厚层泥岩底板变形破坏特征分析

程 帅

(大同煤矿集团 燕子山矿，山西 大同 037000)

1 泥岩特性分析

巷道底板的岩性对于巷道稳定性有着重要的影响，顺和煤矿－702水平西翼轨道大巷掘进过程中揭露底板岩层主要为砂质泥岩、泥岩等。泥岩是指粒度＜4 μm，成分主要由黏土矿物组成的一类岩石，由于泥岩的结构和成分特点，其普遍表现出强度低、承载能力差的工程力学特点。泥岩的特性一般可以通过研究岩石强度、扩容性及流变性来了解。

1)底板岩石的强度。

矿井建设与生产实践表明，煤与岩石物理力学性质是矿井科研、生产、设计中不可或缺的基础数据，能够为巷道围岩分类及巷道施工、支护设计提供依据。通过钻取岩芯，在实验室测得各岩层的力学性质，西翼轨道大巷底板岩石力学性质表见表1.

表1 西翼轨道大巷底板岩石力学性质表

由表1可知，根据各岩层指标及国际上对软岩的定义可确定该巷道为软岩巷道。且试验结果表明，泥岩与砂质泥岩均具有亲水性，岩石胶结性差，遇水易产生损伤，岩石中节理、裂隙由于水的浸入产生崩解、软化甚至泥化，使11岩石的承载能力明显减弱，泥岩抗崩解能力低，软化性较强。

2)泥岩的扩容性。

岩石中存在许多孔洞及裂隙，且大多数孔隙是相互连通的，由围岩压力引起的裂隙贯通、扩展，而产生的体积膨胀叫做围岩的扩容性。它是岩石间隙或裂隙受力后而产生的，与吸水膨胀不同的是，岩石的扩容性属于力学机制。

巷道的稳定性受巷道围岩扩容性质的影响很大。当巷道受到应力挤压时，由于泥岩的扩容性，而会产生强烈的底鼓，并且由于泥岩、砂质泥岩中含有很多的裂隙或孔隙，扩容性质会使得这些裂隙或者孔隙导通，为水的流入产生通道，提供储水空间。岩体的扩容取决于所受到的围岩应力状态，如果把应力状态当做一种三向等压静水应力状态，那么巷道开挖使得切向应力在巷道围岩表层附近出现局部应力集中，而径向应力在巷道表层得以释放，产生应力偏量(图1).此二阶张量可分解为两部分，球应力张量和偏应力张量，即:

球应力张量是一种三向均压状态，根据经典弹性力学知识可知，在三向等压应力条件下，不会引起巷道围岩产生扩容变形，只有偏应力张量才会引起巷道围岩产生扩容变形。－702水平西翼轨道大巷底板围岩岩性软弱，在偏应力张量的作用下，底板围岩易产生扩容性变形。

图1 巷道开挖后围岩强度和应力变化图

3)泥岩的流变性。

有些特定条件下的岩体，如破碎带、软弱夹层、断层等会产生显著的流变现象。岩石的流变性指岩石的应力—应变关系与时间有关的性质。软岩的流变性主要表现在软岩的松弛性、蠕变性及流动极限下的衰减性质。松弛性是指在保持恒定变形条件下，应力随时间的持续而逐渐减小的性质;蠕变性是指在恒定载荷的作用下发生岩石流变的性质;流动极限指是具有流动性的材料的屈服极限，当外力达到了屈服极限后才会发生塑性变形。在工程实践中，岩石的流变极限当受到水的弱化等因素的影响时往往会随着时间的延长而衰减。

地下工程中的软岩巷道失稳及破坏现象，一般是经过一段时间才开始显现，这主要是因为:a)岩石本身的流变性，即围岩变形在恒定应力下不断蠕变，围岩强度不断降低的性质。b)在外围水的作用下，由于岩石中的裂隙在工程扰动的作用下，泥质软岩动态遇水，随着时间的增加而导致变形，使得围岩变形增大、松动或者塑性区扩大。

