軟巖巷道吸水膨脹變形量計算分析＊

王 波

(煤炭科學研究總院北京天地華泰采礦工程技術有限公司,北京市朝陽區,100013)

軟巖巷道吸水膨脹變形量計算分析＊

王 波

(煤炭科學研究總院北京天地華泰采礦工程技術有限公司,北京市朝陽區,100013)

為定量分析軟巖吸水膨脹引起巷道圍巖的變形量,基于濕度應力場理論和彈性變形理論,推導出了軟巖巷道吸水膨脹變形量的計算公式;給出了公式中膨脹系數和含水率變化函數的確定方法;結合典型軟巖工程——龍口北皂煤礦海域運輸巷,在實驗室內測試了運輸巷圍巖的水理性質;根據得出的水理參數,確定了運輸巷的膨脹系數和含水率變化函數,代入計算公式得出了變形量的分布規律。

軟巖巷道 吸水膨脹 水理性質 變形量計算

當巷道布置在含膨脹性礦物(蒙脫石等)的地層中時,巖石遇水或吸濕之后將吸水膨脹;空氣濕度越大,圍巖吸水越多,膨脹變形量也就越大。其量值可能遠大于巖石的彈塑性及碎脹變形量之和,由此產生的膨脹性變形壓力是軟巖巷道支護破壞的重要原因之一。

本文基于濕度應力場理論和彈性變形理論,推導得出了軟巖巷道吸水膨脹變形量的計算公式,結合典型軟巖工程——龍口北皂煤礦海域運輸巷,對計算公式進行了驗證計算。

1 軟巖巷道圍巖吸水膨脹變形機理

巷道開挖后,圍巖遇水會發生物理化學反應,引起體積膨脹和力學性能的變化,見圖1。

圖1 水理作用下圍巖分區示意圖

巷道圍巖相應形成了兩個不同的區域:遇水膨脹區和穩定區。膨脹區由于體積膨脹和力學性能的變化,導致巷道圍巖的收斂變形。膨脹區形成的原因主要有:軟巖巷道圍巖的天然裂隙結構;應力調整引起的圍巖裂隙;軟巖的吸水性;軟巖中的膨脹性礦物;巖層中的水與空氣中的水交換。

2 圍巖吸水膨脹變形量計算

根據軟巖工程中的實際情況,將軟巖巷道吸水膨脹問題與溫度應力場對比,得出了以下三方面的共性。

(1)膨脹巖吸水后產生體積膨脹和巖性軟化,這類似于材料的溫度效應。一般材料會隨溫度升高而產生體積膨脹和物性軟化。

(2)膨脹巖體遇水作用后,水分會在巖體內不斷擴散,導致一定范圍的含水率變化。這類似于物體在熱源作用下的溫度場變化。

(3)溫度場變化會引起結構內的應力應變場的變化,圍巖內含水率的變化同樣也會引起圍巖內的應力應變場的變化。

當圍巖中各點的含水率隨時間發生變化時,圍巖的膨脹率也發生變化,引起巷道圍巖的應力場和應變場也發生變化。這種變化類似于溫度場變化引起的應力應變場變化,因而,基于力學中的溫度應力場理論,相關文獻給出了圓形巷道在平面應力情況下的圍巖遇水作用應力分量的解析解:

式中:σr——徑向應力分量;

σθ——切向應力分量;

τrθ——剪應力分量;

r0——巷道半徑;

E——巖石彈性模量;

μ——巖石泊松比;

α——膨脹系數;

t——吸水時間;

W(r,t)——含水率變化函數;

r——巖體內任意一點到巷道形心的距離。

深埋圓形洞室的應力解為:

由彈性力學可知,巷道遇水徑向變形量:

將式(1)與式(2)聯立可得:

將式(4)代入式(3)得巷道遇水徑向變形量:

根據實際情況,圓形巷道軸線方向的長度遠遠大于巷道斷面的另外兩個方向,屬于平面應變狀態,將式(5)轉化為平面應變問題,具體為,E換為得平面應變條件下巷道遇水徑向變形量:

3 圍巖吸水膨脹變形量計算參數確定

3.1 膨脹系數的確定

膨脹系數α指的是在一定含水率情況下巖體最大膨脹量所對應的線膨脹系數。為使問題簡化,認為α不隨含水率ep變化而改變,即巖體的膨脹率隨含水率增加而呈線性變化。其物理意義是膨脹巖增加單位含水率時所產生的膨脹率,即:

膨脹系數可通過這樣的方法求得,即實驗得出不同含水率巖石的膨脹率,用最小二乘法擬合ep-W直線方程,該直線斜率的絕對值就是膨脹系數。

3.2 含水率變化函數W(r,t)的確定

巷道開挖t天后距巷道壁垂直距離r處的圍巖含水率用函數W(r,t)表示。根據對北皂煤礦海域首采面運輸巷圍巖的水理性質測試,巖石的原始含水率Wb為6%。巖石吸水30 d后可以達到飽和,飽和吸水率W0為42.6%。假定圍巖吸水率與時間成線性關系,得出W(r,t)的表達式如下:

