高应力软岩巷变形破坏特征及稳定性控制研究

高应力软岩巷变形破坏特征及稳定性控制研究一、该问题研究的意义软岩地下工程支护一直以来都是一个世界性的难题，深部高应力软岩巷道支护更是国内外地下工程支护的难题之一。关于高应力软岩巷变形破坏特征及稳定性控制的研究对于采矿工程、力学研究以及地下工程支护有着重大意义。一直以来，软岩以其大变形、大地压、难支护的特征引起采矿工程和岩石力学工作者的普遍关注。人们注意到，在浅部开采时，一些结构疏松较为软弱的岩石表现为软岩的变形力学特征，一些结构致密较为坚硬的岩石表现为硬岩的变形力学特征，但随着开采深度加大，一些较为坚硬的岩石也表现为软岩的变形力学特征了。对于软岩变形破坏特征及稳定性控制的研究对于软岩的定义以及采矿工程有着极为深远的意义。随着大规模的矿山开采和采矿深度的加大，深部高应力软岩巷道支护问题日益突出，如淮北、龙口、徐州、肥城、枣庄等各大矿区。能否解决好软岩巷道的支护问题，是我国矿产开采向纵深发展和安全生产的关键问题之一。如采用不适当的维护措施，巷道周围岩石变形愈加剧烈，最终将导致巷道被破坏。因此，首先必须对高应力软岩巷变形破坏特征有足够深入的了解，加深对其稳定性控制的研究，以此来找到一个安全有效的维护措施，保障矿产开采的顺利进行。煤炭资源开采是我国的支柱性产业之一，煤炭发电是我国最重要的电力来源之一，同时我国还是全世界最大的焦炭出口国。随着我国煤炭开采量的加大和开采深度增加,地层压力逐渐增大，深部高应力软岩巷道的数量在不断的增加。如果采取不适当的维护措施,巷道围岩变形愈加剧烈,支护也会愈加困难,最终将导致巷道失稳破坏;破坏后的巷道围岩将更加破碎,再生裂隙更加发育,致使巷道掘进与支护也变得十分困难，这对于我国的煤炭产业将造成巨大的影响。因此对深部高应力软岩巷道变形破坏特征及稳定性控制技术进行研究,对我国煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与应用价值。例如白皎煤矿，白皎煤矿深井高构造应力软岩巷道支护，是长期困扰矿井正常生产的技术难题。深井巷道处于高地应力环境中，如果存在高水平构造应力，将给煤矿巷道支护带来很大的难度，而在此条件下的膨胀性软岩巷道支护，也是尚待攻克的技术课题。因此，研究高地应力软岩条件下的巷道支护，具有重要的理论和实践意义，是保证深部矿井安全开采的关键。二、软岩的概念和分类1、软岩的定义对于软岩，目前还没有一个统一的定义。一般来讲，软岩是软弱、破碎、膨胀、流变、强风化及高应力岩体的总称。是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。在浅层开采时，一些结构疏松较为软弱的岩石表现为软岩的变形力学特征，一些结构致密较为坚硬的岩石表现为硬岩的变形力学特征，但随着开采深度加大，一些较为坚硬的岩石也表现为软岩的变形力学特征。由于同一岩石类型在不同条件下的变形力学性质会发生改变，这就给软岩的定义带来了很大的难度。因此，国内外的专家学者对于软岩的涵义尚且没有一个同一的认识。1981年9月，国际岩石力学协会委托日本岩石类型协会召开了“国际软岩研讨会”；1984年12月，我国煤炭部矿山压力情报中心站、《煤炭学报》编辑部、中国煤炭学会岩石力学专业委员会联合发起“煤炭矿山压力名词讨论会”，集中了国内矿山岩石力学方面的专家学者，在昆明市专门讨论了软岩的定义；1990年9月，在英国利兹（Leeds）大学召开了“软岩工程地质”的学术讨论会，国际上著名岩石力学权威J.H.阿特金森（Atkinson）、M.E.巴顿（Barton)和E.霍克（Hoek）参加了这次学术讨论会；1996年8月，我国煤炭工业部在龙口市召开了全国煤炭软岩工程学术讨论会，出版了《中国煤炭软岩巷道支护理论与实践》论文集，总结了十多年的软岩工程经验。从上述的文献中可以看出，人们对于软岩的研究程度已经有了长足的进展，但是与实际需要之间仍然存在着很大的差距，就连软岩的命名和概念，国内外仍然没有一个统一的意见，往往出现同名异岩或者同岩异名的混乱现象，尤其是对于软岩的定义众说不一，给对于软岩的深入研究带来了很大的困难，因此，很有必要对此进行深入的研究与探讨。