煤礦巷道軟巖性質及支護方法的多尺度研究

李峻峰

摘 要：通過微觀結構分析、細觀力學機制分析，為軟巖工程支護提供指導。通過地質調查和巖石力學試驗，對某煤礦巷道軟巖物理力學性質和微觀性質進行了綜合研究，包括物理性質、礦物成分、及強度和變形性質。基于顆粒流離散元程序PFC，從細觀尺度研究巖塊的的應力-應變曲線，使細觀尺度模型表現(xiàn)與宏觀尺度模型相同的力學性質。

關鍵詞：軟巖巷道 顆粒流離散元 破壞機理 支護方法

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0105-03

某煤礦位于鄂爾多斯萬利礦區(qū)南部，根據(jù)地質資料及現(xiàn)場觀察，所揭露的灰綠色中砂巖或粗砂巖屬于侏羅紀欠膠結的泥質膠結，這類巖體屬于典型的膨脹性軟巖[1]。筆者從物性、微觀、細觀及宏觀力學等幾個尺度對軟巖性質進行了研究，并模擬軟巖巷道開挖破壞機理和細觀力學演變過程，提出相應的支護方法。

1 微觀性質

1.1 微觀結構

黏土礦物以及其圍觀排列巖石通過電子掃描顯微鏡可以觀察出為泥質結構，組成成分為碎屑和黏土礦物，有以下幾點特征：（1）石英顆粒干凈的表面顯示出其母巖并沒受到搬運途中風化的強烈作用；（2）大部分的巖石發(fā)育內部粒間孔隙，其間的填充物多是鹽類以及黏土，表明不徹底的成巖作用，其內部結構不穩(wěn)定；（3）軟巖中膨脹性礦物主要為高嶺石、蒙脫石、綠泥石。

1.2 礦物成分

根據(jù)全礦物X-射線衍射分析結果（見圖1），軟弱巖主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石及粘土礦物組成，其中石英占32.4%，鉀長石占11.4%，斜長石占13.3%，方解石占9.1%，粘土礦物占33.8%。

根據(jù)粘土礦物X-射線衍射分析結果（見圖2），粘土礦物主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成，其中蒙脫石占52%，伊利石占2%，高嶺石占28%，綠泥石占18%。

蒙脫石等粘土礦物具有較強的吸水性，吸收水分之后體積可以增大數(shù)倍，而失水后便發(fā)生體積收縮。根據(jù)上述試驗結果，蒙脫石等膨脹性礦物在軟巖所含礦物中的含量為17.8%，按照軟巖分級標準，該軟弱巖屬于中等膨脹性軟巖。

2 軟巖的力學性質細觀模擬

2.1 巖塊強度及變形性質

通過室內試驗，測得巖塊的力學性質指標見表1。軟巖的單軸應力-應變曲線如圖3所示。

2.2 巖塊的細觀模擬試驗

在以上試驗數(shù)據(jù)的基礎上，基于PFC顆粒流離散元程序建立模型。

建立模型采用與試驗試樣相同的尺寸，采用8 cm×8 cm的模型，試樣共含有3316個顆粒。試樣生成的過程中首先定義4道墻體，其包圍的矩形長、高分別為18 cm和22 cm。為了得到合適的墻體剛度參數(shù)。經過了一些數(shù)值試驗來驗證合理的墻體剛度選擇，最終選取施加圍壓或者約束的墻體應該是在顆粒剛度的0.1倍，對于加載壓盤剛度選取為顆粒剛度的10倍。通過循環(huán)來消除試樣內部的非平均內力。最終試樣見圖4。

通過反復調整最終確定的顆粒流模型的基本參數(shù)，見表2，圖5為數(shù)值計算與室內單軸試驗的應力-位移曲線對比圖，從圖中可以看出結果基本吻合。

3 支護機理與支護方案

由于軟巖的粘土礦物含量高達33.8%，蒙脫石含量17.6%，具有中等偏低膨脹性。軟巖地層最大埋深142m，地應力場以自重應力場為主，地應力在1.2～3 MPa范圍內。軟巖巷道變形力學機制屬于蒙脫石型分子吸水機制和重力型的復合機制。根據(jù)非線性大變形支護設計理論需要將復合變形機制轉化為單一的重力場變形機制。

