煤矿软弱夹层特性分析及本构模型研究

陈 斌，曹 朋，刘安秀

(中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

井巷工程是实现煤矿开采的必要前提，因巷道支护而产生的顶板事故已成为制约煤矿安全、快速生产的关键因素。软弱夹层强度低、力学性能差，易发生泥化，导致层间错动、顶板离层等现象，是影响围岩稳定性的重要因素。我国软弱夹层的研究始于解放初期的狮子滩水电站［1］。20世纪50年代，在坝基、隧道、矿山、边坡等工程中，遇到过软弱夹层问题，以提供工程设计所需的物理力学指标为目的开展了相关研究，是软弱夹层研究的起步阶段;60年代，为坝基稳定等工程问题建立理论基础，对软弱夹层进行了成因分类、室内外相结合选择抗剪强度的研究;70年代，进入软弱夹层的深入研究阶段，对其组成成分、微观结构、应力与应变关系、演变趋势、电算及模型试验等进行了综合研究;80、90年代以来，对软弱夹层的力学特性、泥化特性等方面的研究进一步完善，特别是开展地应力测试和研究以来，从地应力对软弱夹层所产生的正应力—围压效应来研究软弱夹层的物理力学特性卓有成效［2－3］;21世纪以来，随着计算机模拟技术的发展和完善，将数值模拟技术引入软弱夹层研究领域，完善了软弱夹层的研究。

1 软弱夹层特性

由于研究的角度及侧重点不同，软弱夹层有着多种定义，总结起来可定义为：岩体内存在的层状或带状的软弱薄层，通常是指夹于相对坚硬岩层中的力学强度较低的岩石薄层，是层状岩体中一种特殊的成层结构，包含岩体结构中的软弱结构面、裂隙破碎带［4－8］。

1．1 物理化学特性

煤矿巷道顶板中的软弱夹层一般厚度小于300 mm，主要由大量黏土矿物的泥岩、节理或薄层煤线构成，不同地区及不同地质条件下，黏土矿物的泥岩组分及所占比例不同。根据组分不同，组成软弱夹层的黏土矿物可分为两类：以高岭石为主，含部分蒙脱石、伊利石及绿泥石等，比表面积在50 m2/g以下;以蒙脱石为主，含部分伊利石、高岭土和伊蒙混层等，比表面积在300 m2/g以上。矿物成分和化学成分对软弱夹层抗剪强度值的影响极大。

由于软弱夹层中含有大量黏土矿物的泥岩，因而遇水具有强烈的膨胀性，根据机理不同可分为表面水化、离子水化以及渗透水化，并随蒙脱石含量的增大膨胀性愈强。软弱夹层粒度成分是控制其物理力学性质的主要因素，其中，黏粒和粗碎屑颗粒是影响其结构和强度的两个主要粒组。另外，软弱夹层的充填度、连续性等地质赋存条件对其在围岩控制中所起作用也有较大的影响。

1．2 工程力学特性

由于常见软弱夹层主要由泥岩或者煤线组成，因此，其单轴抗压强度较小，一般小于25 MPa，并易发生泥化，极易产生层间错动，对巷道稳定具有控制作用。其工程力学特性主要表现在遇水泥化特性与注浆固结体特性。在实际生产过程中，地应力的变化以及地下水渗入是软弱夹层泥化的根本条件。软弱夹层在不同应力阶段遇水泥化所体现出的力学特性也不尽相同，以残余强度阶段遇水对岩块稳定残余强度的弱化程度最高;其次是塑性阶段和弹性阶段，对应变软化阶段影响最小。

2 软弱夹层的本构模型

选取西源模型描述软弱夹层的粘、弹、塑性状。与Bigham模型、Kelvin模型、Burgers模型等其他粘弹塑性模型相比，西源模型组成原件丰富，其结构能够更好地反映软弱夹层的关键力学特性—流变特性，是比较完善的粘弹塑性力学模型。西源模型结构图见图1。其本构关系的表达式，在一维的条件下根据应力状态的水平，可分为两个阶段：

