布载荷计算Pi,计算的巷道半径取2.5 m验算.根据弹性力学轴对称问题的厚壁圆筒应力解,料石碹结构及承载能力计算模型如图2.
图2 巷道料石碹力学模型 PioR0Rir
22R0RiRi2Pi??P?? ? 2 2 i 2 2 2Ri?R0 R?Rri0（1）
2Ri2式中：巷道周边r?R0，???2P，料石碹极限承载能力状态时，r?R0，2iRi?R0????c。
碹体对围岩的支护强度为 R2?R2i0???11.13MPa（2） P i?22Ri
式中:巷道半径R0=2.5 m,支护体半径Ri=2.85m,岩石单轴抗压强度σc=96.55 MPa.
由理论计算结果知,中、小断面巷道采用料石碹进行二次支护加固,在壁后完全充填、碹体受均布载荷时,支护体极限承载力大.刚性料石碹支护,Pi为11.13 MPa.料石碹极限承载力显著大于锚网喷锚索支护强度,作为二次支护有利于巷道实现稳定.
4 锚网喷及刚性料石碹的稳定作用分析
锚网喷支护软岩巷道的锚固区围岩承载体稳定性和良好的抗流变特性是巷道稳定的关键,若刚度较高,二次支护应力重新分配后,巷道锚固区外的围岩体切向应力值降低,利于巷道围岩趋于稳定[9-10];反之,锚固区围岩体随应力增高、时间增加易变形,二次支护后巷道的后续变形引起的围岩应力重新分配,导致巷道锚固区内外的周边岩体切向应力值升高,并处于瞬时强度状态,不利于巷道围岩快速趋于稳定状态.同时,锚网索支护软岩巷道出现较大变形,会导致巷道表面围岩体破坏,锚网喷承载能力难以发挥,甚至降低、丧失;锚固区岩体的整体性遭到削弱、破坏,围岩稳定性下降.
碹体(支架)二次支护的巷道,锚网喷作为一次支护保证了围岩应力峰值向深部转移过程中顶板安全及巷道表面围岩的整体性,充分调动了围岩体的承载能力,使巷道变形速率逐步减小.采用大刚度的碹体作为二次永久支护,避免了应变软化及蠕变对岩体性质的破坏;在围岩体应力重新调整中,巷道周边岩体应力处于瞬时强度临界状态.大刚度和较高的二次支护强度可保证周边围岩切向应力重分布后下降到掩体长期强度,使巷道处于稳定状态.因此,大刚度高强度碹体二次支护巷道稳定的机理是围岩切向应力相对降低,径向应力相对升高.
实测软岩巷道变形速度表明:巷道开挖后变形速度可划为3个阶段,即减速变形阶段、近似性的恒速变形阶段和加速变形阶段.当进入加速变形阶段时,岩体本身结构改变,产生裂纹,强度明显降低.因此,一次支护后巷道变形进入恒速变形阶段是相对于一次支护条件下,塑性区发展及围岩体力学性质发挥到最大能力时的状态,也是二次支护的最佳时间.实际工程问题中,二次支护时间可根据变形速度实测确定.程村矿巷道二次支护一般在20 d后进行.
5 支护效果
支护方式采用了全断面大刚度高强度的料石碹作为二次支护,已经释放大部分变形能的围岩位移受到限制,巷道变形速度降低较快并维持在较低值,说明了锚网喷一次支护让压,料石碹大刚度高强度的二次支护是成功的.图3为锚网喷一次支护变形到1mm/d左右时,对巷道实施全断面大刚度高强度料石碹支护后的巷道两帮变形速度线,已施工1 a多,变形速度接近0.08 mm/d,正在持续减小,巷道围岩稳定,支护效果好.
6 结 论
通过对破碎、软岩巷道二次支护进行分析,提出了锚网喷一次支护和料石碹支护时的力学模型,为现场支护参数的确定提供了依据,并取得了良好的效果,得出了程村矿二次支护的最佳实施时间及软岩破碎巷道大刚度、高强度二次支护围岩稳定的原则.
1)巷道初期一次支护适度变形,一次支护让压围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡,充分发挥围岩承载能力;变形的合理值是围岩移近速度逐步降至稳定值;若变形继续发展,会造成塑性区扩大、岩体应力减小,围岩状态趋于恶化;
2)大刚度高强度二次支护可阻止围岩松动圈的继续发展,避免围岩状态恶化、承载能力降低及巷道周边岩体应力处于瞬时强度时的临界状态;并优化岩体的应力状态,减少巷道岩体偏应力,控制黏弹性区应力向稳定的流变停止应力状态转化,黏弹性区围岩体应力状态逐步降至长期强度;
3)在围岩松软破碎的巷道里,低刚度的二次支护难以阻止岩体流变变形的发展,软岩二次支护应避免采用锚网喷、锚索、注浆等加强支护的方式.