矿井软岩工程特性和支护方式探析 孔士营陈广尧王利（山东济矿鲁能煤电股份有限公司，山东济宁２７２５００） 摘要：矿井软岩工程深部开采面临岩石压力的问题，冲击地压明显加大，支架随之出现的损坏现象愈发严重。矿井软岩工程是 当前矿产建设需尽快解决的问题，本文将在探讨矿井软岩工程特性的基础上，对支护方式的选择，展开深入探析。 关键词：矿井工程；软岩；支护 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０１５５．２０１３．１１．０７６ 中图分类号：Ｆ４０７．２１；ＴＤ３５３ 一文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８－０１５５（２０１３）１１－０１２３－０１ 矿井软岩工程特性分析 矿井软岩工程特性的研究，是支护结构采用的基 础条件之一，需要分析的内容包括软岩的力学属性、软 岩的临界荷载、软岩的临界深度，具体内容如下： （一）软岩的力学属性 矿井软岩力学特性由软岩的泥质矿物成分和软岩 的结构断面决定，其中泥质矿物成分具有明显的可塑 、开挖之后，围岩向临空区域运行的合力，由工程力、自 撑力、支护力共同承担，即软岩变形之后，释放出来一 性、流动性、膨胀性、易扰动性等特点，这些特性容易受 到物理因素、化学因素、力学因素等的干扰，从而出现 体积变化的情况，尤其是膨胀性特点，软岩工程由此出 现内部、外部、应力扩容三种膨胀现象，即我们常说的 复合性膨胀。 （二）软岩的临界荷栽 部分的弹塑性能，岩体出现形变，另外一部分的弹塑性 能由岩体本身自己承担，如果合力与工程力之差，大于 自撑力，则表示矿井能够自稳，但这种情况在软岩中几 乎不可见，通常情况下，软岩工程的自撑力小于合力与 工程力的差值，而要求矿井不得不采用支护的方式维 系工程的稳定性，并要求在确保支护力与自撑力的和 值大于合力与工程力的差值，才能够满足软岩工程支 护的需求。 （二）最佳支护时间的确定 由于软岩工程特殊的作业方式，应急水平不断升 高，尤其是冲击地压，随着塑性变形程度的增加，属于 硬质特性的岩石，在低塑性的状态之下，就会出现明显 的塑性变形。软岩的临界荷载会因此增大，影响工程 的正常作业，这也是矿井生产常见的问题之一。 （三）软岩的临界深度 软岩的临界深度与临界荷载属于相对应关系，围 岩变形与临界深度相关，表现为临界深度小于地下工 程埋深的时候，围岩变形程度增大，冲击地压会影响支 护的强度。反之，当临界深度大于地下工程埋深的时 候，冲击地压就会逐渐被抵消，工程的支护比较容易。 二、矿井软岩工程支护方式探讨 在明确矿井软岩工程支护方式的基础上，进一步 探讨软岩工程的支护原理，然后确定最佳的支护时间， 形成关键部位的支护方案，笔者结合相关工作经验，总 结如下： （一）支护原理 软岩工程与硬岩工程的支护原理具有差异性，在 进行矿井支护作业的时候，只允许前者进入塑性状态， 并以某种方式将膨胀变形能等塑性能释放出来。矿井 收稿日期：２０１３—０７—２２ 作者简介：孔士营（１９８０一），男，山东邹城人，本科毕业，助 理工程师，现在山东济矿鲁能煤电股份有限公司工作；陈广尧 （１９８４一），男，山东济宁人，本科毕业，助理工程师，现在山东济 矿鲁能煤电股份有限公司工作；王利（１９８０一），男，山东邹城人， 本科毕业，工程师，现在山东济矿鲁能煤电股份有限公司工作。 