深井軟巖巷道變形微觀機(jī)理及控制對策分析

楊拓，劉建莊，李準(zhǔn)

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河北 唐山 063210)

開灤林南倉煤礦地處薊玉煤田，礦井主要巷硐施工層位巖性以灰色或灰白色泥質(zhì)砂巖為主，該類巖石具有一定的膨脹性，黏土礦物含量較高，屬于典型的軟巖范疇。同塊狀結(jié)構(gòu)的變質(zhì)巖進(jìn)行比較，該種巖石在微觀特性和宏觀的力學(xué)表現(xiàn)方面相差巨大。

經(jīng)大量試驗研究表明，巖土體在宏觀上的力學(xué)表現(xiàn)是由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)和礦物組分特性決定的。近年來，不少專家和學(xué)者針對地下工程中的巷硐圍巖失穩(wěn)以及邊坡等問題，對巖土微觀結(jié)構(gòu)及礦物組成進(jìn)行了大量的研究[1]。馮文凱等[2]通過對常見砂、泥巖微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行電鏡掃描實驗，從微觀結(jié)構(gòu)特征上對其宏觀力學(xué)表現(xiàn)出的不同進(jìn)行了分析，研究內(nèi)容包括巖石的軟化和抗沖擊特性等；孫蘋[3]等認(rèn)為影響邊坡穩(wěn)定的重要原因是邊坡圍巖的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征；趙國會[4]等通過對梁家煤礦巷道圍巖的微觀性質(zhì)研究，計算得到圍巖中的黏土礦物含量；J.E.Lindqvist[5]等通過分析巖石的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和外在使用特性之間的聯(lián)系，得出了影響巖石性能的微觀層面因子；R.Prikryl[6]研究巖石的礦物成分、含量以及晶粒大小等因素對巖石力學(xué)性質(zhì)的作用。綜上所述可知，對泥質(zhì)砂巖的微觀特性及其與宏觀力學(xué)特性相關(guān)性的研究對指導(dǎo)工程實踐具有重要價值。

為探究林南倉礦-650 m水平圍巖變形破壞微觀原理，掌握圍巖微裂隙發(fā)育狀況、圍巖粘土礦物成分以及裂隙水壓對圍巖宏觀力學(xué)行為的關(guān)系，通過掃描電鏡試驗、X射線衍射實驗和單軸壓縮試驗深入研究了-650 m南石門工程區(qū)域砂巖的微觀特征，從而更為準(zhǔn)確地把握其力學(xué)特性及圍巖微觀特性對圍巖變形失穩(wěn)的影響，為工程實踐服務(wù)。

1 圍巖變形宏觀分析

-650 m南石門巷道圍巖具有典型的軟巖特征。圍巖變形量大，如圖1(a)所示，且不穩(wěn)定周期長，存在可觀測特征的長期流變，淺表圍巖充分破碎，存在二次加速失穩(wěn)現(xiàn)象。究其原因，巖層砂巖裂隙水量較大，原生及開挖裂隙相互貫穿，巷道滴滲水甚至有穩(wěn)定出水點(diǎn)普遍存在，如圖1(b)所示。

圖1 -650 m石門巷道變形及出水點(diǎn)

2 微觀特性研究

2.1 圍巖形貌特征

研究區(qū)域為林南倉礦-650 m水平南石門開拓巷道，該區(qū)圍巖以灰(白)色泥質(zhì)砂巖為主，屬于典型的軟巖范疇，巖石見風(fēng)遇水軟化，具有一定的膨脹性。圍巖1#～3#樣本分別取自9#煤底板、8#煤底板和12#煤頂板，形貌特征如圖2所示。

圖2 -650 m南石門巖樣形貌圖

由圖2可以看出，1#巖樣斷口平整，質(zhì)地較硬，粒徑中等；2#巖樣斷面呈凹凸?fàn)睿街械?，碎屑呈塊狀；3#巖樣斷口平面細(xì)致，質(zhì)地松軟，碎屑呈片狀，易研磨成粉。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

