| 一、岩石力学的历史回顾与软岩工程的发展
软岩工程技术的研究属于岩石力学的范畴。岩石力学这门学科是在20世纪50年代开始岩石物理学的基础研究，到60年代，逐渐发展成的一门具有独立体系的学科。这成为岩石力学在60年代广泛用于工民建、采矿业而繁荣发展的标志。1963年国际岩石力学学会正式成立，发展至今，国际岩石力学学会已经成为具有37个国家7000多名会员的世界性学术组织。
在岩石力学的发展进程中，有其明显的研究重点。在60年代，重点研究完整岩块；70年代的研究重点是岩体和不连续面；80年代，计算机数值分析蔚然成风；90年代，十分强调综合研究分析，即将岩石材料性质的确定，大尺寸原位测试、计算机分析和工程作用规律相结合。岩石力学发展到20世纪末叶，由于无法测试到准确的岩体力学参数，使人们怀疑计算机模拟是否可靠。因此，大大限制了计算机分析技术的发展。
我国煤矿软岩工程技术的发展起始于矿产资源开发工程。60年代，煤矿软岩问题在部分矿区开始出现，70年代就更为广泛，引起了有关部门的高度重视。原煤炭部从“六五”开始，继“七五”、“八五”均有计划地将软岩巷道支护及监测技术列入煤炭部科技发展规划，组织各方面力量进行科研攻关。中国科学院系统的地质研究所和武汉岩土力学研究所、水利部、煤科总院北京开采所与建井所、吉林长春煤研所、中国矿业大学、东北大学、山东矿业学院、淮南矿业学院、西安矿业学院、阜新矿业学院等在软岩巷道围岩控制的基础理论、软岩的岩性分析及工程地质条件、软岩巷道围岩变形力学机制、软岩巷道围岩控制、软岩巷道支护设计与工艺及施工和监测方面进行了试验研究，取得多方面的科研成果；煤科总院上海分院、南京煤研所，在软岩巷道掘进、支护施工机具研制方面也做了卓有成效的工作。国内各涉及到软岩的生产建设单位，如辽源梅河、平庄、淮南、龙口、舒兰、那龙、茂名等矿务局和葛洲坝、小浪底工程局等在软岩巷道和软岩隧道支护方面也进行了大量试验工作，积累了丰富的生产实践经验。进入80年代，煤矿开采深度日益加大，如开滦矿务局的开采深度已超过1 200m。深井高应力软岩与普遍出现，更加推动了煤炭系统的软岩研究向纵深层次发展，产生并形成了以“联合支护理论”和“松动圈理论”为代表的多个学派。90年代以后，除了煤炭系统又有新的研究成果之外，我国的三峡工程、小浪底工程、大规模的城市现代化高层建筑、城市地下工程、道路交通的建设，使得软岩滑坡问题、软岩隧硐及隧硐群稳定问题、软岩基坑问题的研究进行的十分广泛和深入，并取得了长足发展。作为全国性软岩工程技术研究繁荣的标志是1995年“中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会”的诞生，和1996年“煤矿软岩工程技术研究推广中心”的成立，这一切都有力地推动我国煤矿软岩工程技术的研究，并取得了一系列科研成果。
二、 软岩工程技术的研究定位
软岩力学及工程技术的研究定位问题一直有所争议。国际岩石力学学会前任主席JohnA .Hudson讲过：“岩石力学是研究在工程扰动力的作用下岩石介质响应规律的一门学科。”根据岩石介质在工程力作用下的变形、破坏等力学响应特点，可以将岩石介质划分两类，在达到破坏状态之前发生显著塑性大变形的延性材料和不产生显著变形的脆性材料。显然，软岩力学是研究在工程扰动力作用下具有显著塑性变形的岩石介质的力学响应规律的一门学科。这些力学响应规律应用到工程实践中去，逐渐形成了软岩工程技术。
三、 煤矿软岩工程技术的 理论研究进展
1、 软岩概念的清晰化
从60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，软岩定义多达几十种之多［2，14］，到90年代末期，由中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术研究推广中心组织专家专题讨论，提出了地质软岩和工程软岩的概念，指出了二者的区别和联系，并建议在软岩工程中应用工程软岩的涵义。应该指出，上述软岩概念的提出，比国际岩石力学学会（1990，1993）的定义更为准确。