矿井软岩工程在开挖之后，围岩的变形会逐渐呈 现增大的趋势，而根据变形的速度，可以将其划分为三 个阶段，分别为：减速变形阶段、恒速变形阶段、加速变 形阶段。当矿井软岩工程在进入最后一个阶段的时 候，软岩的岩体就会开始出现结构的重组，从而出现裂 纹，降低支护的水平。由此可见，矿井软岩工程支护的 考虑，需要明确最佳的支护时间，在满足支护强度需求 的同时，减缓结构重组变形的速度。・最佳支护时间指 的是在自撑力和合力之和达到最大状态的时间点，但 在实际的矿井工程当中很难掌握，因此只能提出最佳 时间段，将该时间段确定为稳定支护的时间，超过这个 时间段的支护，都可能出现失稳现象。在理论的层面 上，最佳支护时间的物理意义是：在矿井开挖之后，矿 井围岩将重新布置应力，而巷壁的周围将高度集中切 向应力，使得周围的岩层屈服都处于塑性工作状态，从 而形成我们常说的塑性区。 （三）关键部位的支护 结合相关的工程实践经验，笔者发现矿井软岩的 失稳和破坏，需要从力学的角度分析，属于一个循序渐 进的力学演变过程，而某些关键性部位的变形和损伤 是支护失稳破坏的转折点，在关键部位变形和损伤之 前，支护仅表现为局部失稳，当关键部位变形整体损伤 之后，才出现支护整体性失稳的现象，为此我们要重点 兼顾关键部位的支护。关键部位从力学的角度分析， 之所以产生变形和破坏，是因为该部位围岩与支护体 的力学性质不耦合，分力强度不耦合、正向刚度不耦 合、负向刚度不耦合、结构不耦合四种： （１）关键部位围岩与支护体的强度不耦合， （下转第１３５页Ｊ ・１２３・ 各指标的权重ａ ，计算公式如下： Ａｉ＝Ｈｉ／∑Ｈ；∑Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２＋…＋Ｈ 其中，Ｈｉ代表第ｉ个指标的超标倍数，Ａｉ即为第ｉ 个指标的权重，得到Ａ为此次水质指标的权重矩阵，则 Ａ＝（Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４…Ａｎ）。 ３评价结果 模糊矩阵的复合运算是通过“取小取大”法则进行 判定的。即在Ａ与Ｒ复合时，相乘取小值，相加取大 值，评价结果是按最大隶属原则决定的，即哪级水的隶 属度最大，水质最后结果就定在哪一级。Ｂ＝ＡＲ＝ （ｂ；）ｎ＝（ｂ，，ｂ ，ｂ，，……ｂ ），例如下式从运算结果来 看，该水质为Ｖ级水。 Ｂ＝｛０．０１５，０．０４７，０．０９８，０．０９５，０．２５４｝ 本文中，利用天津市５１１口井第三含水组地下水 资料数据进行评价，结果为：水质优秀的有３０口井，占 ５．８７％；水质良好的有２４口井，占４．７％；水质较好的 有２４口井，占４．７％；水质较差的有７４口井，占１４． ４８％；水质极差的有３５９口井，占７０．２５％。从以上结 果不难看出天津地区地下水第三含水组水质情况大部 分地区为极差。总体情况是武清西南部、宝坻断裂附 近、宁河东南部及汉沽地区水质优秀或较好，静海、大 港地区水质较差，其他市内六区、环城四区、滨海新区 大部分水质为极差。这主要与氟化物、亚盐所占 权重（即超标倍数）有较大关系。 参考文献： ［Ｉ］冯德益，楼世博．模糊数学方法与应用［Ｍ］．北京：地震出版 社，１９８３． ［２］石振华，李传尧．地下水工程与管理手册［Ｍ］．北京：中国建 筑工业出版社，１９９３． （责任编辑：陈文明） （上接第１２３页） 等强和非等强支护的过载部位受到不均匀荷载的作 用，从而形成局部过载，出现局部损坏，最终导致支护 体的失稳，这种情况在矿井软岩工程中比较常见，与软 岩本身的性质关系最为密切，需要综合软岩的性质进 行支护，否则很难应付实际工程中的隐蔽性问题。 （２）关键部位围岩与支护体正向刚度不耦合，当支 护体的刚度小于围岩的刚度，围岩就会出现过量的剧 烈变形，而且无法得到控制，使得围岩的强度降到最低 状态，并将自身的荷载全部交由支护体承担，使得支护 体逐渐失稳，最终由于过载而出现破坏，这种情况在矿 井软岩工程支护中比较少见，而且属于一个潜移默化 的过程，因此只需要控制好围岩荷载与支护荷载之间 的转换关系，就能够彻底消除这个问题。 （３）关键部位围岩与支护体负向刚度不耦合，当支 护体的刚度小于围岩的刚度，原本需要通过变形方式 转换并释放的围岩膨胀能力，会在围岩和支护体结构 的周围聚集，最终形成的局部过载。这种情况类似于 正向刚度不耦合，只是围岩荷载和支护荷载之间的转 换方向相反，因此只需要通过控制两者转换关系，同样 可以消除这个问题。 （４）关键部位围岩和支护体结构变形的不耦合，其 破坏变形从支护体开始，逐渐波及围岩的层理面、断层 面、节理面等结构面，最终由于结构面和支护体的差异 性，出现滑移的变形，使得围岩与支护体的连接位置周 围，出现严重的局部破坏情况。 以上关键部位三种变形的特征，呈不稳定的变形 曲线状态，裂纹特征则根据反分析理论，出现高应力腐 蚀的位置，即为需要二次耦合支护的关键部位，该部位 的支护体将出现鳞状、片状、崩落等剥落现象，裂纹类 型为张性和张扭性，宽度大约为３ｒａｍ左右。支护体设 置需要找出这些部位，然后消除可能破坏支护体的客 观因素，最大限度地提高支护体的强度。 （四）软岩支护结构方案 矿井软岩工程的支护，一般情况下采用ｕ型钢可 塑性金属支架支护的方案，尤其针对断层和陷落柱的 地质破碎带，ｕ型钢可塑性金属支架支护由顶拱、侧 帮、底拱、肋板、直腿、鞋板、金属卡缆等构成，其中两侧 帮位于支架的上部，呈圆弧形状态，而下部为焊接在鞋 板的直腿，另外顶拱和两侧帮在支架的上面部位互相 搭界，与两底拱的搭界位置共同用金属卡缆固定。除 此之外，支架与支架之间的距离控制０．５ｍ左右。笔者 结合实际的工程经验，结合支护结构所在软岩地质条 件和位置不同的要求，采用以下两种方案： （１）利用螺纹钢等强锚杆等支护顶板，锚杆之间保 持恒定距离０．８ｍ，长度为２．１ｍ，中间部位则打人两排 锚索，然后喷浆５０ｒａｍ，最后覆盖网，其中钢带的尺寸为 ８６０×１２０×５ｍｍ，两端分别开有圆形孔和异形孔。 （２）方案二较为简单，是保持锚杆的恒定排距ｌｍ， 然后增设排距１．２ｍ的锚索，其他内容基本与第一个方 案相同。 三、结束语 矿井软岩工程特性的研究，是支护结构采用的基 础条件之一。在明确矿井软岩工程支护方式的基础 上，进一步探讨软岩工程的支护原理，然后确定最佳的 支护时间，形成关键部位的支护方案，笔者结合相关工 作经验，认为软岩工程与硬岩工程的支护原理具有差 异性，在进行矿井支护作业的时候，只允许前者进入塑 性状态，并以某种方式将膨胀变形能等塑性能释放出 来，另外矿井软岩工程支护的考虑，需要明确最佳的支 护时间，在满足支护强度需求的同时，减缓结构重组变 形的速度。 参考文献： ［１］邓坤．高应力软岩巷道围岩稳定性研究［Ｄ］．西安科技大学， ２０ｏ８． ［２］王进锋．高应力软岩回采巷道锚杆（索）耦合支护技术研究 ［Ｄ］．西安科技大学，２００８． （责任编辑：陈文明） ・１３５・
