基于现场流变试验的软岩巷道变形破坏机理及支护研究

朱若军

(国投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

基于现场流变试验的软岩巷道变形破坏机理及支护研究

朱若军

(国投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

摘要：软岩巷道变形破坏是煤矿深部开采软岩巷道支护的主要灾害之一。基于国投新集刘庄矿深部泥岩现场三轴流变试验和数值模拟，分析了软岩巷道变形破坏机理及支护技术。采用阻尼最小二乘法逐次线性化的间接方法，利用非线性流变力学模型，拟合得到泥岩蠕变本构方程，分析得出刘庄矿深部软岩巷道的合理支护方式，即采用反底拱和全封闭的施工方式，顺层掘进的重要硐室锚杆打按方位应尽可能与层面垂直，同时进行底板锚注补强支护。

关键词：软岩巷道；现场三轴流变试验；变形破坏机理；数值模拟；支护

目前，随着煤矿开采深度的增加，大部分煤矿出现了不同程度的软岩灾害。文献统计[1-2]我国每年掘进巷道约6000km，深部软岩巷道占28%～30%，而软岩巷道的返修率则高达70%以上，可见软岩巷道支护问题是困扰矿山生产和建设的难题之一，因此，国内外大量学者进行了软岩巷道的支护研究[3-6]，提出了许多软岩支护理论与稳定控制技术，解决了许多工程问题。

随着我国浅部煤炭资源趋于枯竭及矿井开采强度的不断增大，煤炭开采已由浅部逐渐向深部发展，矿井进入深部开采阶段，巷道围岩地质条件更加复杂，地应力水平也越来越高，特别是在地质构造活动强烈地区，残余构造应力更大，在深部高应力状态下，软岩巷道围岩变形量大、变形速率快、持续时间长、流变性特别突出，流变破坏是深部高应力软岩巷道失稳破坏主要形式之一。大量的工程实践表明，深部高应力软岩巷道开挖以后，巷道围岩一般不会在短时间内发生变形破坏，而是在高应力作用下表现出显著的流变特性，致使巷道围岩在变形延续较长时间后才产生破坏，具有明显的时效性[7-8]。

刘庄矿泥岩等软岩层的流变特征较为显著，软岩巷道变形破坏严重，破坏形式主要是巷道边墙破坏、巷道拱腰破坏、巷道顶拱破坏、巷道底鼓等，增加了巷道翻修成本，影响了安全生产。本文结合刘庄矿现场三轴流变试验，对软岩巷道变形破坏机理进行了分析。基于流变试验结果拟合得到了泥岩本构方程，对变形破坏机理作了进一步研究，结合刘庄矿实际情况提出两种软岩支护施工方案并对方案进行了数值模拟，通过对比提出合理支护方式。

1软岩巷道现场流变测试与分析

现场流变测试取样点位于西区-760m井底车场掘进煤翻车机硐室的试验巷道中段泥岩地层，取样点间隔为5～8m。用直径40mm的十字形钻头(配备相同直径的钢管导向)进行钻孔，钻孔完毕后采用静态或松动爆破进行试件周边槽的开挖，槽长2040mm，槽宽770mm，槽深1000mm。试样共2块泥岩，尺寸为500mm×500mm×1000mm(长×宽×高)，分两次进行加工，在一个试样流变试验完成后进行第二块试样加工，试样全部需要用风钻、手式开挖以减小对试体的扰动。打磨修正试样表面，平整度小于5mm，并用高标号水泥抹平。

蠕变试验的加载方式有单级加载、分级加载两种方式。先施加相同的围压和轴向应力，后对轴向应力逐级加载，当本级荷载作用下的围岩位移速率小于0.01mm/h时，施加下一级荷载，直至试样破坏；试样垂直方向施加四个百分表测读轴向位移，测向各安装2个百分表测读位移。

通过对泥岩的蠕变现场试验，现场岩体在蠕变过程中的蠕变呈现如下特点与时效特征。

1.1试样1蠕变特征

试样1蠕变特征见图1。第一级荷载，轴向应力2.5MPa，侧向应力2MPa，试样为初期蠕变阶段；第二级荷载，轴向应力3.5MPa，侧向应力2MPa，试样为等速蠕变阶段；第三级荷载，轴向应力4.5MPa，侧向应力2MPa；试样为等速蠕变阶段；第四级荷载，轴向应力5.3MPa，试样进入加速破坏阶段。

