关于在极其柔软的地层中，针对道路的时间依赖性强化及协同承载控制技术的研究与见解

极端软弱围岩巷道变形与裂隙演化机制及协同承载控制技术研究，以中国查干诺尔煤矿为案例，通过FLAC3D数值模拟和现场试验验证了时间依赖型联合支护体系有效性，控制了52.3mm roof subsidence和90.9mm side displacement，使裂隙发展深度减少84.8%。提出"主动承载拱+协同承载壳+刚性结构体"三维控制体系，优化了高刚度初撑、高压稳定区、精准被动支护、靶向底板控制等五项关键技术。

颜国杰|张农|谢正正|向哲|王鹏|韩长亮

中国矿业大学矿业学院，徐州221116，中国

摘要

极软围岩的显著流变行为是巷道结构发生大变形和不稳定的主要原因。在初期施工阶段建立高强度、协同承载的框架，并结合耐用、刚性强的支撑系统，对于确保在这种地质条件下的长期稳定性至关重要。以中国查加努尔煤矿为例，本研究阐明了围岩的破坏特征及裂纹扩展的演变过程。从宏观和微观角度分析了极软地层中巷道的不稳定机制，并系统研究了地质环境、岩石性质和支撑设计。提出了一种具有协同承载控制功能的时间依赖型加固支撑系统，该系统包含五个关键要素：高刚度和高强度的初始支撑、稳定的高压区、精确的被动支撑时机、有针对性的底板控制以及刚性的长期承载能力。这种配置形成了“主动承载拱+协同承载壳+刚性结构体”系统，其性能通过FLAC3D模拟得到了验证。现场测试显示了显著的效果：顶板下沉和平均侧向位移分别被控制在52.3毫米和90.9毫米，最大层间分离仅达到20.5毫米，螺栓和电缆对岩体变形反应灵敏。钻孔检查表明，顶板平均裂纹扩展深度从10.5米减少到1.6米，减少了84.8%。此外，本文还讨论了在极软围岩中应用混合TBM隧道掘进方法的情况。本研究的结果为类似条件下的巷道围岩稳定性控制提供了理论参考。

引言

含煤沉积层中广泛分布着软弱地层，这些地层具有复杂的岩性和松散的结构。在一些浅层煤矿中，由于巷道上方缺乏关键覆盖层，加上应力-水力相互作用，导致围岩持续退化、支撑系统结构不稳定以及软岩的长期流变变形（Li等人，2024a；Zhu等人，2022）。复杂的变形演变和破坏机制使得确定适当的支撑强度和时机变得困难，这对安全高效地开采极厚煤层构成了严重挑战。因此，研究极软地层中巷道的时间依赖型加固和协同承载技术对于增强复杂地质环境中的围岩控制具有重要的理论和工程价值。

极软地层中的软围岩通常含有蒙脱石（MMT）、高岭石、石英和长石等黏土矿物，这些矿物具有较弱的胶结性、暴露后易分解、遇水膨胀以及较差的力学性能。密集且平滑的节理发育明显，促进了层间滑动（Wang和Liu，2021；Guo等人，2024a）。在应力扰动的作用下，围岩会发生孔隙坍塌、颗粒解离以及微裂纹的逐步形成、扩展和聚合（Hu等人，2023），从而导致软岩流变过程从稳态转变为加速蠕变，并最终在后期阶段出现非线性渐进变形（Yang等人，2024）。这些破坏特性严重影响了锚固的可靠性和围岩控制。

在极软地层中进行锚固时，常常会出现严重的钻孔扩大现象，伴随孔隙、弱粘结界面和杆体偏心等问题。这些问题导致锚固不可靠和预张力不足，阻碍了稳定支撑系统的建立（Wang等人，2024a）。在采矿扰动下，螺栓-灌浆-岩石复合结构容易发生二次界面解离，最终导致岩-支撑耦合系统的不稳定（Wang等人，2024b；Deng等人，2023）。因此，巷道开挖后产生的偏应力和集中应力经常超过结构的承载能力，促进裂纹扩展、局部大变形和不对称破坏（Ngoma和Kolawole，2024）。松散区随后会扩展到螺栓加固范围之外，引起整体岩体位移和变形。这一过程标志着软岩流变过程从围岩本身的大变形转变为涉及软岩和锚固体的结构流变变形，大大增加了极厚煤层中围岩控制的难度。

