厚層泥巖底板變形破壞特征分析

程 帥

(大同煤礦集團 燕子山礦，山西 大同 037000)

1 泥巖特性分析

巷道底板的巖性對于巷道穩定性有著重要的影響，順和煤礦－702水平西翼軌道大巷掘進過程中揭露底板巖層主要為砂質泥巖、泥巖等。泥巖是指粒度＜4 μm，成分主要由黏土礦物組成的一類巖石，由于泥巖的結構和成分特點，其普遍表現出強度低、承載能力差的工程力學特點。泥巖的特性一般可以通過研究巖石強度、擴容性及流變性來了解。

1)底板巖石的強度。

礦井建設與生產實踐表明，煤與巖石物理力學性質是礦井科研、生產、設計中不可或缺的基礎數據，能夠為巷道圍巖分類及巷道施工、支護設計提供依據。通過鉆取巖芯，在實驗室測得各巖層的力學性質，西翼軌道大巷底板巖石力學性質表見表1.

表1 西翼軌道大巷底板巖石力學性質表

由表1可知，根據各巖層指標及國際上對軟巖的定義可確定該巷道為軟巖巷道。且試驗結果表明，泥巖與砂質泥巖均具有親水性，巖石膠結性差，遇水易產生損傷，巖石中節理、裂隙由于水的浸入產生崩解、軟化甚至泥化，使11巖石的承載能力明顯減弱，泥巖抗崩解能力低，軟化性較強。

2)泥巖的擴容性。

巖石中存在許多孔洞及裂隙，且大多數孔隙是相互連通的，由圍巖壓力引起的裂隙貫通、擴展，而產生的體積膨脹叫做圍巖的擴容性。它是巖石間隙或裂隙受力后而產生的，與吸水膨脹不同的是，巖石的擴容性屬于力學機制。

巷道的穩定性受巷道圍巖擴容性質的影響很大。當巷道受到應力擠壓時，由于泥巖的擴容性，而會產生強烈的底鼓，并且由于泥巖、砂質泥巖中含有很多的裂隙或孔隙，擴容性質會使得這些裂隙或者孔隙導通，為水的流入產生通道，提供儲水空間。巖體的擴容取決于所受到的圍巖應力狀態，如果把應力狀態當做一種三向等壓靜水應力狀態，那么巷道開挖使得切向應力在巷道圍巖表層附近出現局部應力集中，而徑向應力在巷道表層得以釋放，產生應力偏量(圖1).此二階張量可分解為兩部分，球應力張量和偏應力張量，即:

球應力張量是一種三向均壓狀態，根據經典彈性力學知識可知，在三向等壓應力條件下，不會引起巷道圍巖產生擴容變形，只有偏應力張量才會引起巷道圍巖產生擴容變形。－702水平西翼軌道大巷底板圍巖巖性軟弱，在偏應力張量的作用下，底板圍巖易產生擴容性變形。

圖1 巷道開挖后圍巖強度和應力變化圖

3)泥巖的流變性。

有些特定條件下的巖體，如破碎帶、軟弱夾層、斷層等會產生顯著的流變現象。巖石的流變性指巖石的應力—應變關系與時間有關的性質。軟巖的流變性主要表現在軟巖的松弛性、蠕變性及流動極限下的衰減性質。松弛性是指在保持恒定變形條件下，應力隨時間的持續而逐漸減小的性質;蠕變性是指在恒定載荷的作用下發生巖石流變的性質;流動極限指是具有流動性的材料的屈服極限，當外力達到了屈服極限后才會發生塑性變形。在工程實踐中，巖石的流變極限當受到水的弱化等因素的影響時往往會隨著時間的延長而衰減。

地下工程中的軟巖巷道失穩及破壞現象，一般是經過一段時間才開始顯現，這主要是因為:a)巖石本身的流變性，即圍巖變形在恒定應力下不斷蠕變，圍巖強度不斷降低的性質。b)在外圍水的作用下，由于巖石中的裂隙在工程擾動的作用下，泥質軟巖動態遇水，隨著時間的增加而導致變形，使得圍巖變形增大、松動或者塑性區擴大。

