软岩工程力学r-5.doc

1755 软岩工程稳定性控制理论5 软岩工程稳定性控制理论软岩工程稳定性控制问题一直是困扰着我国煤矿生产和建设的重大问题之一，随着开采深度的增加和地质条件渐趋复杂，软岩巷道支护问题愈趋严重。国内外学者对这一问题一直非常关注，形成了一些各具特色的理论与方法，为解决软岩工程问题做出了相应的贡献。但是，长期以来，软岩巷道支护研究一直没能改变传统的从支护形式入手的思路。软岩巷道支护研究应从工程地质分析和软岩的概念及其分类入手，弄清其变形力学机制及非线性变形规律，抓住支护关键技术，实施有效的转化及巷道设计优化，才能取得成功的支护效果，从根本上解决软岩巷道支护问题，进而建立与之适应的、全新的软岩巷道支护理论、设计方法和支护技术体系。5.1 软岩变形力学机制软岩工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但其根本原因是其具有复杂的变形力学机制76-81。根据理论分析和大量的工程实践，初步将软岩的变形力学机制归纳为3大类，即物化膨胀类、应力扩容型类和结构变形类。各类中又依据引起变形的严重程度分为A、B、C、D四个等级，共十三亚类，如图5-1所示。显然，I类机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，II类机制与力源有关，III类机制则是硐室结构与岩体结构面的组合特性有关。这三类机制基本概括了软岩膨胀变形的主要动因。IA型：分子吸水膨胀机制IAB型：分子吸水膨胀胶体膨胀IB型：胶体膨胀机制IC型：微裂隙膨胀机制IIA型：构造应力机制IIB型：重力机制IIC型：水力机制IID型：工程偏应力机制IIIAA 断层走向型(硐向与断层走向夹角030)IIIAB断层斜交型(硐向与断层走向夹角3060)IIIAC断层倾向型(硐向与断层走向夹角6090)IIIBA弱层走向型(硐向与软弱夹层夹角030)IIIBA弱层斜交型(硐向与软弱夹层夹角3060)IIIBA弱层倾向型(洞向与软弱夹层夹角6090)IIICA层理走向型(硐向与层理走向夹角030)IIICB层理斜交型(硐向与层理走向夹角3060)IIICC层理倾向型(洞向与层理走向夹角6090)软 岩 变 形 力 学 机 制III型(结构变形型)I型(物化膨胀型)II型(应力扩容型)IIIA型(断层型)IIIB型(软弱夹层型)IIIC(层理型)IIID型(优势节理型)IIIDA节理走向型(硐向与节理走向夹角030)IIIDB节理斜交型(硐向与节理走向夹角3060)IIIDC节理倾向型(洞向与节理走向夹角6090)IIIE 随机节理型图5-1 软岩巷道变形力学机制及分类5.1.1 物化膨胀型变形力学机制5.1.1.1 分子膨胀机制含有蒙脱石和伊/蒙混层矿物的泥质岩类的膨胀性颇为显著，这种膨胀性与蒙脱石的分子结构特征关系十分密切，因此也可将这种膨胀机制称为蒙脱石型膨胀机制。蒙脱石的晶体是由很多相互平行的晶胞组成，每个晶胞厚度约14，有三层，上层和下层为Si-O四面体，中间夹一层Al-O-OH八面体，如图5-2所示。其最大特点是每个晶胞中四面体和八面体数量之比为2:1；晶胞与晶胞之间以O-2接触，故不够紧密，可以吸收无定量的水分子，因而结构格架活动性大，亲水性强，晶胞之间的Al3+可被Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+等离子取代而形成蒙 棉絮状 云朵状 蜂窝状微观结构特征变形力学机制u内 膨 机 制(分子膨胀)u外 膨 机 制(胶体膨胀)图5-2 蒙脱石膨胀机制脱石组各种不同的矿物。若为两价离子所取代，则在格架中出现多余的游离原子价，提高了吸附能力，有助于增强晶胞间的连接力。