由于軟巖具有膨脹性，在地下水作用下體積膨脹，巖粉黏著在孔壁上，錨固段混凝土與孔壁黏著力較小，現(xiàn)場抗拔拉試驗表明，軟巖錨固力僅有2.0～3.0 t，因此，錨桿不適合該軟巖的支護，現(xiàn)場采用的具體方案如下：初期支護采用超前管棚+U型鋼拱架+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護方案，二次支護采用噴射混凝土。

（1）超前管棚。

采用管棚支護，直徑45 mm，長2500 mm，

間距300 mm，管棚重疊長1000 mm左右。消除開挖引起的應力集中力狀態(tài)，預保護巖層，并使圍巖處于有利的三向受力狀態(tài)。

（2）25號U型鋼支架。

支架間距800～1000 mm，支架間使用4根12號槽鋼拉桿進行硬連接。棚腿下端焊接一塊300 mm×300 mm×10 mm的鋼板。

（3）金屬網(wǎng)片。

鋼筋網(wǎng)直徑φ6.5 mm，Ⅰ級圓鋼，網(wǎng)格50×50 mm、網(wǎng)片1000×3000 mm。在開挖后先掛網(wǎng)片，覆蓋松動破碎巖體。

（4）全斷面及時噴射60.0 mm厚C20混凝土封閉圍巖，使裂隙分割的巖塊層面粘結，保持巖塊間的咬合、鑲嵌作用，提高了巖體自身的粘聚力和內摩擦角。同時混凝土層封閉了圍巖，能夠防止因水和風化作用造成的圍巖破壞與剝落。

巷道在開挖后進入為加速變形期，完成大部分變形，之后變形趨于收斂，兩幫加固后趨于穩(wěn)定，說明施工后變形控制效果明顯，見圖6。

4 結語

同過得軟巖微觀性質、細觀力學機制研究以及軟巖巷道的開挖破壞機理分析，提出對某煤礦巷道的支護措施，并可得出如下結論：

（1）該軟巖的粘土礦物含量高達33.8%，蒙脫石含量17.6%，具有中等偏低膨脹性。物理力學性質與巖石本身的礦物成分及內部結構密切相關，黏土礦物的含量是主要的影響因素。

（2）通過對巖石的力學試驗和模擬的對比分析，該軟巖具有孔隙率大、含水量高、強度低的特點，基于顆粒流離散元的細觀模擬，能很好的反應軟巖的宏觀力學性質。

（3）巷道開挖時，頂、底部圍巖的豎向應力的迅速釋放，造成巷道底鼓和冒頂效應的主要原因。同時導致在這兩個角點處產生較大的剪應力，其值隨著圍巖深度的增加逐步降低，符號變化與應力路徑相關。計算穩(wěn)定時圍巖形成壓力拱。

（4）巷道支護應盡可能使圍巖形成壓力拱，現(xiàn)場試驗表明，錨桿不適合該軟巖的支護，現(xiàn)場采用初期支護采用超前管棚+U型鋼拱架+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護方案，二次支護采用噴射混凝土，效果明顯。

參考文獻

[1] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學[M].北京：科學出版社，2002.

[2] 魏光遠.鄂爾多斯高家梁煤礦軟巖巷道變形機制和支護方法研究[D].北京：北京工業(yè)大學建筑工程學院，2008：17-27.

[3] 汪成兵.軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞機理研究[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 徐永福，孫德安，董平.膨潤土及其與砂混合物的膨脹試驗[J].巖石力學與工程學報，2003，22（3）：451-455.