1.2试样2蠕变特征

试样2蠕变特征见图2。第一级荷载，轴向应力3.75MPa，侧向应力1.83MPa，试样为初期蠕变阶段；第二级荷载，轴向应力5.76MPa，侧向应力1.83MPa，试样为等速蠕变阶段；第三级荷载，轴向应力6.20MPa，侧向应力1.83MPa；试样为等速蠕变阶段；第四级荷载，轴向应力7.78MPa，试样进入加速破坏阶段。

分析上述试验结果可以得到以下结论。①每一级应力加载瞬间，试样产生瞬时弹性位移，其量值随着应力水平的提高呈现增大的趋势；每一级荷载下瞬时变形是总变形的主要组成部分。②蠕变试验过程中，软岩蠕变没有呈现明显的初始蠕变强度，试验在较低的应力水平下，岩样的位移就呈现随时间明显增大的特点。在较低的应力水平下呈现初期蠕变的特点，在相对较高应力水平下呈现稳态流变的特性，但其蠕变速率呈现随时间增大的趋势。③从本次试验结果看，当轴向应力在5M～6MPa时，试样呈现破坏特征，其变形速率增长非常迅速，从试样加速变形至破裂，历时很短，产生宏观的裂缝及边角脱落等现象，其侧向膨胀也相当显著。

图1　试样1现场流变试验蠕变结果

图2　试样2现场流变试验蠕变结果

2基于流变结果分析软岩破坏机理

根据刘庄矿深部软岩现场流变试验结果，应用非线性流变力学模型，采用最小二乘法中的阻尼最小二乘法(Marquardt法)逐次线性化的间接方法[9-11]，对试验结果进行拟合，拟合结果如下所述。

2.1试样1蠕变实验拟合结果

试样1蠕变实验拟合结果见图3。第一级荷载，Mises应力2.05MPa，试样为初期蠕变阶段；第二级荷载，Mises应力2.95MPa，试样为等速蠕变阶段；第三级荷载，Mises应力3.87MPa，试样为等速蠕变阶段；第四级荷载，Mises应力4.40MPa，试样进入加速破坏阶段。其蠕变方程可描述为式(1)。

(1)

式中：t为时间，min；q为Mises应力，MPa。因此，根据试验结果可以拟合该泥岩试样的蠕变本构方程，见式(2)。

(2)

式中，m=0.358q-0.679 。

2.2试样2蠕变试验拟合结果

试样2蠕变试验拟合结果见图4。第一级荷载，Mises应力3.25MPa，为初期蠕变阶段；第二级荷载，Mises应力4.95MPa，为等速蠕变阶段；第三级荷载，Mises应力5.52MPa，为等速蠕变阶段级荷载；第四级荷载，Mises应力8.00MPa，为加速破坏阶段。其蠕变方程可描述为式(3)。

(3)

式中：t为时间，Min；q为Mises应力，MPa。因此，根据试验结果可以拟合该泥岩试样的蠕变本构方程，见式(4)。

(4)

式中，m=0.167q-0.52。

图3　试样1现场流变试验拟合结果

图4　试样2现场流变试验拟合结果

上述两个试样的蠕变本构方程表明，泥岩的蠕变速率不仅与应力水平相关，还与发生的时间密切相关。根据试验结果建立的深部泥岩的非线性流变力学方程，可以为深部泥岩巷道的支护设计优化和长期稳定性评估提供理论依据。根据现场流变试验的结果可以得到如下结论。①刘庄矿泥岩、炭质泥岩和砂质泥岩的强度较低，而初始地应力17MPa(垂直应力)大，使得巷道呈现较为显著的高地应力巷道特征，矿区泥岩最突出的特点是泥岩具有强烈的流变性，表现在巷道开挖后出现的大变形特征，试验巷道硐室开挖后两个多月时间，其底臌量达到800mm。同时底板泥岩在水的作用下呈现十分明显的软化及膨胀特征。②泥岩在荷载作用下呈现的蠕变特征：荷载较低时，蠕变速率和量值也较低，随着荷载的增加，泥岩的蠕变速度呈现增大的趋势，蠕变试验经历了初期蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶段，从蠕变速率曲线看出泥岩蠕变速率随时间缓慢增加的特征，反映泥岩的非线性流变特征，与试验过程中微裂缝的产生、扩展等过程密切相关，表现为明显的扩容特征。③根据现场试验结果分析，刘庄矿泥岩的变形模量大约为1.0GPa；根据现场三轴流变试验，泥岩的内摩擦角Φ=35°，粘结力1.1MPa，该指标表明泥岩的宏观力学参数较差，因此在巷道支护设计中应予高度重视，通过设置合理的断面形式和支护参数，减小巷道的大修工作量，保证巷道的长期稳定性，减少工程成本。

