第５７卷第６期有色金属（矿山部分）２００５年１１月软岩巷道稳定性影响因素及其支护理论探讨马建军①蔡路军①程良奎②（。武汉科技大学，。武汉爆破公司）摘要：根据生产矿山软岩巷道易发生破坏的现象，指出了影响软岩巷道稳定的主要因素是采场地应力、井下爆破和支护设计，并就这三者的影响方式进行了姥析。同时，根据围岩松动圈支护理论的合理性，提出了爆破动载（呆动）松动圈支护理论，认为：围岩松动圈厚度是动态变化的，软岩巷道的安全支护是使支护系统能承受住生产过程中围岩所产生的最大有害变形。关键词：软岩巷道稳定采场地压井下爆破支护理论１引言井下生产矿山常有这样一种现象：软破岩带的已二次应力场，应力重新分布，并产生应力集中现象，从而引起岩体变形和向自由面位移。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的破坏和失稳。就巷道而言，在原岩中开挖后，巷道周边围岩的三向应力平衡状态被破坏，产生应力的重新分布，表现为：径向应力减小，在巷道周边减小到零，围岩强度明显下降；切向应力增加，在巷道周边产生应力集中现象，当此集中应力超过围岩强度，巷道周边围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在取得新的三向应力平衡为止。这种由应力重新分布使裂隙从周边向深处发展，所产生的破裂区称为围岩松动圈……，如图１、图２所示。Ｊ支护巷道，在开拓采准阶段是稳定的，一旦进入矿体回采，或者爆破崩矿一段时间以后，就出现支护开裂变形，并逐渐恶化，甚至导致巷道失稳垮塌。这给矿山生产造成巨大损失，是安全生产的一大隐患，同时也表明软岩巷道的破坏与周边采矿爆破密切相关。事实上，各类地下工程往往都有软岩带或软岩区域存在，也就存在爆破作用下的稳定性控制问题。如铁路、公路隧道的双线开挖或单线增设二线、人防地下通道和硐室、国防工程坑道和硐库、市政设施的地下铁道、管线通道等工程的施工中就常常要求评价在爆破动载作用下的稳定性问题，并根据结果确定工程设计和调整爆破参数，以确保地下工程的安全。因此软岩巷道在周边爆破作用下的安全问题，一直为工程爆破、岩土力学及采矿工程界所重视，是地下工程在软岩带施工亟待解决的问题。２软岩回采巷道稳定性影响因素分析井下一条回采进路从成巷到回采结束，服务期常达１—２年，这期间经受着不同载荷作用，处于不同的应力状态，导致巷道失稳破坏的主要因素有：采场地应力、井下爆破和支护设计。２．１采场地应力地应力是存在于地层中的天然应力，也称原岩应力。在没有开挖工程扰动的Ｊ隋况下，岩体处于原始平衡状态。巷道开挖或采场作业在岩体中形成人为空间，打破了原岩应力平衡，在巷道和采空场周围形成马建军教授博士湖北武汉４３００８１／，、．＼７／／≯司，、孓＜ｊ÷松动圈图１巷道断面围岩应力分布图Ｐ一原岩应力；ｏ。一径向应力；ｏｎ一切向应力。万方数据图２围岩松动圈示意图有色金属（矿【｜『部分）第５７卷松动圈围岩呈破裂状态，裂纹密度较原岩区大得多，其破裂范围与巷道的稳定性和支护的难易程度密切相关。松动圈越大，围岩稳定性越差，需支护的强度越大。软岩巷道由于自身围岩强度较低，开挖后形成的松动圈范嗣大，巷道易失稳破坏。即使进行了支护，也往往会因回采推进、空场扩大以及各种井下生产爆破作用使邻近软岩巷道围岩松动圈发生扩展、增大，严重的将引起失稳垮塌。井下回采多采用沿进路后退回采，矿石在崩落围岩覆盖下，借助自重从进路端壁放出，放出体一般为前倾椭球体缺，在松动的椭球体缺内应力降低，其后部应力场升高，沿进路轴线方向形成应力场变化的支承压力区，并随回采推进而移动（图３）。一般在距工作面１０～１５ｍ的范围内为应力升高区，这种由移动所形成的反复加、卸载，是导致软岩回采巷道失稳破坏的一大诱因。