膨胀性软岩巷道围岩变形机理及应用.pdf

图 西姿错技支肇 学位论文 嚣敬堡堕丝丝生查堕堕堂塑鲤墨生旦 』业堕 型 堕坚业堕业 型- 堕堕 坚f i c 业 堂 』哒聃a 4 M 却j A p p l f j i o n 研究生姓名 导师姓名、职称 串请学位级别 学科、专业 i 二女。一 砰r 哲教授 学位授予单位旦童壁垫主生 论文题目膨胀性软岩巷道围岩变形机理及应用 嘉l z 兰 雾矿主程 。签名，止 硕生许起 签名 盘羔型 指导教师邓广哲 签名 丝李主L 摘要 煤矿生产过程中，膨胀性软岩结构和力学性能的恶化会导致巷道围岩变形大大增 加，并使得巷道的掘进、支护与维修问题十分突出，它不但给矿井的安全生产带来极大 的威胁，而且也造成了巨大的经济损失。 本文以云南省恩洪煤矿井底水仓膨胀性软岩为研究对象，对其在湿度影响下的力学 行为和性状变化、微观结构变化进行了试验研究，并从流变角度入手，分析了膨胀性软 岩变形破坏的时效性和其蠕变规律。首先，针对膨胀性软岩的特殊性，以粉砂质泥岩为 例，从微观角度分析了膨胀性软岩的变形破坏机制；然后，鉴于湿度对膨胀性软岩性质 的决定性影响。详细地分析了在水的作用下，膨胀性软岩的性状变化、变形规律以及微 观结构的差异；最后，在蠕变试验的基础上，建立了蠕变模型，推导出本构方程，并验 证其合理性。 利用这一成果分析了恩洪煤矿主、副水仓的变形破坏机理，对其支护方案进行优化， 最后应用于工程，并经过三个月的围岩监测，证明是可行的。 关键词膨胀性软岩；微观机理；含水率；巷道稳定性；软化；蠕变机理 研究类型应用研究 S u b j e c t D e f o r m a f i o nM e c h a n i s mo fS u r r o u n d i n gR o c ko fS w e l l i n gS o f t R o c kR o a d w a yA n dA p p l i c a t i o n S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eX uq i I n s t r u c t o r D e n gG u a n g - z h e A B S T R A C T s i g n a 。u 糟 丕兰短 S i g n a t u r e W o r s e n i n go fs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c sp e 咖龇c eo fs w e l l i n gs o f tr o c kl e a d st os e r i o u s d e f o r m a t i o no fs u r r o m d i n gr o c kd u r i n gt h ec o u r s eo fm i n i n g ，a n dt h ep r o b l e m so ft u n n e l t u n n e l i n g 、s u p p o r t i n ga n dm a i n t e n a n c ea r em o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g ．I tt h r e a t st h es a f e w o r ks e r i o u s l ya n db r i n g sa b o u tal o to f ∞∞o n l i cl o s s e s ． I nt h i sp a p e r , t h er o c ks p e c i m e nc o m ef o r mw a t e rc o a ls t o r e h o u s eo fE 1 1 l l o n gm i n ei n Y u n n a np r o v i n c e ，t h ee x p e r i m e n tW a Sm a d et or e s e a r c ho l lt h er o c ks p e c i m e nb e h a v i o ra n d m i c r o c o s m i cm e c h a n i c si nt h ee f f e c t so fw a t e r ．