［摘要］针对煤矿软岩巷道围岩和支护特性不易掌握的问题，明确了软岩的定义，分析了软岩的工程特性；采用锚网喷和U型钢支护技术分析了软岩巷道的作用机理，阐述了联合监测的监测内容，并对基于信息化的软岩巷道联合监测方案进行了设计，为软岩巷道支护设计提供依据。
［关键词］软岩巷道；支护；信息化；联合监测
0引言
我国煤炭资源分布广泛，井田地层中常含有软岩地层或类软岩地层。由于软岩含泥量较高，易产生塑性变形，地下岩体开挖后，软岩在多种应力的综合作用下出现裂隙发育和大变形等现象，影响煤矿的正常生产。巷道监测技术可为治理软岩巷道变形提供有效的数据支撑，传统监测技术手段较为单一，监测变量之间关联性差，数据格式不统一，给巷道监测带来了一定的局限性［1］。因此，有必要研究基于信息化的软岩巷道联合监测技术，从而更加有效地治理软岩巷道，保证煤矿的安全生产［2-3］。
1软岩的定义及力学特性
上世纪以来，学者们对软岩进行了多种定义，从工程上来说，一般认为当岩石的单轴抗压强度小于30MPa时，便被视作软岩。但在实际应用中，研究人员发现，处于高地应力状态下的某些强度较高的岩体，也会出现由脆性向流变塑性发展的趋势，呈现出软岩的特征。软岩的微观结构也比较复杂，颗粒之间胶结性差，在应力作用下可产生大量裂隙，风化程度高。为充分掌握软岩的力学特性，综合各类期刊文献和工程资料，对软岩的力学特性总结如下：①易扰动性。软岩的物质组成和微观结构决定了软岩具有易扰动性，软岩的易扰动性表现在，当软岩体遭遇爆破、施工震动、涌水、相邻巷道等作用后，软岩受到扰动的程度大于其他岩体，完整性和工程特性变差。②可塑性。一般来说，软岩中含有泥质矿物，当软岩遇水后岩体强度进一步降低，在应力作用下产生不可恢复的塑性变形；另一方面，软岩结构面的扩容也导致软岩具有较好的可塑性。③膨胀性。软岩的膨胀性是指软岩在遇水或应力作用下出现体积膨胀的现象，软岩遇水膨胀是由软岩内的矿物颗粒导致的晶胞层的膨胀，应力作用下的体积膨胀是软岩裂隙发育引起的扩容作用。④崩解性。崩解性是岩体丧失强度发生崩解的一种现象，软岩在长时间的水化作用下可呈现出崩解性，丧失力学强度。⑤流变性。软岩可在不变的应力作用下持续发生变形，呈现出流变性。由软岩的工程力学特性可知，软岩是工程中的一种不良岩体，若不加以治理，将严重危害工程安全。
2软岩巷道支护作用机理
目前常用的软岩支护方案主要为锚网喷支护和U型钢支护。
2.1锚网喷支护作用机理。锚网喷支护技术是常用的一种软岩支护方案，该方案可有效控制软岩的变形破坏。（1）锚杆作用机理。锚杆自应用于巷道支护以来，人们对其不断地进行开发和优化，发展了种类众多的锚杆。本文以普通锚杆为例，对其作用机理进行分析。在地下工程中，未开挖的岩体处于三向受力状态，具有较好的稳定性，当岩体开挖后，开挖面的岩体变为两向受力，破坏了三向受力平衡，并产生分布于岩体中的拉应力。岩体的拉应力远低于压应力，因此，岩体易发生破坏。锚杆作用于软岩开挖面后，使开挖面软岩重新恢复三向受力，降低了岩体内部拉应力区的分布范围，改善了岩体的受力状态。锚杆作用机理如图1所示。（2）金属网与喷射混凝土作用机理。一方面喷射混凝土可起到密闭作用，使软岩开挖面的岩体隔离空气、水等风化作用，提升岩体强度；另一方面，软岩体开挖后，表面和内部均在开挖扰动下产生大量裂隙和结构面，喷射混凝土可将裂隙和结构面粘结为一体，增强岩体的完整程度，避免了软岩巷道发生围岩脱落等现象。而金属网又进一步增强了岩体的完整性，结合锚杆作用，为开挖面表面施加拉应力，提高软岩承载性能。锚网喷支护方案，可通过合理的参数设计，如锚杆长度、角度、锚固力、金属网盘尺寸、规格以及喷射混凝土的厚度、强度等，来达到最优的支护效果，是一种较为经济可行的软岩巷道支护技术。
