一、岩石力學的曆史回顧與軟岩工程的發展
軟岩工程技術的研究屬於岩石力學的範疇。岩石力學這門學科是在20世紀50年代開始岩石物理學的基礎研究，到60年代，逐漸發展成的一門具有獨立體係的學科。這成為岩石力學在60年代廣泛用於工民建、采礦業而繁榮發展的標誌。1963年國際岩石力學學會正式成立，發展至今，國際岩石力學學會已經成為具有37個國家7000多名會員的世界性學術組織。
在岩石力學的發展進程中，有其明顯的研究重點。在60年代，重點研究完整岩塊；70年代的研究重點是岩體和不連續麵；80年代，計算機數值分析蔚然成風；90年代，十分強調綜合研究分析，即將岩石材料性質的確定，大尺寸原位測試、計算機分析和工程作用規律相結合。岩石力學發展到20世紀末葉，由於無法測試到準確的岩體力學參數，使人們懷疑計算機模擬是否可靠。因此，大大限製了計算機分析技術的發展。
我國煤礦軟岩工程技術的發展起始於礦產資源開發工程。60年代，煤礦軟岩問題在部分礦區開始出現，70年代就更為廣泛，引起了有關部門的高度重視。原煤炭部從“六五”開始，繼“七五”、“八五”均有計劃地將軟岩巷道支護及監測技術列入煤炭部科技發展規劃，組織各方麵力量進行科研攻關。中國科學院係統的地質研究所和武漢岩土力學研究所、水利部、煤科總院北京開采所與建井所、吉林長春煤研所、中國礦業大學、東北大學、山東礦業學院、淮南礦業學院、西安礦業學院、阜新礦業學院等在軟岩巷道圍岩控製的基礎理論、軟岩的岩性分析及工程地質條件、軟岩巷道圍岩變形力學機製、軟岩巷道圍岩控製、軟岩巷道支護設計與工藝及施工和監測方麵進行了試驗研究，取得多方麵的科研成果；煤科總院上海分院、南京煤研所，在軟岩巷道掘進、支護施工機具研製方麵也做了卓有成效的工作。國內各涉及到軟岩的生產建設單位，如遼源梅河、平莊、淮南、龍口、舒蘭、那龍、茂名等礦務局和葛洲壩、小浪底工程局等在軟岩巷道和軟岩隧道支護方麵也進行了大量試驗工作，積累了豐富的生產實踐經驗。進入80年代，煤礦開采深度日益加大，如開灤礦務局的開采深度已超過1 200m。深井高應力軟岩與普遍出現，更加推動了煤炭係統的軟岩研究向縱深層次發展，產生並形成了以“聯合支護理論”和“鬆動圈理論”為代表的多個學派。90年代以後，除了煤炭係統又有新的研究成果之外，我國的三峽工程、小浪底工程、大規模的城市現代化高層建築、城市地下工程、道路交通的建設，使得軟岩滑坡問題、軟岩隧硐及隧硐群穩定問題、軟岩基坑問題的研究進行的十分廣泛和深入，並取得了長足發展。作為全國性軟岩工程技術研究繁榮的標誌是1995年“中國岩石力學與工程學會軟岩工程專業委員會”的誕生，和1996年“煤礦軟岩工程技術研究推廣中心”的成立，這一切都有力地推動我國煤礦軟岩工程技術的研究，並取得了一係列科研成果。
二、 軟岩工程技術的研究定位
軟岩力學及工程技術的研究定位問題一直有所爭議。國際岩石力學學會前任主席JohnA .Hudson講過：“岩石力學是研究在工程擾動力的作用下岩石介質響應規律的一門學科。”根據岩石介質在工程力作用下的變形、破壞等力學響應特點，可以將岩石介質劃分兩類，在達到破壞狀態之前發生顯著塑性大變形的延性材料和不產生顯著變形的脆性材料。顯然，軟岩力學是研究在工程擾動力作用下具有顯著塑性變形的岩石介質的力學響應規律的一門學科。這些力學響應規律應用到工程實踐中去，逐漸形成了軟岩工程技術。
三、 煤礦軟岩工程技術的 理論研究進展
1、 軟岩概念的清晰化
從60年代到90年代初，關於軟岩的概念在國內外一直爭論不休，軟岩定義多達幾十種之多［2，14］，到90年代末期，由中國原煤炭部軟岩專家組和煤礦軟岩工程技術研究推廣中心組織專家專題討論，提出了地質軟岩和工程軟岩的概念，指出了二者的區別和聯係，並建議在軟岩工程中應用工程軟岩的涵義。應該指出，上述軟岩概念的提出，比國際岩石力學學會（1990，1993）的定義更為準確。
（一） 地質軟岩