在實際工程中，巖石的流變表現在隨著時間的增加巷道變形持續增加。－702水平西翼軌道運輸大巷剛掘出時為單巷掘進，處在采動影響范圍之外，然而在巷道維護過程中圍巖變形量特別是底鼓量有隨時間延長而不斷增加的趨勢，這說明該大巷圍巖具有很強的流變性。

2 厚層泥巖底板變形特征

通過對順和煤礦已掘巷道變形破壞情況調研及理論分析，認為巷道發生嚴重變形和破壞的原因主要是由于深部高地應力、巷道圍巖巖性差、局部松軟破碎、支護參數設計不合理、施工質量不高等幾個方面綜合作用的結果。巷道底板變形主要包括以下幾個特征:

1)圍巖承載能力低。順和煤礦西翼軌道大巷穿越地層為三煤組含煤地層，巖性以厚層砂質泥巖、泥巖為主。圍巖表現出松散、軟弱、碎漲和膨脹等特性，裂隙較為發育，同時巷道掘進過程中揭露了一些較大的斷層破碎帶，呈現明顯的水平構造應力。掘進過程中當對圍巖不及時封閉時，由于圍巖長時間暴露，就會加劇巖體的泥化及風化過程，造成更加明顯的節理化特征。在深部高應力的作用下巷道底板往往會表現出明顯的內擠而產生底鼓，而且由于圍巖承載能力較低，在一次錨噴錨固巷道后部分錨桿隨著圍巖變形而失效，或者造成錨桿與錨索分別控制的巖層發生離層、碎脹等情況，從而未能形成完整的錨固結構，導致巷道圍巖發生失穩，甚至冒落，影響施工安全。

2)深部高地應力影響。煤礦開采深度一般超過600 m時，便會認為是深井開采。順和煤礦西翼軌道大巷－702水平已是屬于深部開采。深部巖體處于高地應力、高地溫、高巖溶水壓以及較強的時間效應的惡劣環境中，且受開采擾動的明顯影響，這是深部與淺部工程的明顯區別。進入深部開采以后，由于巖石自重引起的垂直應力往往會超過巖體的抗壓強度，由于開挖巷道的工程擾動而引起的水平應力會更大，一般超過40 MPa.另外，回采空間引起強烈的支承壓力作用，使受其影響的巷道圍巖壓力以數倍、甚至近十倍于原巖應力迅速升高，從而造成深部圍巖出現大變形、高地壓、難支護的特征。

3)巷道開挖后開始階段變形速率大。由于深部的高地應力及深部構造應力作用，在煤巖層內會產生大量的彈性能的積聚，當巷道開挖以后，這些積聚的載荷會以較快速度釋放出來，使得剛開挖的巷道變形速率很大，其表現形式即是巷道圍巖表面的位移量，包括兩幫移近、頂板下沉及底板鼓起。對已掘順和煤礦東翼膠帶大巷進行現場觀測，初開挖的巷道變形達到40 mm/d，而底鼓量達到70 mm/d.巷道變形速率呈負指數衰減，經過一段時間后會保持一個穩定的數值，這個過程的時間長短主要取決于應力水平和圍巖性質。東翼膠帶大巷開挖后變形速率圖見圖2.

圖2 東翼膠帶大巷變形速率圖

4)底鼓量較大。泥巖底板巷道區別于其他巷道的一個顯著特點就是巷道底鼓嚴重，特別是深部軟巖巷道。順和煤礦已掘進東翼膠帶運輸大巷實測數據表明，巷道圍巖3～5個月的巷道底板變形量為500～900 mm，個別地段巷道底鼓量達1 200 mm，巷道的返修率能達到40% ～80%，而且不止一次進行拉低、擴幫翻修。有資料表明，隨巷道埋深的增大，底鼓量、頂底板相對移近量和產生底鼓的巷道比重也有逐漸增大的趨勢，在西翼軌道大巷已掘巷道地段巖層以泥巖和砂質泥巖為主，夾薄煤線或炭質泥巖數十層，整段地層相對較軟，地應力大，初掘巷道就表現出了較大的巷道變形量及強烈的底鼓。

