深埋坑道復雜圍巖組合試件巖爆傾向性試驗研究

田 寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

0 引言

伴隨著經濟和社會的發展，越來越多的深埋工程呈現出“長、大、深、群”的特點，帶來許多深部巖石力學問題，尤以巖爆最為突出。由于巖爆現象的復雜性，巖爆問題至今仍是巖石力學領域的世界性難題之一［1］。通過大量的工程實踐及經驗的積累，目前有效的巖爆防治措施有加固圍巖、完善施工方法、改善圍巖應力條件以及改變圍巖性質等［2］。

由于巖性是決定巖石能否發生巖爆的內在固有因素，根據巖石室內試驗結果評價巖爆的傾向性不失為一種既有效又經濟的方法［3－4］。劉波等［5］對孫村煤礦－1 100 m的深部煤巖進行了組合試驗研究，總結出了有關防治巖爆的措施;李麗娟［6］從能量角度對金川礦山深部巖樣的巖爆傾向性進行了試驗研究?？梢钥闯?，以上研究僅對煤巖、礦巖等巖樣的巖爆傾向性做了較深入的試驗研究，而對含有軟弱夾層的巖樣巖爆傾向性研究較少。本文以重慶某深埋坑道為背景，該處圍巖是由含泥巖夾層的砂巖、粉砂巖構成的層狀地層。通過對砂巖、泥巖及其組合試件進行一系列的室內試驗，獲得了巖爆傾向性定量評價結果，可為類似深埋工程巖爆防治提供借鑒。

1 復雜圍巖物理力學性質試驗

1.1 采樣制樣

將采樣的砂巖、泥巖巖芯用鋸石機、磨石機加工成相應尺寸，將加工好的砂巖、泥巖試件按不同高度比和不同組合形式用502膠粘接成為φ50 mm×100 mm標準試件，試件精度滿足煤炭工業部標準《煤和巖石物理力學性質測定方法》的規定。其中，砂巖試件尺寸為φ50 mm×100 mm，編號為M1～M5;泥巖試件尺寸為φ50 mm×100 mm，編號為S1～S5;組合試件模型分成2組。

1)第1組。①砂巖與泥巖高度比為1∶1組合(MSA)，②砂巖與泥巖高度比為2∶1組合(MSB)，③砂巖與泥巖高度比為3∶1組合(MSC)。

2)第2組。泥巖、砂巖與泥巖高度比為1∶1∶1組合(MSD)。每組試樣采用3個試件，每組中各試件依次編號為No.1～3。加工時滿足砂巖、泥巖不同厚度比及組合成100 mm標準試件總高度的要求。如MSA1組試件(1∶1)由尺寸為φ50 mm×50 mm的泥巖試樣與φ50 mm×50 mm的砂巖試樣疊合粘接而成;MSB1組試件(1∶2)由尺寸為φ50 mm×33.3 mm的泥巖試樣與φ50 mm×66.7 mm的砂巖試樣疊合粘接而成，以此類推。部分組合試件試驗前后照片如圖1和圖2所示。

1.2 試驗設備

本次試驗采用TAW－2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，該試驗機是巖石力學領域研究巖石在多種環境下的力學特性及剪切特性的先進試驗設備，試驗機的控制系統采用德國DOLI公司原裝進口的EDC全參數伺服測控器。該試驗機采用了巖石變形傳感器對巖石在單軸和三軸狀態下的軸向及徑向變形進行直接測量，精確度高，可信度高。

1.3 試驗內容

本次試驗采用TAW－2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，試驗內容有單軸抗壓強度試驗、三軸抗壓強度試驗、動態破壞時間試驗、彈性能量指數試驗以及不同厚度比例的砂巖、泥巖組合試件沖擊特性試驗。泥巖、砂巖的力學性質測定結果如表1所示。

表1 泥巖、砂巖力學性質測定結果Table 1 Mechanical characteristics of mudstone and sandstone samples

由表1可以看出:開挖砂巖斷面有泥巖夾層區域，其強度會比純砂巖斷面降低很多。從組合試件的力學性質測定結果可以得出，組合試件的單軸平均抗壓強度介于砂巖與泥巖平均單軸抗壓強度之間，且接近于泥巖平均抗壓強度。同時可以看出，泥巖的力學性質與煤巖十分接近，因此，通過借鑒煤層沖擊傾向指標來評判泥巖的巖爆傾向性是合理的。

