煤矿巷道软岩性质及支护方法的多尺度研究
2014-11-07 04:59李峻峰
科技资讯 2014年7期
李峻峰
摘 要：通过微观结构分析、细观力学机制分析，为软岩工程支护提供指导。通过地质调查和岩石力学试验，对某煤矿巷道软岩物理力学性质和微观性质进行了综合研究，包括物理性质、矿物成分、及强度和变形性质。基于颗粒流离散元程序PFC，从细观尺度研究岩块的的应力-应变曲线，使细观尺度模型表现与宏观尺度模型相同的力学性质。
关键词：软岩巷道 颗粒流离散元 破坏机理 支护方法
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0105-03
某煤矿位于鄂尔多斯万利矿区南部，根据地质资料及现场观察，所揭露的灰绿色中砂岩或粗砂岩属于侏罗纪欠胶结的泥质胶结，这类岩体属于典型的膨胀性软岩[1]。笔者从物性、微观、细观及宏观力学等几个尺度对软岩性质进行了研究，并模拟软岩巷道开挖破坏机理和细观力学演变过程，提出相应的支护方法。
1 微观性质
1.1 微观结构
黏土矿物以及其围观排列岩石通过电子扫描显微镜可以观察出为泥质结构，组成成分为碎屑和黏土矿物，有以下几点特征：（1）石英颗粒干净的表面显示出其母岩并没受到搬运途中风化的强烈作用；（2）大部分的岩石发育内部粒间孔隙，其间的填充物多是盐类以及黏土，表明不彻底的成岩作用，其内部结构不稳定；（3）软岩中膨胀性矿物主要为高岭石、蒙脱石、绿泥石。
1.2 矿物成分
根据全矿物X-射线衍射分析结果（见图1），软弱岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石及粘土矿物组成，其中石英占32.4%，钾长石占11.4%，斜长石占13.3%，方解石占9.1%，粘土矿物占33.8%。
根据粘土矿物X-射线衍射分析结果（见图2），粘土矿物主要由蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石组成，其中蒙脱石占52%，伊利石占2%，高岭石占28%，绿泥石占18%。
蒙脱石等粘土矿物具有较强的吸水性，吸收水分之后体积可以增大数倍，而失水后便发生体积收缩。根据上述试验结果，蒙脱石等膨胀性矿物在软岩所含矿物中的含量为17.8%，按照软岩分级标准，该软弱岩属于中等膨胀性软岩。
2 软岩的力学性质细观模拟
2.1 岩块强度及变形性质
通过室内试验，测得岩块的力学性质指标见表1。软岩的单轴应力-应变曲线如图3所示。
2.2 岩块的细观模拟试验
在以上试验数据的基础上，基于PFC颗粒流离散元程序建立模型。
建立模型采用与试验试样相同的尺寸，采用8 cm×8 cm的模型，试样共含有3316个颗粒。试样生成的过程中首先定义4道墙体，其包围的矩形长、高分别为18 cm和22 cm。为了得到合适的墙体刚度参数。经过了一些数值试验来验证合理的墙体刚度选择，最终选取施加围压或者约束的墙体应该是在颗粒刚度的0.1倍，对于加载压盘刚度选取为颗粒刚度的10倍。通过循环来消除试样内部的非平均内力。最终试样见图4。
通过反复调整最终确定的颗粒流模型的基本参数，见表2，图5为数值计算与室内单轴试验的应力-位移曲线对比图，从图中可以看出结果基本吻合。
3 支护机理与支护方案
由于软岩的粘土矿物含量高达33.8%，蒙脱石含量17.6%，具有中等偏低膨胀性。软岩地层最大埋深142m，地应力场以自重应力场为主，地应力在1.2～3 MPa范围内。软岩巷道变形力学机制属于蒙脱石型分子吸水机制和重力型的复合机制。根据非线性大变形支护设计理论需要将复合变形机制转化为单一的重力场变形机制。
由于软岩具有膨胀性，在地下水作用下体积膨胀，岩粉黏着在孔壁上，锚固段混凝土与孔壁黏着力较小，现场抗拔拉试验表明，软岩锚固力仅有2.0～3.0 t，因此，锚杆不适合该软岩的支护，现场采用的具体方案如下：初期支护采用超前管棚+U型钢拱架+金属网+喷射混凝土的联合支护方案，二次支护采用喷射混凝土。
（1）超前管棚。
采用管棚支护，直径45 mm，长2500 mm，
间距300 mm，管棚重叠长1000 mm左右。消除开挖引起的应力集中力状态，预保护岩层，并使围岩处于有利的三向受力状态。
（2）25号U型钢支架。