由于上述特性，蒙脱石组矿物具有吸水能力强，使体积大大膨胀，甚至使相邻晶胞失去连接力的特性。由于蒙脱石的相邻晶胞具同号电荷，因而具有斥力，活动性大。另一方面，晶胞之间的沸石水也有一些反离子(图5-2)。当泥岩遇水后，其中的蒙脱石晶胞之间沸石水的一部分反离子逸出，使吸引力减小，水分子挤入，晶胞间距加大，使矿物颗粒本身急剧膨胀。另外，矿物颗粒之间的结合水膜也增厚，这属于胶体膨胀力学机制。由于蒙脱石具有遇水后颗粒内部晶胞间距剧增和粒间结构水膜加厚两种膨胀机制，所以其膨胀量在粘土矿物中是最大的。据测定，Ca蒙脱石可膨胀到原体积的7倍多(Norrish，1954)。不仅蒙脱石具有上述晶粒内部膨胀机制，而且伊/蒙混层矿物、伊利石矿物也具有这种膨胀特性，只是伊利石的三层结构中的SiO2比蒙脱石少一些。其上、下两层Si-O四面体中的Si4+可以被Al3+、Fe3+所取代，因而游离原子价与蒙脱石不同，在相邻晶胞间可出现较多的一价正离子，有时甚至有二价正离子，以补偿晶胞中正电荷之不足。在软岩中，常见一价K离子。故伊利石结晶格架活动性比蒙脱石小，亲水性也低一些。5.1.1.2 胶体膨胀机制在煤矿的软岩中，有些软岩并不含蒙脱石、伊/蒙混层矿物和伊利石，也具有膨胀性。例如，粘粒成分为高岭石、腐植质和难溶盐时，也具有一定的膨胀性。现以高岭石为例说明其膨胀机制。高岭石的结构格架是由互相平行的晶胞组成。由于晶胞之间是通过O2-与OH-胶结连接，连接力较强，不允许水分子进入晶胞之间，所以其亲水性小，遇水后体积膨胀也小。高岭石等粘粒遇到水时，虽然其晶胞之间不允许进入水分子，但其粘粒表面具有游离价原子和离子。这些原子或离子具有静电引力，在土粒表面形成静电引力场。水分子是偶极体，一端为正电荷，一端带负电荷，可以为静电引力所吸引。于是粘粒表面附近的水分子紧密地、整齐地排列起来，如图5-3所示。这时水分子失去了自由活动的能力，愈靠近粘粒表面，这种情况就越显著，距粘粒表面愈远，静电引力场的强度渐小，水分子失去的自由能力渐小，排列也将不那么整齐，此即为胶体中的弱结合水。再远一些，静电引力几乎没有作用，水分子自由活动变形力学机制u外部膨胀机制(胶体双电层) 柱状 菊花状 球状微观结构特征图5-3 高岭石膨胀机制的能力和原来差不多，成为自由液态水。完全失去自由活动能力的水分子是胶体中的强吸附层中的强结合水，部分地失去自由活动能力的水分子是胶体中的弱吸附层中的弱结合水。这两部分结合水共同组成水化膜，使粘粒的体积膨胀，其结合水力学性质既不同于液体，也不同于固体，而是介于二者之间的过渡类型。由于粘粒极小，表面积很大，因此这种吸附作用极其明显。这时的粘粒将形成一种胶体，粘粒表面形成很厚的水化膜吸附层，使得粘土在宏观上产生膨胀。这种膨胀机制并非高岭石矿物独有，蒙脱石、伊利石等其它矿物，只要粒径0.002mm，均能形成胶体，具有上述膨胀机制。图5-4 粘粒间水化膜使其膨胀软岩一般是泥质岩类，基本上是粘粒的集合体。相邻的粘粒比较靠近时，各自形成的水化膜会有一部分重叠起来，形成公共水化膜(图5-4)，当各自水化膜加厚时，公共水化膜消失。水胶连接力消失，软岩产生膨胀而进入塑性；若各自水化膜变薄，公共水化膜形成，水胶连接可以使软岩变得相当坚硬，这就是现场见到的于软岩十分坚硬的原因。软岩遇水膨胀(胶体膨胀机制)的过程示于图5-5，可称为软岩胶体膨胀摸式。固体软岩粘粒周围有公共强结合水化膜，故其硬度很大；吸水膨胀后，公共强结合水化膜消失，粘粒的弱结合水膜加厚而出现公共弱结合水膜，这时软岩变成塑性状态；当粘粒进一步吸水膨胀，公共弱结合水膜随水化膜加厚并趋于消失，随之出现了粘粒之间的自由水，则软岩进入平时所见的粘流状态和液流状态。