煤礦軟弱夾層特性分析及本構(gòu)模型研究

陳 斌，曹 朋，劉安秀

(中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

井巷工程是實(shí)現(xiàn)煤礦開采的必要前提，因巷道支護(hù)而產(chǎn)生的頂板事故已成為制約煤礦安全、快速生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。軟弱夾層強(qiáng)度低、力學(xué)性能差，易發(fā)生泥化，導(dǎo)致層間錯(cuò)動、頂板離層等現(xiàn)象，是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素。我國軟弱夾層的研究始于解放初期的獅子灘水電站［1］。20世紀(jì)50年代，在壩基、隧道、礦山、邊坡等工程中，遇到過軟弱夾層問題，以提供工程設(shè)計(jì)所需的物理力學(xué)指標(biāo)為目的開展了相關(guān)研究，是軟弱夾層研究的起步階段;60年代，為壩基穩(wěn)定等工程問題建立理論基礎(chǔ)，對軟弱夾層進(jìn)行了成因分類、室內(nèi)外相結(jié)合選擇抗剪強(qiáng)度的研究;70年代，進(jìn)入軟弱夾層的深入研究階段，對其組成成分、微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系、演變趨勢、電算及模型試驗(yàn)等進(jìn)行了綜合研究;80、90年代以來，對軟弱夾層的力學(xué)特性、泥化特性等方面的研究進(jìn)一步完善，特別是開展地應(yīng)力測試和研究以來，從地應(yīng)力對軟弱夾層所產(chǎn)生的正應(yīng)力—圍壓效應(yīng)來研究軟弱夾層的物理力學(xué)特性卓有成效［2－3］;21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展和完善，將數(shù)值模擬技術(shù)引入軟弱夾層研究領(lǐng)域，完善了軟弱夾層的研究。

1 軟弱夾層特性

由于研究的角度及側(cè)重點(diǎn)不同，軟弱夾層有著多種定義，總結(jié)起來可定義為：巖體內(nèi)存在的層狀或帶狀的軟弱薄層，通常是指夾于相對堅(jiān)硬巖層中的力學(xué)強(qiáng)度較低的巖石薄層，是層狀巖體中一種特殊的成層結(jié)構(gòu)，包含巖體結(jié)構(gòu)中的軟弱結(jié)構(gòu)面、裂隙破碎帶［4－8］。

1．1 物理化學(xué)特性

煤礦巷道頂板中的軟弱夾層一般厚度小于300 mm，主要由大量黏土礦物的泥巖、節(jié)理或薄層煤線構(gòu)成，不同地區(qū)及不同地質(zhì)條件下，黏土礦物的泥巖組分及所占比例不同。根據(jù)組分不同，組成軟弱夾層的黏土礦物可分為兩類：以高嶺石為主，含部分蒙脫石、伊利石及綠泥石等，比表面積在50 m2/g以下;以蒙脫石為主，含部分伊利石、高嶺土和伊蒙混層等，比表面積在300 m2/g以上。礦物成分和化學(xué)成分對軟弱夾層抗剪強(qiáng)度值的影響極大。

由于軟弱夾層中含有大量黏土礦物的泥巖，因而遇水具有強(qiáng)烈的膨脹性，根據(jù)機(jī)理不同可分為表面水化、離子水化以及滲透水化，并隨蒙脫石含量的增大膨脹性愈強(qiáng)。軟弱夾層粒度成分是控制其物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素，其中，黏粒和粗碎屑顆粒是影響其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的兩個(gè)主要粒組。另外，軟弱夾層的充填度、連續(xù)性等地質(zhì)賦存條件對其在圍巖控制中所起作用也有較大的影響。

1．2 工程力學(xué)特性

由于常見軟弱夾層主要由泥巖或者煤線組成，因此，其單軸抗壓強(qiáng)度較小，一般小于25 MPa，并易發(fā)生泥化，極易產(chǎn)生層間錯(cuò)動，對巷道穩(wěn)定具有控制作用。其工程力學(xué)特性主要表現(xiàn)在遇水泥化特性與注漿固結(jié)體特性。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，地應(yīng)力的變化以及地下水滲入是軟弱夾層泥化的根本條件。軟弱夾層在不同應(yīng)力階段遇水泥化所體現(xiàn)出的力學(xué)特性也不盡相同，以殘余強(qiáng)度階段遇水對巖塊穩(wěn)定殘余強(qiáng)度的弱化程度最高;其次是塑性階段和彈性階段，對應(yīng)變軟化階段影響最小。

2 軟弱夾層的本構(gòu)模型

選取西源模型描述軟弱夾層的粘、彈、塑性狀。與Bigham模型、Kelvin模型、Burgers模型等其他粘彈塑性模型相比，西源模型組成原件豐富，其結(jié)構(gòu)能夠更好地反映軟弱夾層的關(guān)鍵力學(xué)特性—流變特性，是比較完善的粘彈塑性力學(xué)模型。西源模型結(jié)構(gòu)圖見圖1。其本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式，在一維的條件下根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的水平，可分為兩個(gè)階段：