为应对这些挑战，大量研究集中在极软地层中巷道支撑的理论和技术上。已经建立了一个理论框架，包括悬挂支撑、复合梁支撑、加固拱支撑、最大水平应力控制、松散区控制以及围岩强度增强。自20世纪90年代以来，受到新奥地利隧道掘进法的影响，该方法强调围岩作为主要承载体，并提倡早期封闭和可控变形，支撑概念从被动抵抗发展为主动控制。这一转变推动了集成和协同支撑系统的发展，以及主承载区和次级承载区之间的协调、主应力调节、应变和时间依赖性控制，以及松散区的识别和限制（Tian等人，2024）。同时，还引入了新的支撑组件和材料（Liu等人，2024；Xiang等人，2025）。在这些理论和技术基础上，研究人员通过分析建模、现场调查、实验室测试和基于有限元的数值模拟提出了软岩巷道的变形控制技术（Geng等人，2024）。表1总结了代表性的软岩巷道支撑控制技术。

总之，以往的研究主要集中在深部软岩巷道的破坏机制和控制技术上，而对于缺乏关键层的极软地层中浅层巷道的锚固区损伤演变与支撑系统设计之间的时空耦合则关注较少。基于一个典型的工程案例，本研究阐明了此类地层中软岩巷道的破坏特征和机制，并提出了时间依赖型加固和协同承载控制原理及相应技术。通过数值模拟和工业规模的现场测试验证了所提出的方法。研究结果为极厚煤层中的安全高效开采提供了技术途径，并为类似地质条件下的围岩控制提供了数据支持、理论基础和实际指导。

案例概述

查加努尔煤矿位于中国内蒙古自治区，主要开采2号和2S2号煤层。查加努尔1号竖井的建设始于2009年，但由于主倾斜竖井中的压力过大以及周围岩石的显著变形和不稳定而于2013年暂停（Li，2013）。竖井建设于2023年3月底恢复。本研究选择了2号煤层内的辅助运输巷道进行分析。

350米厚的膨胀软岩层

该矿区含煤层中的350米厚地层由互层的泥岩、砂质泥岩和碳质泥岩组成，平均抗压强度为1.71 MPa，平均抗拉强度为0.12 MPa，内聚力介于0.24至0.39 MPa之间，内摩擦角在25.60°至29.01°之间。这些参数表明该地层属于软至极软地层，具有明显的软岩特征。由于埋藏深度较浅且岩石强度较低

建模与设计

为了分析2号煤层内极软地层中辅助运输巷道的应力分布、围岩损伤和变形特征，建立了一个三维数值模型，采用快速拉格朗日连续介质分析软件FLAC3D进行建模，如图11所示。模型尺寸为50米×50米×50.1米。在关键观测区域对网格进行了细化处理，而从巷道中心线向外逐渐放宽了网格分辨率

现场应用与评估

在查加努尔煤矿2号煤层的辅助运输巷道中进行了优化支撑系统的工业现场测试，并在测试段进行了系统的矿压监测。监测站布局如图15所示。在非拱形段安装了三个位移监测站，用于实时记录围岩的变形情况。由于全机械化挖掘机的空间限制

使用混合隧道掘进机（TBM）施工方法进行掘进

图21显示，在原始支撑条件下，肩部-拱部连接处出现了-7.5×10^4 kN·m的峰值负弯矩，沿周向的弯矩在拉伸和压缩之间交替变化，在拱脚处达到2.5×10^4 kN·m。拉应力集中导致拱顶开裂，拱腰-肩部区域的抗屈曲能力较差。采用优化后的支撑后，负弯矩几乎消失，整体

结论

本研究分析了极软地层和极厚煤层中巷道的破坏机制，并提出了一种时间依赖型加固和协同承载控制技术。通过数值模拟和现场测试验证了其有效性。主要结论如下：

1.

基于多源测试，明确了围岩的破坏机制。该地层埋藏较浅，强度较弱，且具有明显的膨胀敏感性。

作者贡献声明

颜国杰：撰写——初稿撰写、正式分析、数据整理。张农：资源获取、概念构思。谢正正：方法论设计。向哲：软件开发。王鹏：监督指导。韩长亮：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2023YFC2907600）、国家自然科学基金（52274101、52034007、52404104、52504152）、中国科协的青年精英科学家资助计划（2023QNRC001）、中国矿业大学的研究生创新计划（2025WLKXJ034）、中央高校基本科研业务费（250225723）以及研究生研究与实践创新项目的财政支持