渗水泥化巷道失稳机理与安全控制对策.docx

渗水泥化巷道失稳机理与安全控制对策seepage argillaceous roadway instability mechanism and safety control measures摘要本文针对淮北矿区高应力、围岩松散破碎、泥质岩性、受水影响显著等复杂地质条件下的渗水泥化巷道围岩稳定控制技术难题开展了深入研究，通过深入细致的工程地质调研，结合实验室试验、分子模拟及数值计算，分析了高承压水侵入巷道失稳原因，揭示了浸水泥岩泥化流变演化规律，得到了渗水泥化巷道失稳机理，研发了适用泥化巷道围岩控制的安全控制对策，研究成果如下：（1）通过深入细致的现场调研，发现巷道是在泥质软岩、地板承压水及各种应力扰动的共同作用下出现围岩泥化流变，最终导致巷道渗流失稳，其失稳变形本质上是围岩渗流场、应力场、损伤场三者相互耦合的结果，而渗流水对围岩的侵蚀是巷道变形破坏的关键因素。（2）通过扫描电镜与x射线衍射仪对典型泥岩的微观结构与物质组成进行分析，并借助materials studio（简称ms）软件建立了蒙脱石的双晶胞结构模型，揭示了蒙脱石吸附水分子形成1、2、3层饱和水分子层的水化过程，结合蒙脱石型泥岩不同浸水程度的微观结构变化，研究了随着粘土矿物水化程度加强，泥岩微观颗粒脱落、裂隙增加，致使泥岩在宏观上出现泥化流变破坏现象的过程。（3）运用ms软件forcite模块对吸附1、2、3层饱和水分子层的蒙脱石模型进行分子能量优化，发现蒙脱石分子模型多面体结构发生不规则变化，模型总能量大幅度下降，形成能量最小化结构体系，致使泥岩力学性能降低直至丧失力学强度，直接导致了泥岩微观结构发生破坏，最终形成无强度的泥化混合物。（4）采用数值模拟手段研究了渗水泥化巷道位移变化规律，发现泥化巷道开挖后迅速发生变形，顶底板及两帮移近量达到1500mm，巷道净断面面积缩小50%，泥化围岩根本无法维持巷道稳定。（5）针对渗水泥化巷道失稳机理，制定一套疏水降压、强化围岩及构造高强度支护体系的安全控制对策，其本质在于疏导承压水的基础上，置换原有的泥化围岩为混凝土墙体，并配以注浆手段不断提高泥岩自身整体强度和稳定性，从而构建多喷浆层、高度密贴岩面的强韧封层结构，形成巷道支护圈体。（6）在淮北矿区朱仙庄煤矿水平皮带机大巷开展了渗水泥化巷道治理的验证研究和工业性试验，巷道维控效果良好，表明控制技术选用得当，有效保证了巷道的正常使用，取得了良好的经济与社会效益。该论文有图50幅，表6个，参考文献90篇。关键词：泥化巷道；分子模拟；泥化流变；失稳机理；强韧封层63abstractbecause of the highly stress, loosed and politic surrounding rock and easily water affected etc., complicated geological conditions, roadway in huaibei mining area is water seepaged and politic. this article aims at a further study of surrounding rock stability control problem. by intensive engineering geology survey, lab test, molecular simulation and numerical calculation, this article analysis the reason the confined water seepages in the unstable roadway, reveales the evolution rule, get the mechanism of the water seepaged and politic roadway loosing the stability and develop the control measures. the research achievements are as listed below:(1) intensive site surveys find that the roadway surrounding rock become flowing deformation and argillization under the combined action among argillaceous soft rock, confined water and stress disturbance. this makes the roadway water seepaged and unstable. essentially, the instability and deformation is result of combined action of ock seepage field, stress field and damage field. however, the