5)水對泥巖弱化影響較大。軟巖巷道之所以難以支護，一方面是因為軟巖的本身承載能力低，另一方面是因為軟巖巷道圍巖巖層中含有很多的裂隙及結構弱化面，一旦遇到含水層將加劇巖石弱化。在厚層泥巖巷道中，水是泥巖力學性質發生變化的最主要因素之一，水能快速或逐漸地改變巖石狀態，使其變形特征及圍巖強度發生改變。

水對泥巖的泥化作用。水會改變巖層內部結構，使得巖石強度降低，巖石物理力學性質和承載性能劣化，這種改變隨著時間推移會向深部轉移，引起深部巖層的泥化。水對裂隙巖體的潤滑作用。巖體與巖石的區別之處就在于巖體中存在裂隙面、節理面和斷層結構面等弱面。地下水在巖體的弱面上會產生潤滑作用。對于大部分泥質巖體來說，其弱面上依靠各種可溶解鹽和膠體連接。水侵入巖體時，會使得鹽類礦物溶解，膠體類礦物水解，使得弱面上的粗糙程度降低，顆粒連接變成水和膠體連接，弱面上的連接力減小。由于水對弱面的潤滑作用，使得其上的摩擦阻力減小，巖石內摩擦角減小，巖石的抗剪強度減小，不連續面上的摩擦阻力減小，從而使得作用于弱面上的剪切力學效應增強，導致巖體不連續面誘發巖體的剪切運動。

6)較強的流變性及時效性。任何巖石的變形都或多或少與時間因素有關，時間對巖石變形特性的影響稱為巖石的變形時間效應，不同類型的巖石，不同的外界環境，巖石的變形時間效應程度不同。隨著采礦規模的不斷擴大，泥巖的流變問題成為越來越重要的問題。地下工程中的軟巖巷道失穩及破壞現象，一般是經過一段時間才開始顯現。

巷道開挖以后，剛開始變形速度會很快，然后隨著時間的推移，變形速率會隨著負的線性指數而減慢，與淺部或圍巖地質條件好的巷道變形不同，軟巖巷道變形到達穩定時間會更長。一般巷道變形時間為25～60 d，也有些巷道會持續長達半年的變形時間。

7)巷道的變形難以控制。在深部高應力的作用下，軟巖巷道表現出更強烈的變形破壞，不得不尋求更高更強的支護方式，而普通的錨網支護雖然能暫時起到一定的效果，但是隨著時間的推移，由于軟弱泥巖的流變性及擴容性，圍巖受到的變形壓力將明顯變大。當圍巖受到的變形壓力大于巖體的承載能力時，錨桿(索)支護安裝后不久就會失穩破壞，進而巷道需再次甚至多次返修，增加了深部軟巖巷道的支護費用。

順和煤礦西翼軌道大巷中，巷道的底板巖層均為巖性較差的砂質泥巖、泥巖、天然焦、軟弱夾層等。而在已掘巷道的支護中，往往忽略了巷道底板、底角的支護，由于兩幫及頂部支護較好，此時會使得巷道周圍應力傳遞到底板處，造成巷道底板圍巖中出現應力集中的現象，從而在巷道的底板中產生塑性變形及剪切破壞，而表現出較強的底板鼓起，反過來影響巷道的兩幫及頂部的穩定，產生兩幫內擠，頂板下沉，造成錨固巷道結構的全面失穩破壞。

3 厚層泥巖底板破壞形式

順和煤礦－702水平西翼軌道大巷底板巖層為較厚砂質泥巖、泥巖，屬于軟巖且為深部開采。對于深部軟巖巷道底板破壞一般表現為強烈底鼓現象。巖石的膨脹性、擴容性及流變性是引起巷道底板鼓起的主要原因，根據軟巖巷道底鼓發生的機理可將巷道底板破壞形式分為應力型底鼓破壞、膨脹型底鼓破壞及塑性擠出型底鼓破壞三大類。

3.1 應力型底鼓破壞

因受到圍巖應力而引起的巷道底鼓變相破壞的形式為應力型底鼓破壞，根據巷道巖層特征及巖石結構性質分析，當底板巖石較為破碎時，在掘進過程中積聚在巷道巖石中的自重應力及構造應力產生應力集中，通過巷道兩幫轉移到巷道底板處的圍巖內，而產生很大的壓模效應，底板處的巖石由于受到遠場的地應力作用而向巷道內產生擠壓，導致了底板巖石的破碎，并產生很大的變形，形成底鼓。巷道底鼓力學模型見圖3.