地質軟岩是指單軸抗壓強度小於25MPa的鬆散、破碎、軟弱及風化膨脹性一類岩體的總稱。該類岩石多為泥岩、頁岩、粉砂岩和泥質岩石等強度較低的岩石，是天然形成的複雜的地質介質。國際岩石力學學會將軟岩定義為單軸抗壓強度（OC）在0.5～25MPa之間的一類岩石［1］，其分類的依據基本上是強度指標。 該軟岩定義用於工程實踐中會出現矛盾。如巷道所處深度足夠的小，地應力水平足夠的低，則小於25MPa的岩石也不會產生軟岩的特征。相反，大於25MPa的岩石，其工程部位足夠的深，地應力水平足夠的高，也可以產生軟岩的大變形、大地壓和難支護的現象。因此，地質軟岩的定義不能用於工程實踐，故而提出了工程軟岩的概念。
（二） 工程軟岩 工程軟岩是指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程岩體（何滿潮，1991）。如果說目前流行的軟岩定義強調軟岩的軟、弱、鬆、散等低強度的特點，那麼本定義不僅重視軟岩的強度特性，而且強調軟岩所承受的工程力荷載的大小，強調從軟岩的強度和工程力荷載的對立統一關係中分析、把握軟岩的相對性實質。 該定義的主題詞是工程力、顯著變形和工程岩體。工程岩體是軟岩工程研究的主要對象，是巷道、邊坡、基坑開挖擾動影響範圍之內的岩體，包含岩塊、結構麵及其空間組合特征;工程力是指作用在工程岩體上的力的總和，它可以是重力、構造殘餘應力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應力等;顯著塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設計的允許變形值並影響了工程的正常使用，顯著塑性變形包含顯著的彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續性變形和非連續性變形等。此定義揭示了軟岩的相對性實質，即取決於工程力與岩體強度的相互關係。當工程力一定時，不同岩體，強度高於工程力水平的大多表現為硬岩的力學程特性，強度低於工程力水平的則可能表現為軟岩的力學程特性；而對同種岩石，在較低工程力的作用下，則表現為硬岩的變形特性；在較高工程力的作用下，則可能表現為軟岩的變形特性。
2、 軟岩的工程分類和分級
按照工程軟岩的定義，根據產生塑性變形的機理不同， 將軟岩分為四類，
即①膨脹性軟岩（或稱低強度軟岩）、
②高應力軟岩、
③節理化軟岩和
④複合型軟岩。
在此基礎上，又對各類軟岩進行了分級。在工程分類方麵，根據研究目的不同，還提出了軟岩礦井的分類、軟岩變形力學機製的分類、軟岩軟化程度分類和軟岩的軟化途徑分類。這些科學分類使我國軟岩研究走在了世界前列。
3 、軟岩的工程特性和力學屬性
軟岩具有兩個工程特性，軟化臨界荷載和軟化臨界深度；軟岩具有五個力學屬性，可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性。
4 、煤礦膨脹性軟岩的地質力學 化學特征
我國學者通過大量地質調查和力學化學試驗，確定了我國煤礦膨脹性軟岩的地質力學化學的一般特征如表1所示。
表1 我國煤礦膨脹性軟岩的物理力學一般特征
5、 軟岩巷道支護荷載的確定
對於幾百米甚至上千米深度的煤礦軟岩巷道，其支護荷載的確定一直是一大難題。通過科研攻關，已經基本解決，為定量化設計提供了可靠數據。
6 、軟岩工程支護理論學派百花齊放新奧法理論、聯合支護理論、圍岩鬆動圈理論、高強度弧板支護理論、位移反分析理論，以及軟岩工程地質力學理論等不同學術理論在我國軟岩工程實踐中普遍采用，形成了百花齊放、百家爭鳴、兼容並蓄、取長補短、不斷完善的空前繁榮局麵。
四、煤礦軟岩工程支護技術
在煤礦軟岩巷道支護方麵，形成了錨噴、錨網噴、錨噴網架、錨噴網架係列技術、鋼架支護係列技術、鋼筋混凝土支護係列技術、料石镟支護係列技術、注漿加固係列技術和預應力錨索支護係列技術。 在露天礦軟岩邊坡加固護坡方麵，形成了錨索加固係列技術、錨杆加固係列技術、鋼混凝土格柵狀護坡技術、抗滑樁係列技術和地表排水和地下排水係列技術等。