通过原煤炭部软岩专家组、煤炭软岩工程技术研究推广中心的有关专家的深入研究探讨，对软岩的概念进行了定义，并且对其属性进行总结和加以分类。2、软岩的分类2.1岩体的分类大都要考虑岩石强度和岩体的完整程度，这是决定各类工程岩体稳定性的两项基本的共性因素。因此根据主要影响因素和工程岩体分级国家标准所依据的岩石坚硬程度（岩体单轴饱和抗压强度Rc)和岩体完整程度（岩体完整性指数Kv）这两个各类工程岩体稳定性的基本共性因素，将软岩分为5类，即软弱型软岩、破碎型软岩、高应力型软岩、软弱破碎型软岩、膨胀性软岩。2.1.1软弱型软岩：岩块强度低，岩石完整性较好，岩体单轴饱和抗压强度Rc小于30MPa,岩体完整性指数Kv小于0.55大于0.15。2.1.2破碎型软岩：岩体完整性差，岩块强度较高，岩体单轴饱和抗压强度Rc大于30MPa小于60MPa，岩体完整性指数Kv小于0.15。2.1.3高应力型软岩：岩块强度较高，岩体完整性差，具有很高的应力或采动应力，岩体单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv满足条件：2603Rc+250Kv160。2.1.4软弱破碎型软岩：岩块强度低，完整性差，岩体单轴饱和抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv满足Rc5Kv0.15。2.1.5膨胀性软岩：膨胀性矿物和地下水。2.2软岩可分为地质软岩和工程软岩两大类别。2.2.1地质软岩按地质学的岩性划分，地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度在0.5MPa到25MPa之间的一类岩石，其划分依据基本上是依据强度指标。该软岩定义用于工程实践中会出现矛盾。如巷道所处深度足够的小，地应力水平足够的低，则小于25MPa的岩石页不会产生软岩的特征；相反，大于25MPa的岩石，其工程部位足够的深，地应力水平足够的高，页可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故而提出了工程软岩的概念。2.2.2工程软岩工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。不仅强调了软岩的软、弱、松、散的低强度的特点，而且强调软岩所承受的工程力载荷的大小，强调从软岩的强调和工程力载荷的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性质。该定义的主题词是工程力、显著变形和工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，他可以使重力、结构残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等。显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的变形值并影响了工程的正常使用，显著塑性变形包含显著地弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。按照产生显著塑性变形的机理，工程软岩又可分为四大类，即膨胀性软岩（又称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。根据高应力类型的不同，高应力软岩可细分为自重应力软岩和构造应力软岩。前者的特点是与深度有关，与方向无关；而后者的特点是与深度无关，而与方向有关。高应力软岩根据应力水平分为3级，即高应力软岩、超高应力软岩和极高应力软岩（表1）。高应力软岩分级（表1）级别应力水平/MPa高应力软岩25～50超高应力软岩50～75极高应力软岩75三、软岩巷道分类及支护根据软岩结构力学特点，岩体是由岩块（结构体）和结构面（节理、裂隙、裂缝等）组成的结构体。由于组成岩体的岩块强度和结构面特性不同，不同类型软岩巷道围岩变形规律各不相同，实践中应根据不同类型软岩巷道围岩变形规律、失稳规律确定其支护原则和支护方案。