vadose water erosion is the key factor for deformation of the roadway(2) by scanning electron microscopy, the analysis on typical mudstone micro structure and material composition through x - ray diffraction and double cell structure model of smectite established with the help of materials studio (ms) software , this article shows a hydration process in which the smectite adopts water molecules and becomes 1, 2, 3 layers of water saturated molecular layer. as the the hydration of clay and mineral serious, more and more micro particles fall off and fractures appear. this macroscopically result to the flowing deformation and argillization of the rock. (3) the test uses the forcite set in ms software to make the molecular ernergy optimization model of smectite to find irregular variation in the polyhedron structure of smectite molecular model. at the same time, the models total energy is greatly reduced and forms the minimization of energy structure, resulting the mud rocks loss of mechanical strength. this is the direct cause of the break in mud rocks micro structure. finally, it becomes the no strength- argillization mixture.(4) the test studies the change rule of displacement in permeable mud roadway by numerical simulation. we found that the roadway deform rapidly after excavation; the roof baseplate and the two sidewalls move between reaches 1500mm; the roadways net sectional area reduced 50%. the argillizated surrounding rock cannot keep the roadways stability at all. (5) aiming at the instability mechanism of the permeable mud roadway, this paper formulates a set of safety control countermeasure by dewatering, depressurization intensifying the surrounding rock and strengthening supporting. its essence is based on the guidance of confined water to replace the original mud rock for concrete wall.with grouting method and continuously improving the overalls strength and stability of mudstone, it build tough a much whitewashing-seal structure and highly paste the rock, which becomes a roadway support circle system.