巷道圍岩鬆動圈支護理論

巷道圍岩鬆動圈支護理論是在研究認識鬆動圈性質、圍岩變形機制以及工程實踐基礎上發展形成的，其核心內容有巷道支護的主要對象是圍岩的剪脹變形和吸水膨脹性變形；支護的作用在於控制有害的剪脹變形；提出以鬆動圈厚度為依據的“巷道支護鬆動圈圍岩分類方法”；根據圍狀態，分析闡述錨噴支護機理。

基本介紹

• 中文名：巷道圍岩鬆動圈支護理論
• 外文名：Roadway surrounding rock loose ring support theory
• 學科：煤炭工程
• 領域：開採
• 方法：巷道支護鬆動圈圍岩分類方法
• 支護機理：錨噴支護機理

巷道支護載荷分析

1.支護載荷類型

巷道所架設的支護要承受什麼樣的荷載，受力過程中會發生什麼樣的變化，是支護設計之前必須首先考慮和回答的問題。原岩應力是地下工程圍岩變形破壞的直接荷載，但它並不直接作用於支護之上，而是通過作用於圍岩起作用。通常所稱支護荷載是指圍岩作用於支護體的壓力，按荷載性質可分為鬆散破裂圍岩自重壓力、圍岩變形壓力和岩石的吸水膨脹變形壓力。

較早的支護理論如普氏冒落拱理論、泰沙基理論認為，在鬆散介質中開挖巷道後，其上方會形成一個平衡拱，這個平衡拱實質上是一個破壞範圍。該理論將平衡拱內的圍岩重量作為支護荷載，支護對象只是冒落拱內的岩石重量。

普氏理論與泰沙基理論建立在鬆散均質介質體的基礎之上，其適用條件是鬆散淺部地層中的地下工程。當岩體較完整、強度較高時，其計算結果的誤差較大。對於中、深部工程而言，隨著自重應力或構造應力水平升高因素的影響，支護將承受顯著的變形壓力，其數值遠大於冒落拱內的岩石重量，因此鬆散地壓理論只適用於淺部鬆散介質工程。岩石力學支護理論在確定鬆動壓力時，將塑性區內的岩石重量作為支護荷載，如前所述，塑性區包含鬆動圈，故在確定鬆動壓力時以鬆動圈數值為基準較為確切。

圍岩變形分為彈性變形、塑性變形、損傷擴容變形、流變變形、碎脹（剪脹）變形和岩石的吸水膨脹性變形，它們是變形壓力產生的根源，支護荷載的性質也因變形性質的不同而不同。

2.剪脹變形性質

（1）剪脹變形的概念

岩石材料破壞之後，破裂岩塊將沿破裂面滑移變形，產生較大的體積膨脹，我們把這種體積膨脹變形稱為碎脹或剪脹變形，為使力學名詞規範化，這裡將碎脹變形統稱為剪脹變形。剪脹變形的大小與鬆動圈範圍、裂縫發育擴張程度、支護力大小密切相關。

圍岩鬆動圈是剪脹變形的根源，鬆動圈大，圍岩中所產生的破壞縫多，剪脹變形量就大，反之剪脹變形量則小。在鬆動圈發展過程中，靠近巷道表面的破壞縫在深部鬆動圈擴展所產生的剪脹變形壓力的作用下，裂縫的擴張程度會加大，因此，大鬆動圈圍岩中裂隙的擴張程度較中小鬆動圈要大。

（2）剪脹變形的時間效應

剪脹變形具有明顯的時間效應-蠕變，其原因有兩方面因素：

a.隨著岩體長時強度的降低，鬆動圈將進一步擴展，剪脹變形會隨鬆動圈的增加而增加

b.瞬時鬆動圈形成時的初始破壞狀態下，裂縫雖已產生，在圍岩徑向、環向應力約束下，其張開程度受到抑制。

隨著圍岩中殘餘應力的降低，破裂縫從閉合狀態逐漸張開、滑移，這個逐漸擴張的過程自巷道表面向圍岩深部轉移，剪脹變形因而表現出一定時間性。剪脹變形的時間性在大鬆動圈軟岩巷道和受采動影響巷道中最為明顯，軟岩巷道變形穩定期需要1-3個月。跨采巷道中，鬆動圈隨著回採工作面的臨近而增大，剪脹變形迅速增加，工作面推過之後，集中應力撤除，鬆動圈破裂縫來不及適度擴張，剪脹變形迅速停止，有時還會出現變形的回彈現象。