图３回采进路支承压力分布图井下相邻爆破引起巷道破坏和失稳主要是由于：爆破产生的冲击波、应力波和地震波具有瞬时、拉压交替、多次多向的特点，其直达波与界面反射波叠加作用于巷道周边，产生动应力场引起围岩出现环向和纵向裂隙、剥层破坏，甚至局部冒落。尤其软岩巷道其松动圈裂隙发育，即使是爆破远区应力波作用于裂尖，其应力场奇异性也可能使原有裂隙扩展和延伸，致使松动圈范围逐渐变大，稳定性不断削弱。若原有支护强度余量不足，就可能导致巷道失稳破坏。井下爆源主要有：井巷掘进爆破、矿岩回采爆破和二次改炮。它们都使回采进路受到爆炸应力波的破坏作用，但二次改炮一次爆破用药量小，且主要通过空气冲击波传播，对邻近进路的影响相对较小；而掘进、回采爆破往往炮孔多、药量大、次数频（几乎每天都有），尤其回采爆破仅一个起爆分段的药量就可能达到几百公斤以上，因此对进路稳定性影响最大。万方数据井下回采进路按品字型布置，开采自上而下进行。因此任一进路都要受到来自上水平和同水平爆炸应力波的反复作用（图４），作用效应对巷道断向而言呈似几何对称。且经测试表明”１：爆炸应力波对进路的破坏效应与药量、爆心距和矿岩性质相关。爆心距越小，炸药量越大，破坏效应越大；上水平爆破对下水平进路的影响要低于同水平的影响；同水平爆破对邻近进路迎爆壁的作用最强。口口田口口图４多向爆破应力波作用示意图回采进路受同水平爆炸应力波的作用又分两类：①自身巷道回采爆破的正面作用；②相邻巷道的侧面作用。前者影响相对较小“。可见井下爆炸应力波作用使软岩巷道周边围岩应力出现反复的重新分布，原有裂隙不断扩展和延伸，使松动圈厚度逐渐增大，软岩巷道的稳定性被不断削弱。２．３支护设计目前，在实际支护设计中，常常存在着一个缺陷：往往是以采场原始地应力或巷道初始开挖可能造成的破坏为支护对象，没有考虑或考虑不足后期生产采动在原破坏基础上带来的叠加破坏。因此，可能造成软岩巷道支护方式不对或支护强度不足，使其开挖、支护后很长一段时间都可能是稳定的，而一旦进入生产，不久就发生开裂、剥落，甚至垮塌。根据软岩支护巷道的现场破坏形式与开采进程的时间关系，可以认为：软岩巷道周边围岩存在着一个主要受采动影响、呈动态变化的松动圈——爆破动载松动圈。它的扩展、延伸直接影响软岩支护巷道在生产期间的稳定，是决定软岩巷道支护难易和强弱的重要因素。因此，应用围岩松动圈理论指导软岩巷道的支护设计，一个重要的工作就是要正确合理地确定巷道同岩松动圈的厚度。３软岩巷道支护理论要维护软岩巷道在生产期间的安全，就必须对巷道进行支护。合理的支护，应在正确的支护理论的指导下进行。目前，围岩松动罔支护理论、新奥法、巷道围岩关键圈理论等，在井、巷支护中起着重２．２井下爆破第６期马建军等：软岩巷道稳定性影响因素及其支护理论探讨３１要作用。尤其近年来，董方庭等从研究巷道围岩状态和围岩松动的观点出发，提出的巷道或地下工程围岩松动圈支护理论，是一种新的支护理念，其应用日益广泛。３．１巷道围岩松动圈支护理论该理论认为”“”１：巷道围岩的稳定性分类、支护形式和支护强度应根据围岩松动圈的大小来确定；巷道支护的目的，是维护破裂的岩石在原位不垮落，并能防止围岩松动圈发展过程中所产生的有害变形。围岩松动圈越大，巷道收敛变形越大，稳定性越差，支护越困难，所需支护的强度越大。支护作用就足限制围岩松动圈形成过程中，碎胀力所造成的有害变形。可见，围岩松动圈的存在影响了巷道的稳定，并成为支护的直接对象。根据松动圈厚度不同，将围岩按稳定性分为６类：①稳定围岩，松动圈０～４０ｃｍ；②较稳定围岩，松动圈４０一ｌＯＯｃｍ；③一般围岩，松动罔１００—１５０ｃｍ；④软岩，松动圈１５０～２００ｃｍ；⑤较软围岩，松动圈２００～３００ｃｍ；⑥极软围岩，松动圈＞３００ｅｒａ。