(6) the level ii horizontal belt roadway in huaibei area zhuxianzhuang coal mine carried out validation research and industrial test about the governance of water seepaged and politic roadway. the effective result indicates the governance method is proper. this ensures the normal uses of the roadway and gets perfect economic and social benefits. the paper has 50 figures, 6 tables and 90 reference togetherkeywords: muddy roadway; molecular simulation; mud flow; failure mechanism; strengthening seal目录摘要i目录iv图清单viii表清单xi1 绪论11.1 研究意义11.2 国内外研究现状21.3 存在的主要问题111.4 研究内容及研究方法112 渗水泥化巷道失稳特征及原因分析132.1 实验巷道工程背景132.2 渗水巷道泥化失稳原因分析152.3 本章小结193 浸水泥岩流变演化规律研究203.1 天然泥岩微观结构测试分析203.2 蒙脱石型泥岩泥化过程模拟253.3 本章小结304渗水巷道泥化失稳机理研究324.1 蒙脱石结构能量优化324.2 泥化围岩巷道失稳模拟344.3 本章小结375 泥化巷道安全控制对策395.1 疏水泄压395.2围岩强化415.3构建高强度支护体系445.4 本章小结456 工业性试验466.1 支护思路466.2技术方案466.3 矿压观测方案及效果516.4 本章小结537 结论54参考文献56作者简历61学位论文原创性声明62学位论文数据集63contentsabstractiicontentsvilist of figuresviiilist of tablesxi1 introduction11.1 significance11.2 current research21.3 the main problems111.4 contents and methods112 cement infiltration of roadway characteristics and causes of instability132.1 experimental roadway engineering background132.2 seepage tunnel mudding stability failure152.3 summary193 flooding shale rheological law of evolution203.1 natural shale microstructure test analysis203.2 smectite clay shale process simulation253.3 summary304 mechanism of mud muddy roadway324.1 smectite structure energy optimization324.2 mudding surrounding rock instability simulation344.3 summary375 mudding roadway safety control measures395.1 hydrophobic relief395.2 rock consolidation415.3 strengthen the supporting structure445.4 summary456 engineering practice466.1 supporting ideas466.2 technical solutions466.3 mine pressure observation program and results516.4 summary537 conclusion54reference56author resume61declaration of thesis originality62thesis date collection63图清单图序号图名称页码图 1-1技术路线图12fig.1-1technical route12图2-1巷道空间位置图14fig. 2-1roadway spatial location map14图2-2水平第二部皮带机大巷破坏实照15fig. 2-2 second belt level roadway damage real photos15图2-3水平第二部皮带机大巷喷水漏泥实照15fig. 2-3 second belt level roadway water leak mud real photos15图2-4巷道支护流程图16fig.2-4roadway flowchart16图2-5泥岩含水膨胀泥化状态17fig.2-5hydrous