5.1.1.3 毛细膨胀机制软岩的空隙颇为发育，由于大量孔隙和裂隙的存在及水的表面张力，产生了毛细压力，使地下水通过软岩中的微小空隙通道吸入。其上升的高度和速度决定于它的孔隙、有效粒径、空隙中吸附空气和水的性质以及湿度等。据试验数据，卵石的毛细高度为零至几厘米，砂土则在数十厘米之间，而对粘土(相当于泥质软岩)则可达数百厘米。因此，在整个毛细带内，事实上为软岩的进图5-5 软岩中粘粒吸水膨胀机制一步化学膨胀和胶体膨胀准备了条件。正是由于这种毛细作用，才使水通过毛细空隙向各方向运动。所谓毛细作用，实质上就是指水与软岩固体间的吸引力同水与空气界面的表面张力二者的相互作用，作用力学机制如图5-6所示。图5-6 孔隙和裂隙介质中的毛细力作用机制5.1.2 应力扩容型变形力学机制5.1.2.1 构造应力机制在地质历史时期，煤系地层经历了多期地质构造应力场的作用，岩层本身以弹性变形的形式储存了变形能。一旦地层中掘进巷道，这些变形能以变形的形式向临空区释放，宏观上表现为岩层的扩容膨胀。另一方面，岩层在巷道成形时，应力状态从三维向二维转变，在构造应力作用下，又极易发生破坏而产生非线性弹塑性变形，这是一种与时间有关的变形。这种变形往往导致软岩支护的宏观破坏，其特征是方向性破坏明显，破坏程度与深度无关。构造应力一般以水平构造应力为主，在构造应力显著地区，巷道两帮的破坏往往颇为明显，其力学模式示于图5-7。图5-7 构造应力膨胀机制5.1.2.2 水的作用水的作用可分为两部分，力学作用和物理化学作用。水的力学作用又分为静水压力作用和动水压力作用。当在含水岩层中开挖巷道时，围岩稳定首先受到地下水泄出的影响，作为一种动水压力作用使支护(如喷层等)难度增大。而一旦支护体形成，增加了支护体变形和破坏的可能性。另一方面，地下水的泄出增加了其与其它泥质软岩接触的机会，使泥质软岩的有膨胀潜能的矿物急剧膨胀。其机制是前面讨论过的晶粒化学膨胀机制和粘粒胶体膨胀机制。5.1.2.3 自重应力由上覆围岩自重引起的自重应力为垂直应力，并引起相应的水平应力。软岩巷道的破坏表现出明显的与深度有关而与方向无关的特点。即在开挖浅部巷道时，按常规支护形式，巷道变形破坏不很明显。随深度增加，开挖到深部巷道时，变形破坏变得严重起来，而破坏的方向性不甚明显。这些特征往往表现为重力机制起作用的扩容膨胀。5.1.2.4 工程偏应力巷道开挖后，围岩应力发生了较大改变，切向应力在岩壁附近出现局部集中现象，愈远则愈接近于原岩应力状态。同时，一个巷道的开挖，对旁侧相邻巷道围岩有影响。这种影响在巷道围岩中任一点的应力状态可用二阶应力张量表示，即：此二阶应力张量可分解为两部分：球形应力张量和偏应力张量，即：球形应力张量不引起形变，它是一种三向均压状态。偏应力张量引起巷道围岩的变形破坏，因此工程开挖引起的偏应力局部集中是软岩巷道变形破坏的重要原因之一。其特点与开挖的断面、巷道密度和交叉方式有关。5.1.3 结构变形型变形力学机制当不同巷道通过同一岩层时，顺层的巷道破坏甚为严重，穿层的巷道破坏比较轻微，其原因是变形受结构面的影响而呈现各向异性特征，当岩层中发育软弱夹层时尤其如此。根据岩层层理或节理的形态的不同，其变形力学机制又可分为断层型、软弱夹层型、层理型、优势节理型和随即节理型等变形力学机制(图5-1)。5.2 软岩变形力学机制的确定每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点，其软岩巷道的破坏特征也有所不同，如表5-1所示。