马建军

(1．武汉科技大学，湖北武汉，430081；

2．湖北皓昇365体育有限公司，湖北十堰，442000)

摘要：根据围岩松动圈支护理论，分析了软岩巷道在采动作用下的破坏和支护特性，认为软岩巷道支护系统是一个取决于围岩松动圈厚度的整体性结构，巷道失稳是支护系统失效所致。支护系统是否稳定可以用采动作用强度、有效锚同范围和支护岩体损伤程度三个判据组合来确定。它们构成了支护可靠性并联系统，其中任一方向起作用都能维护支护系统的有效性，而阻止巷道的失稳破坏。反之，这三个稳定判据均被破坏，则支护系统失效，巷道垮塌。

关键词：软岩支护巷道；采动作用；支护系统；巷道失稳；损伤组合判据

1  引言

地下矿山生产的各种采动作用会对回采巷道的稳定产生影响，尤其井下软岩回采巷道，其围岩松动圈在巷道生产服务期间是变化的，在不断扩展增大，而且任何支护形式和支护系统都不能阻止其围岩松动圈的产生和发展^[1]。因此，软岩回采巷道在生产期间的破坏总是发生，但何时危及其稳定，危及其用功能的正常发挥，是生产安全和组织所必须了解的，这就需要建立基于围岩松动圈扩展的巷道失稳破坏判据。

2软岩支护巷道在采动作用下的破坏与支护特性

2．1支护理论与支护方式

围岩松动圈支护理论的核心[^2,3]：支护应以围岩松动圈形成过程中所产生的碎胀力为支护对象；目的就是要提供足够的支护阻力，以限制碎胀力所造成的有害变形，使破裂的岩石在原位不垮塌。可见，进行软岩巷道的支护设计，关键在于正确合理地确定围岩松动圈厚度，并据此选择合适的支护方式和支护强度。

目前巷道支护设计中，往往将围岩松动圈厚度视为静止的，仅是掘进成巷时应力重新分布与平衡的结果。因此，支护能力的确定主要以成巷初期松动圈形成范围为依据，没有考虑其生产过程中受各种采动作业后可能存在的扩展和增大^[4~7]。这显然会导致设计支护能力不能提供支护对象在实际生产中所需的支护阻力，导致实际支护不能满足围岩松动圈扩展后的稳定要求，生产中往往表现为：已支护软岩巷道在使用过程中仍频繁出现失稳垮塌的现象。

软岩回采巷道通常果用锚、喷、网支护，其中锚杆是锚喷网支护的核心。锚杆通过压缩围岩，使破裂岩石在锚头和锚尾之间形成了一个锥形体压缩区，一系列锚杆的适当排布，使单个锥形体压缩区相连、重叠，形成一定厚度的均匀连续压缩带，构成能提供抵御碎胀力所需支护阻力的组合拱(如图l所示)。混凝土喷层在一定喷射压力下能渗入到巷道表面裂缝的空隙中去，充填裂缝并黏结破碎围岩成为一个整体，形成松散岩石与喷射混凝土组合拱，以阻止岩块垮落和防止围岩的风化潮解。钢筋网可提高锚杆、喷层组合拱的整体性，能更有效地阻止破碎岩块的鼓出、掉落，抵御大的不均匀变形，增强支护结构的系统稳定性。可见，在软岩巷道支护中，锚喷网是与松动圈围岩一起构成锚固体组合拱，共同维护破碎岩石在原位不垮落和阻止松动圈形成过程中所产生的有害变形。

根据松动圈支护理论][1，2]，要形成合适的锚喷网锚固体组合拱，应以围岩松动圈厚度为依据，按其大小进行分级支护：小松动圈(0～0．4m)仅喷射混凝土即可；中松动圈(O．4～1．5m)宜锚喷支护，按悬吊理论设计；大松动圈(>1．5m)用锚喷网支护，按组合拱理论设计。

可见，软岩巷道支护系统是—个取决于围岩松动圈厚度的整体性结构。

2．2软岩支护巷道的破坏与支护特征

通过对井下回采巷道破坏现象的观测调研，结果表明：软岩支护巷道从成巷到投入使用，往往相距半年、一年，甚至更长时间；其破坏往往发生在该巷道进入回采生产一段时间以后，破坏形式基本表现为，首先巷道周边喷层出现零星裂缝，随回采的进行裂缝增多、裂缝间距增大，且出现裂缝的交汇贯通，破裂喷层逐渐与岩面分离，直至折断脱落，同时或稍后发生围岩的片帮或局部冒落。此后，随开采的进行，或者回采巷道的破坏持续发展，但不危及其稳定性，直至被正常爆破崩落；或者在一次爆破后一段时间，发生一段巷道突然垮塌，换取后一段巷道一定时间的相对稳定。