clay shale swelling state17图2-6工作面回采后的应力区域分布图18fig.2-6regional distribution of stress after mining face18图2-7前支撑压力以非均面荷载向底板传递的应力分布18fig.2-7support pressure before the load transfer to the non-flat surface stress distribution to the floor18图3-1粉末晶体x射线衍射仪21fig.3-1crystal x-ray powder diffraction21图3-2泥岩样品制作过程22fig.3-2mudstone prototyping process22图3-3泥岩x射线衍射图谱22fig. 3-3mudstone x-ray diffraction pattern22图3-4扫描电子显微镜实物23fig.3-4scanning electron microscopy23图3-5浸水泥岩制备过程24fig.3-5flooding during the preparation of mudstone24图 3-6天然泥岩扫描电镜图像(x1000)24fig. 3-6natural mudstone sem image (x1000)24图3-7天然泥岩扫描电镜图像(x3000)25fig. 3-7natural mudstone sem image (x3000)25图3-8蒙脱石双晶胞结构模型26fig.3-8smectite double crystal cell structure model26图3-9蒙脱石吸附1层水分子结构模型27fig. 3-9the structure model of 1 layers of water molecules in the adsorption of smectite27图3-10蒙脱石吸附1层水分子时泥岩微观结构28fig.3-10mudstone microstructure when smectite adsorb a layer of moisture28图3-11蒙脱石吸附2层水分子结构模型28fig. 3-11the structure model of 2 layers of water molecules in the adsorption of smectite28图3-12蒙脱石吸附2层水分子时泥岩微观结构29fig. 3-12mudstone microstructure when smectite adsorb 2 layers of moisture29图3-13蒙脱石吸附3层水分子的结构模型29fig. 3-13the structure model of 3layers of water molecules in the adsorption of smectite29图3-14蒙脱石吸附3层水分子时泥岩微观结构30fig. 3-14mudstone microstructure when smectite adsorb 3 layers of moisture30图3-15蒙脱石型泥岩裂隙发育与宏观泥化特征30fig. 3-15smectite clay shale fissures and macroscopic mudding characteristics30图4-1蒙脱石结构能量优化前后对比图33fig. 4-1smectite structure before and after comparison chart energy optimization33图4-2泥岩宏观泥化流变实照图34fig.4-2macro clay mudstone rheological solid figure34图4-3泥岩泥化宏观裂隙方向34figure 4-3mudstone mud macro fracture direction34图4-4数值模拟模型35fig.4-4numerical simulation model35图4-5109 step巷道失稳模型36fig.4-5109 step roadway instability model36图4-6500 step巷道失稳模型36fig.4-6500 step roadway instability model36图4-7巷道失稳模型37fig.4-7roadway instability model37图4-8水平第二部皮带机大巷失稳破坏图37fig.4-8 second belt level roadway instability failure map37图5-11巷道导水洞导水情况40fig.5-1roadway tunnel conductivity water situation guide40图5-2巷道导水孔导水情况40fig.5-2roadway guide water hole conductivity water