支架间距800～1000 mm，支架间使用4根12号槽钢拉杆进行硬连接。棚腿下端焊接一块300 mm×300 mm×10 mm的钢板。
（3）金属网片。
钢筋网直径φ6.5 mm，Ⅰ级圆钢，网格50×50 mm、网片1000×3000 mm。在开挖后先挂网片，覆盖松动破碎岩体。
（4）全断面及时喷射60.0 mm厚C20混凝土封闭围岩，使裂隙分割的岩块层面粘结，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高了岩体自身的粘聚力和内摩擦角。同时混凝土层封闭了围岩，能够防止因水和风化作用造成的围岩破坏与剥落。
巷道在开挖后进入为加速变形期，完成大部分变形，之后变形趋于收敛，两帮加固后趋于稳定，说明施工后变形控制效果明显，见图6。
4 结语
同过得软岩微观性质、细观力学机制研究以及软岩巷道的开挖破坏机理分析，提出对某煤矿巷道的支护措施，并可得出如下结论：
（1）该软岩的粘土矿物含量高达33.8%，蒙脱石含量17.6%，具有中等偏低膨胀性。物理力学性质与岩石本身的矿物成分及内部结构密切相关，黏土矿物的含量是主要的影响因素。
（2）通过对岩石的力学试验和模拟的对比分析，该软岩具有孔隙率大、含水量高、强度低的特点，基于颗粒流离散元的细观模拟，能很好的反应软岩的宏观力学性质。
（3）巷道开挖时，顶、底部围岩的竖向应力的迅速释放，造成巷道底鼓和冒顶效应的主要原因。同时导致在这两个角点处产生较大的剪应力，其值随着围岩深度的增加逐步降低，符号变化与应力路径相关。计算稳定时围岩形成压力拱。
（4）巷道支护应尽可能使围岩形成压力拱，现场试验表明，锚杆不适合该软岩的支护，现场采用初期支护采用超前管棚+U型钢拱架+金属网+喷射混凝土的联合支护方案，二次支护采用喷射混凝土，效果明显。
参考文献
[1] 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.
[2] 魏光远.鄂尔多斯高家梁煤矿软岩巷道变形机制和支护方法研究[D].北京：北京工业大学建筑工程学院，2008：17-27.
[3] 汪成兵.软弱破碎隧道围岩渐进性破坏机理研究[D].上海：同济大学，2007.
[4] 徐永福，孙德安，董平.膨润土及其与砂混合物的膨胀试验[J].岩石力学与工程学报，2003，22（3）：451-455.
[5] 靖洪文，李元海，许国安.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[J].岩土力学，2005，26（6）：877-888.endprint
摘 要：通过微观结构分析、细观力学机制分析，为软岩工程支护提供指导。通过地质调查和岩石力学试验，对某煤矿巷道软岩物理力学性质和微观性质进行了综合研究，包括物理性质、矿物成分、及强度和变形性质。基于颗粒流离散元程序PFC，从细观尺度研究岩块的的应力-应变曲线，使细观尺度模型表现与宏观尺度模型相同的力学性质。
关键词：软岩巷道 颗粒流离散元 破坏机理 支护方法
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0105-03
某煤矿位于鄂尔多斯万利矿区南部，根据地质资料及现场观察，所揭露的灰绿色中砂岩或粗砂岩属于侏罗纪欠胶结的泥质胶结，这类岩体属于典型的膨胀性软岩[1]。笔者从物性、微观、细观及宏观力学等几个尺度对软岩性质进行了研究，并模拟软岩巷道开挖破坏机理和细观力学演变过程，提出相应的支护方法。
1 微观性质
1.1 微观结构
黏土矿物以及其围观排列岩石通过电子扫描显微镜可以观察出为泥质结构，组成成分为碎屑和黏土矿物，有以下几点特征：（1）石英颗粒干净的表面显示出其母岩并没受到搬运途中风化的强烈作用；（2）大部分的岩石发育内部粒间孔隙，其间的填充物多是盐类以及黏土，表明不彻底的成岩作用，其内部结构不稳定；（3）软岩中膨胀性矿物主要为高岭石、蒙脱石、绿泥石。
1.2 矿物成分
根据全矿物X-射线衍射分析结果（见图1），软弱岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石及粘土矿物组成，其中石英占32.4%，钾长石占11.4%，斜长石占13.3%，方解石占9.1%，粘土矿物占33.8%。