[5] 靖洪文，李元海，許國安.深埋巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術研究[J].巖土力學，2005，26（6）：877-888.endprint

摘 要：通過微觀結構分析、細觀力學機制分析，為軟巖工程支護提供指導。通過地質調查和巖石力學試驗，對某煤礦巷道軟巖物理力學性質和微觀性質進行了綜合研究，包括物理性質、礦物成分、及強度和變形性質。基于顆粒流離散元程序PFC，從細觀尺度研究巖塊的的應力-應變曲線，使細觀尺度模型表現(xiàn)與宏觀尺度模型相同的力學性質。

關鍵詞：軟巖巷道 顆粒流離散元 破壞機理 支護方法

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0105-03

某煤礦位于鄂爾多斯萬利礦區(qū)南部，根據(jù)地質資料及現(xiàn)場觀察，所揭露的灰綠色中砂巖或粗砂巖屬于侏羅紀欠膠結的泥質膠結，這類巖體屬于典型的膨脹性軟巖[1]。筆者從物性、微觀、細觀及宏觀力學等幾個尺度對軟巖性質進行了研究，并模擬軟巖巷道開挖破壞機理和細觀力學演變過程，提出相應的支護方法。

1 微觀性質

1.1 微觀結構

黏土礦物以及其圍觀排列巖石通過電子掃描顯微鏡可以觀察出為泥質結構，組成成分為碎屑和黏土礦物，有以下幾點特征：（1）石英顆粒干凈的表面顯示出其母巖并沒受到搬運途中風化的強烈作用；（2）大部分的巖石發(fā)育內部粒間孔隙，其間的填充物多是鹽類以及黏土，表明不徹底的成巖作用，其內部結構不穩(wěn)定；（3）軟巖中膨脹性礦物主要為高嶺石、蒙脫石、綠泥石。

1.2 礦物成分

根據(jù)全礦物X-射線衍射分析結果（見圖1），軟弱巖主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石及粘土礦物組成，其中石英占32.4%，鉀長石占11.4%，斜長石占13.3%，方解石占9.1%，粘土礦物占33.8%。

根據(jù)粘土礦物X-射線衍射分析結果（見圖2），粘土礦物主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成，其中蒙脫石占52%，伊利石占2%，高嶺石占28%，綠泥石占18%。

蒙脫石等粘土礦物具有較強的吸水性，吸收水分之后體積可以增大數(shù)倍，而失水后便發(fā)生體積收縮。根據(jù)上述試驗結果，蒙脫石等膨脹性礦物在軟巖所含礦物中的含量為17.8%，按照軟巖分級標準，該軟弱巖屬于中等膨脹性軟巖。

2 軟巖的力學性質細觀模擬

2.1 巖塊強度及變形性質

通過室內試驗，測得巖塊的力學性質指標見表1。軟巖的單軸應力-應變曲線如圖3所示。

2.2 巖塊的細觀模擬試驗

在以上試驗數(shù)據(jù)的基礎上，基于PFC顆粒流離散元程序建立模型。

建立模型采用與試驗試樣相同的尺寸，采用8 cm×8 cm的模型，試樣共含有3316個顆粒。試樣生成的過程中首先定義4道墻體，其包圍的矩形長、高分別為18 cm和22 cm。為了得到合適的墻體剛度參數(shù)。經過了一些數(shù)值試驗來驗證合理的墻體剛度選擇，最終選取施加圍壓或者約束的墻體應該是在顆粒剛度的0.1倍，對于加載壓盤剛度選取為顆粒剛度的10倍。通過循環(huán)來消除試樣內部的非平均內力。最終試樣見圖4。

通過反復調整最終確定的顆粒流模型的基本參數(shù)，見表2，圖5為數(shù)值計算與室內單軸試驗的應力-位移曲線對比圖，從圖中可以看出結果基本吻合。

3 支護機理與支護方案

由于軟巖的粘土礦物含量高達33.8%，蒙脫石含量17.6%，具有中等偏低膨脹性。軟巖地層最大埋深142m，地應力場以自重應力場為主，地應力在1.2～3 MPa范圍內。軟巖巷道變形力學機制屬于蒙脫石型分子吸水機制和重力型的復合機制。根據(jù)非線性大變形支護設計理論需要將復合變形機制轉化為單一的重力場變形機制。

