高應(yīng)力環(huán)境下高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性及孔隙水壓力分布規(guī)律研究

金 明

(中國(guó)高嶺土有限公司， 江蘇 蘇州 215163)

高應(yīng)力環(huán)境下高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性及孔隙水壓力分布規(guī)律研究

金 明

(中國(guó)高嶺土有限公司， 江蘇 蘇州 215163)

軟巖在受到集中應(yīng)力作用之后會(huì)展示出許多種力學(xué)特征，如可塑性、擴(kuò)容性、流變性及崩解分散性等。巖石擴(kuò)容指的是在偏應(yīng)力作用下體積增加。巖石擴(kuò)容變形是偏應(yīng)力作用的結(jié)果，偏應(yīng)力大小與擴(kuò)容變形程度成正比關(guān)系。本文以高嶺土軟巖巷道支護(hù)形式與特點(diǎn)為重點(diǎn)，探討高應(yīng)力環(huán)境下高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性及孔隙水壓力分布規(guī)律。

高應(yīng)力； 高嶺土； 深部軟巖巷道； 穩(wěn)定性

1 前言

軟巖之間的隙縫較多，主要由粘土質(zhì)組成，且礦物顆粒小，極易吸收水分子，從而導(dǎo)致巖石內(nèi)部增生許多微孔隙，使巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，最終形成泥化現(xiàn)象。當(dāng)水分子滲透進(jìn)軟巖的孔隙和裂隙中時(shí)，內(nèi)部微小巖粒的吸附水膜就會(huì)增厚，導(dǎo)致軟巖發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象，不均勻的體積膨脹會(huì)引起軟巖內(nèi)不均勻的應(yīng)力產(chǎn)生，由此引發(fā)巖石顆粒的碎裂以及解體[1]。在此以高嶺石、伊利石為例，它們是遇到水分子極易軟化崩解的軟巖礦物的主要成分，在受到水分子的作用之后體積會(huì)隨之增加，導(dǎo)致軟巖縫隙充水，顆粒之間的相互作用減弱，顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生軟化、崩解現(xiàn)象[2]。

2 高嶺土深部軟巖巷道支護(hù)形式

到目前為止，軟巖巷道最有效、實(shí)用的支護(hù)形式主要是錨噴網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)。采用噴射混凝土的施工法可以及時(shí)封閉圍巖以及隔離水分子的滲入，防止圍巖形成松散堆積物和水分子對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響。錨網(wǎng)不但能夠支撐錨桿之間的圍巖，還能夠?qū)蝹€(gè)錨桿組合成整個(gè)錨桿群，和混凝土噴層形成具有柔韌性的支護(hù)圈。錨噴網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)允許圍巖在可承受的范圍內(nèi)變形，它的支護(hù)作用也能滿(mǎn)足對(duì)軟巖一次支護(hù)的需求[3]?？梢葬槍?duì)圍巖實(shí)際情況，使用桁架錨網(wǎng)、鋼筋梯錨網(wǎng)支護(hù)方式，進(jìn)行二次噴射混凝土支護(hù)?？梢圆捎密浤救蛘呦鹉z圈混合使用混凝土進(jìn)行封孔。錨桿安裝和注漿分兩個(gè)工序進(jìn)行。采用普通端頭錨固或加長(zhǎng)錨固錨桿進(jìn)行巷道掘進(jìn)，在尾部套上軟木塞或橡膠圈，再上托盤(pán)擰緊螺母，形成封孔效果。最后一個(gè)步驟就是噴射混凝土，鞏固封孔以及支護(hù)效果[4]。當(dāng)巷道圍巖變形超過(guò)可承受范圍，沿著巷道的周邊形成松動(dòng)破裂區(qū)時(shí)，采用建筑工程注漿方式，一方面會(huì)使巷道圍巖進(jìn)行泄壓，另一方面又能使注漿加固效果達(dá)到最佳狀態(tài)，見(jiàn)圖1。