根据粘土矿物X-射线衍射分析结果（见图2），粘土矿物主要由蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石组成，其中蒙脱石占52%，伊利石占2%，高岭石占28%，绿泥石占18%。
蒙脱石等粘土矿物具有较强的吸水性，吸收水分之后体积可以增大数倍，而失水后便发生体积收缩。根据上述试验结果，蒙脱石等膨胀性矿物在软岩所含矿物中的含量为17.8%，按照软岩分级标准，该软弱岩属于中等膨胀性软岩。
2 软岩的力学性质细观模拟
2.1 岩块强度及变形性质
通过室内试验，测得岩块的力学性质指标见表1。软岩的单轴应力-应变曲线如图3所示。
2.2 岩块的细观模拟试验
在以上试验数据的基础上，基于PFC颗粒流离散元程序建立模型。
建立模型采用与试验试样相同的尺寸，采用8 cm×8 cm的模型，试样共含有3316个颗粒。试样生成的过程中首先定义4道墙体，其包围的矩形长、高分别为18 cm和22 cm。为了得到合适的墙体刚度参数。经过了一些数值试验来验证合理的墙体刚度选择，最终选取施加围压或者约束的墙体应该是在颗粒刚度的0.1倍，对于加载压盘刚度选取为颗粒刚度的10倍。通过循环来消除试样内部的非平均内力。最终试样见图4。
通过反复调整最终确定的颗粒流模型的基本参数，见表2，图5为数值计算与室内单轴试验的应力-位移曲线对比图，从图中可以看出结果基本吻合。
3 支护机理与支护方案
由于软岩的粘土矿物含量高达33.8%，蒙脱石含量17.6%，具有中等偏低膨胀性。软岩地层最大埋深142m，地应力场以自重应力场为主，地应力在1.2～3 MPa范围内。软岩巷道变形力学机制属于蒙脱石型分子吸水机制和重力型的复合机制。根据非线性大变形支护设计理论需要将复合变形机制转化为单一的重力场变形机制。
由于软岩具有膨胀性，在地下水作用下体积膨胀，岩粉黏着在孔壁上，锚固段混凝土与孔壁黏着力较小，现场抗拔拉试验表明，软岩锚固力仅有2.0～3.0 t，因此，锚杆不适合该软岩的支护，现场采用的具体方案如下：初期支护采用超前管棚+U型钢拱架+金属网+喷射混凝土的联合支护方案，二次支护采用喷射混凝土。
（1）超前管棚。
采用管棚支护，直径45 mm，长2500 mm，
间距300 mm，管棚重叠长1000 mm左右。消除开挖引起的应力集中力状态，预保护岩层，并使围岩处于有利的三向受力状态。
（2）25号U型钢支架。
支架间距800～1000 mm，支架间使用4根12号槽钢拉杆进行硬连接。棚腿下端焊接一块300 mm×300 mm×10 mm的钢板。
（3）金属网片。
钢筋网直径φ6.5 mm，Ⅰ级圆钢，网格50×50 mm、网片1000×3000 mm。在开挖后先挂网片，覆盖松动破碎岩体。
（4）全断面及时喷射60.0 mm厚C20混凝土封闭围岩，使裂隙分割的岩块层面粘结，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高了岩体自身的粘聚力和内摩擦角。同时混凝土层封闭了围岩，能够防止因水和风化作用造成的围岩破坏与剥落。
巷道在开挖后进入为加速变形期，完成大部分变形，之后变形趋于收敛，两帮加固后趋于稳定，说明施工后变形控制效果明显，见图6。
4 结语
同过得软岩微观性质、细观力学机制研究以及软岩巷道的开挖破坏机理分析，提出对某煤矿巷道的支护措施，并可得出如下结论：
（1）该软岩的粘土矿物含量高达33.8%，蒙脱石含量17.6%，具有中等偏低膨胀性。物理力学性质与岩石本身的矿物成分及内部结构密切相关，黏土矿物的含量是主要的影响因素。
（2）通过对岩石的力学试验和模拟的对比分析，该软岩具有孔隙率大、含水量高、强度低的特点，基于颗粒流离散元的细观模拟，能很好的反应软岩的宏观力学性质。
（3）巷道开挖时，顶、底部围岩的竖向应力的迅速释放，造成巷道底鼓和冒顶效应的主要原因。同时导致在这两个角点处产生较大的剪应力，其值随着围岩深度的增加逐步降低，符号变化与应力路径相关。计算稳定时围岩形成压力拱。
（4）巷道支护应尽可能使围岩形成压力拱，现场试验表明，锚杆不适合该软岩的支护，现场采用初期支护采用超前管棚+U型钢拱架+金属网+喷射混凝土的联合支护方案，二次支护采用喷射混凝土，效果明显。
参考文献
[1] 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.