為掌握各取樣點(diǎn)位圍巖孔裂隙發(fā)育狀況，選取可靠性較高的μm量級的典型樣片，采用日立公司的S-4800場發(fā)射掃描電鏡對各樣本進(jìn)行了掃描電鏡觀察，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 巖樣SEM圖像

由圖3(a)可見，泥巖微裂縫發(fā)育，以碳酸鹽類顆粒及粘土礦物晶間間隙為主，孔洞發(fā)育不明顯；從圖3 (b)可知，結(jié)構(gòu)較松散，裂隙發(fā)育，孔洞多以粘土晶間孔為主；從圖3 (c)可見，結(jié)構(gòu)松散，粗大裂縫發(fā)育豐富，孔洞多以粘土晶間孔為主。

2.3 粘土礦物分析

粘土礦物是一種具有片狀或鏈狀結(jié)晶格架的鋁硅酸鹽，主要分為3類，即高嶺土(Kaolinite)、蒙脫石(Montmorilonite)和伊利石(Illite)，粘土礦物的存在很大程度上決定了軟巖的性質(zhì)。本試驗采用D/MAX-rA型X射線衍射儀，試驗條件為室溫23 ℃，濕度62%，試驗方法遵循巖樣粘土礦物成分含量測定標(biāo)準(zhǔn)，各試樣的衍射圖譜曲線如圖4所示。

圖4 X射線衍射圖譜特征線

根據(jù)圖4各試樣X射線衍射圖譜，可以得出各試樣粘土礦物成分含量，如表1和表2所示。通過X射線衍射圖譜知，1#巖樣的成分以粘土礦物為主，其含量為74%，其余為石英12.3%，斜長石12.8%，此外還有少量的方解石，粘土礦物中蒙脫石占89%，其余為高嶺土11%。2#巖樣的粘土礦物含量為68.4%，其余為石英11.3%、鉀長石8.3%、菱鐵礦12%，粘土礦物中蒙脫石占86%，高嶺土14%。3#巖樣粘土礦物總量占53.1%，石英27.5%、菱鐵礦14.9%、白云石4.5%，粘土礦物中蒙脫石占80%，其余為高嶺土20%。

表1 粘土礦物成分含量/%

注：S-蒙脫石 I/S-伊利石/蒙脫石混層 I-伊利石 K-高嶺土 C-綠泥石 C/S-綠泥石/蒙脫石混層。

表2 巖石礦物種類與含量/%

由粘土礦物成分測定試驗可判定，1#～3#巖樣屬于新生代軟巖，以蒙脫石為主要礦物成分的膠結(jié)礦物，蒙脫石具有很強(qiáng)的吸水特性，其吸水率可達(dá)20%～80%，具有極強(qiáng)的膨脹特性和遇水軟化特性。含蒙脫石的巖石單軸抗壓強(qiáng)度比較低，長期強(qiáng)度多為瞬時強(qiáng)度的10%～40%，彈性模量很小，泊松比較大。

3 抗壓試驗研究

為系統(tǒng)掌握-650 m水平圍巖特征，現(xiàn)場采集并制作Ф50 mm×100 mm、50 mm×50 mm×50 mm立方巖樣，采用TAW-3000型電液伺服巖石三軸實驗機(jī)開展單軸抗壓試驗。結(jié)果表明：試件平均單軸抗壓強(qiáng)度為55.2 MPa，飽水試件為31.7 MPa，軟化系數(shù)為54.2%。塑性應(yīng)變極限在0.2%～0.4%之間，說明巖石峰后殘余承載能力低，當(dāng)超出應(yīng)變極限，巖石即發(fā)生破碎。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度實驗