a n da n a l y z i n gi t sd e s t r u c t i v em e c h a n i c s 、 a g i n ge f f e c ta n dc r e e p i n gr u l el 塔i n g t h et h e o r yo f t h e o l o g y ．A tf i r s t ，b a s e do nt h e p a r t i c u l a r i t yo fs w e l l i n g r o c k , t a k es i l tm u d s t o n e f o r e x a m p l e ，i t sm i c r o c o s m i c t r a n s m u t a t i v em e c h a n i s mi sa n a l y z e d ，t h e n ，b e c a u s i n go ft h es p e c i a li n f l u e n c eo fw a t e rt o c h a r a c t e ro f s w e l l i n gr o c k ．i t sd i f f e r e n c eO f c h a r a c t e f 、t r a n s m u t a t i v er u l ea n dm i c r o s t r u o t u r e a r ea n a l y s i z e du n d e rt h ea q u e o u sf u n c t i o n ；A tl a s t , b a s e do nc r e e p i n gr u l e so fs w e l l i n gs o f t r o c k ，c r e e p i n gm o d e li sc r e a t e d ，t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i pa n de v o l u t i o ne q u a t i o ni s d e d u c t e d ，a n di t sr e a s o n a b l ei ap r o v e d ． A p p l y i n gt h i st h e o r y , t h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h et u n n e lw a sa n a l y s e s e da n d o p t i m i z e dt h et e c h n i c s ．A tl a s t , as u c c e s s f u la p p l i c a t o no ft u n n e ls u p p o r t i n gh a sp r o v e dt h e t h e o r yi Su s e f u la f t e rt h r e em o n t h sm o n i t o r i n g ． K e yw o r d s S w e l l i n gs o f tr o c k M i c r o - m e c h a n i s mW a t e rr a t i o S t a b i l i t yo f r o a d w a yS o f t e n i n gC r e e p i n gM e c h a n i s m s T h e s i s S t u d yo f a p p l i c a t i o n 要种技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 傲的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名辞坦隰蹿厂少 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名弃地指导蛳签名盈阿锰 、 跏。7 年f 月尹E t l 绪论 1 ．1 论文研究的背景及意义 1 ．1 ．1 问题的提出 l 绪论 膨胀岩在世界范围内分布极广。迄今为止已发现存在膨胀岩土的国家达4 0 多个， 遍及五大洲】．。1 9 8 3 年，C , - r o b l 2 1 报道了瑞士的一些公路隧道因膨胀而引起的底臌破坏情 况，最大底臌量在几个月内达9 0 c m 。