[2] 魏光远.鄂尔多斯高家梁煤矿软岩巷道变形机制和支护方法研究[D].北京：北京工业大学建筑工程学院，2008：17-27.
[3] 汪成兵.软弱破碎隧道围岩渐进性破坏机理研究[D].上海：同济大学，2007.
[4] 徐永福，孙德安，董平.膨润土及其与砂混合物的膨胀试验[J].岩石力学与工程学报，2003，22（3）：451-455.
[5] 靖洪文，李元海，许国安.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[J].岩土力学，2005，26（6）：877-888.endprint
摘 要：通过微观结构分析、细观力学机制分析，为软岩工程支护提供指导。通过地质调查和岩石力学试验，对某煤矿巷道软岩物理力学性质和微观性质进行了综合研究，包括物理性质、矿物成分、及强度和变形性质。基于颗粒流离散元程序PFC，从细观尺度研究岩块的的应力-应变曲线，使细观尺度模型表现与宏观尺度模型相同的力学性质。
关键词：软岩巷道 颗粒流离散元 破坏机理 支护方法
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0105-03
某煤矿位于鄂尔多斯万利矿区南部，根据地质资料及现场观察，所揭露的灰绿色中砂岩或粗砂岩属于侏罗纪欠胶结的泥质胶结，这类岩体属于典型的膨胀性软岩[1]。笔者从物性、微观、细观及宏观力学等几个尺度对软岩性质进行了研究，并模拟软岩巷道开挖破坏机理和细观力学演变过程，提出相应的支护方法。
1 微观性质
1.1 微观结构
黏土矿物以及其围观排列岩石通过电子扫描显微镜可以观察出为泥质结构，组成成分为碎屑和黏土矿物，有以下几点特征：（1）石英颗粒干净的表面显示出其母岩并没受到搬运途中风化的强烈作用；（2）大部分的岩石发育内部粒间孔隙，其间的填充物多是盐类以及黏土，表明不彻底的成岩作用，其内部结构不稳定；（3）软岩中膨胀性矿物主要为高岭石、蒙脱石、绿泥石。
1.2 矿物成分
根据全矿物X-射线衍射分析结果（见图1），软弱岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石及粘土矿物组成，其中石英占32.4%，钾长石占11.4%，斜长石占13.3%，方解石占9.1%，粘土矿物占33.8%。
根据粘土矿物X-射线衍射分析结果（见图2），粘土矿物主要由蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石组成，其中蒙脱石占52%，伊利石占2%，高岭石占28%，绿泥石占18%。
蒙脱石等粘土矿物具有较强的吸水性，吸收水分之后体积可以增大数倍，而失水后便发生体积收缩。根据上述试验结果，蒙脱石等膨胀性矿物在软岩所含矿物中的含量为17.8%，按照软岩分级标准，该软弱岩属于中等膨胀性软岩。
2 软岩的力学性质细观模拟
2.1 岩块强度及变形性质
通过室内试验，测得岩块的力学性质指标见表1。软岩的单轴应力-应变曲线如图3所示。
2.2 岩块的细观模拟试验
在以上试验数据的基础上，基于PFC颗粒流离散元程序建立模型。
建立模型采用与试验试样相同的尺寸，采用8 cm×8 cm的模型，试样共含有3316个颗粒。试样生成的过程中首先定义4道墙体，其包围的矩形长、高分别为18 cm和22 cm。为了得到合适的墙体刚度参数。经过了一些数值试验来验证合理的墙体刚度选择，最终选取施加围压或者约束的墙体应该是在颗粒刚度的0.1倍，对于加载压盘刚度选取为颗粒刚度的10倍。通过循环来消除试样内部的非平均内力。最终试样见图4。
通过反复调整最终确定的颗粒流模型的基本参数，见表2，图5为数值计算与室内单轴试验的应力-位移曲线对比图，从图中可以看出结果基本吻合。