（一） 地质软岩
地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质岩石等强度较低的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度（OC）在0.5～25MPa之间的一类岩石［1］，其分类的依据基本上是强度指标。 该软岩定义用于工程实践中会出现矛盾。如巷道所处深度足够的小，地应力水平足够的低，则小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征。相反，大于25MPa的岩石，其工程部位足够的深，地应力水平足够的高，也可以产生软岩的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故而提出了工程软岩的概念。
（二） 工程软岩 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体（何满潮，1991）。如果说目前流行的软岩定义强调软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么本定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。 该定义的主题词是工程力、显著变形和工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道、边坡、基坑开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征;工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等;显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用，显著塑性变形包含显著的弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学程特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学程特性；而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的变形特性；在较高工程力的作用下，则可能表现为软岩的变形特性。
2、 软岩的工程分类和分级
按照工程软岩的定义，根据产生塑性变形的机理不同， 将软岩分为四类，
即①膨胀性软岩（或称低强度软岩）、
②高应力软岩、
③节理化软岩和
④复合型软岩。
在此基础上，又对各类软岩进行了分级。在工程分类方面，根据研究目的不同，还提出了软岩矿井的分类、软岩变形力学机制的分类、软岩软化程度分类和软岩的软化途径分类。这些科学分类使我国软岩研究走在了世界前列。
3 、软岩的工程特性和力学属性
软岩具有两个工程特性，软化临界荷载和软化临界深度；软岩具有五个力学属性，可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性。
4 、煤矿膨胀性软岩的地质力学 化学特征
我国学者通过大量地质调查和力学化学试验，确定了我国煤矿膨胀性软岩的地质力学化学的一般特征如表1所示。
表1 我国煤矿膨胀性软岩的物理力学一般特征
5、 软岩巷道支护荷载的确定
对于几百米甚至上千米深度的煤矿软岩巷道，其支护荷载的确定一直是一大难题。通过科研攻关，已经基本解决，为定量化设计提供了可靠数据。
6 、软岩工程支护理论学派百花齐放新奥法理论、联合支护理论、围岩松动圈理论、高强度弧板支护理论、位移反分析理论，以及软岩工程地质力学理论等不同学术理论在我国软岩工程实践中普遍采用，形成了百花齐放、百家争鸣、兼容并蓄、取长补短、不断完善的空前繁荣局面。
四、煤矿软岩工程支护技术
