深井软岩巷道变形微观机理及控制对策分析

2020-12-26杨拓刘建庄李准

华北理工大学学报(自然科学版) 2020年1期

杨拓，刘建庄，李准

(华北理工大学矿业工程学院河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山 063210)

开滦林南仓煤矿地处蓟玉煤田，矿井主要巷硐施工层位岩性以灰色或灰白色泥质砂岩为主，该类岩石具有一定的膨胀性，黏土矿物含量较高，属于典型的软岩范畴。同块状结构的变质岩进行比较，该种岩石在微观特性和宏观的力学表现方面相差巨大。

经大量试验研究表明，岩土体在宏观上的力学表现是由其内在结构和矿物组分特性决定的。近年来，不少专家和学者针对地下工程中的巷硐围岩失稳以及边坡等问题，对岩土微观结构及矿物组成进行了大量的研究[1]。冯文凯等[2]通过对常见砂、泥岩微观结构特征进行电镜扫描实验，从微观结构特征上对其宏观力学表现出的不同进行了分析，研究内容包括岩石的软化和抗冲击特性等；孙苹[3]等认为影响边坡稳定的重要原因是边坡围岩的微观结构和力学特征；赵国会[4]等通过对梁家煤矿巷道围岩的微观性质研究，计算得到围岩中的黏土矿物含量；J.E.Lindqvist[5]等通过分析岩石的内在结构和外在使用特性之间的联系，得出了影响岩石性能的微观层面因子；R.Prikryl[6]研究岩石的矿物成分、含量以及晶粒大小等因素对岩石力学性质的作用。综上所述可知，对泥质砂岩的微观特性及其与宏观力学特性相关性的研究对指导工程实践具有重要价值。

为探究林南仓矿-650 m水平围岩变形破坏微观原理，掌握围岩微裂隙发育状况、围岩粘土矿物成分以及裂隙水压对围岩宏观力学行为的关系，通过扫描电镜试验、X射线衍射实验和单轴压缩试验深入研究了-650 m南石门工程区域砂岩的微观特征，从而更为准确地把握其力学特性及围岩微观特性对围岩变形失稳的影响，为工程实践服务。

1 围岩变形宏观分析

-650 m南石门巷道围岩具有典型的软岩特征。围岩变形量大，如图1(a)所示，且不稳定周期长，存在可观测特征的长期流变，浅表围岩充分破碎，存在二次加速失稳现象。究其原因，岩层砂岩裂隙水量较大，原生及开挖裂隙相互贯穿，巷道滴渗水甚至有稳定出水点普遍存在，如图1(b)所示。

图1 -650 m石门巷道变形及出水点

2 微观特性研究

2.1 围岩形貌特征

研究区域为林南仓矿-650 m水平南石门开拓巷道，该区围岩以灰(白)色泥质砂岩为主，属于典型的软岩范畴，岩石见风遇水软化，具有一定的膨胀性。围岩1#～3#样本分别取自9#煤底板、8#煤底板和12#煤顶板，形貌特征如图2所示。

图2 -650 m南石门岩样形貌图

由图2可以看出，1#岩样断口平整，质地较硬，粒径中等；2#岩样断面呈凹凸状，粒径中等，碎屑呈块状；3#岩样断口平面细致，质地松软，碎屑呈片状，易研磨成粉。

2.2 微观结构分析

为掌握各取样点位围岩孔裂隙发育状况，选取可靠性较高的μm量级的典型样片，采用日立公司的S-4800场发射扫描电镜对各样本进行了扫描电镜观察，分析结果如图3所示。

图3 岩样SEM图像

由图3(a)可见，泥岩微裂缝发育，以碳酸盐类颗粒及粘土矿物晶间间隙为主，孔洞发育不明显；从图3 (b)可知，结构较松散，裂隙发育，孔洞多以粘土晶间孔为主；从图3 (c)可见，结构松散，粗大裂缝发育丰富，孔洞多以粘土晶间孔为主。

2.3 粘土矿物分析

粘土矿物是一种具有片状或链状结晶格架的铝硅酸盐，主要分为3类，即高岭土(Kaolinite)、蒙脱石(Montmorilonite)和伊利石(Illite)，粘土矿物的存在很大程度上决定了软岩的性质。本试验采用D/MAX-rA型X射线衍射仪，试验条件为室温23 ℃，湿度62%，试验方法遵循岩样粘土矿物成分含量测定标准，各试样的衍射图谱曲线如图4所示。