五、 煤礦軟岩工程設計研究進展
60年代和70年代，軟岩工程設計基本上沿用工程類比設計；進入到80年代，出現了位移反饋設計、鬆動圈支護荷載設計、彈塑性力學數值法設計，到90年代，又出現了錨網耦合設計和關鍵部位二次耦合設計。90年代末期，我國軟岩工程設計與施工初步形成了一套比較成熟的將類比定性、定量計算和施工位移反饋相結合的動態綜合設計程序。
1、 工程類比方案設計
類比的根據是係統的可靠的基礎資料，主要包括圍岩的地質、水文、工程地質資料，岩石的物理、化學、力學性質以及工程環境資料，類似地質條件相鄰礦井的支護及圍岩變形的有關資料，在對這些資料、工程條件分析的基礎上進行類比方案設計。
2 、理論計算進行參數校核
目的是驗算一下從總體上看類比法選取的支架類型和參數是否符合圍岩變形規律。著重要求驗算巷道周邊位移預計，支架的最大反力及支護結構力學參數。理論驗算是在根據圍岩和工程環境的有關資料確定軟岩類別、岩體結構、地壓類型的基礎上,正確確定力學模型和計算方法。目前比較方便的是,可以借助於電子計算機進行輔助計算。
3 、施工監測與反饋設計
根據現場試驗巷道的觀測數據，進行有關工程參數的反饋設計十分重要。因此，巷道開工後立即加以監測是十分必要的，監測的主要內容：
（1）岩石的物理力學性質確定；
（2）巷道收斂變形規律；
（3）巷道圍岩施加於支護上的實際壓力；
（4）典型地段的巷道深部位移。
利用上述4部分實測資料分析整理後調整工程設計參數，使設計更為完善。
值得指出的是，近幾年軟岩工程正麵臨著從小變形岩土工程向大變形岩土工程飛躍，高邊坡工程、深基坑工程和深埋隧道工程大變形岩土工程大量湧現。若仍然沿用常規設計，就可能出現失穩、塌方等事故。深刻的理論原因是高邊坡區別於中小邊坡、深基坑區別於淺基坑、深埋隧道區別於淺埋隧道的顯著力學標誌是大變形、大地壓、難支護。近年來，屢屢出現的岩土工程惡性事故也在呼喚著岩土工程設計的新方法——非線性大變形力學設計理論及方法。
4 、大變形岩土工程設計
如果說以經驗類比、剛體力學平衡和線性小變形力學理論為基礎的常規設計理論和方法對於小變形岩土工程（中小邊坡工程、淺基坑和淺埋隧道工程）尚能奏效的話，那麼對於大變形岩土工程（高大邊坡、深基坑和深埋隧道）設計就必須用大變形力學設計理論和方法。這是因為常規方法遵循的剛體力學或小變形力學理論，研究的介質對象是不變形體或彈性體，在力學分析過程中，服從疊加原理，並與荷載的特性、加載的過程無關，因此，其設計方法就是參數設計。這方麵的研究者有Terzaghi（1960），Davision（1972），Bgerrum（1974），和Denby（1977）,劉建航(1979)等科學家；而對大變形岩土工程而言，其標誌是進入了顯著塑性變形階段，其設計必須依據非線性大變形力學理論。
但迄今為止，雖然非線性大變形力學理論研究得很多，但非線性大變形力學區別於線性小變形力學的是,其研究的大變形岩土體介質已進入到塑性、粘塑性和流變性的階段，在整個力學過程中，已經不服從疊加原理，而且力學平衡關係與各種荷載特性、加載過程密切相關。因此，其設計不能簡單地用參數設計來進行，而是首先要分析和確認作用在岩土體上的各種荷載特性，作力學對策設計；接著進行各種力學對策的施加方式、施加過程研究。實踐證明，相同的力學對策，不同的過程，其效果截然不同。所以要進行過程優化設計,然後對應著最佳過程再進行最優參數設計。上述思想如表2所示。
表2 大變形軟岩工程設計與常規設計特點比較［何滿潮，1998］
（1） 大變形岩土工程的失穩機製
實踐表明，大變形岩土工程的失穩是一個漸進過程，總是先從一個或幾個部位首先發生變形破壞，爾後逐漸擴展乃至整個岩土工程失穩。首先破壞的部位稱之為關鍵部位，是發生大變形過程中局部應力、應變和能量不協調所造成的，關鍵部位引起岩土工程失穩的機製有三類，如圖1所示。