围岩松动圈大小不同，稳定性彳；同，这决定了巷道的支护方式与支护原理”。：①小松动圈（０～４０ｃｍ）仅喷射混凝土支护即可：②中松动圈（４０～１５０ｃｍ）宜用喷锚支护，按悬吊理论设计；③大松动圈（＞１５０ｅｒａ）属于软岩，用喷锚网支护，按组合拱理论设计。３．２“刚性梁”理论指导软岩支护的理论还有“刚性粱”理论。该理论是基于岩体中存在的水平应力，由郭颂博士提出，其主要内容”。：（１）锚杆预拉力的大小对顶板的稳定具有决定作用。当预拉力达到一定程度时，锚杆长度范围内的顶板离层得以控制，建立了刚性梁顶板，它本身形成一个压力自撑结构。（２）刚性梁顶板可充分利用水平应力来维护顶板的稳定性。水平应力的存在，在一定程度上保护着顶板，使其代表顶板岩层处于横向压缩状态。（３）在形成“刚性梁”顶板条件下，顶板的垂直应力被转移到巷道两侧岩体纵深，巷道两侧的压力减少。与无预拉力锚杆支护的“先护帮，后控顶”的原则相反，该理论主张“先控顶，后护帮”。在一定的极限范围内，顶板的稳定性与巷宽关系不大。该理论反映了，合适的锚杆预拉力会使顶板离层形成白稳结构，为巷道围岩松动圈支护理论以松万方数据动圈为支护对象，锚杆为支护手段，提供了支持。３．３关键承载层（圈）理论康红普等…”在１９９５年，提出关键承载层（圈）理论，认为：巷道的稳定性取决于承受较大切向应力的岩层或承载层（圈）的稳定与否，这一岩层或承载层（圈）就叫关键承载层（圈）。巷道支护的目的就在于维护关键承载层（圈）的稳定。因此，在采用锚杆支护时，锚杆应深入到关键承载层（圈）内，使锚杆起到悬吊作用，将关键层与破坏岩层连结起来，以阻止破坏岩层的垮落；锚杆的预拉力实际使关键承载层（圈）厚度增大，应力分布相对均匀，并向巷道周边趋近，因此更能起到维护的作用；同时锚杆还能提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层扩容、离层及滑动，从而提高岩层的水平承载能力。锚杆的工作阻力越大，效果越明显。显然，该理论从另一角度映证了围岩松动圈的支护理念，它们间有一种内在关联。３．４爆破动载｛采动）松动圈支护理论根据前述分析：软岩巷道周边围岩存在着一个主要受采动影响、呈动态变化的松动圈——爆破动载松动圈，我们提出了爆破动载（采动）松动圈支护理沧。它实际上是围岩松动圈支护理论的组成部分，其／ｆｉ同点在于，认为”。：受采动作用的巷道围岩松动圈厚度是变化的，安全支护是使支护系统能承受住围岩松动圈在形成和发展过程中碎胀力所造成的最大有害变形；支护巷道的稳定不由单一因素决定，锚圄组合拱的可靠性不仅取决于巷道围岩松动圈的大小，还取决于松动圈围岩的损伤与发展程度。因此在软岩巷道支护设计中，应对整个生产过程受采动影响的巷道围岩松动圈厚度和损伤程度做出正确合理的预测，并以此作为巷道安全支护没计和校核的依据，才能确保其使用期间的稳定安全。目前，将软岩巷道围岩松动圈作为直接支护对象的研究很多，既有理论分析，又有现场实测，但多停留在研究地压静应力场变化对软岩巷道围岩的作用，尤其重点考虑巷道开挖初期其周边松动圈的形成与发展，而对巷道形成后使用期间，在周边各种采动作用影响下，特别足受邻近爆破作用可能发生的松动圈扩展、巷道稳定性削弱论及较少。因此在巷道支护设计中，往往只考虑了原岩地压的破坏作用，没有考虑周边长期反复的生产爆破造成原有破坏的（下转第４２页）４结语有色金属（矿山部分）第５７卷主井进风量，在寒冷季节有效防止主井井筒结冰的技术。从表４可以看出，一４００ｍ和一５８０ｍ主井进风石门安装空气幕后，起到了较好的增阻作用。当空气幕全部开启时，与空气幕不开时相比主井进风量减少３２．２ｍ３／ｓ～３８．３ｍ３／ｓ；当其中一侧空气幕开启时，主井进风量减少１９ｍ。／ｓ～２０ｍ５／ｓ，可见空气幕不仅有较好的效果，而且能适应一定的温度变化。