2.2U型钢支护。U型钢支架由多个分段组合连接组成，分段之间的连接方式多为卡缆摩擦连接。这种连接方式可实现当围岩压力较小时，U型钢支架承载围岩压力，阻止围岩变形；当围岩压力过大时，U型钢各分段连接处可产生一定的形变，允许软岩发生一定的变形，来减小围岩压力强度，保护U型钢支架不被过大的支护阻力破坏。U型钢支架结构如图2所示，U型钢支架与围岩的相互作用如图3所示。由图3分析可知，围岩的变形由支护作用前围岩自身变形和支护作用后支架变形2部分组成。软岩巷道采用U型钢支护方案时，应特别注意防止U型钢支架充填不密实，造成应力集中现象，在实际工程中，可采用壁后注浆等手段提高U型钢与围岩间的密实性。
3基于信息化的软岩巷道联合监测方案
随着设计理念和科学技术的发展，传统的设计手段已不能满足当前需要，基于信息化的软岩巷道设计方法应运而生。该方法采用大变形的设计理念和非线性设计方法，充分利用软岩的自身特性，保障软岩巷道的支护安全。软岩巷道监测是信息化设计的首要环节，也是实现软岩巷道信息化设计的重中之重。
3.1联合监测内容。软岩巷道联合监测是通过多种监测手段，充分获得软岩巷道的各种信息，如变形、裂隙、受力等，为综合分析软岩巷道围岩与支护特性提供参考。联合监测的主要内容包含以下几方面：①外观观测。外观观测是观测员通过现场检查，以及采用钻孔、裂隙内部成像工具，及时记录围岩的破碎、变形和支护结构的破损、锈蚀等，从定性角度总体把握巷道围岩状态。②位移监测。位移监测是联合监测的重要组成部分，位移监测主要通过位移传感器监测和记录巷道围岩的变形情况，包括顶板下沉量、底板鼓起量、两帮移近量以及围岩的塑性圈等，从定量角度分析围岩的变形。③应力监测。应力监测的原理与位移监测相同，也是通过安装在支护结构及围岩上的传感器来对压力进行测量，主要包括支护结构的压力，如锚杆内力、支架阻力等，也包括围岩内部的压力，如地应力。煤矿软岩巷道的联合监测是综合以上几种监测内容，通过交叉对比，以及数据和图像之间的相互印证，综合分析得到软岩巷道支护特性。联合监测的基本原理如图4所示。
3.2基于信息化的联合监测方案设计。基于信息化的软岩巷道联合监测方案设计是通过传感器和计算机技术，并结合和优化多种监测项目，将监测数据进行统一分析对比的新型监测方案。基于信息化的软岩巷道联合监测方案如图5所示。基于信息化的联合监测方案可实现对巷道位移和受力的监测，通过合理布置，采用高精度全站仪记录和标定巷道围岩坐标点，对软岩巷道内部位移的监测可采用多点位移计与超声波测速相结合的方法，对锚杆采用测力计监测其受力情况。需要注意的是，以上监测测点需布置在不易受开采影响同时又可反应巷道整体情况的区域，如巷道的两帮和顶部等处。
4结论
（1）明确了软岩的定义，分析了软岩的工程特性，包括易扰动性、可塑性、膨胀性、崩解性和流变性。（2）对软岩巷道采用锚网喷和U型钢支护技术的作用机理进行了分析，阐述了联合监测的监测内容，并对基于信息化的软岩巷道联合监测方案进行了设计。
［参考文献］
［1］温延翔，仲启尧.高应力软岩条件下错层位外错式相邻巷道联合支护技术研究［J］.煤炭技术，2020，39（3）:9-12.
［2］管清升，杨博，王德超，等.软岩巷道锁拱锚杆精细化数值模拟研究［J］.煤矿安全，2020，51（2）:51-57.
［3］景涛，李兵.大断面巷道二次联合支护技术研究［J］.陕西煤炭，2020，39（1）:46-50.
作者:韩蕾蕾 单位:山西煤炭运销集团首阳煤业有限公司