對軟岩及煤巷的注漿加固試驗發現，巷道剛開挖時，注漿困難，經過一段時間之後則比較容易注入，其實質原因是破裂岩體的裂隙進一步擴張了。

3.岩石剪脹力試驗

岩石破壞後的體積膨脹過程中，若試件周圍無任何約束，剪脹變形可自由釋放。當有物體對其加以阻擋時，就會產生剪脹變形力作用於該物體。圍岩破壞過程中的剪脹力，是推動剪脹變形持續增加的一種力源；深部圍岩破裂後產生的剪脹力，它推動靠近巷道表面的破裂岩塊向巷道內移動，在這個移動過程中裂縫不斷擴張，從而產生較大的剪脹變形。

巷道支護對象分析

巷道支護對象，就是巷道支護所承受或將要承受的圍岩壓力。如前所述，巷道支護荷載有鬆動圍岩自重壓力和圍岩變形壓力兩大類，變形壓力按圍岩變形機制又可分為：彈性變形、塑性變形、擴容損傷變形、流變變形、剪脹變形和遇水膨脹變形6個方面，巷道支護對象應是上進諸因素的集合。以上諸因素，從不同角度闡述了巷道支護荷載可能產生的原因，但在不同條件下，究竟是何種因素為主，決定著支護機理和支護技術，認清這一問題，有助於在客觀的基礎上研究和解決支護問題，下面就上述因素分別予以分析。

1.鬆動圈自重壓力

普氏、泰沙基自然平衡拱理論，將冒落拱內的岩石重量作為支護荷載進行設計，在淺部工程中得到了較多的套用。散體支護理論以鬆散介質為前提，不適用整體性較好的岩層；對於中深部工程而言，由於它未能考慮變形壓力因素，依據這種方法將得出錯誤的結論，因此其適用範圍局限於鬆散介質體淺部工程。

對於岩石整體性好、變形壓力較小的深部工程，鬆動壓力可依據鬆動圈內圍岩重量而定，有的以塑性區半徑內圍岩自重作為鬆動荷載。

2.圍岩彈塑性變形

開巷後，圍岩中應力將重新分布，巷道周邊一定範圍的圍岩將產生彈塑性變形。我們知道，岩石在低圍壓狀態下是一種脆性材料，它在破壞時峰值狀態所能達到的極限變形量很小，

鑒於現行巷道支護一不可能及時，二不可能密貼，只有靜待圍岩產生足夠變形之後才能產生並提供支護阻力，對於瞬間釋放的彈塑性變形，在時間和空間上都不重疊，對之不可能產生支護作用。

岩石擴容是指岩石破壞峰值之前試塊內微裂隙產生所造成的微裂隙體積膨脹，但由於沒有形成貫穿裂縫，表現不出裂縫滑移錯動的剪脹效應，其值仍局限在岩石峰值極限變形量之內，擴容損傷變形量也是比較小的，同樣作用不到支架之上。只有當剪脹變形使支架與圍岩密貼之後，因應力峰值向深部轉移所產生的附加彈塑性及擴容變形才能作用於支架之上。

3.圍岩剪脹變形

破裂圍岩在圍岩應力作用下將產生大的剪脹變形，越靠近巷道表面，裂隙擴張越明顯。超聲法測鬆動圈時，耦合水在大松圈條件下會從鑽孔的四周滲漏出來，有時甚至注不滿水，足見裂隙發育擴張程度之顯著。在返修巷道工程中，從新的擴大面上能肉眼清晰地看到鬆動圍岩中張開的裂縫。其張開大的可達3-5mm。剪脹變形在圍岩變形構成中將占絕對比重。

從變形特徵來看，剪脹變形是以破裂岩塊為基本單位，既有岩塊內部質點的連續變形，又有岩塊沿破裂面的整體滑動和轉動。岩石破壞後，破裂岩塊由峰值時的高應力狀態重新回復到低應力水平下的彈性狀態，岩塊內部質點的連續變形將會很小。所以說，鬆動圈之內圍岩剪脹變形是巷道收斂的主要原因，是支護的主要對象。