通过表5-1 软岩巷道变形机制及破坏特点类型亚型控 制 性 因 素特 征 型软岩巷道破坏特点I型IA型分子吸水机制，晶胞之间可吸收无定量水分子，吸水能力强蒙脱石型围岩暴露后，容易风化、软化、裂隙化，因而怕风、怕水怕震动；I型巷道底鼓、挤帮、难支护，其严重程度从IA、IAB、IB依次减弱；IC型则看微隙发育程度IAB型IA&IB决定于混层比伊/蒙混层型IB型胶体吸水机制，晶胞之间不允许进入水分子，粘粒表面形成水的吸附层高岭石型IC型微隙毛细吸水机制微隙型II型IIA型残余构造应力构造应力型变形破坏与方向有关，与深度无关IIB型自重应力重力型与方向无关，与深度有关IIC型地下水水力型仅与地下水有关IID型工程开挖扰动工程偏应力型与设计有关，巷道密集，岩柱偏小III型IIIA型断层、断裂带断层型塌方、冒顶IIIB型软弱夹层弱层型超挖、平顶IIIC型层理层理型规则锯齿状IIID型优势节理节理型不规则锯齿状IIIE型随机节理随机节理型掉块野外工程地质研究和室内物化力学试验分析以及理论分析，可以正确地确定软岩巷道的变形力学机制类型。I型变形力学机制主要依据其特征矿物和微隙发育情况进行确定；II型变形力学机制主要是根据受力特点及在工程力作用下巷道的特征来确定；III型变形力学机制主要是受结构面影响的非对称变形力学机制，要求首先鉴别结构面的力学性质及其构造体系归属，然后再依据其产状与巷道走向的相互交切关系来确定。软岩巷道的变形力学机制通常是三种以上变形力学机制的复合类型。例如，广西那龙二号井的软岩，经过现场调查、实验室实验和近代力学研究，确定A3煤层及其上下10m范围内的顶底板岩层含有蒙脱石和伊蒙混层矿物;巷道变形严重程度与深度有关而破坏方向性不明显。因此，确定该岩层的变形力学机制类型为IAIIB复合型，简称IAIIB型。在顶底板的杂色页岩中，除了具备IAIIB型特点外，弱层十分发育，并且弱层处常发育光滑剪切面。又依据其弱层产状和硐室走向关系，其变形力学机制类型为IAIIBIIIBA和IAIIBIIIBC型。5.3 软岩巷道支护技术关键根据对软岩的基本概念、力学属性、分类及其变形力学机制的研究，我们发现了软岩巷道之所以具有大变形、大地压、难支护的特点，是因为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的“并发症”和“综合症”复合型变形力学机制，复合型变形力学机制是软岩变形和破坏的根本原因。因此，要想有效地进行软岩巷道支护，单一的支护方法是难以奏效的，必须采取“对症下药”的符合这种“综合症”、“并发症”特点的联合支护方法。为此，要对软岩巷道实施成功支护，须运用三个技术关键：(1) 正确地确定软岩变形力学机制的复合型；(2) 有效地将复合型变形力学机制转化为单一型；(3) 合理地运用复合型变形力学机制的转化技术。不同的变形力学机制类型有不同的支护技术对策要点，而且软岩巷道类型的共性是具有“并发症”和“综合症”的复合型。因此，支护的关键技术对策是有效地把复合型转化为单一型。由于各软岩“综合症”的内在变形力学机制不同，其转化的对策有所不同，对应的转化技术也不同。因此，要做好软岩支护工作，除了正确地确定软岩巷道变形力学机制类型、有效地转化复合型的变形力学机制之外，要十分注重并合理地运用复合型向单一型转化技术，即与软岩变形过程中每个支护力学措施的支护顺序、时间、效果密切相关，每个环节都将是十分考究，必须适应其复合型变形力学机制特点。只有这样，才能保证支护做到“对症下药”，才能保证支护成功。例如广西那龙二号井井底车场的变形力学机制是IAIIBIIIBA型，通过合理地运用泵房吸水井集约化新设计、获得国家发明专利的预留刚柔层支护技术以及锚杆三维优化技术等转化技术使其逐步转化为单一型IIB型，具体转化过程如图5-8所示。泵房吸水井 集约化新设计预留刚柔层设计优化锚杆三维优化IAIIBDIIIBAIAIIBIIIBA断面优化IIBIIIBAIIB获国家发明专利 ZL.91111617.6图5-8 广西那龙二号井井底车场复合型变形力学机制转化技术5.4 软岩巷道支护原理软岩巷道支护原理和硬岩巷道支护原理截然不同，这是由它们的本构关系不同所决定的。