由于軟巖具有膨脹性，在地下水作用下體積膨脹，巖粉黏著在孔壁上，錨固段混凝土與孔壁黏著力較小，現(xiàn)場抗拔拉試驗表明，軟巖錨固力僅有2.0～3.0 t，因此，錨桿不適合該軟巖的支護，現(xiàn)場采用的具體方案如下：初期支護采用超前管棚+U型鋼拱架+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護方案，二次支護采用噴射混凝土。

（1）超前管棚。

采用管棚支護，直徑45 mm，長2500 mm，

間距300 mm，管棚重疊長1000 mm左右。消除開挖引起的應力集中力狀態(tài)，預保護巖層，并使圍巖處于有利的三向受力狀態(tài)。

（2）25號U型鋼支架。

支架間距800～1000 mm，支架間使用4根12號槽鋼拉桿進行硬連接。棚腿下端焊接一塊300 mm×300 mm×10 mm的鋼板。

（3）金屬網(wǎng)片。

鋼筋網(wǎng)直徑φ6.5 mm，Ⅰ級圓鋼，網(wǎng)格50×50 mm、網(wǎng)片1000×3000 mm。在開挖后先掛網(wǎng)片，覆蓋松動破碎巖體。

（4）全斷面及時噴射60.0 mm厚C20混凝土封閉圍巖，使裂隙分割的巖塊層面粘結，保持巖塊間的咬合、鑲嵌作用，提高了巖體自身的粘聚力和內摩擦角。同時混凝土層封閉了圍巖，能夠防止因水和風化作用造成的圍巖破壞與剝落。

巷道在開挖后進入為加速變形期，完成大部分變形，之后變形趨于收斂，兩幫加固后趨于穩(wěn)定，說明施工后變形控制效果明顯，見圖6。

4 結語

同過得軟巖微觀性質、細觀力學機制研究以及軟巖巷道的開挖破壞機理分析，提出對某煤礦巷道的支護措施，并可得出如下結論：

（1）該軟巖的粘土礦物含量高達33.8%，蒙脫石含量17.6%，具有中等偏低膨脹性。物理力學性質與巖石本身的礦物成分及內部結構密切相關，黏土礦物的含量是主要的影響因素。

（2）通過對巖石的力學試驗和模擬的對比分析，該軟巖具有孔隙率大、含水量高、強度低的特點，基于顆粒流離散元的細觀模擬，能很好的反應軟巖的宏觀力學性質。

（3）巷道開挖時，頂、底部圍巖的豎向應力的迅速釋放，造成巷道底鼓和冒頂效應的主要原因。同時導致在這兩個角點處產生較大的剪應力，其值隨著圍巖深度的增加逐步降低，符號變化與應力路徑相關。計算穩(wěn)定時圍巖形成壓力拱。

（4）巷道支護應盡可能使圍巖形成壓力拱，現(xiàn)場試驗表明，錨桿不適合該軟巖的支護，現(xiàn)場采用初期支護采用超前管棚+U型鋼拱架+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護方案，二次支護采用噴射混凝土，效果明顯。

參考文獻

[1] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學[M].北京：科學出版社，2002.

[2] 魏光遠.鄂爾多斯高家梁煤礦軟巖巷道變形機制和支護方法研究[D].北京：北京工業(yè)大學建筑工程學院，2008：17-27.

[3] 汪成兵.軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞機理研究[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 徐永福，孫德安，董平.膨潤土及其與砂混合物的膨脹試驗[J].巖石力學與工程學報，2003，22（3）：451-455.

