程 帥

(大同煤礦集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037000)

1 泥巖特性分析

巷道底板的巖性對(duì)于巷道穩(wěn)定性有著重要的影響，順和煤礦－702水平西翼軌道大巷掘進(jìn)過程中揭露底板巖層主要為砂質(zhì)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(jié)構(gòu)和成分特點(diǎn)，其普遍表現(xiàn)出強(qiáng)度低、承載能力差的工程力學(xué)特點(diǎn)。泥巖的特性一般可以通過研究巖石強(qiáng)度、擴(kuò)容性及流變性來(lái)了解。

1)底板巖石的強(qiáng)度。

礦井建設(shè)與生產(chǎn)實(shí)踐表明，煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)是礦井科研、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)中不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)橄锏绹鷰r分類及巷道施工、支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過鉆取巖芯，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得各巖層的力學(xué)性質(zhì)，西翼軌道大巷底板巖石力學(xué)性質(zhì)表見表1.

表1 西翼軌道大巷底板巖石力學(xué)性質(zhì)表

由表1可知，根據(jù)各巖層指標(biāo)及國(guó)際上對(duì)軟巖的定義可確定該巷道為軟巖巷道。且試驗(yàn)結(jié)果表明，泥巖與砂質(zhì)泥巖均具有親水性，巖石膠結(jié)性差，遇水易產(chǎn)生損傷，巖石中節(jié)理、裂隙由于水的浸入產(chǎn)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(qiáng)。

2)泥巖的擴(kuò)容性。

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

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

球應(yīng)力張量是一種三向均壓狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)典彈性力學(xué)知識(shí)可知，在三向等壓應(yīng)力條件下，不會(huì)引起巷道圍巖產(chǎn)生擴(kuò)容變形，只有偏應(yīng)力張量才會(huì)引起巷道圍巖產(chǎn)生擴(kuò)容變形。－702水平西翼軌道大巷底板圍巖巖性軟弱，在偏應(yīng)力張量的作用下，底板圍巖易產(chǎn)生擴(kuò)容性變形。

圖1 巷道開挖后圍巖強(qiáng)度和應(yīng)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(huì)產(chǎn)生顯著的流變現(xiàn)象。巖石的流變性指巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間有關(guān)的性質(zhì)。軟巖的流變性主要表現(xiàn)在軟巖的松弛性、蠕變性及流動(dòng)極限下的衰減性質(zhì)。松弛性是指在保持恒定變形條件下，應(yīng)力隨時(shí)間的持續(xù)而逐漸減小的性質(zhì);蠕變性是指在恒定載荷的作用下發(fā)生巖石流變的性質(zhì);流動(dòng)極限指是具有流動(dòng)性的材料的屈服極限，當(dāng)外力達(dá)到了屈服極限后才會(huì)發(fā)生塑性變形。在工程實(shí)踐中，巖石的流變極限當(dāng)受到水的弱化等因素的影響時(shí)往往會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減。

地下工程中的軟巖巷道失穩(wěn)及破壞現(xiàn)象，一般是經(jīng)過一段時(shí)間才開始顯現(xiàn)，這主要是因?yàn)?a)巖石本身的流變性，即圍巖變形在恒定應(yīng)力下不斷蠕變，圍巖強(qiáng)度不斷降低的性質(zhì)。b)在外圍水的作用下，由于巖石中的裂隙在工程擾動(dòng)的作用下，泥質(zhì)軟巖動(dòng)態(tài)遇水，隨著時(shí)間的增加而導(dǎo)致變形，使得圍巖變形增大、松動(dòng)或者塑性區(qū)擴(kuò)大。

在實(shí)際工程中，巖石的流變表現(xiàn)在隨著時(shí)間的增加巷道變形持續(xù)增加。－702水平西翼軌道運(yùn)輸大巷剛掘出時(shí)為單巷掘進(jìn)，處在采動(dòng)影響范圍之外，然而在巷道維護(hù)過程中圍巖變形量特別是底鼓量有隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加的趨勢(shì)，這說明該大巷圍巖具有很強(qiáng)的流變性。