在煤矿软岩巷道支护方面，形成了锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、料石碹支护系列技术、注浆加固系列技术和预应力锚索支护系列技术。 在露天矿软岩边坡加固护坡方面，形成了锚索加固系列技术、锚杆加固系列技术、钢混凝土格栅状护坡技术、抗滑桩系列技术和地表排水和地下排水系列技术等。
五、 煤矿软岩工程设计研究进展
60年代和70年代，软岩工程设计基本上沿用工程类比设计；进入到80年代，出现了位移反馈设计、松动圈支护荷载设计、弹塑性力学数值法设计，到90年代，又出现了锚网耦合设计和关键部位二次耦合设计。90年代末期，我国软岩工程设计与施工初步形成了一套比较成熟的将类比定性、定量计算和施工位移反馈相结合的动态综合设计程序。
1、 工程类比方案设计
类比的根据是系统的可靠的基础资料，主要包括围岩的地质、水文、工程地质资料，岩石的物理、化学、力学性质以及工程环境资料，类似地质条件相邻矿井的支护及围岩变形的有关资料，在对这些资料、工程条件分析的基础上进行类比方案设计。
2 、理论计算进行参数校核
目的是验算一下从总体上看类比法选取的支架类型和参数是否符合围岩变形规律。着重要求验算巷道周边位移预计，支架的最大反力及支护结构力学参数。理论验算是在根据围岩和工程环境的有关资料确定软岩类别、岩体结构、地压类型的基础上,正确确定力学模型和计算方法。目前比较方便的是,可以借助于电子计算机进行辅助计算。
3 、施工监测与反馈设计
根据现场试验巷道的观测数据，进行有关工程参数的反馈设计十分重要。因此，巷道开工后立即加以监测是十分必要的，监测的主要内容：
（1）岩石的物理力学性质确定；
（2）巷道收敛变形规律；
（3）巷道围岩施加于支护上的实际压力；
（4）典型地段的巷道深部位移。
利用上述4部分实测资料分析整理后调整工程设计参数，使设计更为完善。
值得指出的是，近几年软岩工程正面临着从小变形岩土工程向大变形岩土工程飞跃，高边坡工程、深基坑工程和深埋隧道工程大变形岩土工程大量涌现。若仍然沿用常规设计，就可能出现失稳、塌方等事故。深刻的理论原因是高边坡区别于中小边坡、深基坑区别于浅基坑、深埋隧道区别于浅埋隧道的显著力学标志是大变形、大地压、难支护。近年来，屡屡出现的岩土工程恶性事故也在呼唤着岩土工程设计的新方法——非线性大变形力学设计理论及方法。
4 、大变形岩土工程设计
如果说以经验类比、刚体力学平衡和线性小变形力学理论为基础的常规设计理论和方法对于小变形岩土工程（中小边坡工程、浅基坑和浅埋隧道工程）尚能奏效的话，那么对于大变形岩土工程（高大边坡、深基坑和深埋隧道）设计就必须用大变形力学设计理论和方法。这是因为常规方法遵循的刚体力学或小变形力学理论，研究的介质对象是不变形体或弹性体，在力学分析过程中，服从叠加原理，并与荷载的特性、加载的过程无关，因此，其设计方法就是参数设计。这方面的研究者有Terzaghi（1960），Davision（1972），Bgerrum（1974），和Denby（1977）,刘建航(1979)等科学家；而对大变形岩土工程而言，其标志是进入了显著塑性变形阶段，其设计必须依据非线性大变形力学理论。
但迄今为止，虽然非线性大变形力学理论研究得很多，但非线性大变形力学区别于线性小变形力学的是,其研究的大变形岩土体介质已进入到塑性、粘塑性和流变性的阶段，在整个力学过程中，已经不服从叠加原理，而且力学平衡关系与各种荷载特性、加载过程密切相关。因此，其设计不能简单地用参数设计来进行，而是首先要分析和确认作用在岩土体上的各种荷载特性，作力学对策设计；接着进行各种力学对策的施加方式、施加过程研究。实践证明，相同的力学对策，不同的过程，其效果截然不同。所以要进行过程优化设计,然后对应着最佳过程再进行最优参数设计。上述思想如表2所示。
表2 大变形软岩工程设计与常规设计特点比较［何满潮，1998］
（1） 大变形岩土工程的失稳机制