图4 X射线衍射图谱特征线

根据图4各试样X射线衍射图谱，可以得出各试样粘土矿物成分含量，如表1和表2所示。通过X射线衍射图谱知，1#岩样的成分以粘土矿物为主，其含量为74%，其余为石英12.3%，斜长石12.8%，此外还有少量的方解石，粘土矿物中蒙脱石占89%，其余为高岭土11%。2#岩样的粘土矿物含量为68.4%，其余为石英11.3%、钾长石8.3%、菱铁矿12%，粘土矿物中蒙脱石占86%，高岭土14%。3#岩样粘土矿物总量占53.1%，石英27.5%、菱铁矿14.9%、白云石4.5%，粘土矿物中蒙脱石占80%，其余为高岭土20%。

表1 粘土矿物成分含量/%

注：S-蒙脱石 I/S-伊利石/蒙脱石混层 I-伊利石 K-高岭土 C-绿泥石 C/S-绿泥石/蒙脱石混层。

表2 岩石矿物种类与含量/%

由粘土矿物成分测定试验可判定，1#～3#岩样属于新生代软岩，以蒙脱石为主要矿物成分的胶结矿物，蒙脱石具有很强的吸水特性，其吸水率可达20%～80%，具有极强的膨胀特性和遇水软化特性。含蒙脱石的岩石单轴抗压强度比较低，长期强度多为瞬时强度的10%～40%，弹性模量很小，泊松比较大。

3 抗压试验研究

为系统掌握-650 m水平围岩特征，现场采集并制作Ф50 mm×100 mm、50 mm×50 mm×50 mm立方岩样，采用TAW-3000型电液伺服岩石三轴实验机开展单轴抗压试验。结果表明：试件平均单轴抗压强度为55.2 MPa，饱水试件为31.7 MPa，软化系数为54.2%。塑性应变极限在0.2%～0.4%之间，说明岩石峰后残余承载能力低，当超出应变极限，岩石即发生破碎。

图5 单轴抗压强度实验

从微观角度分析，岩石的单轴抗压强度与其节理裂隙的发育程度及结构面的胶结类型密切相关。由图5(a)～(b)可知，岩石试件形成典型的纵轴劈裂破坏面，形成这种破坏的原因是岩石试件中切向拉应力和径向拉应力增大，促使岩石沿着轴向压应力的方向产生微裂隙并沿着该方向进行扩展，微裂隙定向排列增强，进而引发岩样出现柱状劈裂破坏。由图5(c)知3种岩样干试件的单轴抗压强度存在一定的差异，分析为试样微裂隙发育引起；岩样微裂隙发育，空洞不明显，当试件受力逐渐增加时，微裂隙被压密压实，岩石的抗压强度呈线性关系，随压力增大，岩石进入塑性阶段，微裂隙开始扩展且径向扩容增速，最终导致岩石破坏。由图5(d)可知，饱水岩石试件的抗压强度明显低于其干燥岩样的抗压强度[7-9]，并且饱水岩样最大值相差甚微，分析认为，当水进入微裂隙后会降低胶结质的粘聚力，减小了岩石的内摩擦角，与此同时渗透水对岩石微裂隙面会产生一定的作用力。当岩石进行压缩过程时，岩石微裂隙及裂纹同时受到垂直于裂纹面和平行于裂隙面的作用力，具体表现为：与裂隙面垂直的作用力为压应力，而平行于裂隙面的作用力为剪应力，所以裂隙表面存在着一个与剪应力方向相反的摩擦阻力，沿垂直于裂隙方向的正应力对剪切断裂起到遏制作用，同时裂隙水压力抵消了一部分正应力，因此起到裂纹劈裂作用，从而降低了岩石的抗压强度。

4 变形机理及控制对策

-650 m石门局部区域变形失控的重要机制是：软岩巷道大变形机理是岩体原生裂隙及次生裂隙在高应力作用下迅速发展发育[10]，形成了一定的渗水通路，为富含蒙脱石的泥质围岩水化作用提供了条件。由于蒙脱石具有强膨胀性，因此在其遇水后发生了泥化和膨胀现象，其岩性参数亦因水解发生弱化，同时强膨胀压力作用于锚固结构或支架上，当围岩压力大于支架的承载极限时，两者时间及空间上发生耦合，支护区域巷硐便会发生结构性失稳，乃至变形直至发生破坏。因此各岩层水化膨胀是不容忽视的影响因素，合理抑制水化是防止巷硐围岩变形破坏的关键。而围岩注浆加固是一种有效的堵水手段，通过该方式可以有效延长围岩变形周期。