2 厚層泥巖底板變形特征

通過對(duì)順和煤礦已掘巷道變形破壞情況調(diào)研及理論分析，認(rèn)為巷道發(fā)生嚴(yán)重變形和破壞的原因主要是由于深部高地應(yīng)力、巷道圍巖巖性差、局部松軟破碎、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不高等幾個(gè)方面綜合作用的結(jié)果。巷道底板變形主要包括以下幾個(gè)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(zhì)泥巖、泥巖為主。圍巖表現(xiàn)出松散、軟弱、碎漲和膨脹等特性，裂隙較為發(fā)育，同時(shí)巷道掘進(jìn)過程中揭露了一些較大的斷層破碎帶，呈現(xiàn)明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力。掘進(jìn)過程中當(dāng)對(duì)圍巖不及時(shí)封閉時(shí)，由于圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露，就會(huì)加劇巖體的泥化及風(fēng)化過程，造成更加明顯的節(jié)理化特征。在深部高應(yīng)力的作用下巷道底板往往會(huì)表現(xiàn)出明顯的內(nèi)擠而產(chǎn)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(fā)生離層、碎脹等情況，從而未能形成完整的錨固結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生失穩(wěn)，甚至冒落，影響施工安全。

2)深部高地應(yīng)力影響。煤礦開采深度一般超過600 m時(shí)，便會(huì)認(rèn)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(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓以及較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)的惡劣環(huán)境中，且受開采擾動(dòng)的明顯影響，這是深部與淺部工程的明顯區(qū)別。進(jìn)入深部開采以后，由于巖石自重引起的垂直應(yīng)力往往會(huì)超過巖體的抗壓強(qiáng)度，由于開挖巷道的工程擾動(dòng)而引起的水平應(yīng)力會(huì)更大，一般超過40 MPa.另外，回采空間引起強(qiáng)烈的支承壓力作用，使受其影響的巷道圍巖壓力以數(shù)倍、甚至近十倍于原巖應(yīng)力迅速升高，從而造成深部圍巖出現(xiàn)大變形、高地壓、難支護(hù)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(yīng)力及深部構(gòu)造應(yīng)力作用，在煤巖層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的彈性能的積聚，當(dāng)巷道開挖以后，這些積聚的載荷會(huì)以較快速度釋放出來(lái)，使得剛開挖的巷道變形速率很大，其表現(xiàn)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(duì)已掘順和煤礦東翼膠帶大巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，初開挖的巷道變形達(dá)到40 mm/d，而底鼓量達(dá)到70 mm/d.巷道變形速率呈負(fù)指數(shù)衰減，經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，這個(gè)過程的時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于應(yīng)力水平和圍巖性質(zhì)。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(qū)別于其他巷道的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是巷道底鼓嚴(yán)重，特別是深部軟巖巷道。順和煤礦已掘進(jìn)東翼膠帶運(yùn)輸大巷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，巷道圍巖3～5個(gè)月的巷道底板變形量為500～900 mm，個(gè)別地段巷道底鼓量達(dá)1 200 mm，巷道的返修率能達(dá)到40% ～80%，而且不止一次進(jìn)行拉低、擴(kuò)幫翻修。有資料表明，隨巷道埋深的增大，底鼓量、頂?shù)装逑鄬?duì)移近量和產(chǎn)生底鼓的巷道比重也有逐漸增大的趨勢(shì)，在西翼軌道大巷已掘巷道地段巖層以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，夾薄煤線或炭質(zhì)泥巖數(shù)十層，整段地層相對(duì)較軟，地應(yīng)力大，初掘巷道就表現(xiàn)出了較大的巷道變形量及強(qiáng)烈的底鼓。

5)水對(duì)泥巖弱化影響較大。軟巖巷道之所以難以支護(hù)，一方面是因?yàn)檐泿r的本身承載能力低，另一方面是因?yàn)檐泿r巷道圍巖巖層中含有很多的裂隙及結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)發(fā)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(tài)，使其變形特征及圍巖強(qiáng)度發(fā)生改變。