在实际工程中，岩石的流变表现在随着时间的增加巷道变形持续增加。－702水平西翼轨道运输大巷刚掘出时为单巷掘进，处在采动影响范围之外，然而在巷道维护过程中围岩变形量特别是底鼓量有随时间延长而不断增加的趋势，这说明该大巷围岩具有很强的流变性。

2 厚层泥岩底板变形特征

通过对顺和煤矿已掘巷道变形破坏情况调研及理论分析，认为巷道发生严重变形和破坏的原因主要是由于深部高地应力、巷道围岩岩性差、局部松软破碎、支护参数设计不合理、施工质量不高等几个方面综合作用的结果。巷道底板变形主要包括以下几个特征:

1)围岩承载能力低。顺和煤矿西翼轨道大巷穿越地层为三煤组含煤地层，岩性以厚层砂质泥岩、泥岩为主。围岩表现出松散、软弱、碎涨和膨胀等特性，裂隙较为发育，同时巷道掘进过程中揭露了一些较大的断层破碎带，呈现明显的水平构造应力。掘进过程中当对围岩不及时封闭时，由于围岩长时间暴露，就会加剧岩体的泥化及风化过程，造成更加明显的节理化特征。在深部高应力的作用下巷道底板往往会表现出明显的内挤而产生底鼓，而且由于围岩承载能力较低，在一次锚喷锚固巷道后部分锚杆随着围岩变形而失效，或者造成锚杆与锚索分别控制的岩层发生离层、碎胀等情况，从而未能形成完整的锚固结构，导致巷道围岩发生失稳，甚至冒落，影响施工安全。

2)深部高地应力影响。煤矿开采深度一般超过600 m时，便会认为是深井开采。顺和煤矿西翼轨道大巷－702水平已是属于深部开采。深部岩体处于高地应力、高地温、高岩溶水压以及较强的时间效应的恶劣环境中，且受开采扰动的明显影响，这是深部与浅部工程的明显区别。进入深部开采以后，由于岩石自重引起的垂直应力往往会超过岩体的抗压强度，由于开挖巷道的工程扰动而引起的水平应力会更大，一般超过40 MPa.另外，回采空间引起强烈的支承压力作用，使受其影响的巷道围岩压力以数倍、甚至近十倍于原岩应力迅速升高，从而造成深部围岩出现大变形、高地压、难支护的特征。

3)巷道开挖后开始阶段变形速率大。由于深部的高地应力及深部构造应力作用，在煤岩层内会产生大量的弹性能的积聚，当巷道开挖以后，这些积聚的载荷会以较快速度释放出来，使得刚开挖的巷道变形速率很大，其表现形式即是巷道围岩表面的位移量，包括两帮移近、顶板下沉及底板鼓起。对已掘顺和煤矿东翼胶带大巷进行现场观测，初开挖的巷道变形达到40 mm/d，而底鼓量达到70 mm/d.巷道变形速率呈负指数衰减，经过一段时间后会保持一个稳定的数值，这个过程的时间长短主要取决于应力水平和围岩性质。东翼胶带大巷开挖后变形速率图见图2.

图2 东翼胶带大巷变形速率图

4)底鼓量较大。泥岩底板巷道区别于其他巷道的一个显著特点就是巷道底鼓严重，特别是深部软岩巷道。顺和煤矿已掘进东翼胶带运输大巷实测数据表明，巷道围岩3～5个月的巷道底板变形量为500～900 mm，个别地段巷道底鼓量达1 200 mm，巷道的返修率能达到40% ～80%，而且不止一次进行拉低、扩帮翻修。有资料表明，随巷道埋深的增大，底鼓量、顶底板相对移近量和产生底鼓的巷道比重也有逐渐增大的趋势，在西翼轨道大巷已掘巷道地段岩层以泥岩和砂质泥岩为主，夹薄煤线或炭质泥岩数十层，整段地层相对较软，地应力大，初掘巷道就表现出了较大的巷道变形量及强烈的底鼓。