（2）大變形耦合設計的優點
大變形岩土工程設計實現是一個過程，而且不能靠增加支護強度來實現。小變形岩土工程的基本出發點是控製強度而避免破壞；大變形岩土工程的核心問題是加強關鍵部位支護而控製變形穩定性，從而保證周圍建築物安全。和國內外著名的新奧法比較，在非線性大變形力學設計理論指導下發展起來大變形耦合設計具有其獨特優點，如表3所示。
表3 大變形耦合設計優點比較［何滿潮，1998］
六、我國煤礦軟岩工程技術方麵 存在的問題
20世紀60年代以後，我國煤礦軟岩工程技術在理論、支護技術和設計理論上都得到了長足進展，取得了一係列科技成果，為我國煤炭工業發展做出了卓越的貢獻。但是由於各方麵原因，我國煤礦軟岩技術在理論上、設計上、支護技術及配套設備上仍然存在一些問題。
1、 煤礦軟岩工程技術推廣不力
目前，真正係統掌握先進的軟岩工程技術的還是少數礦區和工程單位。而大部分基層生產單位處在經驗支護的狀態中。因此，遇到軟岩問題，先用一般支護技術來對付，然後，反複維修，無限製的增加支護剛度。造成這一局麵的原因是科研院所的科技成果和生產、基建單位的工程技術人員嚴重脫節，因而造成每年數以億計的經濟損失。
圖1 大變形岩土工程失穩機製
2、項目設計地質資料不足，工程勘察規範陳舊
目前提交的地質勘探報告和工程勘察報告，所提供的軟岩地質資料不能滿足設計對軟岩巷道支護設計的要求。特別是膨脹性軟岩的工程地質資料不足。
3、 基本理論研究尚需深化
目前，軟岩一般變形力學機製的研究基本清楚，對初期變形破壞研究較多，但對大深度高應力、強膨脹複合型岩體，以及受采動影響後的流變時間效應，支護和圍岩相互作用機理的研究仍需深化。
4 、軟岩地應力測試方法有待加強
目前對構造應力方向往往是借助於對礦區附近構造和構造體係的分析及其對軟岩工程變形破壞的現象加以綜合判定。而構造殘餘應力測定往往在較硬岩石鑽孔測試，雖然近年來武漢岩土力學所采用軟包體地應力測試技術在軟岩礦井取得了成功，但在精度上仍需加強研究。
七、 21世紀軟岩工程技術 對策與展望
1 《煤礦軟岩巷道工程設計施工指南》即將誕生
造成科研院所的研究成果與基層單位工程技術人員相脫離的直接原因是沒有形成一個比較係統的軟岩工程技術規範，使軟岩工程的設計和施工有所遵循。煤炭行業的軟岩工程技術研究一直是在前列，近年正在蘊 、起草並數易其稿的《煤礦軟岩巷道工程設計施工指南》將於21世紀初率先出台，這將是煤礦係統軟岩工程技術研究成果的集中體現，並將有力地推動煤礦軟岩工程技術的廣泛推廣應用。
2 煤礦軟岩工程技術產業化勢在必行 為了適應我國的社會主義市場經濟框架的要求，掌握軟岩工程先進技術的單位和專家，將以某種形式大力推廣軟岩工程技術，來解決我國大規模基本建設項目中出現軟岩問題。可以預見，以股份製科技企業、股份製科研所、谘詢公司、高新技術武裝的工程企業等非公有經濟形式的經濟實體的出現，將是21世紀初的一道靚麗風景線。
3、 煤礦軟岩工程技術信息化係統的出現為期不遠
在信息時代的今天，軟岩工程技術的信息化進程已經在加速進行。“煤礦軟岩礦井資料信息庫”正在建立;“全國軟岩地質力學物理化學性質參數信息庫”正在醞釀。“山雨欲來風滿樓”，軟岩工程技術信息時代正在向我們一步步走來。
4、 軟岩工程設計計算機軟件係統 將要出現
軟岩的非線性大變形力學設計不同於傳統工程類比設計和經典小變形力學設計，不是簡單的參數設計，而是由工程力學對策設計、工程力學過程優化設計和工程參數優化設計組成的高度繁雜的高級設計係統。要求有非常友好的界麵，高超的編程技巧和十分方便的操作。“軟岩工程設計軟件係統”的出現將使我國煤礦軟岩工程技術的推廣應用的局麵為之一新，將使軟岩工程的水平大大提高，將會產生巨大經濟效益，為我國工程建設做出重要的貢獻。
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