水對(duì)泥巖的泥化作用。水會(huì)改變巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得巖石強(qiáng)度降低，巖石物理力學(xué)性質(zhì)和承載性能劣化，這種改變隨著時(shí)間推移會(huì)向深部轉(zhuǎn)移，引起深部巖層的泥化。水對(duì)裂隙巖體的潤(rùn)滑作用。巖體與巖石的區(qū)別之處就在于巖體中存在裂隙面、節(jié)理面和斷層結(jié)構(gòu)面等弱面。地下水在巖體的弱面上會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)滑作用。對(duì)于大部分泥質(zhì)巖體來(lái)說，其弱面上依靠各種可溶解鹽和膠體連接。水侵入巖體時(shí)，會(huì)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(duì)弱面的潤(rùn)滑作用，使得其上的摩擦阻力減小，巖石內(nèi)摩擦角減小，巖石的抗剪強(qiáng)度減小，不連續(xù)面上的摩擦阻力減小，從而使得作用于弱面上的剪切力學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致巖體不連續(xù)面誘發(fā)巖體的剪切運(yùn)動(dòng)。

6)較強(qiáng)的流變性及時(shí)效性。任何巖石的變形都或多或少與時(shí)間因素有關(guān)，時(shí)間對(duì)巖石變形特性的影響稱為巖石的變形時(shí)間效應(yīng)，不同類型的巖石，不同的外界環(huán)境，巖石的變形時(shí)間效應(yīng)程度不同。隨著采礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大，泥巖的流變問題成為越來(lái)越重要的問題。地下工程中的軟巖巷道失穩(wěn)及破壞現(xiàn)象，一般是經(jīng)過一段時(shí)間才開始顯現(xiàn)。

巷道開挖以后，剛開始變形速度會(huì)很快，然后隨著時(shí)間的推移，變形速率會(huì)隨著負(fù)的線性指數(shù)而減慢，與淺部或圍巖地質(zhì)條件好的巷道變形不同，軟巖巷道變形到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。一般巷道變形時(shí)間為25～60 d，也有些巷道會(huì)持續(xù)長(zhǎng)達(dá)半年的變形時(shí)間。

7)巷道的變形難以控制。在深部高應(yīng)力的作用下，軟巖巷道表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的變形破壞，不得不尋求更高更強(qiáng)的支護(hù)方式，而普通的錨網(wǎng)支護(hù)雖然能暫時(shí)起到一定的效果，但是隨著時(shí)間的推移，由于軟弱泥巖的流變性及擴(kuò)容性，圍巖受到的變形壓力將明顯變大。當(dāng)圍巖受到的變形壓力大于巖體的承載能力時(shí)，錨桿(索)支護(hù)安裝后不久就會(huì)失穩(wěn)破壞，進(jìn)而巷道需再次甚至多次返修，增加了深部軟巖巷道的支護(hù)費(fèi)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(zhì)泥巖、泥巖、天然焦、軟弱夾層等。而在已掘巷道的支護(hù)中，往往忽略了巷道底板、底角的支護(hù)，由于兩幫及頂部支護(hù)較好，此時(shí)會(huì)使得巷道周圍應(yīng)力傳遞到底板處，造成巷道底板圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而在巷道的底板中產(chǎn)生塑性變形及剪切破壞，而表現(xiàn)出較強(qiáng)的底板鼓起，反過來(lái)影響巷道的兩幫及頂部的穩(wěn)定，產(chǎn)生兩幫內(nèi)擠，頂板下沉，造成錨固巷道結(jié)構(gòu)的全面失穩(wěn)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(zhì)泥巖、泥巖，屬于軟巖且為深部開采。對(duì)于深部軟巖巷道底板破壞一般表現(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓現(xiàn)象。巖石的膨脹性、擴(kuò)容性及流變性是引起巷道底板鼓起的主要原因，根據(jù)軟巖巷道底鼓發(fā)生的機(jī)理可將巷道底板破壞形式分為應(yīng)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(yīng)力型底鼓破壞

因受到圍巖應(yīng)力而引起的巷道底鼓變相破壞的形式為應(yīng)力型底鼓破壞，根據(jù)巷道巖層特征及巖石結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析，當(dāng)?shù)装鍘r石較為破碎時(shí)，在掘進(jìn)過程中積聚在巷道巖石中的自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力集中，通過巷道兩幫轉(zhuǎn)移到巷道底板處的圍巖內(nèi)，而產(chǎn)生很大的壓模效應(yīng)，底板處的巖石由于受到遠(yuǎn)場(chǎng)的地應(yīng)力作用而向巷道內(nèi)產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致了底板巖石的破碎，并產(chǎn)生很大的變形，形成底鼓。巷道底鼓力學(xué)模型見圖3.