可见，原支护设计往往能满足井下一般采动作用，而进入自身巷道开采后，回采爆破的强烈作用和采区不断移动的直接影响，导致其围岩松动圈不断扩大，原有支护不再可靠。原支护设计把载荷效应(支护岩体的变形、应力、锚固有效范围等)或围岩松动圈厚度看成一个初始状态下的定值，使支护系统仅以初始围岩松动圈为支护对象。而事实上软岩回采巷道进入回采阶段，其松动圈厚度变化很大，圈内岩体损伤陡增，内聚力、物理力学性能、岩块间的黏结力、摩擦系数等大为劣化和降低，使围岩松动圈内岩量增加、碎胀力增强。这些都可能使原支护结构的某些部位或环节达不到设计的安全要求，而使支护遭到破坏，严重的将造成支护失效。

但巷道周边围岩和支护的局部破坏或失效并不等同于支护结构系统整体破坏和失效。锚喷网支护的实质是支护构件(锚、喷、网)与锚固区域岩体相互作用，形成了一整体的承载结构，若局部破坏没有危及整体的承载性，则巷道仍是稳定的。软岩回采巷道进入回采阶段，其围岩松动圈扩展是必然的，是支护系统无法阻止的，这导致围岩应锚固范围增大，圈内岩石的损伤、松散度、碎胀力增大，可锚性削弱。锚杆着力基础劣化，锚固力降低，使锚固拱的整体承载性被逐渐破坏(如图1所示)。一旦某一区段同岩松动圈碎胀力超过承载结构系统支护阻力的安全临界值时，锚固拱失效，该区段松动圈围岩向巷道内侧急速移动，发生支护系统失稳——该段巷道突然垮塌。

可见，软岩喷锚网支护巷道在采动作用下的破坏，是由于围岩松动圈的扩展破坏了原锚固拱的支护强度，增大了锚固范围或锚固岩量所致，其失稳为支护结构系统失去承载能力所致。

3软岩支护巷道失稳破坏的损伤组合判据

软岩巷道支护设计的实质，是要对巷道支护后在服务期内的稳定性做出正确预测，采取合理支护形式和支护强度，以确保巷道在服务期内的稳定安全。

软岩巷道围岩松动圈本身就是由于地压作用而形成的松裂带，只要成巷就有，只是不同情况下松裂程度不同而已；支护是形成一个具有一定承载能力的锚固体组合拱，它能提供足够的支护阻力以限制碎胀力所造成的有害变形。可见，巷道周边存在裂隙并不等于失稳破坏，或者说巷道稳定是巷道周边一定深度岩体和支护构件的整体效应，个别或小量破坏不能决定巷道的稳定性。

井下巷道受采矿爆破的破坏是矿山生产中一个突出问题，但365体育：巷道受爆破破坏的判据迄今仍采用单一的质点峰值速度(或质点加速度)来描述^[8]。事实上，爆破破坏的范围和程度不仅仅取决于振动水平这一个因素，而与岩体强度、地质构造、支护系统等因素有关。因此，判断支护巷道在爆破作用下是否稳定，应采用能反应支护系统整体功能的组合判据。

软岩巷道支护系统主要由围岩和支护构件(喷、锚、网)组成，根据影响锚固组合拱承载能力分析，支护巷道的稳定主要由三个方面的因素决定：

(1)采动作用强度。 表征量为围岩质点应力、速度等。

(2)有效锚固范围。  表征量为围岩松动圈厚度、锚杆有效长度等。

(3)锚固强度。表征量为支护区内岩体损伤程度、支护构件强度等。

因此，稳定性判据应采用能反映这三方面因素的特征量来建立。

3．1采动作用强度判据

在爆区内，爆破振动达到一定强度时，会引起邻近巷道围岩产生不同程度的破坏。其破坏判据：巷道周边岩石质点的爆破振动速度大于临界振动速度[v]，即v〉[v]，其中：

式中v为距爆源R处质点振动速度，cm／s；k为系数，软岩k=250～350；Q为单响最大药量，kg；R为计算点到爆源的距离，m；a为衰减系数，软岩a=1．8～2．0。

根据《爆破安全规程》(GB 6722一2003)，矿山巷道的安全允许振速：围岩不稳定，有良好支护，[v]=10cm／s；围岩中等稳定，有良好支护，[v]=20cm／s。