硬岩巷道支护原理不允许硬岩进入塑性，因进入塑性状态的硬岩将丧失承载能力。而软岩巷道的独特之处是，其巨大的塑性能(如膨胀变形能等)必须以某种形式释放出来。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等)的合力(如图5-9所示)，则软岩巷道支护原理可以表示为： (5-1)式中 挖掉巷道岩体后使围岩向临空区运动的合力，包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等；图5-9 合力示意图以变形的形式转化的工程力，可以包括弹塑性转化(与时间无关)；粘弹塑性转化(与时间有关)；膨胀力的转化(与时间有关)。对于软岩来讲，主要是塑性能以变形的方式释放；围岩自撑力，即围岩本身具有一定强度，可承担部分或全部荷载；工程支护力。式(5-1)和图(5-9)表示如下意义：(1)巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力并不是纯粹由工程支护力全部承担，而是由三部分共同分担。首先由软岩的弹塑性能以变形的方式释放一部分，亦即的一部分转化为岩体形变。其次，的另一部分由岩体本身自承力承担。如果岩体强度很高，则巷道可以自稳。对于软岩，较小，一般，故巷道要稳定，必须进行工程支护，即加上。为求工程稳定，通常值要大于值。(2)一个优化的巷道设计和支护设计应该同时满足三个条件：PDMax；PRMax；PSMin。实际上，要使PDMax，PR就不能达到最大；要使PRMax，PD就不能达到最大。要同时满足PDMax，PRMax，关键是选取变形能释放的时间和支护时间。5.5 最佳支护时间和最佳支护时段岩石力学理论和工程实际表明，巷道开挖以后，巷道围岩的变形会逐渐加大。以变形速度区分，可划分三个阶段：即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。当进入加速变形阶段时，岩体本身结构改组，产生新裂纹，强度就大大降低。显然，加速变形阶段可以使Max，但却大大降低了，这不满足优化原则。解决这个问题的关键是最佳支护时间概念的建立和最佳支护时段的确定。5.5.1 最佳支护时间和最佳支护时段的概念最佳支护时间系指可以使同时达到最大的支护时间，其意义如图5-10所示。图5-10表明，最佳支护时间就是(PR+PD)t曲线峰值点所对应的时间TS。实践证明，该点与PDt(PR+PD)tPRt0PDTsDPRPTPDtTs1Ts2ABC0PDTsDPRPT(PR+PD)tPRtPDt图5-10 最佳支护时间Ts的含义 图5-11 最佳支护时段的含义曲线和PRt曲线的交点所对应的时间基本相同。此时，支护使PD在优化意义上充分地达到最大，最佳支护时间点的确定，在工程实践中是难以办到的，所以提出了最佳支护时段概念，最佳支护时段的概念如图5-11所示。5.5.2 最佳支护时间(TS)的物理意义巷道开挖以后，原有的天然应力状态被破坏，围岩中应力重新分布，切向应力增大的同时，径向应力减小，并在洞壁处达到极限。这种变化促使围岩向巷道空区变形，围岩本身的裂隙发生扩容和扩展，力学性质随之不断恶化。在围岩应力条件下，切向应力在洞壁附近发生高度集中，致使这一区域岩层屈服而进入塑性工作状态。进入塑性状态的围岩称为塑性区。塑性区的出现，使应力集中区从岩壁向纵深偏移，当应力集中的强度超过围岩屈服强度时，又将出现新的塑性区，如此逐层推进，使塑性区不断向纵深发展。假若不采取适当支护措施，临空塑性区将随变形加大而出现松动破坏。