situation40图5-3泥质巷道围岩泥化状态42fig.5-3mud muddy roadway status42图5-4泥岩置换技术现场施工图42fig.5-4replacement technology mudstone construction site42图5-5巷道右帮支护剖面图43fig.5-5roadway cross sectional view of the right to help support43图5-6超前注浆锚杆加固布置图44fig.5-6advance grouting anchor reinforcement layout44图5-7巷道分布式注浆效果图44fig.5-7distributed tunnel grouting renderings44图5-8巷道高强度底板结构图45fig.5-8roadway structure of high-strength floor45图6-1巷道导水孔47fig.6-1roadway guide water hole47图6-2巷道分段修复布局图47fig.6-2layout diagram of section-repaired roadway47图6-3巷道左帮底部剖面图48fig.6-3roadway left basic profile48图6-4巷道右帮底部剖面图48fig.6-4roadway right basic profile48图6-5交叉点正视图49fig.6-5cross point front view49图6-6巷道围岩支护一体化方案49fig.6-6roadway support integration programs49图6-7高强锚杆与注浆锚杆布置图51fig.6-7layout of high strength bolt & grouting anchor51图6-8围岩表面收敛观测点布置图51fig.6-8distribution of surface convergence monitoring stations51图6-9顶底板位移观测曲线52fig.6-9displacement curves of the roof and floor observation52图6-10两帮位移观测曲线52fig.6-10displacement curve between two observations52图6-11修复后巷道整体效果图52fig.6-11overall situation of roadway after repaired52表清单表序号表名称页码表2-1岩层顺序表13table2-1strata sequence table13表3-1x射线衍射仪主要指标21tab. 3-1x-ray diffraction main index21表3-2粘土物质相对定量分析结果22tab.3-2results of clay minerals relatively quantitative analysis22表3-3蒙脱石晶胞原子电荷数26tab.3-3smectite lattice atom number of charges26表4-1蒙脱石结构模型优化前后能量参数变化33tab.4-1energy parameters change before and after optimization on smectite structural model33表4-2主要岩层力学参数35table 4-2main rock mechanics parameters351 绪论1绪论1introduction1.1研究意义（significance）泥质岩石分布广泛，仅泥岩和页岩就占地球表面所有岩石的50%左右，它的存在严重影响煤矿巷道这类埋藏比较深的地下工程的稳定性1。地下井巷工程中，特别是煤矿生产建设中经常遇到地下水涌入，致使泥质岩体泥化引起围岩强度弱化，进而引发巷道产生长时、非线性、大变形量的流变现象，并对支护结构造成破坏，使得巷道围岩控制问题十分突出。泥化巷道往往是前掘后修甚至多次翻修，形成“破坏修复再破坏再修复”的恶性循环，极大降低了正巷速度，打乱了正常的采掘接替平衡，给矿井高效生产和生命安全带来极大危害。我国能源消费结构将长期以煤炭为主，煤炭资源的快速消耗使得煤炭开采由浅部逐步转向深部，而且从北到南一系列第三纪褐煤田的不断开发，使得煤矿巷道有相当一部分布置于泥质软岩中2。采动影响下，泥质软岩巷道帮部整体移近、顶板弯曲下沉、底鼓极为严重，表现为全面来压。泥质围岩的破裂为裂隙水提供了流通渠道，进一步促进泥岩的水化作用，泥岩泥化后裂隙闭合、强度进一步降低，围岩承载结构平衡破坏，岩体破裂产生新的裂隙，进入下一损伤循环，对巷道的围岩控制技术提出巨大的挑战。泥质软岩遇水弱化问题从20世纪60年代就作为世界难题被提了出来3，世界上很多大型水工事故就是由泥岩与水相互作用引发的，如美国圣佛兰西斯坝、法国布泽坝的垮塌，都是由于坝体被水软化后沿泥化夹层滑动造成的。