事实上，岩石爆破振动破坏对巷道的整体性而言有稳定破坏与失稳破坏两种形式。当v刚满足大于[v]时，由于岩石受力不等和自身的非均质性，使受力大、强度低的部分首先屈服破坏，但其范围小，不影响巷道的整体稳定，为局部性的稳定破坏。它削弱了锚固组合拱的承载能力，但不等同于巷道支护系统的整体失效。当爆破振动破坏持续增长，使整个锚固拱达到并超过其最大承载能力，则形成支护结构的整体失效，其破坏为整体失稳破坏。

因此，爆破振动的早期破坏只是表明：爆破振动的影响在破坏锚固组合拱，持续下去会成为巷道失稳破坏的前兆，但它不能成为支护巷道稳定的单一判据。

3．2有效锚固判据

应用围岩松动圈理论进行支护设计，支护参数均以围岩松动圈厚度为基准。这直观地反映在目前的锚杆设计中^[4~7]：

(1)锚杆长度，L(m)：

L=L_l+L_P+L₂    (2)

(2)锚杆间距D(m)：

(3)锚杆支护密度Ps(根／m²)：

Ps=kL_p r /F    (4)

式中，L₁为锚杆外露长度，一般L₁=0．1m；L_P为围岩松动圈厚度，m；L₂为锚杆楔入松动圈外原岩长度，一般L₂=0．3m；Q为锚杆的锚固力，t；r为围岩容重，t／m³；k为安全系数；F为单根锚杆的锚固力，kN。

可见，支护系统的支护范围、支护强度，应与围岩松动圈厚度相适应。同时，从图1也可见，支护系统要形成能提供足够支护阻力的锚固组合拱，在锚杆长度范围内应有相对坚固稳定的岩层存在，锚杆才能获得良好的轴向锚固力，并通过锚杆的压缩作用，使破裂岩石在锚头和锚尾之间形成拱形压缩带。反之，围岩松动圈岩体越破碎，对锚固力的削弱越严重，锚杆与岩体直接接触而产生的锚固力越小。因此，良好的支护应使锚杆的楔入深度超过围岩松动圈厚度，使锚头楔入原岩，而获得良好的轴向作用力，以增强锚固拱的强度。

在井下采动作用下，软岩巷道围岩松动圈是变化的、是在不断扩展延伸的，要保持支护系统的锚固力，其有效支护深度——锚杆楔入岩体的长度就必须随松动圈变化而变化。因此，在支护构件(锚、喷、网)强度满足碎胀力要求的条件下，软岩巷道稳定的有效锚固判据为：有效支护深度(范围)大于围岩松动圈厚度。表示为：

L_y>L_p    (5)

式中，L_y为锚杆楔入岩体的长度，m；L_p为围岩松动圈厚度，m。

因此，在设计锚杆长度时应将根据巷道在回采期间服务时间的长短、松动圈可能的扩展量，在岩石中预留出足够的楔入长度。但在按组合拱设计时，锚杆可以不必太长，只要布置达到一定密度，仍能形成有效锚固拱，这是基于锚固围岩仍有较好的完整性，插入的锚杆能获得足够的锚固力。

3．3岩体损伤程度判据

锚喷网支护是利用软岩巷道围岩松动圈破裂岩体尚存在的一定黏结力，与支护围岩一起共同形成承载组合拱。因此，支护巷道的稳定一定程度上取决于支护围岩自身的承载能力，而岩体的承载能力又取决于岩体的劣化程度——岩体损伤变量。

在《水利水电工程物探规程》中^[9]，利用岩体的完整性系数对岩体的劣化程度进行了分类，而岩体完整性系数的定义和用纵波速度定义的损伤变量可以认为是同一事件的两种表述形式。

岩体完整性系数K_v：

K_v=(v_p/v_pr)。    (6)

纵波速度定义的岩体损伤变量D：

D=l一(v_p/v_pr)²=1一K_v    (7)

式中，”v_p和v_pr分别为岩体和完整岩块的纵波速度，在回采爆破中可以认为是爆前、爆后岩体的纵波速度。

因此，对应岩体的完整性分类，可进行岩体损伤程度分类(见表1)。

由于支护系统无法限制围岩松动圈的发生和发展，而采动作用会导致围岩松动圈不断扩展延伸。这就意味着在生产过程中，回采支护巷道周边围岩的劣化和损伤程度会不断加剧，组合拱承载能力在被不断削弱。当支护围岩完全破碎，失去自承力，所形成的组合拱强度低，承载能力小。同时破裂岩石间的摩擦力小，锚杆没有了着力点，形成的锚固力小，则锚、喷、网支护失效，巷道就会出现突然垮塌。而围岩的完整性可以损伤变量来表征，因此得软岩巷道稳定性损伤判据：