圖3 巷道底鼓力學(xué)模型

圖3為根據(jù)巷道所受到的圍巖應(yīng)力情況而建立的巷道底板受力力學(xué)模型。依據(jù)壓力拱理論可知，巷道開挖以后在巷道頂部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力拱JKL，此壓力拱的拱高假定為H，處于壓力拱以上的應(yīng)力載荷會(huì)通過拱腳J、L轉(zhuǎn)移到巷道底板中，而巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)體僅僅支撐著來(lái)自壓力拱的圍巖應(yīng)力。在巷道底板AB上，底板兩側(cè)圍巖中面BE受到壓力拱以外的垂直應(yīng)力γ(h+H)作用，BDE內(nèi)巖石為主動(dòng)塑性壓力狀態(tài)，ABD巖石則處于被動(dòng)塑性壓力狀態(tài)。當(dāng)ABD內(nèi)巖石到達(dá)被動(dòng)塑性壓力狀態(tài)時(shí)，隨時(shí)間的推移，并且在水平地應(yīng)力的作用下，擠壓AB面，而產(chǎn)生來(lái)自于底板的垂直向上的壓力，當(dāng)其超過底板處巖體的極限強(qiáng)度時(shí)，巷道底板AB處將會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，從而產(chǎn)生底鼓，這就是應(yīng)力型底鼓變形破壞的原因。

3.2 膨脹型底鼓破壞

當(dāng)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(shí)，遇水易發(fā)生膨脹和崩解。在地下工程中，巷道圍巖含有這些巖份時(shí)，如果巷道底板巖層為含水性巖層，或者巷道底板經(jīng)常受到施工水的浸泡、侵蝕等情況，底板巖層會(huì)受到水理作用的影響而發(fā)生底板軟化，巖石強(qiáng)度下降，底板巖層膨脹而向上鼓起，從而導(dǎo)致底板發(fā)生底鼓破壞。如在邊坡工程中，邊坡巖體吸水膨脹往往會(huì)造成邊坡失穩(wěn);在建筑工程中，如果地基中含有上述巖石往往會(huì)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(chǎn)事故。因此，膨脹型軟巖對(duì)工程具有極大的危害。目前，人們對(duì)膨脹軟巖的力學(xué)機(jī)制認(rèn)識(shí)還不夠完善，還不能針對(duì)性的提出解決膨脹型軟巖問題的技術(shù)方法，所以膨脹型軟巖仍然是工程中的難題。

4 結(jié)論

結(jié)合順和煤礦－702水平西翼軌道大巷實(shí)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(jié)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(zhì)泥巖，巖石膠結(jié)性差，巖層節(jié)理、裂隙較為發(fā)育。具有明顯的擴(kuò)容性與流變性，巖層裂隙易發(fā)生擴(kuò)容性變形，而且巷道變形隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加。

2)結(jié)合試驗(yàn)巷道地質(zhì)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(yīng)力及采動(dòng)影響，底板圍巖承載能力較低;由于泥巖具有親水性，節(jié)理裂隙的存在易受水的泥化影響，而造成強(qiáng)烈的底鼓現(xiàn)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(xiàn)為強(qiáng)烈底鼓現(xiàn)象。軟巖的膨脹性、擴(kuò)容性及流變性是引起巷道底板鼓起的主要原因，根據(jù)軟巖巷道底鼓發(fā)生的機(jī)理可將巷道底板破壞形式分為應(yīng)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(xué)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(duì)于底板的治理應(yīng)著重控制底板的剪切破壞，特別是要加強(qiáng)對(duì)幫角的控制，做到幫底協(xié)同控制。

［1］何滿潮.深部開采工程巖石力學(xué)的現(xiàn)狀及其展望.第八次全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集［C］.北京:科學(xué)出版社，2004:88－94.

［2］高明中，黃殿武.底板軟巖動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分布的數(shù)值分析［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(3):14－18.

［3］陳學(xué)華，沈海鴻，王善勇.巷道圍巖自穩(wěn)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離及其影響因素研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，21(3):261－263.