此外，由于空气幕安装在巷道两侧，因此不影响行人和运输。（１）一４００ｍ主井进风石门（主副井之间）设置１道空气幕，此空气幕由两台风机并联组成（分布巷道两侧）。（２）一５８０ｍ主井进风石门（主副井之间）设置１道空气幕，此空气幕ｒｌ＿Ｉ两台风机并联组成（分布巷道两侧）。３．２．３空气幕设计选型。依据测定结果可以计算并选择所需要的空气幕，其型号及相关技术参数如表３所示。表３应用地点一４００主井石ｒＪ—５８０主井石门４结论（１）空气幕引射风流的效果非常明显，不仪增加下部中段的进风量，一４６０ｍ中段进风量增加空气幕选型结果空气幕型号ｗＭＩ—Ｎ０１２ＷＭｌ—Ｎｏｌ３风机型号Ｋ４５—６Ｎ０１２Ｋ４５—６Ｎｏｌ３叶片安风机功装角率（ｋｗ）３５。３５。１８５数量（台）２１０％～２０％，而且能有效仰制主斜坡道的风流反向，增加巷道的可见度，有利于行车的安全，对一３８５ｍ和一４００ｍ中段的进风量影响较小。（２）一４００ｍ和一５８０ｍ主井石门空气幕增阻作用较好，开一侧和全部开时的阻风可以达到２７．５ｍ３／ｓ～３２．８ｍ５／ｓ和４８．０ｍ’／ｓ一６２．８ｍ’／ｓ因此在寒冷气候条件下能有效减少主井的进风量，可不用主扇的反风来防止主井的结冻，确保生产按正常程序进行。３．２．４测定结果及分析。在一４００ｍ和一５８０ｍ主井进风石门内的空气幕安装完毕后，分别对３种不同运行状态空气幕的效果进行了测定，结果如表４所示。表４测定卒气幕点状态关开｜开一俱—５８ｄｍ不同状态主井石门风流状态ｏ一１℃时风量（ｍ３／ｓ）一ｌ田阿ｆ一４０一１℃时风骨ｆｍ’／ｓ）主井石ｆｊ２４．０４４１６７３７．０１８．３２４３主井率（％）石门２８０５阻风率（％）（３）本项目应用空气幕具有较大的灵活性，可以实现多种状态的运行，具有一定的适应井下自然风压或气候变化的能力。（４）空气幕安装在巷遭侧壁的硐室内，不会被一４０Ｃｍ关开６１０１２２２７关全开６９２…２０４１２３３２８３０１３６０４８．０２５ｌ芙开行车碰坏，因此使用寿命较长，且操作、检修、维护方便，不需要人看管。口Ｉ开一俱阡一侧４Ｉ．０开侧５０２”５≮岛≮岛尚≮匀≮≮≮匀≮向南岛尚岛岛匈岛匈５｝岛匈８｛向南岛勘々‰向岛岛岛匈：‰匈岛。啤岛岛岛岛≮＃Ｐ（上接第３１页）扩大，可能导致原有支护方式不合适或支护强度不足。这却是软岩支护巷道在使用阶段失稳破坏的一个重要原因，应引起足够的重视。研究软岩巷道受周边爆破作用的响应特性及变形破坏机理，定量确定邻近爆破对软岩巷道周边围岩的影响程度和松裂范围，研究围岩松动圈变化与稳定支护的关系，是建立爆破（采动）作用下软岩巷道支护设计原则、制定爆破安全作业制度的基础，是解决软岩巷道在周边爆破（采动）作用下的稳定性控制问题的有效途径。参考文献董方庭，宋宏伟，郭志宏，等．巷道围岩松动圈支护理论［Ｊ］煤炭学报．】９９４．（２）２１～３２２宋宏伟，郭志宏，岗荣章，等．围岩松动圈巷道支护理沦的基本观点［Ｊ］建井技术，１９９（４、５）：３－９３辛洪渡冶金矿山难采矿体采矿技术［Ｍ］北京：冶金工、№出版社．１９９４，４４靖洪义，傅国彬，郭志宏，等探井巷道围岩松动国影响吲紊实测分析及控制技术研究［Ｊ］岩石力学与］＿＝程学报，１９９９，１８（１）：７０—７４５史兴国巷道围岩松动圈理论的发展［Ｊ］河北煤炭，１９９５（４）：１～５６曹树刚．边金，杨春，等软岩巷道支护理论及支护机理的研究和发展［Ｊ］矿业研究与环保，２００１（１０）：２２～２４７康红普．巷道围岩的承载圈分析［Ｊ］岩土力学，１９９６（１２）：８４—８９８康红普巷道围岩的关键圈理论［Ｊ：力学与实践．１９９７（１）：３４～３６９弓建军软岩巷道在周边爆破作用下的稳定性研究－－博士学位万方数据论文］［Ｄ］北京：北京理工大学。２００４Ｕ