图1 西源模型结构图

当 σ■σs时，

西源模型蠕变曲线图见图2。

图2 西源模型蠕变曲线图

西源模型由粘弹性、粘塑性两部分组成，粘弹性部分即为标准线性模型，粘塑性部分由一个粘性原件与一个塑性原件并联组成。组成模型的原件数目、种类越多，越能贴近的模拟研究对象的粘弹塑性力学性能，解释研究对象在特定条件下所表现出的力学特性，进一步预测研究对象在受力情况、约束状况等发生变化的情况下所表现的力学行为，及其对周围结构的影响。

由西源模型的结构组成可以看出，与其他模型相比，西源模型能够更好地反应软弱夹层的流变特性。利用西源模型模拟软弱夹层的粘弹塑性，能够更好地模拟其强度低、易泥化的力学特性，及其在地应力变化、地下水渗入等条件下所表现出的力学行为，预测其自身变化对围岩稳定的影响。模型参数的选择是影响模拟效果的重要因素，其确定可通过借鉴已有的力学性能测试结构、工程地质的实际观测数据，现场岩体三轴压缩流变实验等方法实现。

3 含软弱夹层巷道失稳状况分析

软弱夹层巷道的失稳方式及失稳状况受到巷道支护形式和软弱夹层位置、应力状态、泥化程度等多种因素的影响。下面以锚杆支护巷道，软弱夹层位于锚固区范围之内为例，进行失稳状况分析。在煤层中开掘巷道并进行合理支护后，岩层内部应力重新分布，夹层与围岩协调变形，由于软弱夹层与其周围岩体存在明显的强度差异，当应力达到一定程度时，软弱夹层首先发生变形破坏，特别是在遇水泥化作用下，随着软弱夹层流变性质的扩张，变形加剧，结构强度进一步降低，进而导致顶板岩层相互错动，产生离层，结构整体性发生破坏，出现顶板失稳、冒顶现象。软弱夹层巷道结构示意图见图3。

分析所建立的本构模型可以看出，夹层所受应力σ0与模型中屈服强度σs的差值是控制软弱夹层流变特性显现程度的重要因素。因此，可通过锚杆支护使顶板岩层与软弱夹层产生锚固体的方法，使其内摩擦角、抗剪强度、抗压强度等力学参数发生变化，改善围岩状况。可见，当软弱夹层位于锚固区范围以内时，预紧力的施加以及锚固体的形成可使顶板软弱夹层及其上下岩层形成有效的整体结构，维持顶板稳定。

图3 软弱夹层巷道结构示意图

4 结论

本文在分析软弱夹层物理化学特性、力学特性的基础上，建立了软弱夹层的本构模型，并结合模型进行典型锚杆支护巷道含软弱夹层顶板的失稳状况分析。

1)软弱夹层主要由大量黏土矿物的泥岩、节理或薄层煤线构成，厚度小于300 mm;组成软弱夹层的黏土矿物，或以高岭石为主，或以蒙脱石为主。

2)软弱夹层单轴抗压强度一般小于25 MPa，工程力学特性主要表现在遇水泥化特性与注浆固结体特性。

3)通过一定的工程方法改善软弱夹层的力学特性，使顶板软弱夹层及其上下岩层形成有效的整体结构，是解决夹层—围岩系统失稳的有效途径。

［1］ 聂德新，张咸恭，韩文峰．围压效应与软弱夹层的物理力学特性的相关性研究［J］．地质灾害与环境保护，1990，1(1)：66－70．

［2］ 李桂臣．软弱夹层顶板巷道围岩稳定与安全控制研究［D］．徐州：中国矿业大学，2008．

［3］ 吴占寿．软弱夹层工程分类模糊综合评判的探讨［J］．江西水利科技，1991(17)：218－221．

［4］ K．Hurt．New Developments in the Rock Bolting［J］．Colliery Guardian，1994(7)：23 －24．

［5］ P．Willians．The Development of Rock Bolting in IJK Coal Mines［J］．Mining Engineering，1994(5)：39 －40．

［6］ Hou zhaojiong，He yanan，Zhang Ydong．Key Technique to Compositely Supporting the Roadway Driven along Previous Goafwith Bolts，Bara and China Meshes under Complex Condition［J］．Journal of Coal Science and Engineering(China)，1995(1)：19 －20．

［7］ 张 农，李桂臣，许兴亮．顶板软弱夹层渗水泥化对巷道稳定性的影响［J］．中国矿业大学学报，2009，38(6)：757－763．

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