目前，对于泥质软岩遇水软化流变研究主要集中于典型泥岩矿物成分物理化学性质，特别是关键膨胀性粘土矿物成分以及泥岩微观结构两个方面。泥岩矿物成分方面，国内外主要针对软岩矿物成分与物理力学关系进行了研究，得出不同矿物含量与含水率对岩石力学性质的影响3-4。微观结构方面上，国内外学者主要利用各种岩矿测试手段如扫描电镜、压汞、x-衍射、比表面分析仪等对泥页岩进行分析，研究泥页岩中粘土矿物的组成和含量，测试水化过程中泥页岩的膨胀率，定性地分析粘土矿物组构对水化过程的影响规律，特别是泥岩在饱水状态下微观变化规律5。已有研究中，对泥岩组成性质及其遇水软化过程进行了详细描述，但对其主要组成成分结构变化特别是其分子结构变化对泥岩泥化的影响鲜有提及。因此，针对泥岩矿物组构及其水化过程中微观结构的变化规律、力学性能参数的弱化特征展开实验研究，从本质上揭示泥岩遇水弱化规律，继而深入研究渗水泥化巷道失稳机理，从而研发不同于传统泥质巷道防治手段的新型控制技术，对于该类泥质软岩巷道的稳定性控制具有基础性指导意义，对其他涉及泥岩水化的岩土工程具有可鉴之处。1.2 国内外研究现状（current research）1.2.1 泥质巷道泥化失稳研究现状早在20世纪50年代，norrish、日本学者须腾俊男研究了软岩中蒙脱石的力学膨胀作用6，开启了对泥岩力学性质的研究。近年来，学术界针对泥岩水化致巷道失稳的研究主要集中在宏观与微观两方面进行。宏观方面，部分学者通过对含有粘土矿物较多的泥页岩、粉砂质泥岩进行水化实验，研究岩石力学参数随含水率的变化而降低的过程，分析了温度、围压等因素对水化过程和影响，建立了相应的变化规律公式；部分学者则基于特定的巷道围岩控制工程条件，研究泥质围岩遇水弱化失稳破坏机理及相应的控制技术，解决了部分困难巷道的支护难题。微观方面，主要利用各种岩矿测试手段如扫描电镜、压汞、x-衍射、比表面分析仪等对泥页岩进行分析，研究泥页岩中粘土矿物的组成和含量，测试水化过程中泥页岩的膨胀率，定性地分析粘土矿物组构对水化过程的影响。何满潮等7采用自主开发研制的软岩水理作用测试仪，对深井泥岩进行吸水试验研究并进行了sem与x射线衍射试验，表明：泥岩吸水特性在时间序列上分为减速吸水和等速吸水两个阶段，吸水量与吸水时间双对数关系曲线呈上凸、下凹和直线3种类型；孔隙率的大小、矿物含量与种类及粘土矿物的产状等是泥岩吸水特性的主要影响因素；泥岩孔隙率与吸水量、吸水速率成正比关系；粘土矿物含量与吸水量、吸水速率成反比关系，且粒间孔隙中粘土矿物分布形态不同，特征曲线形态也不同。朱合华等8通过试验获得含水状态是影响岩石蠕变力学性质的一个重要因素，探讨了岩石蠕变受含水状态的影响规律，根据广义kelvin模型求得岩石蠕变模型参数。李栋伟等9对泥岩开展了先固结后径向卸载的三轴剪切试验和蠕变试验，泥质软岩存在起始蠕变应力阈值和蠕变破坏临界应力；基于试验结果和对线性组合流变模型的分析，将mises和drucker-prager强度准则引入到组合模型中，建立了泥岩的非线性蠕变方程，可以很好地描述泥岩蠕变的各个阶段。范庆忠，李术才10等采用重力加载式三轴流变仪，在低围压条件下对含油泥岩进行了三轴蠕变压缩试验研究，表明：含油泥岩存在一个起始蠕变应力阈值且随围压加大呈线性增加，蠕变破坏应力也大致与围压成比例关系，但两者随围压的增长率差异很大；含油泥岩的蠕变只有衰减状态和加速状态，未观测到等速阶段；含油泥岩黏滞系数较小，显示出其流动变形大的特点；黏滞系数近似为围压的线性函数，但增长率远小于前两者，表明低围压对软岩的流动变形影响较弱。陈卫忠等11对泥岩进行了现场大型真三轴蠕变试验，分析了蠕变变形随时间的变化规律，提出了泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型，较好地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征，表明泥岩蠕变速率不仅与时间密切相关，还与应力水平相关。张农等12基于泥岩全应力-应变加载过程的渗透特性试验研究，分析了掘巷影响区不同时空条件下巷道岩体裂隙的渐次发育过程，揭示了巷道围岩渗透特性的动态演化规律以及轴向、径向和环向3个方向的渗流特征；该规律对注浆孔深、间排距、注浆时机等控制渗流灾害的注浆参数设计具有明确的指导作用，进一步分析了防止渗流泥化灾害的最佳注浆时机和合理注浆孔布置等渗流灾害控制关键参数，提出控制泥质巷道围岩防止渗流灾害的注浆稳定技术。杨永康等13,14针对煤巷上方大厚度泥岩顶板在开挖支护后所表现的破坏现象，对其变形破坏机制及控制对策进行了系统研究，表明：泥岩风化崩解、碎裂扩容与应力调整过程中的高应力拉伸与剪切共同促使泥岩顶板破裂、离层和破碎；大厚度泥岩顶板支护的原则为及时封闭围岩、提高下位岩层刚度、布置斜向锚索。李学华等15通过钻孔窥视对不同含水条件下泥岩顶板的裂隙演化规律和破裂特征进行了分析，研究了泥岩顶板巷道冒顶机理，表明：围岩裂隙由浅部向深部逐渐扩散，裂隙发育存在饱和现象；有效控制围岩微裂隙区向裂隙发育区演化，避免裂隙发育区发展到锚固区之外是保证富水泥岩顶板巷道稳定的关键；建立了分顶、分区的围岩控制技术体系，包括高性能锚杆支护技术、预应力锚索强化技术和注浆加固技术。