[5] 靖洪文，李元海，許國安.深埋巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術研究[J].巖土力學，2005，26（6）：877-888.endprint

摘 要：通過微觀結構分析、細觀力學機制分析，為軟巖工程支護提供指導。通過地質調查和巖石力學試驗，對某煤礦巷道軟巖物理力學性質和微觀性質進行了綜合研究，包括物理性質、礦物成分、及強度和變形性質。基于顆粒流離散元程序PFC，從細觀尺度研究巖塊的的應力-應變曲線，使細觀尺度模型表現(xiàn)與宏觀尺度模型相同的力學性質。

關鍵詞：軟巖巷道 顆粒流離散元 破壞機理 支護方法

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0105-03

某煤礦位于鄂爾多斯萬利礦區(qū)南部，根據(jù)地質資料及現(xiàn)場觀察，所揭露的灰綠色中砂巖或粗砂巖屬于侏羅紀欠膠結的泥質膠結，這類巖體屬于典型的膨脹性軟巖[1]。筆者從物性、微觀、細觀及宏觀力學等幾個尺度對軟巖性質進行了研究，并模擬軟巖巷道開挖破壞機理和細觀力學演變過程，提出相應的支護方法。

1 微觀性質

1.1 微觀結構

黏土礦物以及其圍觀排列巖石通過電子掃描顯微鏡可以觀察出為泥質結構，組成成分為碎屑和黏土礦物，有以下幾點特征：（1）石英顆粒干凈的表面顯示出其母巖并沒受到搬運途中風化的強烈作用；（2）大部分的巖石發(fā)育內部粒間孔隙，其間的填充物多是鹽類以及黏土，表明不徹底的成巖作用，其內部結構不穩(wěn)定；（3）軟巖中膨脹性礦物主要為高嶺石、蒙脫石、綠泥石。

1.2 礦物成分

根據(jù)全礦物X-射線衍射分析結果（見圖1），軟弱巖主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石及粘土礦物組成，其中石英占32.4%，鉀長石占11.4%，斜長石占13.3%，方解石占9.1%，粘土礦物占33.8%。

根據(jù)粘土礦物X-射線衍射分析結果（見圖2），粘土礦物主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成，其中蒙脫石占52%，伊利石占2%，高嶺石占28%，綠泥石占18%。

蒙脫石等粘土礦物具有較強的吸水性，吸收水分之后體積可以增大數(shù)倍，而失水后便發(fā)生體積收縮。根據(jù)上述試驗結果，蒙脫石等膨脹性礦物在軟巖所含礦物中的含量為17.8%，按照軟巖分級標準，該軟弱巖屬于中等膨脹性軟巖。

2 軟巖的力學性質細觀模擬

2.1 巖塊強度及變形性質

通過室內試驗，測得巖塊的力學性質指標見表1。軟巖的單軸應力-應變曲線如圖3所示。

2.2 巖塊的細觀模擬試驗

在以上試驗數(shù)據(jù)的基礎上，基于PFC顆粒流離散元程序建立模型。

建立模型采用與試驗試樣相同的尺寸，采用8 cm×8 cm的模型，試樣共含有3316個顆粒。試樣生成的過程中首先定義4道墻體，其包圍的矩形長、高分別為18 cm和22 cm。為了得到合適的墻體剛度參數(shù)。經過了一些數(shù)值試驗來驗證合理的墻體剛度選擇，最終選取施加圍壓或者約束的墻體應該是在顆粒剛度的0.1倍，對于加載壓盤剛度選取為顆粒剛度的10倍。通過循環(huán)來消除試樣內部的非平均內力。最終試樣見圖4。

通過反復調整最終確定的顆粒流模型的基本參數(shù)，見表2，圖5為數(shù)值計算與室內單軸試驗的應力-位移曲線對比圖，從圖中可以看出結果基本吻合。

3 支護機理與支護方案

由于軟巖的粘土礦物含量高達33.8%，蒙脫石含量17.6%，具有中等偏低膨脹性。軟巖地層最大埋深142m，地應力場以自重應力場為主，地應力在1.2～3 MPa范圍內。軟巖巷道變形力學機制屬于蒙脫石型分子吸水機制和重力型的復合機制。根據(jù)非線性大變形支護設計理論需要將復合變形機制轉化為單一的重力場變形機制。

