浅谈软岩支护

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【摘 要】通化矿业集团所属矿井，永安矿业公司六道江井、道清矿北斜井、砟子矿竖井、松树矿二井均进入或将要进入千米深矿井开采。随着矿压的垂直应力和水平应力的加大，井下的岩石性质也逐渐产生了软岩的性质。本文对软岩做了浅显的剖析，以便使大家对软岩和其支护形式有所了解。

【关键词】软岩支护；显现原理；软岩工程

1.软岩的概念及其力学特征

从60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，到90年代末期，提出了地质软岩和工程软岩的概念，提出了二者的区别和联系，并建仪在软岩工程中应用工程软岩的涵义。

1.1地质软岩

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。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度（σс）在0.5—25MPa之间的一类岩石，其分类的依据基本上是强度指标。

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的岩石也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，也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。

1.2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（何满潮，1991）。如果说目前流行的软岩定义强调软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么本定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。

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，包括岩块、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总和力，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用，显著变形包含显著的弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特征，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的变形特性；在较高工程力的作用下，则可能表现为软岩的变形特性。

1.3软岩的工程分类和分级

按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同，将软岩分为四类，即膨胀性软岩（或称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩。在此基础上，又对各类软岩进行了分级。在工程分类方面，根据研究目的不同，还提出了软岩矿井的分类、软岩变形力学机制的分类、软岩软化程度分类和软岩的软化途径分类。这些科学分类使我国软岩研究走在了世界前列。

软岩具有两个工程特性，软化临界荷载和软化临界深度；软岩具有五个力学属性：可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性。

2.软岩巷道的地压显现原理及支护方法

2.1软岩巷道的地压显现原理

巷道开挖以后应力重新分布，巷道围岩中出现一个应力变化区，在该区内产生应力集中现象。其周边的应力集中程度最严重。

围岩的应力应变关系（图2虚线）可简化为图2实线所示的模式。其中I型表示理想的脆性岩石，由于它们在破坏时的残余变形很小，可按线弹性体处理；II型表示在弹性变形1与破坏阶段3之间存在着有限的塑性变形阶段2，称为塑性岩石，实用上按弹塑性体处理。

不论I型或II型围岩，只要新分布的围岩应力值小于围岩的强度极限（脆性岩石）或塑性（屈服）极限（塑性岩石），巷道围岩稳定，属于弹性自稳状态。

如果应力超过了强度极限或屈服极限，周边岩石首先破坏，或出现破裂（脆性岩石），或出现大的塑性变形（塑性岩石），造成巷道周边的非弹性位移。这种现象从周边向岩体深处扩展到某一范围，在此范围内的岩体称为非弹性变形区。在它们以外为弹性变形区，原来围岩周边集中的高应力转移到的弹性变形区中去。

对于I型围岩，非弹性变形区的主要特征是脆性破坏，故又称为破坏区。破坏区岩石几乎完全丧失了内聚力，满足岩石的松动破坏条件（内聚力c=0，内摩擦角≠0）。

对于II型围岩，非弹性变形区的主要特征是出现塑性变形，在变形发展的过程中，若围岩的应力获得进一步调整，始终不满足松动破坏条件或由于支护作用抑制了塑性区的发展，则围岩逐渐稳定，只出现弹性区与塑性区，形成弹塑性自稳状态。如塑性区应力场中的某些区域满足了松动破坏条件（在塑性流动过程中，由于C、?值的降低而使部分或全部塑性区转变为破坏区，从而引起巷道失稳），则此部分塑性区发展为类似脆性岩石那种性质的破裂区。

所以，对于软岩巷道的支护，必须要求围岩中的部分岩石进入塑性状态，使围岩中切向应力和径向应力降低，减小作用于支护体上的荷载，同时支护体又要有一定的支护力限制塑性变形无限扩大形成破坏区，以达到充分利用、发挥围岩的自承能力上。其标准是形成一定的塑性变形区且以达到最大塑性承载力。

这样就要求支护体系、支护结构和参数，以及施工工艺过程应适应围岩变形的力学状态，确保支护特性与围岩变形特性相适应、相匹配，最大限度地发挥围岩自承能力和支护体系的支撑能力，以达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。同时要注意卸压、让压、加固、支撑的统筹安排，对高应力区适当释放能量。

2.2软岩巷道的特点及支护对策

（1）软岩易风化，遇水易膨胀；软岩巷道开挖后应及时封闭围岩，尽量保持围岩的原始特征。及时喷射混凝土，可以防止围岩风化、吸潮，同时提供了一定的支撑能力，防止围岩松动。