姚强岭等16针对煤层巷道开挖和维护过程中泥岩顶板遇水导致围岩承载性能恶化，易于冒顶的特点，分析了该类顶板易于发生冒顶的机理：发生冒顶前已发生明显离层，顶板锚固体呈现整体垮冒的特点；泥岩组分中富含粘土矿物是产生崩解和膨胀的根本原因；围岩受水影响后顶板及两帮变形量分别增加了13.5%和32.9%。提出了有控疏水、合理保水与高预紧力锚杆(索)网带支护相结合的控制技术。柏建彪等17针对深部软岩巷道四周来压、整体收敛、变形强烈的特点，提出了主动有控卸压的方法，释放围岩膨胀变形能，将高应力向围岩深部转移，减小浅部围岩应力；提出应用高水速凝材料注浆加固遇水弱化、膨胀的泥岩。季明18在实验室条件下进行了灰质泥岩试件的三向自由膨胀试验，对不同含水率下的灰质泥岩进行了单轴压缩实验，研究了含水率对岩石的力学和声发射特性的影响，表明弹性模量、抗压强度随着含水率的增加而减小，峰值应变随着含水率的增加而增大；结合损伤力学理论，探讨了单轴压缩条件下，含水岩石的损伤演变规律，并推导了考虑载荷和湿度共同作用的灰质泥岩的损伤本构模型。邓金根等19提出了一种模拟井下温压条件下泥页岩吸水扩散系数的测量方法及实验装置和实验数据回归处理技术，利用该装置对泥页岩的扩散系数值进行了测定。林永学等20利用三轴应力防塌试验方法揭示了泥页岩在不同流速、压力、流体条件下的破坏规律：流速、流体及轴围压对岩样的水敏破坏均有明显的影响；流速及轴围压越大，岩样越易破坏；全滤失型流体对岩样水化破坏几乎不起抑制作用，低滤失型非抑制性体系及高滤失型抑制性体系也只能起到延缓破坏的作用。和冰21通过泥岩水化试验，基于yew和chenevert22,23给出的含水量求解公式，对试验所得数值进行拟合后求得了吸附扩散常数，给出了膨胀应变与吸水量的关系曲线；通过三轴试验对水化后泥页岩的力学性能参数进行测试，回归出泥页岩的强度参数与含水量的关系式，表明：泥页岩水化后，其强度降低，弹性模量减小，泊松比增大，黏聚力和内磨擦角也随含水量的增加而减小。冒海军等24利用sem、x-粉晶衍射技术，对采自不同地区的泥岩和板岩在干燥状态、不同浸泡时间后的微观结构和含量进行分析及研究，分析粘土矿物的组构随浸泡时间的变化过程，并定量地分析其对水化过程的影响规律，研究泥页岩的软化过程。研究表明：影响泥页岩、板岩水化过程的内在因素是蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石等粘土矿物的含量；粘土矿物定向排列时水化作用效果较无序排列时的明显；泥页岩水化作用是一个渐进过程，水化过程中流体介质首先使表面的粘土矿物软化，产生掉块，随时间延长，流体沿裂缝、层理面向岩石内部渗透，粘土矿物发生膨胀，无围岩限制作用时坍塌掉块持续发生；泥浆中加入一定的无机盐有助于抑制水化过程的发生；压力增加抑制水化过程；温度升高则促进泥页岩的水化过程。同时为直观表现出泥岩中关键物质粘土矿物在分子层面的水化过程，特引进分子建模及分子模拟，用以模拟粘土矿物分子聚集体的行为，从而计算分子系统的宏观性质。尤其是强膨胀粘土物质蒙脱石的分子模拟研究可以定量了解蒙脱石层间结构和各种性质的关系，目前已经应用于蒙脱石结构各个方面的研究中。boek、skipper等25-26的研究表明蒙脱石晶体中li离子和na离子最容易水化，可以从蒙脱石粘土矿物结构中的硅氧表面分离出来，相比之下k移往表面并束缚在表面。smith27运用蒙特卡罗方法(mc)和分子动力学(md)方法研究了cs-蒙脱石膨胀特征和层间结构，结果发现层间距是水含量的函数，且和实验结果很相似。young和smith28运用md方法研究了na-，cs-，sr-蒙脱石的膨胀和水化特征，研究结果表明三种蒙脱石的膨胀水化主要取决于蒙脱石层间阳离子的大小和电荷。刘涛、de pablo.l29-30等人通过分子动力学（md）及蒙特卡罗方法(mc)方法模拟研究了一价阳离子k+、na+与二价阳离子ca2+对蒙脱石结构模型的稳定性及膨胀性的影响。zheng y，zaoui a31等人运用分子动力学（md）模拟研究了含有一层、二层、三层水分子的怀俄明型蒙脱石结构中水分子及离子的扩散性质。d.guerra，i. mello32等人研究得出粘土的吸附性质取决于吸附物溶液的ph值，接触时间以及吸附离子初始浓度。p. mignon, p. ugliengo33等人运用分子模拟研究了li+-、na+-、and k+-蒙脱石的水化性质，研究结果表明三种蒙脱石的膨胀水化主要取决于蒙脱石层间阳离子对水的亲和性以及控制氧原子表面负电荷的能力。刘涛、ebrahimi. d34-35等人运用ms软件新添加的clayff力学模块分别研究了蒙脱石层间距函数与粘土矿物层间水系统的纳米级弹性性能。karaborni、emiel、nakano等36-40也用不同的分子模拟方法对水分子在粘土表面的吸附特性和粘土层间水的性质开展了初步研究。