在美国，每年因膨胀岩对房屋、建筑、公路和管 道的破坏所造成的经济损失商达2 3 亿美元，是由于台风、洪水、地震灾害所造成经济 损失总和的2 倍多1 3 , 4 ] 。类似这种现象在丹麦、德国、瑞典、英国等国家也常发生1 5 卅。 我国也是膨胀岩分布较广的国家之一，据统计，膨胀岩遍及西南、中南、华东、以及华 北、西北和东北的一部分，已达2 0 余个省、市、自治区【9 J 。由于膨胀岩的显著胀缩特性， 使我国矿山、铁路和水利工程等部门的工程项目经常发生破坏【l o ’1 1 1 ，甚至导致了某些工 程的下马l l “，造成了重大的经济损失。初步估计，我国每年因膨胀岩造成各类工程建筑 物破坏的损失，大约在数亿元以上D 3 1 。近年来，随着国家经济建设的迅猛发展，矿产资 源开发、水力能源开发、水利工程兴建以及公路铁路交通等工程建设越来越多地向着膨 胀岩地区进行，由膨胀岩引起的工程问题日益严重，其复杂的工程性质已受到广泛关注。 1 ．1 ．2 研究的意义 膨胀岩一般指可与水发生物理化学反应，并会引起体积膨胀的一类岩石，属于易风 化和软化的软弱岩石0 4 , 1 5 】，它具有较显著的膨胀性能。当岩体受到扰动，特别是当湿度 条件变化时，膨胀岩的性状常常发生巨大的变化，产生体积膨胀，对其中的构筑物产生 巨大的膨胀压力，严重影响工程的稳定性【i 6 】，是进行各类工程建设时经常遇到且又难于 处理和支护的一类特殊岩石。在工程实践中表现为围岩随时间的推移而大量向硐室内塑 性挤出或大量隆起，不但给工程的正常使用和维护带来困难，更为严重的是在许多场合 将导致硐室支护在持续发展而量值很大的膨胀压力作用下，产生裂损或破坏I l ”。造成这 些灾害的主要原因不仅是因为人们事先不知道它们的分布，而且对膨胀岩膨胀的力学机 制的认识还不完全清楚雨造成。 近十年来，膨胀岩课题已经引起了我国岩土力学界和矿业界的高度重视，但就如何 准确地预测和防止由于膨胀引起的灾害，仍未能完善地解决【l 卅。因而，对这种特殊岩体 进行研究具有极大的实用价值和科研价值。另外，在云南省恩洪煤矿，其破坏较大的软 岩巷道就属于膨胀性软岩巷道，但由于其技术力量不足、研究手段简单、设计理论与施 西安粹技大学硕士学住论文 工理论的陈旧，造成巷道严重变形，不得不几次返修，严重影响了正常生产，给企业造 成很大的经济损失，因而，研究恩洪煤矿膨胀性软岩巷道，确定最佳支护方式和支护参 数，对于恩洪煤矿的正常生产，以及云南省的煤炭工业发展都具有很大的现实意义， 1 ．2 膨胀性软岩变形机理的研究现状 1 ．2 ．1 湿度对软岩岩体影响的研究现状 湿度对岩体性质的影响相当大，它主要表现在水与岩体之间的相互作用一方面改 变着岩体的物理、化学及力学性质，另一方面也改变着自身的物理、力学性质及化学组 分【1 9 l 。运动着的地下水对岩体产生三种作用，即物理的、化学的和力学的作用。 从2 0 世纪初开始，渗流对工程的影响以及工程对环境的影响已为工程界广泛重视。 许多工程技术人员及学者从工程实践和理论两方面进行了大量的研究，并获得了许多有 价值的成果，既解决了工程中的实际问题，又丰富和发展了渗流理论，它己成为许多基 础学科，如水力学、土力学、岩石力学、工程地质学、水文地质学以及环境学等不可 缺少的重要组成部分。 流体通过多孔介质的流动称为渗流。多孔介质是指由固体骨架和相互连通的空隙， 裂隙或各种类型毛细管所组成的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的 科学。它是流体力学的一个分支，是流体力学和岩石力学、多孔介质理论、表面物理和 物理化学交叉而形成的。 渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。渗流力学的应 用大致可分为地下渗流、工程渗流、动植物渗流3 个方面。 1 8 5 6 年，法国水利工程师H D a r c y 达西 在解决第戎 D i j o n 的城市给水过程中，在 一系列实验的基础上，总结出线性渗流方程，后来被称之为D a r c y 定律。这标志着渗流 力学的诞生；在这之后，俄国的数学力学家N E 儒可夫斯基在1 9 世纪末对渗流问题进 行了研究，并于1 8 8 9 年导出了渗流微分方程。他正确的指出在数学上渗流和热传导有 相似的性质。 古典的渗流力学所研究的流体本构关系 应力应变关系 是线性齐次的。不符合这 种应力．应变关系的流体称之为非牛顿流体。