基于natm理论及软岩巷道变形规律的支护方法研究

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1、GAOJIAOLUNTAN高教论坛基于NATM理论及软岩巷道变形规律的支护方法研究孙志文李文嵩张良摘要：本文在实地测试的基础上，通过对大雁煤业集团公司第一、第二、第三煤矿掘进过程中围岩移动规律的观测研究，提出了在不同围岩运移规律下的软岩支护指导性方法。本结论经过实践，具有很强的可操作性。同时，对其他矿井解决类似问题提供了经验和参考。关键词：NATM理论；软岩；支护形式。-47-GAOJIAOLUNTAN高教论坛0引言01、NATM理论“NATM”全称“NewAusrtrianTunnellingMetnod”，即“新奥地利隧道施工方法”，简称“新奥法”。此方法是地下

2、工程设计和施工的一门技术，目前许多国家都把这种方法应用于隧道、矿山井巷、军工、水电等地下工程。其基本原则有二十几条，但主要是：①在巷道开挖过程中，应最大限度地保持围岩的原始强度；②恰当地控制围岩变形。即：一方面要允许围岩向巷道空间收缩变形，以便形成岩石支撑环。而另一方面又要限制其产生过大变形，造成围岩破坏变形；③掌握巷道变形规律，适时进行支护，既不能过早，也不能过晚，正确地确定岩体或岩体支护系统的特定时间因素；④为了避免巷道断面上尖角处出现应力集中，应采用圆形断面。02、软岩作者简介：孙志文（1965-），1988年毕业于阜新矿业学院采矿工程专业。现工作于呼伦贝尔学

3、院，副教授，采矿教研室主任。我国煤矿对松软岩层研究的范围主要是强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层。从软岩形成原因来分析，软岩大致可归属为三种。一是构造软岩，它主要是指受断层、褶曲等地质构造的影响，岩石的整体性受到破坏而疏松变软；二是由于成岩时间短，岩体胶结程度差，从而结构疏松、强度较低；三是由于岩层的深度大，在地应力作用下岩体强度低，自承能力差，节理、层理发育，使得岩体疏松，整体性差。煤矿的软岩多是复合的膨胀岩，并以泥岩、粘土岩等多见，具有易风化、怕水和震动等特征，遇水后具有较大的膨胀性、流变性，稳定性

4、极差。我国目前对松软岩层研究提出判别的主要指标为：岩石单向抗压强度Rc小于30MPa，掘进巷道引起的围岩变形量大于100mm，巷道围岩松动圈范围大于1500mm。-47-GAOJIAOLUNTAN高教论坛1、矿井软岩特征及矿压显现规律1.1大雁一矿西六大巷围岩特征西六大巷是为该矿西六采区（下山采区）服务的机轨合一巷，水平标高+500m。围岩岩性为泥质页岩，岩石的单向抗压强18.57-27.35Mpa,无断层、褶曲等大型地质构造。岩性较为稳定，遇水膨胀。由于受采动影响较小，巷道每天的移近量较小。但部分受到水的影响而引起巷道底鼓，掘进初期，顶、底板移进速度0.05-25

5、mm/d。（见图1）1.2大雁二矿围岩特征通过对大雁二矿现±0水平现场观测表明，在软岩层巷道开挖后，围岩的初期变形量大，并呈现来压迅速，变形速率大；矿压显现明显，持续时间较长；变形不仅顶板下沉、两帮内移而且底板鼓起，巷道的底鼓量有时占顶底板移近量的60％－90％。对于采用一次料石砌碹巷道，因围岩松软，自稳能力低，使巷道直墙位置出现较大拉应力，墙基处出现较大剪应力。由于料石砌暄的抗变形能力差，故出现拱顶变尖，墙体部分鼓出，形成沿巷道轴向的张裂，有时出现整体向巷道内挤出成倒台阶形，拱顶部分料石挤碎，掉渣等导致碹体结构失败。采用刚性支架时，其支架的允许变形量通常小于200

6、mm，围岩变形量超过支架的允许变形量时，随围岩变形的发展，施加于刚性支架的载荷超过其承载能力，致使刚性支架变形，造成围岩变形速度加剧，巷道开始变形而被破坏。另外，现场观测还发现，在不受采动影响的煤层中或较稳定的砂质页岩中开凿巷道，矿压显现较稳定，巷道变形速度较小，岩层中锚喷巷道顶底板位移速度仅为0.02－0.09mm/d。而在含油泥岩中开凿的巷道，围岩移动量较大，围岩位移变化经历了急剧增长、持续增长、缓慢增长三个阶段（见图2）。特别是在回采工作面上下顺槽，随着工作面的推进，工作面前方顺槽顶板变化更为剧烈（见图3）-47-GAOJIAOLUNTAN高教论坛1.3大雁三

7、矿水仓围岩特征三矿井底中央水仓位于副井井筒南侧，标高＋350，分甲、乙两仓，总长度529.5m，其中平巷500m、斜巷29.5m，围岩为泥岩，流变性和蠕变较强。由于该围岩稳定性较差，遇水膨胀，围岩压力大，＋350水平已超过大雁矿区软化临界深度，出现了软岩巷道大变形、大地压、难支护的现象，70％的巷道前掘后翻，普通支护方法已无法满足支护要求，严重地制约了矿井建设。其压力显现主要表现为：①变形量大，初期变形速度快；②水平收敛量与垂直收敛量基本相等，底鼓变化量相对较小（见图4，1线为顶板位移曲线，2线为巷道帮位移曲线，3线为底板位移曲线），巷道断面均匀收敛；③围岩深度