圖1 高嶺土深部軟巖巷道支護(hù)示意圖

U型鋼金屬支架從結(jié)構(gòu)上看具有可縮量和承載能力，構(gòu)件之間可縮量以及彈性變形能夠有效調(diào)節(jié)圍巖的應(yīng)力。在支架產(chǎn)生變形以及收縮過(guò)程中，有效防止圍巖的繼續(xù)變形，承受?chē)鷰r壓力，促進(jìn)應(yīng)力趨于平衡狀態(tài)[5]。我國(guó)在U型鋼可縮性金屬支架架后充填、架間支護(hù)、支護(hù)材料調(diào)質(zhì)處理、支護(hù)工藝規(guī)范化等方面進(jìn)行了大量的研究工作，U型鋼可縮性金屬支架已獲得較廣泛的應(yīng)用。軟巖中采用的斷面支護(hù)形狀為圓形且具有伸縮性，可以有效預(yù)防水分子的侵蝕及避免松散堆積物的形成，能夠?qū)Φ坠倪M(jìn)行有效控制。平時(shí)都是通過(guò)“木磚縫料石圓碹”和條帶碹法這兩種措施使碹體可縮?；“宓闹Ъ懿捎酶邚?qiáng)度的混凝土施工技術(shù)，使斷面呈現(xiàn)全封閉狀態(tài)，再結(jié)合高強(qiáng)度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成巷道支架。

3 軟巖的力學(xué)特性

圖2所展現(xiàn)出最大主應(yīng)力是沿劈面的切向方向，越靠近采空區(qū)，切向應(yīng)力就越大，劈面切向應(yīng)力達(dá)到最大值。最小主應(yīng)力是沿巷道的徑向應(yīng)力，在巷道周邊處為零，向圍巖深部逐漸增大。如果巷道埋深超過(guò)軟化臨界深度，應(yīng)力高于巖土強(qiáng)度的部分巖體就發(fā)生破壞，靠近劈面的巖體最先破壞，最大主應(yīng)力集中區(qū)向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移[6]。在巷道的高度及跨度不變的前提下，要想使圍巖結(jié)構(gòu)得到改善就必須合理地選擇錨桿長(zhǎng)度、間距等，進(jìn)行正確的安裝，才能使圍巖的承受能力提高，支護(hù)發(fā)揮出最佳效果。

Rf—塑性流動(dòng)區(qū)半徑; Rs—塑性軟化區(qū)半徑; Rh—塑性硬化區(qū)半徑圖2 軟巖巷道圍巖分區(qū)示意圖

節(jié)理裂隙發(fā)育的圍巖在水分子滲入之后呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，再加上地殼中應(yīng)力以及構(gòu)造體系和構(gòu)造形式地應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下，巷道開(kāi)挖之后，圍巖周邊應(yīng)力和水壓力都會(huì)重新分布；在可影響區(qū)域內(nèi)，巖石隙縫在水壓與高應(yīng)力作用下很快擴(kuò)展，造成圍巖破碎更加嚴(yán)重；水分子的滲透能夠使巖石節(jié)理面得到有效的潤(rùn)滑，減小摩擦力，水分子沿著壓力卸載巷道中心方向不斷滲透，容易造成巷道破壞[7]。

4 高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性及孔隙水壓力分布規(guī)律

巖石的吸水、導(dǎo)水和地下水運(yùn)動(dòng)，不但是重要的水理性質(zhì)，同時(shí)也是研究水文地質(zhì)、注漿工程必不可少的基礎(chǔ)資料。巖石的滲流性是指在水壓力作用下水在巖石隙縫、裂隙內(nèi)流動(dòng)和通過(guò)的能力。在一般情況下，水在軟巖中滲流速度很小，可看作流動(dòng)。遵循達(dá)西層流滲流定律，水的滲透速度v與水力坡降I成正比，如下式：