由于軟巖具有膨脹性，在地下水作用下體積膨脹，巖粉黏著在孔壁上，錨固段混凝土與孔壁黏著力較小，現(xiàn)場抗拔拉試驗表明，軟巖錨固力僅有2.0～3.0 t，因此，錨桿不適合該軟巖的支護，現(xiàn)場采用的具體方案如下：初期支護采用超前管棚+U型鋼拱架+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護方案，二次支護采用噴射混凝土。

（1）超前管棚。

采用管棚支護，直徑45 mm，長2500 mm，

間距300 mm，管棚重疊長1000 mm左右。消除開挖引起的應力集中力狀態(tài)，預保護巖層，并使圍巖處于有利的三向受力狀態(tài)。

（2）25號U型鋼支架。

支架間距800～1000 mm，支架間使用4根12號槽鋼拉桿進行硬連接。棚腿下端焊接一塊300 mm×300 mm×10 mm的鋼板。

（3）金屬網(wǎng)片。

鋼筋網(wǎng)直徑φ6.5 mm，Ⅰ級圓鋼，網(wǎng)格50×50 mm、網(wǎng)片1000×3000 mm。在開挖后先掛網(wǎng)片，覆蓋松動破碎巖體。

（4）全斷面及時噴射60.0 mm厚C20混凝土封閉圍巖，使裂隙分割的巖塊層面粘結，保持巖塊間的咬合、鑲嵌作用，提高了巖體自身的粘聚力和內摩擦角。同時混凝土層封閉了圍巖，能夠防止因水和風化作用造成的圍巖破壞與剝落。

巷道在開挖后進入為加速變形期，完成大部分變形，之后變形趨于收斂，兩幫加固后趨于穩(wěn)定，說明施工后變形控制效果明顯，見圖6。

4 結語

同過得軟巖微觀性質、細觀力學機制研究以及軟巖巷道的開挖破壞機理分析，提出對某煤礦巷道的支護措施，并可得出如下結論：

（1）該軟巖的粘土礦物含量高達33.8%，蒙脫石含量17.6%，具有中等偏低膨脹性。物理力學性質與巖石本身的礦物成分及內部結構密切相關，黏土礦物的含量是主要的影響因素。

（2）通過對巖石的力學試驗和模擬的對比分析，該軟巖具有孔隙率大、含水量高、強度低的特點，基于顆粒流離散元的細觀模擬，能很好的反應軟巖的宏觀力學性質。

（3）巷道開挖時，頂、底部圍巖的豎向應力的迅速釋放，造成巷道底鼓和冒頂效應的主要原因。同時導致在這兩個角點處產生較大的剪應力，其值隨著圍巖深度的增加逐步降低，符號變化與應力路徑相關。計算穩(wěn)定時圍巖形成壓力拱。

（4）巷道支護應盡可能使圍巖形成壓力拱，現(xiàn)場試驗表明，錨桿不適合該軟巖的支護，現(xiàn)場采用初期支護采用超前管棚+U型鋼拱架+金屬網(wǎng)+噴射混凝土的聯(lián)合支護方案，二次支護采用噴射混凝土，效果明顯。

參考文獻

[1] 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學[M].北京：科學出版社，2002.

[2] 魏光遠.鄂爾多斯高家梁煤礦軟巖巷道變形機制和支護方法研究[D].北京：北京工業(yè)大學建筑工程學院，2008：17-27.

[3] 汪成兵.軟弱破碎隧道圍巖漸進性破壞機理研究[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 徐永福，孫德安，董平.膨潤土及其與砂混合物的膨脹試驗[J].巖石力學與工程學報，2003，22（3）：451-455.

[5] 靖洪文，李元海，許國安.深埋巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術研究[J].巖土力學，2005，26（6）：877-888.endprint