塑性区和松动破坏区截然不同，松动破坏区没有承载能力，而塑性区具有承载能力。塑性区可分为稳定塑性区和非稳定塑性区。出现松动破坏之前的最大塑性区范围，称为稳定塑性区；出现了松动破坏区之后的塑性区，称为非稳定塑性区。稳定塑性区所对应的宏观围岩的径向变形称为稳定变形；非稳定塑性区所对应的围岩的径向变形称为非稳定变形。由于塑性区的出现，围岩的应力状态改变，这种变化对支护体来讲具有两个力学效应：(1)围岩中切向应力和径向应力降低，减小了作用于支护体上的荷载；(2)应力集中区向围岩深布偏移，减小了应力集中的破坏作用。应力集中偏移深部后，一方面应力集中程度降低，另一方面深部岩石处于三轴受力状态，其破坏可能性大大减小。因此，对于高应力软岩巷道支护来讲，要允许出现稳定塑性区，严格限制非稳定塑性区的扩展。其宏观判别标志就是最佳支护时间Ts。Ts之前出现的变形称稳定变形，对应的塑性区称稳定塑性区。所以最佳支护时间的力学含义就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏时所对应的时间。它可以通过计算机监控得到，也可以通过现场特征判断直接得到。5.6 关键部位耦合支护理论5.6.1 关键部位的概念现场工程实践表明，对于软岩巷道，无论是新开巷道、还是实施了多次支护的翻修巷道，其破坏是一个渐进的力学过程，是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。具体表现特征是：沿巷道断面各个方向的位移速度各不相同，总是从剧烈变形的部位发生裂纹，鳞状剥落，变形破坏区域逐渐扩大，最终导致整个支护系统的失稳。这些首先破坏的部位，称之为关键部位82-83。5.6.2 关键部位产生的力学机理关键部位产生的根本原因是支护体力学特性与围岩力学特性出现不耦合所造成的，并且首先从某一部位开始，进而导致整个支护系统的失稳。按其变形力学机制不同，关键部位有如下四种类型，如图5-12所示。I型关键部位是指支护体和围岩的强度不耦合，非均匀的荷载作用在等强的支护体上，形成局部过载，产生局部破坏，最终导致支护体失稳；II型关键部位是指支护体和围岩的刚度正向不耦合，支护体刚度小于围岩刚度，围岩产生的过量变形得不到限制，使围岩剧烈变形损伤、强度降低，从而将其本身所承担的荷载传递到支护体上，形成局部过载而产生破坏；III型关键部位是指支护体和围岩的刚度负向不耦合，支护体刚度大于围岩刚度，围岩的膨胀性等能量不能充分转化为变形能而释放，造成局部能量聚集，使支护体局部过载而首先产生破坏；IV型关键部位的支护体和围岩结构变形不耦合，支护体产生均匀的变形，围岩中的结构面(如软弱夹层、层理面、断层面、节理面等)产生差异性滑移变形，使支护体局部发生破坏。图5-12 关键部位的产生机理5.6.3 关键部位的特征及识别准则5.6.3.1 关键部位的变形特征通过对各种类型的巷道位移测试曲线分析，关键部位的变形特征均是不稳定的变形曲线，大体上可分为四种类型，如图5-13所示。第1种类型曲线的特征是加速加速变形型，反映了该关键部位的围岩强度远低于荷载，经历了一段加速变形后，在荷载作用下变形急速增加而破坏；第2种类型曲线的特征是缓慢减速变形型，反映了该关键部位围岩和支护体的联合强度仍然低于荷载；第3种类型曲线特征是减速恒速加速变形型，说明了该关键部位的围岩和支护体共同作用强度仍略低于荷载；第4种类型曲线特征是减速稳定型，反映了支护体和围岩相互作用是耦合的。前三种曲线类型都是关键部位的变形曲线特征类型。图5-13 巷道关键部位的变形特征1关键部位未支护围岩变形特征；2，3关键部位围岩支护不耦合的变形特征；4围岩支护耦合的稳定变形特征Ut12345.6.3.2 关键部位的裂纹特征通过研究，提出了工程裂纹反分析理