5)水对泥岩弱化影响较大。软岩巷道之所以难以支护，一方面是因为软岩的本身承载能力低，另一方面是因为软岩巷道围岩岩层中含有很多的裂隙及结构弱化面，一旦遇到含水层将加剧岩石弱化。在厚层泥岩巷道中，水是泥岩力学性质发生变化的最主要因素之一，水能快速或逐渐地改变岩石状态，使其变形特征及围岩强度发生改变。

水对泥岩的泥化作用。水会改变岩层内部结构，使得岩石强度降低，岩石物理力学性质和承载性能劣化，这种改变随着时间推移会向深部转移，引起深部岩层的泥化。水对裂隙岩体的润滑作用。岩体与岩石的区别之处就在于岩体中存在裂隙面、节理面和断层结构面等弱面。地下水在岩体的弱面上会产生润滑作用。对于大部分泥质岩体来说，其弱面上依靠各种可溶解盐和胶体连接。水侵入岩体时，会使得盐类矿物溶解，胶体类矿物水解，使得弱面上的粗糙程度降低，颗粒连接变成水和胶体连接，弱面上的连接力减小。由于水对弱面的润滑作用，使得其上的摩擦阻力减小，岩石内摩擦角减小，岩石的抗剪强度减小，不连续面上的摩擦阻力减小，从而使得作用于弱面上的剪切力学效应增强，导致岩体不连续面诱发岩体的剪切运动。

6)较强的流变性及时效性。任何岩石的变形都或多或少与时间因素有关，时间对岩石变形特性的影响称为岩石的变形时间效应，不同类型的岩石，不同的外界环境，岩石的变形时间效应程度不同。随着采矿规模的不断扩大，泥岩的流变问题成为越来越重要的问题。地下工程中的软岩巷道失稳及破坏现象，一般是经过一段时间才开始显现。

巷道开挖以后，刚开始变形速度会很快，然后随着时间的推移，变形速率会随着负的线性指数而减慢，与浅部或围岩地质条件好的巷道变形不同，软岩巷道变形到达稳定时间会更长。一般巷道变形时间为25～60 d，也有些巷道会持续长达半年的变形时间。

7)巷道的变形难以控制。在深部高应力的作用下，软岩巷道表现出更强烈的变形破坏，不得不寻求更高更强的支护方式，而普通的锚网支护虽然能暂时起到一定的效果，但是随着时间的推移，由于软弱泥岩的流变性及扩容性，围岩受到的变形压力将明显变大。当围岩受到的变形压力大于岩体的承载能力时，锚杆(索)支护安装后不久就会失稳破坏，进而巷道需再次甚至多次返修，增加了深部软岩巷道的支护费用。

顺和煤矿西翼轨道大巷中，巷道的底板岩层均为岩性较差的砂质泥岩、泥岩、天然焦、软弱夹层等。而在已掘巷道的支护中，往往忽略了巷道底板、底角的支护，由于两帮及顶部支护较好，此时会使得巷道周围应力传递到底板处，造成巷道底板围岩中出现应力集中的现象，从而在巷道的底板中产生塑性变形及剪切破坏，而表现出较强的底板鼓起，反过来影响巷道的两帮及顶部的稳定，产生两帮内挤，顶板下沉，造成锚固巷道结构的全面失稳破坏。

3 厚层泥岩底板破坏形式

顺和煤矿－702水平西翼轨道大巷底板岩层为较厚砂质泥岩、泥岩，属于软岩且为深部开采。对于深部软岩巷道底板破坏一般表现为强烈底鼓现象。岩石的膨胀性、扩容性及流变性是引起巷道底板鼓起的主要原因，根据软岩巷道底鼓发生的机理可将巷道底板破坏形式分为应力型底鼓破坏、膨胀型底鼓破坏及塑性挤出型底鼓破坏三大类。

3.1 应力型底鼓破坏

因受到围岩应力而引起的巷道底鼓变相破坏的形式为应力型底鼓破坏，根据巷道岩层特征及岩石结构性质分析，当底板岩石较为破碎时，在掘进过程中积聚在巷道岩石中的自重应力及构造应力产生应力集中，通过巷道两帮转移到巷道底板处的围岩内，而产生很大的压模效应，底板处的岩石由于受到远场的地应力作用而向巷道内产生挤压，导致了底板岩石的破碎，并产生很大的变形，形成底鼓。巷道底鼓力学模型见图3.