式中：Q——巖層中滲流水的流量；A——滲流面積；v——滲透水的流速；K——滲透系數(shù)；I——水力坡降。

滲透系數(shù)并不是一成不變的。巖體內(nèi)節(jié)理、微孔隙分布狀態(tài)不同，在空間三維方向上的滲透系數(shù)Ki(i=1，2，3)并不相等，即K1≠K2≠K3，具有各向異性的性質(zhì)。K值隨著地應(yīng)力分布與承壓水、孔隙水壓力的不同而發(fā)生變化，水壓力越大，K值越小，巖體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力威脅。這時(shí)如果發(fā)生巖體軟弱、破碎，水壓力大和臨空面阻力小，就會(huì)導(dǎo)致軟巖液化、管涌， “泥石流”事故發(fā)生[8]。

在軟巖礦井巷道巖幫內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較薄的粘泥夾層，當(dāng)巷道掘進(jìn)巖面剛揭露時(shí)，表層會(huì)呈現(xiàn)出干燥堅(jiān)固狀態(tài)，一兩天之后表層的水含量急劇增加，甚至飽水呈“豆腐乳”狀，完全沒(méi)有強(qiáng)度，而且會(huì)由于體積膨脹而被擠出，對(duì)巷道支護(hù)具有嚴(yán)重的破壞性。

5 結(jié)語(yǔ)

在高應(yīng)力作用下，造成巷道破壞的原因是水與破碎的圍巖之間的相互作用，為了有效預(yù)防變形破壞，要嚴(yán)格控制水和高應(yīng)力。采用錨桿(索)與注漿巷道支護(hù)能有效控制水滲流，減小對(duì)破碎巖體的沖刷破壞，為錨固過(guò)程創(chuàng)造良好的條件。錨索支護(hù)和注漿能夠防止圍巖隙縫擴(kuò)展，擴(kuò)大錨固范圍，從而減輕應(yīng)力的變化梯度，使其成為良好自承載體。通過(guò)數(shù)值模擬可以得出在錨桿(索)、注漿加固下會(huì)形成較好支護(hù)效果的結(jié)論。這種方法在中國(guó)高嶺土有限公司陽(yáng)西礦、觀山礦的應(yīng)用中取得良好的效果，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 劉 洋，葉義成，劉曉云，岳 哲，胡南燕.基于未確知聚類(lèi)法的巷道圍巖穩(wěn)定性預(yù)測(cè)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，22(2)：56-61.

[2] 王衛(wèi)軍，袁 超，余偉健，吳 海，彭文慶，彭 剛，柳小勝，董恩遠(yuǎn).深部大變形巷道圍巖穩(wěn)定性控制方法研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，32(12)：2921-2931.

[3] 羅生虎，伍永平，張嘉凡.圍巖—錨固體流變控制機(jī)制及支護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖土力學(xué)，2017,(1)：124-132.

[4] 汪令輝.基于加卸載響應(yīng)比的小間距雙硐巷道圍巖穩(wěn)定性研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2016,(8)：41-46.

[5] 武越超，韋志遠(yuǎn)，譚英明，牛欽環(huán).空巷影響下回采巷道圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計(jì)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016,(5)：128-130.

[6] 黃冬梅，譚云亮，常西坤，傅穎霞.深部巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析[J].煤礦安全，2016,(3)：202-204.

[7] 唐禮忠，高龍華，王 春，蔣 鋒.動(dòng)力擾動(dòng)下含軟弱夾層巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016,(1)：63-69.

[8] 和樹(shù)棟.沿空動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2016,(1)：31-33.

Study on the stability of surrounding rock and pore water pressure distribution law of deep soft rock roadways of kaolinite under high stress condition

The soft rock shows a variety of mechanical characteristics under concentrated stress, such as plasticity, dilatancy and rheological behaviour, and disintegration and dispersivity. Rock dilatancy refers to the volume increase under the action of deviatoric stress. Rock dilatancy deformation is the effect of deviatoric stress. The deviatoric stress is proportion to the dilatancy deformation degree. Focusing on the roadway supporting forms and features, the stability of surrounding rock and pore water pressure distribution law of deep soft rock roadways of kaolinite under high stress condition were discussed.

high stress; kaolinite; deep soft rock roadway; stability

TD873+.2

A

2017-03-28

2017-05-08

金 明(1982-)，男，江蘇蘇州人，工程師，從事采礦技術(shù)和安全管理工作。

1672-609X(2017)03-0049-03