軟巖巷道施工作業中支護問題淺析

賈立民

【摘 要】通過對軟巖及其分類、特征的闡述，分析了軟巖巷道支護困難的原因。針對軟巖巷道圍巖壓力具有來壓迅猛，圍巖變形量大，巷道四周同時來壓和持續流變，以及對各類擾動極為敏感等特點，明確了軟巖巷道支護的基本原則與支護措施。

【關鍵詞】軟巖巷道；圍巖強度；支護困難；流變性；底鼓；自穩能力；高強錨桿

中圖分類號：TU74文獻標識碼： A

1、軟巖及其分類

軟巖亦稱松軟巖層，它是指“強度低、孔隙率大、膠結程度差、受構造面切割及風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力的特點?！?/p>

關于巷道軟巖分類，目前主要考慮以下幾個方面：

（1）按巖石的堅固性判別

在地質柱狀圖中，如果淺埋巷道穿過的巖層的普氏系數， 可初步認定為軟巖巷道。

（2）按巖層所含礦物成分判別

在地質資料中，如果巷道穿過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，應預先采取預防底鼓的各種措施。

（3）按圍巖自穩定時間判別

已開掘的巷道，在無支護情況下圍巖自穩定時間小于12h，可以認定該巷道的巖層是屬于軟巖的范疇，應按軟巖支護的要求進行設計與施工。

（4）按圍巖松動圈大小判別

測量巷道圍巖松動圈大于1.5m時，可以認定該巷道是屬于軟巖的支護范疇，要按軟巖支護進行設計與施工。

2、軟巖巷道的特征

對于軟巖巷道，最明顯的特征是地壓顯現都比較劇烈，巷道維護困難，主要表現在以下幾個方面。

（1）圍巖的自穩時間短、來壓快

所謂的自穩時間，就是在沒有支護的情況下，圍巖從暴露起到開始失穩而冒落的時間。軟巖巷道的自穩時間僅為幾十分鐘到幾個小時，巷道來壓快，要立即支護或超前支護，方能保證巷道圍巖不致冒落。

巷道圍巖的自穩時間長短主要取決于圍巖強度和地壓大小，同時也和巷道的斷面形狀、掘進方法、巷道所處的位置等有關。

（2）圍巖變形量大、速度快、持續時間長

軟巖巷道的突出特點就是圍巖變形速度快、變形量大、持續時間長。一般軟巖巷道掘進后的第1～2d，變形速度小的為5～10mm/d，大的達50～100mm/d；變形持續時間一般為25～60d，有的長達半年以上仍不能確定。

軟巖巷道的圍巖變形量，在支護良好的狀態下，其均勻變形量一般達到60～100mm以上，大的甚至達300～500mm；如果支護不當，圍巖變形量很大，300～1000mm以上的變形量是司空見慣的。謝一礦-780m水平位于泥巖內的運輸大巷，在開巷后的100d內，頂底及兩幫的移近量分別達到625mm和387mm，一年后達到1200mm和800mm，支護翻修后所產生的附加變形量仍達到300～400mm。上述特點是軟巖巷道最突出的特征。

（3）圍巖的四周來壓、底臌明顯

在較堅硬的巖層中，圍巖對支架的壓力主要來自頂板，中硬巖層對支架的壓力來自頂板和兩幫，但在松軟巖層巷道中則四周來壓、底臌明顯。松軟巖層，由于結構疏松、強度低，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。

軟巖巷道四周來壓，如果底板不支護，支護結構將出現一個薄弱帶，巷道破壞首先就是從不設防的底板開始，又因底臌導致兩幫移近和底腳失穩，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，產生很大的膨脹壓力。

（5）普通的剛性支護普遍破壞

軟巖巷道變形量大、持續時間長，普通剛性支護所承受的變形壓力很大，施工后很快就發生破壞，必須再次或多次翻修后巷道才能使用。這是剛性支護不適應軟巖巷道變形規律的必然結果。

3、圍巖支護的相互作用

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

1）支架1在F點安設，在B點處與巖體達到平衡。這種支架因剛度偏大，會承受較高的載荷，故支架結構容易損壞并導致巷道圍巖破壞塌落。這是一種剛度過大的支護系統。

2）支架2的剛度較低，在F點處安設，在C 點處與巖體達到平衡，如巷道施工過程中圍巖準許達到C點處的位移值，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系統。

3）支架3也在F處安設，但剛度比支架2要小得多，所以在D點才與圍巖達到平衡。但是此點的巖體已經松動，位移量較大，如周圍出現應力擾動等，會導致支架載荷增長，這是一種剛度較小的支護系統。

4）支架4與支架2的剛度相同，但支架4安設太遲，不僅圍巖出現過大的位移，發生松動破壞，而且支架將承受其值大于變形壓力的松動壓力，這是一種滯后時間過長的支護系統。

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

在工程中為了適應圍巖的變形特點和減小變形壓力，往往需要適當增加支護體的柔性或可縮性，使巷道變形控制在最大準許的范圍內，而支護體又能保持穩定狀態。

4、軟巖巷道支護對策

軟巖巷道圍巖壓力具有來壓迅猛，圍巖變形量大，巷道四周同時來壓和持續流變，以及對各類擾動極為敏感等特點。因此，必須針對這些特點采取正確的支護原則和措施。

松軟巖層存在著三種不同的圍巖壓力類型，即松動壓力、變形壓力和膨脹壓力。對松動壓力可以采用剛性支護來支撐圍巖，防止破碎巖塊的垮落。同時必須采取各種措施加固圍巖提高巖體的自身強度。變形壓力是軟巖巷道的主要壓力顯現形式。對于變形壓力必須根據流變特征合理地設計支護鋼度、控制支護時間和支護施工的順序，即允許圍巖有適當的變形，以利于能量釋放，又能將變形控制在一定的范圍之內，使之不發展為松動壓力。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，還要特別注意預防圍巖的物理化學效應，防止圍巖脫水風干。因為某些軟巖經脫水風干后再遇水，會出現更嚴重的膨脹和崩解。

巷道上覆巖體重量引起的自重應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，應重視改善圍巖的力學性質，提高圍巖的自穩能力。改善圍巖力學性質的主要措施是提高巖體的力學指標，包括提高巖體抗拉、抗壓強度和彈性模量，提高巖體的粘結力和內摩擦角等。為了達到這些目的，可采用封閉圍巖暴露面、安裝錨桿、向巖體內注漿以及支架壁后充填等方法。錨桿對提高巖體強度，特別是提高巖體屈服后的抗剪強度（殘余強度）有明顯的作用。它能把各種斷裂面所切割的巖塊聯結成整體，錨桿又可給圍巖表面施加正應力和圍巖內部形成“預應力承載層” ，這是與其它支護形式的本質區別。

在松軟巖層中采用一次成巷立即封閉圍巖和構筑永久支護的施工工藝，往往收不到應有的效果。除非采用可縮量足夠大的支護，否則不宜巷道掘出后就架設永久支架，應采用先“柔”后“剛”的二次支護。所謂合適的支護時間，主要是對永久支護或二次支護而言的。支護滯后的時間必須在巖體能保持自穩的條件下選擇。一次支護應緊跟掘進盡早安設，若對圍巖不采取及時封閉補強和加固措施，任其松動變形，則可能導致圍巖破壞和冒落。二次支護通常應在掘巷引起的圍巖變形基本上趨于穩定時安設，一般約在掘后50d左右，具體可根據圍巖變形觀測確定，并應在巷道斷面設計時預留足夠的變形量。