D_max=max{D₁，D₂，…，D_n}≤D_c    (8)

式中，D_max为软岩回采巷道中各断面、各时期围岩的最大损伤量；D₁，D₂，…，D_n为软岩回采巷道不同部位、不同时期的损伤变量；D_c为岩体稳定的损伤临界值，这实际上是生产或工程安全可接受的稳定性判据，可根据安全等级要求和岩体的完整性来设定，本设计取为D_c=0．8(对应岩体完整性系数分类的破碎岩石状态)，若预测巷道的失稳破坏，则采用损伤阀值。

虽然岩体损伤判据可以预测岩体的破坏程度及断裂何时发生，但它不能预测破坏范围和断裂深度，因此在支护巷道的稳定性预测中必须与有效锚固长度配合使用。

支护巷道稳定的这三个判据组合，构成了支护可靠性并联系统，其中任一方面起作用都能维护支护系统的有效性，而阻止巷道的失稳破坏。反之，这三个稳定判据均被破坏，则支护系统失效，巷道垮塌。

4计算实例与分析

某铁矿井下分段高度H=10m，矿块长L=50m，进路间距S=10m，巷道断面为3．4m×3m，采用垂直上向扇形中深孔落矿，每排约7～9个炮孔，总药量约300kg。根据该铁矿进行的声波现场实测，得到未受回采爆破扰动的岩体完整性系数K，K=(v／V)²=0．51～O．93，式中，v、V分别为岩体和岩块的纵波速度。所以有对应的岩体损伤范围：D₀=1-K=0．49～0．07。由于现场声波测试均是在巷道中进行，所测实际上是巷道周边松动圈围岩未受爆破作用时的初始损伤，取均值D₀=0．28。

4．1  井下巷道回采爆破的安全距离R

由式(2)确定爆破安全距离：

R=(k/[v])^1/aQ^1/3

                      =(300／10)^1/1.9300^1/3=40．1m    (9)

式中符号同前，系数在给定范围取值。

可见，距爆源40m以内的软岩巷道均会在回采爆破的振动作用下产生不同程度的破坏。回采进路一般相距10m左右，因此，可以认为现行崩矿方案爆破振动对邻近软岩巷道的破坏无法避免。回采巷道发生垮塌往往是生产一段时间以后，正表明爆破振动所产生的早期破坏为稳定破坏，只要支护系统没有破坏，巷道仍是稳定的。

4．2支护锚杆的有效支护长度

该铁矿通常对软岩巷道采用喷锚网支护，所用锚杆长为1．8m，尾端套方形托盘，全部楔入岩体内。根据围岩松动圈厚度的理论估算，该矿软岩巷道开挖围岩松动圈厚度约在1．2～1．7m之间，取均值初始松动圈厚度δ=1．45m。1．8m>1．45m，L_y>L_p，满足有效锚固判据要求。因此，此支护条件能确保软岩巷道开挖成巷初期的稳定。

但随爆破回采的进行，软岩巷道围岩松动圈厚度在变化。经自编程序估算和实测验证^[10]：该矿软岩巷道在回采爆破中的平均最大累积损伤变量和松动圈扩展量，分别为D_max≈0．56，∑r≈0．6m。因此，在回采期间平均可形成的最大松动圈厚度L_ps为：

L_ps=δ+∑r_max=1．45+0．6=2．05m

可见，此时L_y<L_ps，有效支护长度不再满足锚固范围需要，表明围岩松动圈的扩展导致支护系统受到了破坏，但由于此时平均累积损伤变量D_max≈0．56<0．8，组合拱仍能发挥支撑作用，支护系统没有失效，巷道仍能保持稳定。

对一些局部初始损伤和初始松动圈厚度较大的岩体，这些部位的损伤累积就可能超过其稳定临界值，而易发生失稳垮塌。如根据D₀=0．07～0．49，原岩围岩松动圈厚度约在1．2～1．7m之间，取D₀=0．45、原岩围岩松动圈厚度为1．6m，代入估算程序计算^[10]：当第3炮孔排面爆破时，D_max>0．8，∑r_max>1m，L_ps≥2．45m。巷道的3个稳定条件均被破坏，此时可能发生巷道的失稳垮塌。

这些，正反映了该矿在Ⅳ、V类软岩区仅部分巷道易发生垮塌的事实。同时表明：应用爆破动载松动圈损伤疲劳累积计算模型和支护巷道稳定性组合判据，可以对软岩巷道稳定性做出预测。

参考文献

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摘自《中国爆破新进展》