高應力環境下高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩定性及孔隙水壓力分布規律研究

金 明

(中國高嶺土有限公司， 江蘇 蘇州 215163)

高應力環境下高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩定性及孔隙水壓力分布規律研究

金 明

(中國高嶺土有限公司， 江蘇 蘇州 215163)

軟巖在受到集中應力作用之后會展示出許多種力學特征，如可塑性、擴容性、流變性及崩解分散性等。巖石擴容指的是在偏應力作用下體積增加。巖石擴容變形是偏應力作用的結果，偏應力大小與擴容變形程度成正比關系。本文以高嶺土軟巖巷道支護形式與特點為重點，探討高應力環境下高嶺土深部軟巖巷道圍巖穩定性及孔隙水壓力分布規律。

高應力； 高嶺土； 深部軟巖巷道； 穩定性

1 前言

軟巖之間的隙縫較多，主要由粘土質組成，且礦物顆粒小，極易吸收水分子，從而導致巖石內部增生許多微孔隙，使巖樣的內部結構體系發生變化，最終形成泥化現象。當水分子滲透進軟巖的孔隙和裂隙中時，內部微小巖粒的吸附水膜就會增厚，導致軟巖發生體積膨脹現象，不均勻的體積膨脹會引起軟巖內不均勻的應力產生，由此引發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隨之增加，導致軟巖縫隙充水，顆粒之間的相互作用減弱，顆粒結構遭到破壞，產生軟化、崩解現象[2]。

2 高嶺土深部軟巖巷道支護形式

到目前為止，軟巖巷道最有效、實用的支護形式主要是錨噴網支護系統。采用噴射混凝土的施工法可以及時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巖體穩定性的影響。錨網不但能夠支撐錨桿之間的圍巖，還能夠將單個錨桿組合成整個錨桿群，和混凝土噴層形成具有柔韌性的支護圈。錨噴網支護系統允許圍巖在可承受的范圍內變形，它的支護作用也能滿足對軟巖一次支護的需求[3]。可以針對圍巖實際情況，使用桁架錨網、鋼筋梯錨網支護方式，進行二次噴射混凝土支護。可以采用軟木塞或者橡膠圈混合使用混凝土進行封孔。錨桿安裝和注漿分兩個工序進行。采用普通端頭錨固或加長錨固錨桿進行巷道掘進，在尾部套上軟木塞或橡膠圈，再上托盤擰緊螺母，形成封孔效果。最后一個步驟就是噴射混凝土，鞏固封孔以及支護效果[4]。當巷道圍巖變形超過可承受范圍，沿著巷道的周邊形成松動破裂區時，采用建筑工程注漿方式，一方面會使巷道圍巖進行泄壓，另一方面又能使注漿加固效果達到最佳狀態，見圖1。

圖1 高嶺土深部軟巖巷道支護示意圖

U型鋼金屬支架從結構上看具有可縮量和承載能力，構件之間可縮量以及彈性變形能夠有效調節圍巖的應力。在支架產生變形以及收縮過程中，有效防止圍巖的繼續變形，承受圍巖壓力，促進應力趨于平衡狀態[5]。我國在U型鋼可縮性金屬支架架后充填、架間支護、支護材料調質處理、支護工藝規范化等方面進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用。軟巖中采用的斷面支護形狀為圓形且具有伸縮性，可以有效預防水分子的侵蝕及避免松散堆積物的形成，能夠對底鼓進行有效控制。平時都是通過“木磚縫料石圓碹”和條帶碹法這兩種措施使碹體可縮。弧板的支架采用高強度的混凝土施工技術，使斷面呈現全封閉狀態，再結合高強度的鋼筋混凝土結構形成巷道支架。

3 軟巖的力學特性

圖2所展現出最大主應力是沿劈面的切向方向，越靠近采空區，切向應力就越大，劈面切向應力達到最大值。最小主應力是沿巷道的徑向應力，在巷道周邊處為零，向圍巖深部逐漸增大。如果巷道埋深超過軟化臨界深度，應力高于巖土強度的部分巖體就發生破壞，靠近劈面的巖體最先破壞，最大主應力集中區向圍巖內部轉移[6]。在巷道的高度及跨度不變的前提下，要想使圍巖結構得到改善就必須合理地選擇錨桿長度、間距等，進行正確的安裝，才能使圍巖的承受能力提高，支護發揮出最佳效果。

Rf—塑性流動區半徑; Rs—塑性軟化區半徑; Rh—塑性硬化區半徑圖2 軟巖巷道圍巖分區示意圖

節理裂隙發育的圍巖在水分子滲入之后呈現飽和狀態，再加上地殼中應力以及構造體系和構造形式地應力場的共同作用下，巷道開挖之后，圍巖周邊應力和水壓力都會重新分布；在可影響區域內，巖石隙縫在水壓與高應力作用下很快擴展，造成圍巖破碎更加嚴重；水分子的滲透能夠使巖石節理面得到有效的潤滑，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定性及孔隙水壓力分布規律

巖石的吸水、導水和地下水運動，不但是重要的水理性質，同時也是研究水文地質、注漿工程必不可少的基礎資料。巖石的滲流性是指在水壓力作用下水在巖石隙縫、裂隙內流動和通過的能力。在一般情況下，水在軟巖中滲流速度很小，可看作流動。遵循達西層流滲流定律，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；I——水力坡降。

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

在軟巖礦井巷道巖幫內會出現較薄的粘泥夾層，當巷道掘進巖面剛揭露時，表層會呈現出干燥堅固狀態，一兩天之后表層的水含量急劇增加，甚至飽水呈“豆腐乳”狀，完全沒有強度，而且會由于體積膨脹而被擠出，對巷道支護具有嚴重的破壞性。

5 結語

在高應力作用下，造成巷道破壞的原因是水與破碎的圍巖之間的相互作用，為了有效預防變形破壞，要嚴格控制水和高應力。采用錨桿(索)與注漿巷道支護能有效控制水滲流，減小對破碎巖體的沖刷破壞，為錨固過程創造良好的條件。錨索支護和注漿能夠防止圍巖隙縫擴展，擴大錨固范圍，從而減輕應力的變化梯度，使其成為良好自承載體。通過數值模擬可以得出在錨桿(索)、注漿加固下會形成較好支護效果的結論。這種方法在中國高嶺土有限公司陽西礦、觀山礦的應用中取得良好的效果，具有良好的推廣應用價值。

[1] 劉 洋，葉義成，劉曉云，岳 哲，胡南燕.基于未確知聚類法的巷道圍巖穩定性預測[J].中國安全生產科學技術，2017，22(2)：56-61.

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

[3] 羅生虎，伍永平，張嘉凡.圍巖—錨固體流變控制機制及支護最優化設計[J].巖土力學，2017,(1)：124-132.

[4] 汪令輝.基于加卸載響應比的小間距雙硐巷道圍巖穩定性研究[J].礦業研究與開發，2016,(8)：41-46.

[5] 武越超，韋志遠，譚英明，牛欽環.空巷影響下回采巷道圍巖穩定性及支護設計研究[J].煤炭科學技術，2016,(5)：128-130.

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

[7] 唐禮忠，高龍華，王 春，蔣 鋒.動力擾動下含軟弱夾層巷道圍巖穩定性數值分析[J].采礦與安全工程學報，2016,(1)：63-69.

[8] 和樹棟.沿空動壓巷道圍巖穩定性模擬研究[J].煤炭技術，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，從事采礦技術和安全管理工作。

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