3支护方案

根据刘庄矿软岩巷道破坏机理和目前的支护方式，提出两种软岩巷道支护方案。

方案一：采用36#U型钢拱架间距0.6m，喷射混凝土100mm。二次在巷道拱顶及帮布置中空锚杆φ22mm、间距2m×2m注浆。巷底不作支护。

方案二：采用36#U型钢拱架间距0.6m，喷射混凝土100mm，巷底施作下弧拱，36#U型钢反底拱架全断面封闭式支护，底拱最大深度100cm，在开挖及施作好钢拱架后采用混凝土回填。二次在巷道拱顶及帮布置中空锚杆φ22mm、间距2m×2m注浆。

结合刘庄矿深部巷道岩层特性，利用数值模拟，对两种方案在蠕变特征、层理面损伤方面进行对比。

图5为方案一蠕变应变分布图，图6为方案二蠕变应变分布图。从图5和图6可以看出，方案一和方案二在拱底和下拱腰部位蠕变程度较大，且方案一的蠕变应变发生的范围更广。

图7和图8分别为两种方案软弱夹层损失破坏分布示意图。由于各岩层之间均有一定厚度的软弱夹层，通过计算发现，在硐室所在岩层的软弱夹层发生的损伤范围较大，尤其是上部炭质泥岩和煤层之间的夹层，损伤范围达到9.5m。从图7和图8可以看出方案二软弱夹层损伤范围稍小，相对于方案一，巷道顶部上方软弱夹层损伤不明显。

图5　方案一蠕变应变分布图

图6　方案二蠕变应变分布图

图7　方案一软弱夹层损失破坏分布图

图8　方案二软弱夹层损失破坏分布图

4结语

结合刘庄矿深部泥岩现场三轴流变试验和数值模拟，对软岩巷道变形破坏机理及支护技术进行了分析，拟合得到泥岩蠕变本构方程。

反底拱施工方案能有效的减小巷道底板的位移，对比无反底拱施工方案，在围岩体流变半年后，拱底最大位移减小近33cm。现场已经施工地段的实践表明：巷道未施作仰拱的地段，施工后两个月的底臌量已经达到800mm，严重影响巷道的正常使用。通过对有无反底拱施工技术方案的比较，施作反底拱后，巷道的水平方向和底板的破损区都有显著减小。因此，对软岩区长期服务巷道应采用反底拱和全封闭的施工方式，减小巷道的维修工作量。

岩层的软弱夹层发生的损伤范围较大，尤其是上部炭质泥岩和煤层之间的夹层，损伤范围达到9.5m。对于顺层掘进的重要硐室，其锚杆的方位应尽可能和层面垂直，这样才能将弱面串联成一体。同时对底板进行锚注，有利于防止控制底板大变形。

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Research on the deformation and failure mechanism of soft rock roadways and supporting technology based on triaxial rheological experiments in site

ZHU Ruo-jun

(SDIC Xinji Energy Co.，Ltd.，Huainan 232001，China)

Abstract:The soft rock deformation and failure are the serious disasters in soft rock roadway supporting in the deep mining of coal mine.Based on the triaxial rheological experiments in site of mudstone in Liuzhuang mine and numerical modeling，the deformation and failure mechanism of soft rock roadways and its supporting technology were analyzed.The damped least square method (Marquardt method) was used to the indirect gradual linearization analysis and the creeping constitutive equations were formed by using the nonlinear rheological model.Then the reasonable supporting mode of deep soft rock roadway in Liuzhuang mine was obtained.That is，adopting the inverted arch and fully closed construction mode，keeping the bolt drilling and installation orientation in the major chamber of bedded tunneling vertical to the bedding plane and supporting roadway by bolting and grouting reinforcement floor.

Key words：soft rock roadway；triaxial rheological experiments in site；deformation and failure mechanism；numerical modeling；supporting technology

收稿日期：2015-10-11

作者简介：朱若军(1974-)，男，安徽安庆人，高级工程师，主要从事煤矿生产和技术管理工作。E-mail：ahthzrj@163.com。

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0084-04