圖1 西源模型結(jié)構(gòu)圖

當(dāng) σ■σs時(shí)，

西源模型蠕變曲線圖見圖2。

圖2 西源模型蠕變曲線圖

西源模型由粘彈性、粘塑性兩部分組成，粘彈性部分即為標(biāo)準(zhǔn)線性模型，粘塑性部分由一個(gè)粘性原件與一個(gè)塑性原件并聯(lián)組成。組成模型的原件數(shù)目、種類越多，越能貼近的模擬研究對象的粘彈塑性力學(xué)性能，解釋研究對象在特定條件下所表現(xiàn)出的力學(xué)特性，進(jìn)一步預(yù)測研究對象在受力情況、約束狀況等發(fā)生變化的情況下所表現(xiàn)的力學(xué)行為，及其對周圍結(jié)構(gòu)的影響。

由西源模型的結(jié)構(gòu)組成可以看出，與其他模型相比，西源模型能夠更好地反應(yīng)軟弱夾層的流變特性。利用西源模型模擬軟弱夾層的粘彈塑性，能夠更好地模擬其強(qiáng)度低、易泥化的力學(xué)特性，及其在地應(yīng)力變化、地下水滲入等條件下所表現(xiàn)出的力學(xué)行為，預(yù)測其自身變化對圍巖穩(wěn)定的影響。模型參數(shù)的選擇是影響模擬效果的重要因素，其確定可通過借鑒已有的力學(xué)性能測試結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場巖體三軸壓縮流變實(shí)驗(yàn)等方法實(shí)現(xiàn)。

3 含軟弱夾層巷道失穩(wěn)狀況分析

軟弱夾層巷道的失穩(wěn)方式及失穩(wěn)狀況受到巷道支護(hù)形式和軟弱夾層位置、應(yīng)力狀態(tài)、泥化程度等多種因素的影響。下面以錨桿支護(hù)巷道，軟弱夾層位于錨固區(qū)范圍之內(nèi)為例，進(jìn)行失穩(wěn)狀況分析。在煤層中開掘巷道并進(jìn)行合理支護(hù)后，巖層內(nèi)部應(yīng)力重新分布，夾層與圍巖協(xié)調(diào)變形，由于軟弱夾層與其周圍巖體存在明顯的強(qiáng)度差異，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，軟弱夾層首先發(fā)生變形破壞，特別是在遇水泥化作用下，隨著軟弱夾層流變性質(zhì)的擴(kuò)張，變形加劇，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)一步降低，進(jìn)而導(dǎo)致頂板巖層相互錯(cuò)動，產(chǎn)生離層，結(jié)構(gòu)整體性發(fā)生破壞，出現(xiàn)頂板失穩(wěn)、冒頂現(xiàn)象。軟弱夾層巷道結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

分析所建立的本構(gòu)模型可以看出，夾層所受應(yīng)力σ0與模型中屈服強(qiáng)度σs的差值是控制軟弱夾層流變特性顯現(xiàn)程度的重要因素。因此，可通過錨桿支護(hù)使頂板巖層與軟弱夾層產(chǎn)生錨固體的方法，使其內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，改善圍巖狀況?？梢?，當(dāng)軟弱夾層位于錨固區(qū)范圍以內(nèi)時(shí)，預(yù)緊力的施加以及錨固體的形成可使頂板軟弱夾層及其上下巖層形成有效的整體結(jié)構(gòu)，維持頂板穩(wěn)定。

圖3 軟弱夾層巷道結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文在分析軟弱夾層物理化學(xué)特性、力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，建立了軟弱夾層的本構(gòu)模型，并結(jié)合模型進(jìn)行典型錨桿支護(hù)巷道含軟弱夾層頂板的失穩(wěn)狀況分析。

1)軟弱夾層主要由大量黏土礦物的泥巖、節(jié)理或薄層煤線構(gòu)成，厚度小于300 mm;組成軟弱夾層的黏土礦物，或以高嶺石為主，或以蒙脫石為主。

2)軟弱夾層單軸抗壓強(qiáng)度一般小于25 MPa，工程力學(xué)特性主要表現(xiàn)在遇水泥化特性與注漿固結(jié)體特性。

3)通過一定的工程方法改善軟弱夾層的力學(xué)特性，使頂板軟弱夾層及其上下巖層形成有效的整體結(jié)構(gòu)，是解決夾層—圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)的有效途徑。

［1］ 聶德新，張咸恭，韓文峰．圍壓效應(yīng)與軟弱夾層的物理力學(xué)特性的相關(guān)性研究［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1990，1(1)：66－70．

［2］ 李桂臣．軟弱夾層頂板巷道圍巖穩(wěn)定與安全控制研究［D］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008．

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［4］ K．Hurt．New Developments in the Rock Bolting［J］．Colliery Guardian，1994(7)：23 －24．

［5］ P．Willians．The Development of Rock Bolting in IJK Coal Mines［J］．Mining Engineering，1994(5)：39 －40．

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［7］ 張 農(nóng)，李桂臣，許興亮．頂板軟弱夾層滲水泥化對巷道穩(wěn)定性的影響［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(6)：757－763．

［8］ 文寶萍，李 媛，王興林，等．黃土地區(qū)典型滑坡預(yù)測預(yù)報(bào)及減災(zāi)對策研究［M］．北京：地質(zhì)出版社，1997：57－66．