图3 巷道底鼓力学模型

图3为根据巷道所受到的围岩应力情况而建立的巷道底板受力力学模型。依据压力拱理论可知，巷道开挖以后在巷道顶部会产生一个压力拱JKL，此压力拱的拱高假定为H，处于压力拱以上的应力载荷会通过拱脚J、L转移到巷道底板中，而巷道的支护结构体仅仅支撑着来自压力拱的围岩应力。在巷道底板AB上，底板两侧围岩中面BE受到压力拱以外的垂直应力γ(h+H)作用，BDE内岩石为主动塑性压力状态，ABD岩石则处于被动塑性压力状态。当ABD内岩石到达被动塑性压力状态时，随时间的推移，并且在水平地应力的作用下，挤压AB面，而产生来自于底板的垂直向上的压力，当其超过底板处岩体的极限强度时，巷道底板AB处将会出现剪切破坏，从而产生底鼓，这就是应力型底鼓变形破坏的原因。

3.2 膨胀型底鼓破坏

当巷道围岩体中含有大量的黏土矿物，如蒙脱石、伊利石、高岭土等软岩时，遇水易发生膨胀和崩解。在地下工程中，巷道围岩含有这些岩份时，如果巷道底板岩层为含水性岩层，或者巷道底板经常受到施工水的浸泡、侵蚀等情况，底板岩层会受到水理作用的影响而发生底板软化，岩石强度下降，底板岩层膨胀而向上鼓起，从而导致底板发生底鼓破坏。如在边坡工程中，边坡岩体吸水膨胀往往会造成边坡失稳;在建筑工程中，如果地基中含有上述岩石往往会造成地基不均匀缩胀变形造成开裂;在巷道及隧道地下工程中，巷道、隧道开挖以后围岩吸水膨胀软化而造成底板突水等，造成安全生产事故。因此，膨胀型软岩对工程具有极大的危害。目前，人们对膨胀软岩的力学机制认识还不够完善，还不能针对性的提出解决膨胀型软岩问题的技术方法，所以膨胀型软岩仍然是工程中的难题。

4 结论

结合顺和煤矿－702水平西翼轨道大巷实际情况，分析了泥岩特性及厚层泥岩底板的变形破坏特征，其主要结论如下:

1)分析了泥岩的特性。顺和煤矿－702水平西翼轨道大巷底板岩层含厚层泥岩与砂质泥岩，岩石胶结性差，岩层节理、裂隙较为发育。具有明显的扩容性与流变性，岩层裂隙易发生扩容性变形，而且巷道变形随时间延长而增加。

2)结合试验巷道地质情况，分析了厚层泥岩底板变形特征。由于埋深较大，易受高地应力及采动影响，底板围岩承载能力较低;由于泥岩具有亲水性，节理裂隙的存在易受水的泥化影响，而造成强烈的底鼓现象。

3)顺和煤矿西翼轨道大巷为深部开采，深部软岩巷道底板破坏一般表现为强烈底鼓现象。软岩的膨胀性、扩容性及流变性是引起巷道底板鼓起的主要原因，根据软岩巷道底鼓发生的机理可将巷道底板破坏形式分为应力型底鼓破坏、膨胀型底鼓破坏及塑性挤出型底鼓破坏三大类。通过并建立岩石巷道底鼓力学模型，分析出巷道围岩体中底板的变形破坏主要是以剪切破坏为主，因此，对于底板的治理应着重控制底板的剪切破坏，特别是要加强对帮角的控制，做到帮底协同控制。

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