渗流力学中常碰到的非牛顿流体为宾厄姆 B i n g h a m 型流体、幂律型的拟塑性流体和膨胀性流体。2 0 0 3 年清华大学水利水电工 程系的王恩志、韩小妹、黄远智回顾了单相液体在低渗透饱和岩石的非线性渗流研究中 的某些进展。从岩石孔隙结构、岩石与流体之间的相互作用和流体性质方面介绍了对低 速非线性渗流产生机理的观点，探讨了孔隙大小等对启动压力的影响，讨论了界面张力、 边界层、耦合渗流、非牛顿流体对非线性渗流形成的作用机制，并对迸一步开展低渗透 岩石渗流研究提出了建议刚。 2 1 绪论 到3 0 ～4 0 年代，单相不可压缩和微可压缩流体在均质地层中的渗流问题已基本解 决，多相渗流的研究始于3 0 年代，由于低于饱和压力下的油田开发和注水开发促进了 油气二相渗流的研究。同时建立起相对渗透率和毛管力的概念。B u e k e y L e v e r e t t 1 9 4 2 在忽略毛管力条件下借助于特征线法给出一维情况下二相液体渗流方程的特解，经过处 理饱和度的间断解。考虑毛管力的某种特殊情形，陈 1 9 6 5 曾给出一个相似性解，陈、 刘 1 9 8 0 、陈、袁 1 9 8 0 进一步研究了双重介质和多维情形的二相渗流。6 0 年代开 始，随着碳酸盐岩介质模型的建立关于裂隙介质以及多重介质中渗流的研究不断增加。 流固耦合的研究通常是将渗流力学和岩土力学结合起来，水、岩相互作用研究是力 学和地球科学领域中的前沿课题之一。在力学领域中称之为“固流耦合作用”，在地球 科学领域中称之为“水、岩相互作用”。前者研究的焦点在于固体和流体问力学耦合的 基本规律；后者主要研究在高温高压条件下，岩石和水发生的化学反应规律及其地球化 学特征。岩土工程作为土木工程与地质学的交叉学科，水岩相互作用研究的侧重点以往 主要集中于岩体水力学方面，即从渗流场和形变场的相互作用角度研究其基本规律。 1 ．2 ．2 对膨胀性软岩微观结构的研究现状 岩石中的矿物成分对岩石的工程力学性质的影响极其明显，特别是对于膨胀性软岩 来说，更是如此。因此对其矿物组成的准确鉴定与量化分析是十分重要的。 在研究矿物微观结构时，最常用的一种方法是x 射线衍射法。晶体的X 射线衍射原 理是由德国诺贝尔物理学奖得主劳厄 M a xv o nL a u e 发现的。这一发现不仅对X 射线 的认识迈出了关键的一步，而且还第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证，使晶 体物理学发生了质的飞跃．从此以后，X 射线学在理论和实验方法上飞速发展，形成了一 门内容极其丰富、应用极其广泛的综合科学。最近十几年，各国学者们在这一领域的研 究取得了很大的成就实验技术上，2 0 0 6 年，澳大利亚研制出一种可在线连续测定物料 矿物岩相组成的X 射线衍射分析仪，它可以快速地分析出多种矿物相。2 0 0 7 年4 月，我 国兵器装备集团公司西南技术工程研究所突破传统x 射线衍射技术只能检测分析材料工 件表面厚度1 0pm 的局限，开发出可以无损检测工件厚度达2 0 r m 铝当量的短波长x 射 线衍射仪工程化样机，在技术上取得了巨大的突破。理论运用上，缪协兴教授在1 9 9 5 年运用X 射线衍射原理对软岩变形损伤的细观特征进行了的研究。2 0 0 1 年邓广哲教授对 封闭型裂隙煤样在高压水渗透作用下的细观裂隙特征进行了分析，并为水压致裂技术的 发展作出了贡献。 随着科技的发展，矿物成分的鉴定方法日新月异，现在最常用的方法主要有X 射线 衍射法、差热分析法、显微镜形貌观测法等f 2 1 1 。 1 X 射线衍射法 X 射线衍射物相分析是矿物鉴定最主要、也最具本质性的鉴定方法。它是基于不同 3 西安科技大学硕士学位论文 矿物具有不同的晶体构造这一基础上的。 由晶体学知，晶体是由原子、离子和分子等质点在三维空间有规则地排列构成的。 因此晶体是一个由上述质点构成的空间点阵，上述质点也称格点。 在这个点阵中可以划分出一个基本的平行六面体单元，称为晶胞，它在三个基本方 向上周期性重复平移，即可构成整个晶体，如图所示。图中三个方向上的基本长度a O A 、 b O B 、c O C 为晶胞的三条棱，Z C O B d 为b 、c 棱间的夹角，1 3 么C O A 为棱a 与c 的夹角，Y 么A O B 为棱a 与b 的夹角。因此，知道了a 、b 、c 、o 、B 、Y ，即知道 晶胞特征和整个晶体的晶体学特征 C 。 