從微觀角度分析，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與其節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)類型密切相關(guān)。由圖5(a)～(b)可知，巖石試件形成典型的縱軸劈裂破壞面，形成這種破壞的原因是巖石試件中切向拉應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力增大，促使巖石沿著軸向壓應(yīng)力的方向產(chǎn)生微裂隙并沿著該方向進(jìn)行擴(kuò)展，微裂隙定向排列增強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)巖樣出現(xiàn)柱狀劈裂破壞。由圖5(c)知3種巖樣干試件的單軸抗壓強(qiáng)度存在一定的差異，分析為試樣微裂隙發(fā)育引起；巖樣微裂隙發(fā)育，空洞不明顯，當(dāng)試件受力逐漸增加時，微裂隙被壓密壓實，巖石的抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系，隨壓力增大，巖石進(jìn)入塑性階段，微裂隙開始擴(kuò)展且徑向擴(kuò)容增速，最終導(dǎo)致巖石破壞。由圖5(d)可知，飽水巖石試件的抗壓強(qiáng)度明顯低于其干燥巖樣的抗壓強(qiáng)度[7-9]，并且飽水巖樣最大值相差甚微，分析認(rèn)為，當(dāng)水進(jìn)入微裂隙后會降低膠結(jié)質(zhì)的粘聚力，減小了巖石的內(nèi)摩擦角，與此同時滲透水對巖石微裂隙面會產(chǎn)生一定的作用力。當(dāng)巖石進(jìn)行壓縮過程時，巖石微裂隙及裂紋同時受到垂直于裂紋面和平行于裂隙面的作用力，具體表現(xiàn)為：與裂隙面垂直的作用力為壓應(yīng)力，而平行于裂隙面的作用力為剪應(yīng)力，所以裂隙表面存在著一個與剪應(yīng)力方向相反的摩擦阻力，沿垂直于裂隙方向的正應(yīng)力對剪切斷裂起到遏制作用，同時裂隙水壓力抵消了一部分正應(yīng)力，因此起到裂紋劈裂作用，從而降低了巖石的抗壓強(qiáng)度。

4 變形機(jī)理及控制對策

-650 m石門局部區(qū)域變形失控的重要機(jī)制是：軟巖巷道大變形機(jī)理是巖體原生裂隙及次生裂隙在高應(yīng)力作用下迅速發(fā)展發(fā)育[10]，形成了一定的滲水通路，為富含蒙脫石的泥質(zhì)圍巖水化作用提供了條件。由于蒙脫石具有強(qiáng)膨脹性，因此在其遇水后發(fā)生了泥化和膨脹現(xiàn)象，其巖性參數(shù)亦因水解發(fā)生弱化，同時強(qiáng)膨脹壓力作用于錨固結(jié)構(gòu)或支架上，當(dāng)圍巖壓力大于支架的承載極限時，兩者時間及空間上發(fā)生耦合，支護(hù)區(qū)域巷硐便會發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，乃至變形直至發(fā)生破壞。因此各巖層水化膨脹是不容忽視的影響因素，合理抑制水化是防止巷硐圍巖變形破壞的關(guān)鍵。而圍巖注漿加固是一種有效的堵水手段，通過該方式可以有效延長圍巖變形周期。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)巖石微觀物理試驗、內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測和X射線衍射結(jié)果表明，林南倉-650 m南石門工程區(qū)域軟巖特征明顯，層位巖石主要成分為粘土礦物，其含量高達(dá)54%～73%，然而蒙脫石在黏土礦物中更是高達(dá)81%～90%。

(2)巷道圍巖微觀結(jié)構(gòu)松散、微裂隙發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)是力學(xué)強(qiáng)度低的原因。圍巖遇水膨脹軟化，作用力超過支護(hù)結(jié)構(gòu)承載極限造成巷道圍巖變形破壞。

(3)抑水堵水是控制巷道變形失穩(wěn)的關(guān)鍵，因此采用圍巖注漿加固和增大巷道前期變形空間允許值，釋放淺表松動區(qū)膨脹應(yīng)力，結(jié)合后期應(yīng)用高剛性支護(hù)形式(如壁后充填或混凝土澆筑)控制巷道圍巖變形破壞是行之有效的手段。