4.圍岩膨脹變形

當巷道開挖在含膨脹性礦物（蒙脫石等）的地層中時，岩石遇水或吸濕之後將膨脹；空氣濕度越大，圍岩吸水越多，膨脹變形量也就越大。圍岩吸濕需要一個時間過程，膨脹變形只有當圍岩破裂鬆動，潮濕空氣能夠沿裂縫侵入圍岩深部之後才能強烈的顯現出來，在時間上滯後於碎脹變形。若能在開巷之初及時封閉圍岩，使岩石無水可吸，膨脹變形也就無從產生；否則，由此而產生的膨脹變形壓力，將是造成支護破壞的主要原因。

5.圍岩流變變形

將圍岩流變變形分為兩部分：一是鬆動圈內圍岩的剪脹蠕變，是蠕變變形的主體；另一部分則是鬆動圈之外，即深部圍岩的彈塑性蠕變。小鬆動圈圍岩的剪脹蠕變期約3-7天。大鬆動圈圍岩的剪脹蠕變，在支護合理的條件下具有收斂性，蠕變穩定期一般需時1-3月，長的3-6月。當支護不當或者支護失效時，破裂圍岩將產生過度的鬆弛，直至失穩冒落。所以，支護設計恰當與否，對剪脹變形的蠕變特性具有重要影響。

綜上所述，能對支護產生事實上變形壓力的因素只能是圍岩的“剪脹變形”和“吸水膨脹變形”。圍岩破壞前所發生的彈塑性、擴容變形量很小，對支護不會產生任何壓力。當剪脹變形使支架圍岩密貼之後，由於應力峰值向深部轉移而產生的附加彈塑性、擴容、流變變形才能作用於支護，產生附加變形壓力。

剪脹變形的工程性質

鬆動圈是在圍岩中集中應力的作用下產生的，支護不能阻止其形成和發展。剪脹變形它是可以得到控制的，尤其是“剪脹二期”的流動變形。“剪脹一期”岩塊的滑移擴張變形區段，圍岩應力水平由峰值強度降低到殘餘強度應力水平，剪脹體積應變達到其最大值的50%-60%。在這一過程中，圍岩中破裂縫適度擴張，積蓄在破裂岩塊內的彈性能得到一定程度的釋放，破裂岩塊之間仍處於相互嚙合的穩定狀態，暫無失穩冒落之虞。這一階段的圍岩變形是在相對較高應力作用下產生的，對之應讓其釋放，依靠支護阻力限制它的發生與發展將耗費較高的成本與代價。

“剪脹二期”是岩石的剪脹流動變形階段，在這一變形過程中，破裂岩塊在殘餘應力作用下將產生較大的滑移變形，裂縫擴張度增加，若支護不及時、支護阻力小或者支護破壞失效，破裂縫將過度擴張並產生過度和有害的剪脹變形，破裂岩塊也會因鬆弛而推動彼此間的摩擦粘結力，處於冒落失穩的邊緣，對此是不允許發生的。

岩石峰後“剪脹二期”的流動變形階段，圍岩中應力水平很低，一定的支護阻力能顯著抑制破裂圍岩的滑移變形，合理的支護應將剪脹變形控制在“剪脹一期”的末段或者“剪脹二期”的初段，以限制圍岩破裂縫的過度膨脹，從而大大減少剪脹變形量。工程實踐表明，在一定範圍內適當提高支護阻力，能有效抑制圍岩的變形，這是剪脹變形一個重要的工程性質。

綜上所述，在一定範圍內適當提高支護阻力，對於抑制過高剪脹變形具有顯著效果，岩石越軟、鬆動圈越大，這種效果越明顯。提高支護阻力對於控制剪脹變形效果十分明顯。

鬆動圈巷道支護理論

鬆動圈支護理論是在研究認識鬆動圈性質、圍岩變形機制以及工程實踐基礎上發展形成的，其核心內容有：

1.巷道支護的主要對象是圍岩的剪脹變形和吸水膨脹性變形；

2.支護的作用在於控制有害的剪脹變形；

3.提出以鬆動圈厚度為依據的“巷道支護鬆動圈圍岩分類方法”；

4.根據圍狀態，分析闡述錨噴支護機理。