2 組合試件巖爆傾向性試驗與分析

2.1 試驗原理

本試驗試圖通過借鑒煤炭行業關于煤層沖擊傾向測定方法，依照國家現行標準MT 865—2000《煤層沖擊傾向性分類及指標測定方法》和MT 866—2000《巖石沖擊傾向性分類及指標測定方法》的有關規定，研究泥巖、砂巖及不同厚度比例的泥巖與砂巖組合試件的力學性質與動態破壞特性。煤層沖擊傾向性按煤的沖擊傾向指數值大小分3類，類別、名稱及指數見表2。其中，動態破壞時間是指試件在單軸壓縮狀態下，從極限強度到完全破壞所經歷的時間，單位為ms，用DT 表示［7］。

表2 煤層沖擊傾向性分類、名稱及指數Table 2 Classification and index of burst tendency of coal

巖石沖擊傾向性指標為彎曲能量指數。巖石沖擊傾向性分類按巖石沖擊傾向性指數值的大小分3類，類別、名稱及指數見表 3［8］。

表3 巖石沖擊傾向性分類、名稱及指數Table 3 Classification and index of burst tendency of rock

2.2 試驗結果分析

泥巖試件、砂巖試件及其組合試件的應力－應變曲線如圖3—5所示。

泥巖試件、砂巖試件及其組合試件動態破壞時間曲線如圖6—9所示。從曲線上可以看出，動態破壞時間即從試件達到峰值強度到完全破壞所經歷的時間。

由圖6—9可以得出:在單軸壓縮試驗中，在0.5 MPa/s速度加載條件下，泥巖動態破壞峰值強度為38.2 MPa，加載時間為0.037 h;砂巖1∶1組合試件動態破壞峰值強度為70.7 MPa，加載時間為0.047 h，動態破壞時間為720 ms;泥巖與砂巖1∶2組合試件動態破壞峰值強度為61.95 MPa，加載時間為0.018 h，動態破壞時間為360 ms;泥巖與砂巖1∶3組合試件動態破壞峰值強度為63.99 MPa，加載時間為0.045 3 h。

從組合試件的測定結果可以得出:隨著泥巖、砂巖厚度比的減小，動態破壞強度有所增加，破壞持續時間增長，巖爆傾向性加?。?－11］。

通過對該處深埋坑道泥巖試件、砂巖試件進行室內巖爆傾向性試驗，獲得的判定結果如表4所示。

表4 泥巖與砂巖巖爆傾向判定結果Table 4 Rockburst tendency of mudstone and sandstone samples

3 深埋坑道砂巖浸水試驗

為有效地防止巖爆災害對施工的影響，對深埋試驗坑道的砂巖試件進行了浸水前后強度變化研究，分別進行3組(非浸水試件、浸水7 d、浸水14 d)強度試驗。砂巖浸水單軸抗壓強度結果見表5。

表5 砂巖浸水單軸抗壓強度結果Table 5 Uniaxial compressive strength of sandstone sample before and after water immersion

從浸水試驗結果來看，砂巖試件浸水后的抗壓強度都有下降，且下降幅度較大，因此，注水將能改變該處巖層的巖爆傾向狀況。

4 結論與討論

本文從深埋坑道圍巖巖爆傾向性著手，進行了一些探索性試驗工作。由于泥巖夾層的物理力學性質與煤巖十分相近，通過借鑒煤炭行業關于煤層沖擊傾向性測定方法，研究了泥巖、砂巖及不同厚度比例的組合試件的力學性質與動態破壞特性，可為類似工程提供參考。

1)試驗結果表明該處坑道砂巖、泥巖均具有弱巖爆傾向性，與現場施工時常有巖爆現象相吻合，同時也驗證了借鑒煤炭行業有關煤巖沖擊傾向標準來評判此處泥巖巖爆傾向性的方法是可行的。

2)通過對比不同厚度比例的泥巖與砂巖組合試件測定結果，得出該處深部坑道圍巖的巖爆傾向性隨著泥巖、砂巖厚度比的減小而增強，可為該深埋坑道施工遇泥巖夾層厚度變化時應加強防護措施提供試驗依據。

3)通過對砂巖試件進行浸水試驗，表明采用注水方法可以顯著改變砂巖的物理力學性質，從而降低深部坑道圍巖巖爆傾向性，可以做為現場巖爆防治措施加以考慮。同時，由于泥巖遇水會產生崩解，對于含有泥巖夾層地段則不宜采用注水方法。

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