3.1软岩巷道分类3..1.1软弱型软岩巷道软弱型软岩的变形以岩块变形为主，结构面的影响比较小。由于软弱型软岩的岩块强度很小，所以这类软岩巷道破坏机理以塑性变形和流变变形为主，巷道变形的特点是变形持续时间较长、变形速度居高不下、变形量大，表现为明显的流变变形特征。软弱型软岩巷道破坏形式主要有持续性的挤压流动性底鼓、大变形量的顶板及两帮收敛变形。3.1.2破碎型软岩巷道破碎型软岩的变形时由岩块变形和结构面变形两部分组成的。所以这类巷道变形以松动塌落变形和流变变形为主。破碎型软岩巷道破坏形式主要有顶板冒落、两帮片落鼓折、大变形量的顶板及两帮收敛变形。3.1.3高应力型软岩巷道高应力型软岩巷道在岩块强度较高时，变形破坏以松动塌落为主，具体形式有冒顶、片帮；在岩块强度较低时，变形破坏以流变变形为主。高地应力区软岩巷道的主要破坏形式有大变形和岩爆两种。当变形量很大且延续时间很长时，就产生了持续不断的破坏以致深入到围岩内部，使围岩塑性区逐渐增大造成硐室大规模坍塌，因此，巷道围岩破坏具有明显的时效性。为了防止岩体破坏，支护作用必须控制持续不断的变形和破坏，并维持巷道的稳定。3.1.4软弱破碎型软岩巷道软弱破碎型软岩兼有软弱型与破碎型软岩变形的特点，破坏机理十分复杂，表现强烈的流变变形特性。软弱破碎型软岩巷道具体变形形式有来压迅猛、持续高速流变变形。3.1.5膨胀性软岩巷道泥岩或泥质胶结页岩、砂岩由于内含蒙脱石、伊利石等膨胀性粘土矿物，在此类地层中修建的建筑物由于围岩的膨胀性变形而产生许多病害。膨胀性软岩巷道变形以膨胀和流变变形为主，围岩变形量大持续时间长，极易坍塌。3.2支护原则和支护方案根据以上不同类型软岩巷道的划分及其变性特征、变形机理等分析，确定不同类型软岩巷道的支护原则和推荐的支护方案（表2）。不同类型软岩巷道的支护原则和推荐的支护方案表（表2）类别软岩类型变形机理与特征支护原则一次支护推荐方案I软弱型软岩巷道变形以塑形和流变变形为主，破坏形式主要有持续性的挤压流动性底鼓、大变形量的顶板及两帮收敛变形高强度支护，适当让压，全封闭支护结构锚喷网加可缩性金属支架；锚注支护加喷射混凝土和金属网II破碎型软岩巷道变形以松动塌落变形和流变变形为主，破坏形式主要有顶板冒落、两帮片落加固岩体结构面，提高岩体整体强度；高强支锚注支护加喷射混凝土和金属网鼓折、大变形量的顶板及两帮收敛变形护，适当让压III高应力型软岩在岩块强度较高时，变形破坏以松动塌落为主，具体形式有冒顶、片帮；在岩块强度较低时，变形破坏以流变变形为主卸压；支护强度较高锚注支护加喷射混凝土和金属网；组合锚杆、金属网加喷射混凝土；锚喷网加可缩性金属支架IV软弱破碎型软岩表现强烈的流变变形特性，软弱破碎型软岩巷道具体变形形式有来压迅猛、持续高速流变变形超高强度支护；加固岩体；全封闭支护结构锚注支护加喷射混凝土和金属网；高强度喷网加高强可缩性金属网V膨胀性软岩巷道变形以膨胀和流变变形为主，围岩变形量大持续时间长，极易坍塌封闭围岩表面；高阻限制让压；全封闭支护结构锚注支护加喷射混凝土和金属网；高强锚喷网加高强可缩性金属网四、高应力软岩巷道4.1围岩变形特点高应力软岩(HighStressedSoftRock,简称H型),是指在较高应力水平(25MPa)条件下才发生显著变形的中高强度的工程岩体。这种软岩的强度一般高于25MPa,其特征是泥质成份较少,砂质成分较多,如泥质粉砂岩、泥质砂岩等。其工程特点是在深度值不大时,表现为硬岩的变形特征;当深度加大至一定值时,就表现为软岩的变形特性。也就是,在地表浅部或低地应力环境时,岩块显示出较坚硬岩特征;在高地应力环境中,当围压较高时,岩体尚具有较高的强度和模量(弹性模量或变形模量),当围压较低时,工程岩体则表现出软岩特征。深部岩石所处的环境、岩石的力学性质与浅部岩石的力学性质有很大的不同。深部巷道围岩变形特点概括起来为:围岩变形量大,巷道围岩变形速度快、塑性变形增大;巷道持续变形、流变为深部巷道变形的主要特征。4.2
围岩变形因素分析深部围岩与浅部围岩所处的环境不同,影响两类巷道围岩稳定的因素也不尽相同。影响深部围岩变形的因素概括起来说有两大方面:自然因素和人为因素。自然因素包括