圖3 巷道底鼓力學模型

圖3為根據巷道所受到的圍巖應力情況而建立的巷道底板受力力學模型。依據壓力拱理論可知，巷道開挖以后在巷道頂部會產生一個壓力拱JKL，此壓力拱的拱高假定為H，處于壓力拱以上的應力載荷會通過拱腳J、L轉移到巷道底板中，而巷道的支護結構體僅僅支撐著來自壓力拱的圍巖應力。在巷道底板AB上，底板兩側圍巖中面BE受到壓力拱以外的垂直應力γ(h+H)作用，BDE內巖石為主動塑性壓力狀態，ABD巖石則處于被動塑性壓力狀態。當ABD內巖石到達被動塑性壓力狀態時，隨時間的推移，并且在水平地應力的作用下，擠壓AB面，而產生來自于底板的垂直向上的壓力，當其超過底板處巖體的極限強度時，巷道底板AB處將會出現剪切破壞，從而產生底鼓，這就是應力型底鼓變形破壞的原因。

3.2 膨脹型底鼓破壞

當巷道圍巖體中含有大量的黏土礦物，如蒙脫石、伊利石、高嶺土等軟巖時，遇水易發生膨脹和崩解。在地下工程中，巷道圍巖含有這些巖份時，如果巷道底板巖層為含水性巖層，或者巷道底板經常受到施工水的浸泡、侵蝕等情況，底板巖層會受到水理作用的影響而發生底板軟化，巖石強度下降，底板巖層膨脹而向上鼓起，從而導致底板發生底鼓破壞。如在邊坡工程中，邊坡巖體吸水膨脹往往會造成邊坡失穩;在建筑工程中，如果地基中含有上述巖石往往會造成地基不均勻縮脹變形造成開裂;在巷道及隧道地下工程中，巷道、隧道開挖以后圍巖吸水膨脹軟化而造成底板突水等，造成安全生產事故。因此，膨脹型軟巖對工程具有極大的危害。目前，人們對膨脹軟巖的力學機制認識還不夠完善，還不能針對性的提出解決膨脹型軟巖問題的技術方法，所以膨脹型軟巖仍然是工程中的難題。

4 結論

結合順和煤礦－702水平西翼軌道大巷實際情況，分析了泥巖特性及厚層泥巖底板的變形破壞特征，其主要結論如下:

1)分析了泥巖的特性。順和煤礦－702水平西翼軌道大巷底板巖層含厚層泥巖與砂質泥巖，巖石膠結性差，巖層節理、裂隙較為發育。具有明顯的擴容性與流變性，巖層裂隙易發生擴容性變形，而且巷道變形隨時間延長而增加。

2)結合試驗巷道地質情況，分析了厚層泥巖底板變形特征。由于埋深較大，易受高地應力及采動影響，底板圍巖承載能力較低;由于泥巖具有親水性，節理裂隙的存在易受水的泥化影響，而造成強烈的底鼓現象。

3)順和煤礦西翼軌道大巷為深部開采，深部軟巖巷道底板破壞一般表現為強烈底鼓現象。軟巖的膨脹性、擴容性及流變性是引起巷道底板鼓起的主要原因，根據軟巖巷道底鼓發生的機理可將巷道底板破壞形式分為應力型底鼓破壞、膨脹型底鼓破壞及塑性擠出型底鼓破壞三大類。通過并建立巖石巷道底鼓力學模型，分析出巷道圍巖體中底板的變形破壞主要是以剪切破壞為主，因此，對于底板的治理應著重控制底板的剪切破壞，特別是要加強對幫角的控制，做到幫底協同控制。

［1］何滿潮.深部開采工程巖石力學的現狀及其展望.第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集［C］.北京:科學出版社，2004:88－94.

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