圖2 圍巖含水率變化曲線

根據式(8)計算巷道圍巖開始吸水10 d、20 d和30 d后的含水率,并做出圍巖隨位置不同的含水率變化曲線,見圖2。

將式(8)代入式(6)可得:

4 圍巖吸水膨脹變形計算實例

以北皂煤礦海域首采面運輸巷為例進行計算。首先測試運輸巷的水理參數,在運輸巷煤2頂板取巖樣進行測試。使用WZ-2型膨脹測試儀測試巖石的膨脹性,通過膨脹測試儀測得巖樣的膨脹率和側向約束膨脹量。

運輸巷巖石水理參數測試結果:泥巖砂巖互層容重2.23 g/cm3;含水率11.2%;飽和質量251 g;飽和吸水率42.6%;側向約束膨脹量3.26 mm;膨脹率14.2%。根據測試結果可得出膨脹系數α為0.33。

運輸巷遇水變形量計算參數:巷道半徑r=2750 mm;泊松比μ=0.27;飽和吸水率W0=0.43;膨脹系數α=0.33。

4.1 圍巖不同吸水時間隨位置不同膨脹變形量分析

將運輸巷遇水變形量計算參數代入式(9),計算圍巖吸水5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d后,圍巖吸水膨脹變形量隨位置不同的變化曲線見圖3。

分析圖3的曲線形態,隨圍巖深度的增加,吸水膨脹量是逐漸減小的。隨著距水源的距離增加,變形趨勢逐漸變緩。如果圍巖充分吸水,膨脹量在30 d后可以達到621 mm。

圖3 不同時間變形量隨位置變化曲線

4.2 圍巖相同位置不同時刻變形量計算

圖4為壁面及距壁面1 m、2 m、3 m、4 m和5 m處圍巖吸水膨脹量隨時間變化曲線。

圖4 圍巖相同位置膨脹量隨時間變化曲線

由于假定圍巖每天的吸水量是線性的,因此曲線形態呈直線型。并且,隨著距壁面距離的增加,直線斜率逐漸減小,這是由于隨著距水源距離的增加,圍巖變形受含水率變化影響逐漸減小。

5 結論

(1)軟巖內膨脹性礦物遇水作用后體積膨脹會導致巷道的收斂變形。通過分析圍巖吸水膨脹變形的影響因素,推導出了圍巖吸水膨脹變形量的計算式:

通過測試不同含水率巖石的膨脹率,用最小二乘法擬合ep-W直線方程,直線斜率的絕對值即為膨脹系數。

(2)結合北皂煤礦海域軟巖巷道的水理參數測試結果,得出海域首采面運輸巷的吸水函數為:

(3)分析海域首采面運輸巷的計算結果可知,隨圍巖深度的增加,吸水膨脹量 是逐漸減小的。隨著距水源的距離漸遠,變形趨勢逐漸變緩。運輸巷圍巖表面含水率達到飽和時的最大變形量為621 mm。

[1] 繆協興.用濕度應力場理論分析膨脹巖巷道圍巖變形[J].中國礦業大學學報,1995(1)

[2] 盧愛紅,茅獻彪.濕度應力場的數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2002(S2)

[3] 何滿潮,周莉,李德建等.深井泥巖吸水特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2008(6)

[4] 朱合華,葉斌.飽水狀態下隧道圍巖蠕變力學性質的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2002(12)

[5] 溫春蓮,陳新萬.初始含水率、容重及載荷對膨脹巖特性影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,1992(3)

[6] 繆協興,茅獻彪.盧愛紅.濕度應力場理論在軟巖巷道圍巖穩定性控制中的應用[J].礦山壓力與頂板管理,2002(3)

[7] 繆協興.膨脹巖體中的濕度應力場理論[J].巖土力學,1993(4)

Calculation analysis on water swelling deformation of road in soft rock

Wang Bo
(Bejing Tiandi Huatai Mining Engineering&Technology Co.Ltd.,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

The main reason of soft rock tunnel deformation destruction on surrounding rock is water swelling.In order to analyze the deformation degree,a calculation formula is concluded on the basis of humidity stress field and elastic deformation theory.Also a determination method of the expansion coefficient and water content variation function is given in the formula.Besides,the hydrogeological properties in the transportation tunnel were tested in laboratory which integrated the typical example-Longkou Coal Mine Area.According to the hydrogeological properties,the expansion coefficient and water content variation function are decided,and also the deformation distribution is studied.

soft rock tunnel,water swelling,hydrogeological properties,deformation calculation

TD322

A

天地科技青年創新基金(TZ-JJ-10-HT-2)

王波(1981-),男,山東陽谷縣人,工程師,博士?，F供職于北京天地華泰采礦工程技術有限公司科技研發部,從事采礦工程與巖石力學方面的科研工作。

(責任編輯 張毅玲)