实践表明，大变形岩土工程的失稳是一个渐进过程，总是先从一个或几个部位首先发生变形破坏，尔后逐渐扩展乃至整个岩土工程失稳。首先破坏的部位称之为关键部位，是发生大变形过程中局部应力、应变和能量不协调所造成的，关键部位引起岩土工程失稳的机制有三类，如图1所示。
（2）大变形耦合设计的优点
大变形岩土工程设计实现是一个过程，而且不能靠增加支护强度来实现。小变形岩土工程的基本出发点是控制强度而避免破坏；大变形岩土工程的核心问题是加强关键部位支护而控制变形稳定性，从而保证周围建筑物安全。和国内外著名的新奥法比较，在非线性大变形力学设计理论指导下发展起来大变形耦合设计具有其独特优点，如表3所示。
表3 大变形耦合设计优点比较［何满潮，1998］
六、我国煤矿软岩工程技术方面 存在的问题
20世纪60年代以后，我国煤矿软岩工程技术在理论、支护技术和设计理论上都得到了长足进展，取得了一系列科技成果，为我国煤炭工业发展做出了卓越的贡献。但是由于各方面原因，我国煤矿软岩技术在理论上、设计上、支护技术及配套设备上仍然存在一些问题。
1、 煤矿软岩工程技术推广不力
目前，真正系统掌握先进的软岩工程技术的还是少数矿区和工程单位。而大部分基层生产单位处在经验支护的状态中。因此，遇到软岩问题，先用一般支护技术来对付，然后，反复维修，无限制的增加支护刚度。造成这一局面的原因是科研院所的科技成果和生产、基建单位的工程技术人员严重脱节，因而造成每年数以亿计的经济损失。
图1 大变形岩土工程失稳机制
2、项目设计地质资料不足，工程勘察规范陈旧
目前提交的地质勘探报告和工程勘察报告，所提供的软岩地质资料不能满足设计对软岩巷道支护设计的要求。特别是膨胀性软岩的工程地质资料不足。
3、 基本理论研究尚需深化
目前，软岩一般变形力学机制的研究基本清楚，对初期变形破坏研究较多，但对大深度高应力、强膨胀复合型岩体，以及受采动影响后的流变时间效应，支护和围岩相互作用机理的研究仍需深化。
4 、软岩地应力测试方法有待加强
目前对构造应力方向往往是借助于对矿区附近构造和构造体系的分析及其对软岩工程变形破坏的现象加以综合判定。而构造残余应力测定往往在较硬岩石钻孔测试，虽然近年来武汉岩土力学所采用软包体地应力测试技术在软岩矿井取得了成功，但在精度上仍需加强研究。
七、 21世纪软岩工程技术 对策与展望
1 《煤矿软岩巷道工程设计施工指南》即将诞生
造成科研院所的研究成果与基层单位工程技术人员相脱离的直接原因是没有形成一个比较系统的软岩工程技术规范，使软岩工程的设计和施工有所遵循。煤炭行业的软岩工程技术研究一直是在前列，近年正在蕴 、起草并数易其稿的《煤矿软岩巷道工程设计施工指南》将于21世纪初率先出台，这将是煤矿系统软岩工程技术研究成果的集中体现，并将有力地推动煤矿软岩工程技术的广泛推广应用。
2 煤矿软岩工程技术产业化势在必行 为了适应我国的社会主义市场经济框架的要求，掌握软岩工程先进技术的单位和专家，将以某种形式大力推广软岩工程技术，来解决我国大规模基本建设项目中出现软岩问题。可以预见，以股份制科技企业、股份制科研所、咨询公司、高新技术武装的工程企业等非公有经济形式的经济实体的出现，将是21世纪初的一道靓丽风景线。
3、 煤矿软岩工程技术信息化系统的出现为期不远
在信息时代的今天，软岩工程技术的信息化进程已经在加速进行。“煤矿软岩矿井资料信息库”正在建立;“全国软岩地质力学物理化学性质参数信息库”正在酝酿。“山雨欲来风满楼”，软岩工程技术信息时代正在向我们一步步走来。
4、 软岩工程设计计算机软件系统 将要出现
软岩的非线性大变形力学设计不同于传统工程类比设计和经典小变形力学设计，不是简单的参数设计，而是由工程力学对策设计、工程力学过程优化设计和工程参数优化设计组成的高度繁杂的高级设计系统。要求有非常友好的界面，高超的编程技巧和十分方便的操作。“软岩工程设计软件系统”的出现将使我国煤矿软岩工程技术的推广应用的局面为之一新，将使软岩工程的水平大大提高，将会产生巨大经济效益，为我国工程建设做出重要的贡献。
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