1.2.2泥质巷道泥化控制理论现状20世纪60年代在矿山建设中出现了软岩巷道支护问题，随着开采深度增加软岩巷道稳定性问题日益突出，得到了国外专家学者及工程技术人员重视，相继在日本（tokyo，1981）、朝鲜(weoul，1989)、前苏联(novosibisk，1986)、英国(leeds，1990)、澳大利亚(wollongonl，1992)、中国(beijing，1990；nanjing，1990；xiangtan，1992；guizhou，1994；dayan，1995)等国家频繁地召开了以软岩巷道支护技术为主题的学术会议，在软岩支护理论方面取得了一些新的进展。我国在软岩巷道的支护设计等方面的研究工作起始于1958年，在19581975年期间软岩巷道支护立足于提高碹体强度与刚度、减少围岩扰动，取得了一些效果。20世纪70年代后期至80年代期间，是围岩稳定理论空前发展时期，国内工程技术人员逐渐将新奥法运用到煤矿软岩支护中，基于新奥法理论，锚喷支护技术得到了大力推广应用，建立和发展了“二次支护”理论、“以让为主，让支结合”的理论，考虑支护体与围岩体的相互作用，以控制围岩的位移为目的，否定了单纯提高支护刚度的理念。20世纪80年代以后，根据在实践中对“新奥法”的运用和发展，总结出了“综合治理，联合支护，长期监控，因地制宜”的软岩巷道支护原则。软岩工程本身属于应用科学，软岩巷道支护理论也在实践中逐步形成，并得到不断的丰富与发展，形成了多种形式的支护理论，其中比较成熟的理论主要有：（1）新奥法20世纪60年代，奥地利工程师lvrabcewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法（newaustrianroadwayingmethod），简称为新奥法41，新奥法目前已经成为地下工程的主要设计施工方法之一。1978年，lmuller教授比较全面的论述了新奥法方法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为22条。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使得围岩与结构的支护结构共同形成坚固的支撑环。新奥法自起源后，得到广泛的应用，已经从最初的隧道施工扩展到采矿、冶金、水利电力等其他岩土工程领域。虽然，新奥法的应用如此的广泛，但不同的应用者对它的解析还存在着许多的矛盾42-43。（2）联合支护理论该理论是由陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉等结合软岩实际，灵活运用新奥法理论，提出的联合支护理论44-47，是在软岩支护方面对新奥法的发展。其观点可以概括为:对于软岩支护，一味地追求加强刚度是难以奏效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护型式有锚喷网支护、锚注支护、锚带喷架、大弧板加强支护等联合支护技术。（3）松动圈支护理论董方庭提出了松动圈支护理论48，经过松动圈现场测试与巷道难易程度对比分析，对巷道围岩进行了分类：小松动圈150cm，为不稳定围岩，应进行巷道表面变形监控量测，必要时修改支护参数并确定二次支护的时间。认为巷道支护对象为松动圈发育过程中的碎胀力，支护的作用是限制围岩松动圈在发展过程中碎胀力产生碎胀（有害）变形，维护巷道的稳定。巷道支护的难易程度取决于围岩松动圈的大小，松动圈越大，破裂围岩的碎胀力越大，要求支护缩量和支护反力越大，支护越困难。（4）工程地质学支护理论该理论是何满潮等人49运用工程地质学和现代力学相结合的方法，通过分析软岩变形力学机制而提出的。该理论将软岩变形力学机制分为物化膨胀类、应力扩容类和结构变形类三大类。在每一类中又依据引起变形的严重程度分为a、b、c、d四个等级。其理论要点是：软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上的变形力学机制的复合类型，支护时要“对症下药”，合理有效地将复合性转化为单一型。软岩支护是一个力学过程，这个过程中的每个环节都必须适应其复合型变形力学机制的特点。（5）主次承载区支护理论该理论认为巷道开挖后，在围岩中形成拉压域50，压缩域在围岩深部，体现了围岩的自撑能力，是维护巷道稳定性的主承载区。张拉域形成于巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅助作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。支护对象为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定。（6）应力控制理论该理论方法也称让压法51（或卸压法）、围岩弱化法等，该理论认为高应力软岩巷道的形变压力不可抗拒，应通过各种让压或卸压的形式进行巷道释放巷道围岩的变形能，将作用于巷道周围的集中载荷转移到离巷道较远的支承区，降低巷道围岩应力水平，减少对支护的破坏。控制巷道变形的卸压方法主要有切缝、卸压槽、钻孔、爆破、开卸压