软岩巷道吸水膨胀变形量计算分析＊

王 波

(煤炭科学研究总院北京天地华泰采矿工程技术有限公司,北京市朝阳区,100013)

软岩巷道吸水膨胀变形量计算分析＊

王 波

(煤炭科学研究总院北京天地华泰采矿工程技术有限公司,北京市朝阳区,100013)

为定量分析软岩吸水膨胀引起巷道围岩的变形量,基于湿度应力场理论和弹性变形理论,推导出了软岩巷道吸水膨胀变形量的计算公式;给出了公式中膨胀系数和含水率变化函数的确定方法;结合典型软岩工程——龙口北皂煤矿海域运输巷,在实验室内测试了运输巷围岩的水理性质;根据得出的水理参数,确定了运输巷的膨胀系数和含水率变化函数,代入计算公式得出了变形量的分布规律。

软岩巷道 吸水膨胀 水理性质 变形量计算

当巷道布置在含膨胀性矿物(蒙脱石等)的地层中时,岩石遇水或吸湿之后将吸水膨胀;空气湿度越大,围岩吸水越多,膨胀变形量也就越大。其量值可能远大于岩石的弹塑性及碎胀变形量之和,由此产生的膨胀性变形压力是软岩巷道支护破坏的重要原因之一。

本文基于湿度应力场理论和弹性变形理论,推导得出了软岩巷道吸水膨胀变形量的计算公式,结合典型软岩工程——龙口北皂煤矿海域运输巷,对计算公式进行了验证计算。

1 软岩巷道围岩吸水膨胀变形机理

巷道开挖后,围岩遇水会发生物理化学反应,引起体积膨胀和力学性能的变化,见图1。

图1 水理作用下围岩分区示意图

巷道围岩相应形成了两个不同的区域:遇水膨胀区和稳定区。膨胀区由于体积膨胀和力学性能的变化,导致巷道围岩的收敛变形。膨胀区形成的原因主要有:软岩巷道围岩的天然裂隙结构;应力调整引起的围岩裂隙;软岩的吸水性;软岩中的膨胀性矿物;岩层中的水与空气中的水交换。

2 围岩吸水膨胀变形量计算

根据软岩工程中的实际情况,将软岩巷道吸水膨胀问题与温度应力场对比,得出了以下三方面的共性。

(1)膨胀岩吸水后产生体积膨胀和岩性软化,这类似于材料的温度效应。一般材料会随温度升高而产生体积膨胀和物性软化。

(2)膨胀岩体遇水作用后,水分会在岩体内不断扩散,导致一定范围的含水率变化。这类似于物体在热源作用下的温度场变化。

(3)温度场变化会引起结构内的应力应变场的变化,围岩内含水率的变化同样也会引起围岩内的应力应变场的变化。

当围岩中各点的含水率随时间发生变化时,围岩的膨胀率也发生变化,引起巷道围岩的应力场和应变场也发生变化。这种变化类似于温度场变化引起的应力应变场变化,因而,基于力学中的温度应力场理论,相关文献给出了圆形巷道在平面应力情况下的围岩遇水作用应力分量的解析解:

式中:σr——径向应力分量;

σθ——切向应力分量;

τrθ——剪应力分量;

r0——巷道半径;

E——岩石弹性模量;

μ——岩石泊松比;

α——膨胀系数;

t——吸水时间;

W(r,t)——含水率变化函数;

r——岩体内任意一点到巷道形心的距离。

深埋圆形洞室的应力解为:

由弹性力学可知,巷道遇水径向变形量:

将式(1)与式(2)联立可得:

将式(4)代入式(3)得巷道遇水径向变形量:

根据实际情况,圆形巷道轴线方向的长度远远大于巷道断面的另外两个方向,属于平面应变状态,将式(5)转化为平面应变问题,具体为,E换为得平面应变条件下巷道遇水径向变形量:

3 围岩吸水膨胀变形量计算参数确定

3.1 膨胀系数的确定

膨胀系数α指的是在一定含水率情况下岩体最大膨胀量所对应的线膨胀系数。为使问题简化,认为α不随含水率ep变化而改变,即岩体的膨胀率随含水率增加而呈线性变化。其物理意义是膨胀岩增加单位含水率时所产生的膨胀率,即:

膨胀系数可通过这样的方法求得,即实验得出不同含水率岩石的膨胀率,用最小二乘法拟合ep-W直线方程,该直线斜率的绝对值就是膨胀系数。

3.2 含水率变化函数W(r,t)的确定

巷道开挖t天后距巷道壁垂直距离r处的围岩含水率用函数W(r,t)表示。根据对北皂煤矿海域首采面运输巷围岩的水理性质测试,岩石的原始含水率Wb为6%。岩石吸水30 d后可以达到饱和,饱和吸水率W0为42.6%。假定围岩吸水率与时间成线性关系,得出W(r,t)的表达式如下:

图2 围岩含水率变化曲线

根据式(8)计算巷道围岩开始吸水10 d、20 d和30 d后的含水率,并做出围岩随位置不同的含水率变化曲线,见图2。

将式(8)代入式(6)可得:

4 围岩吸水膨胀变形计算实例

以北皂煤矿海域首采面运输巷为例进行计算。首先测试运输巷的水理参数,在运输巷煤2顶板取岩样进行测试。使用WZ-2型膨胀测试仪测试岩石的膨胀性,通过膨胀测试仪测得岩样的膨胀率和侧向约束膨胀量。

运输巷岩石水理参数测试结果:泥岩砂岩互层容重2.23 g/cm3;含水率11.2%;饱和质量251 g;饱和吸水率42.6%;侧向约束膨胀量3.26 mm;膨胀率14.2%。根据测试结果可得出膨胀系数α为0.33。

运输巷遇水变形量计算参数:巷道半径r=2750 mm;泊松比μ=0.27;饱和吸水率W0=0.43;膨胀系数α=0.33。

4.1 围岩不同吸水时间随位置不同膨胀变形量分析

将运输巷遇水变形量计算参数代入式(9),计算围岩吸水5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d后,围岩吸水膨胀变形量随位置不同的变化曲线见图3。

分析图3的曲线形态,随围岩深度的增加,吸水膨胀量是逐渐减小的。随着距水源的距离增加,变形趋势逐渐变缓。如果围岩充分吸水,膨胀量在30 d后可以达到621 mm。

图3 不同时间变形量随位置变化曲线

4.2 围岩相同位置不同时刻变形量计算

图4为壁面及距壁面1 m、2 m、3 m、4 m和5 m处围岩吸水膨胀量随时间变化曲线。

图4 围岩相同位置膨胀量随时间变化曲线

由于假定围岩每天的吸水量是线性的,因此曲线形态呈直线型。并且,随着距壁面距离的增加,直线斜率逐渐减小,这是由于随着距水源距离的增加,围岩变形受含水率变化影响逐渐减小。

5 结论

(1)软岩内膨胀性矿物遇水作用后体积膨胀会导致巷道的收敛变形。通过分析围岩吸水膨胀变形的影响因素,推导出了围岩吸水膨胀变形量的计算式:

通过测试不同含水率岩石的膨胀率,用最小二乘法拟合ep-W直线方程,直线斜率的绝对值即为膨胀系数。

(2)结合北皂煤矿海域软岩巷道的水理参数测试结果,得出海域首采面运输巷的吸水函数为:

(3)分析海域首采面运输巷的计算结果可知,随围岩深度的增加,吸水膨胀量 是逐渐减小的。随着距水源的距离渐远,变形趋势逐渐变缓。运输巷围岩表面含水率达到饱和时的最大变形量为621 mm。

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[4] 朱合华,叶斌.饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002(12)

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[7] 缪协兴.膨胀岩体中的湿度应力场理论[J].岩土力学,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

天地科技青年创新基金(TZ-JJ-10-HT-2)

王波(1981-),男,山东阳谷县人,工程师,博士。现供职于北京天地华泰采矿工程技术有限公司科技研发部,从事采矿工程与岩石力学方面的科研工作。

(责任编辑 张毅玲)