3 支护机理与支护方案
由于软岩的粘土矿物含量高达33.8%，蒙脱石含量17.6%，具有中等偏低膨胀性。软岩地层最大埋深142m，地应力场以自重应力场为主，地应力在1.2～3 MPa范围内。软岩巷道变形力学机制属于蒙脱石型分子吸水机制和重力型的复合机制。根据非线性大变形支护设计理论需要将复合变形机制转化为单一的重力场变形机制。
由于软岩具有膨胀性，在地下水作用下体积膨胀，岩粉黏着在孔壁上，锚固段混凝土与孔壁黏着力较小，现场抗拔拉试验表明，软岩锚固力仅有2.0～3.0 t，因此，锚杆不适合该软岩的支护，现场采用的具体方案如下：初期支护采用超前管棚+U型钢拱架+金属网+喷射混凝土的联合支护方案，二次支护采用喷射混凝土。
（1）超前管棚。
采用管棚支护，直径45 mm，长2500 mm，
间距300 mm，管棚重叠长1000 mm左右。消除开挖引起的应力集中力状态，预保护岩层，并使围岩处于有利的三向受力状态。
（2）25号U型钢支架。
支架间距800～1000 mm，支架间使用4根12号槽钢拉杆进行硬连接。棚腿下端焊接一块300 mm×300 mm×10 mm的钢板。
（3）金属网片。
钢筋网直径φ6.5 mm，Ⅰ级圆钢，网格50×50 mm、网片1000×3000 mm。在开挖后先挂网片，覆盖松动破碎岩体。
（4）全断面及时喷射60.0 mm厚C20混凝土封闭围岩，使裂隙分割的岩块层面粘结，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高了岩体自身的粘聚力和内摩擦角。同时混凝土层封闭了围岩，能够防止因水和风化作用造成的围岩破坏与剥落。
巷道在开挖后进入为加速变形期，完成大部分变形，之后变形趋于收敛，两帮加固后趋于稳定，说明施工后变形控制效果明显，见图6。
4 结语
同过得软岩微观性质、细观力学机制研究以及软岩巷道的开挖破坏机理分析，提出对某煤矿巷道的支护措施，并可得出如下结论：
（1）该软岩的粘土矿物含量高达33.8%，蒙脱石含量17.6%，具有中等偏低膨胀性。物理力学性质与岩石本身的矿物成分及内部结构密切相关，黏土矿物的含量是主要的影响因素。
（2）通过对岩石的力学试验和模拟的对比分析，该软岩具有孔隙率大、含水量高、强度低的特点，基于颗粒流离散元的细观模拟，能很好的反应软岩的宏观力学性质。
（3）巷道开挖时，顶、底部围岩的竖向应力的迅速释放，造成巷道底鼓和冒顶效应的主要原因。同时导致在这两个角点处产生较大的剪应力，其值随着围岩深度的增加逐步降低，符号变化与应力路径相关。计算稳定时围岩形成压力拱。
（4）巷道支护应尽可能使围岩形成压力拱，现场试验表明，锚杆不适合该软岩的支护，现场采用初期支护采用超前管棚+U型钢拱架+金属网+喷射混凝土的联合支护方案，二次支护采用喷射混凝土，效果明显。
参考文献
[1] 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学[M].北京：科学出版社，2002.
[2] 魏光远.鄂尔多斯高家梁煤矿软岩巷道变形机制和支护方法研究[D].北京：北京工业大学建筑工程学院，2008：17-27.
[3] 汪成兵.软弱破碎隧道围岩渐进性破坏机理研究[D].上海：同济大学，2007.
[4] 徐永福，孙德安，董平.膨润土及其与砂混合物的膨胀试验[J].岩石力学与工程学报，2003，22（3）：451-455.
[5] 靖洪文，李元海，许国安.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[J].岩土力学，2005，26（6）：877-888.endprint