图1 ．1 晶体点阵结构示意图 在上述晶体点阵中，可以划出一系列点阵格点构成的平面，称为晶面，最典型的三 簇晶面为a 、b 棱构成的平面，a 、c 棱构成的平面和b 、c 棱构成的平面。当一束单色平 行X 射线射到晶体上，并与某一簇晶面成0 角时，如果满足条件2 d s i no n 九 d 为晶 面间距； 为入射单色x 射线波波长；n 为正整数；0 为x 射线对某簇晶面的入射角 即可发生所谓的衍射现象。对于每种晶体来说，点阵平面簇可以有很多，为了表示不同 晶面簇的晶面间距，通常用测定dc 。．”来表示该晶面簇的晶面间距， h ，k ，1 称为 晶面指数，等于晶面簇中离原点 晶胞的某一格点 最近的晶面在点阵轴上的截距的倒 数，它们都是整数。 对膨胀岩矿物来说，最重要的是d 。，。。，正是这不同的d 。。。，，系列。才成为用x 射线衍射方法作矿物鉴定的基础。 2 差热分析法 图I ．2x 射线衍射原理示意图 4 1 绪论 差热或热差分析法是通过被测物与一参照物 或称中性体 的热反应的不同而被测 试或记录仪器记录下来的热反应与温升之间的关系曲线来实现对矿物的鉴别的。其原理 如图1 ．3 所示加热炉按一定的升温速度加热，炉内温度尽可能要求均匀。炉内对称地 放置两个白金或其他耐高温的金属坩锅，一个盛被测样，一个盛中性体，一副热电偶的 两个触点分置于中性体和被测样中，中性体在整个升温过程中没有吸熟或放热反应，只 是随着炉温升高而同步升高。而被测矿物则可能因加热过程中失去吸附水、结晶水而产 生吸热反应，使坩锅内热电偶触及处温度相对降低，或由于被测物在加热过程中发生氧 化、相变等而产生放热反应，使坩锅内温度相对升高或下降。热电偶两触点的温度差将 产生一电流，此电流会因两触点的热差为正、或为负而变化流向，使得检流计反射镜的 偏转方向不同，因此记录下来的升温一热反应曲线如图所示。有的热分析仪不仅可记录 得差热曲线，同时还可测得物质得失重曲线，即物料在加热过程中重量得损失情况，如 图1 ．4 虚线所示。不同矿物有不同得热反应特征曲线，据此可判定矿物得种类。 略盒 t 图1 ．3 差热分析装置示意图图1 ．4 差热曲线示意图 3 电子显微镜形貌鉴定法 ①投射电子显微镜 其工作原理如图1 ．5 所示，一束平行高能电子射到很薄的样品上，由于样品的不同 位置的厚度不同，穿过样品被吸收的多少也不同，再经磁透镜聚焦作用后，投射到感光 底片上感光，或经电子线路转换投射到视频上进行观测。底片上不同位置的感光差异反 映出试样的形态特征，据此可鉴别不同矿物种类。 ②扫描电子显微镜 扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜有所不同，如图I ．6 所示，透射电镜投射到 样品上的是一束固定的平行电子束，而投射到扫描电镜样品上的是一束极细得电子束 约5 0 。它在扫描线圈的作用下在试样表面作栅状扫描运动。电子束击到表面上时， 不是穿过试样，而是在试样表层一定深度内激发出二次电予，二次电子的数目与扫描电 子束与被扫描的试样表面夹角等因素有关，也即与试样表面的形态有关。这种二次电子 5 西安科技大学硕士学位论文 信息被处理后形成一与原扫描电子束同步的显像管扫描讯号，就可以在显示屏上直接看 到试样的表面形态，并可进行拍照或摄像记录。 图1 ．5 扫描电子显微镜工作原理图 图1 ．6 透射电子显微镜工作原理图 4 其他方法 其他方法中有红外光谱法，小于2 | lm 样的化学分析硅铝比法，以及测定蒙脱石的 亚甲基兰法等。因这些方法效果有限，现在已经很少使用。 1 ．2 ．3 对膨胀岩本构关系的研究现状 经过几十年各国学者的潜心研究和探索，他们针对不同的影响膨胀参数为研究对 象，建立了相应的膨胀岩本构关系数学表达式1 2 2 1 。可惜的是至今仍然没有形成一个通用 的公式，下面就是关于膨胀岩本构关系的几个典型表达式。 最典型的本构关系是由H u d e r - - A m b e r g 在实验室内用常规固结仪对膨胀性泥灰岩 的膨胀性态进行试验得出的经验公式 F K I 一 马 1 ．1 1 0 9 a j g 一轴向膨胀应变 o r 一膨胀应力 ％一最大膨胀应力 置一o r O ．1 M P a 时轴向膨胀应变 在此基础上，E i n s t e i n 1 9 7 2 和W i t t k e 1 9 7 6 提出了三维膨胀本构关系。 假定侧向应力为 ／．／ c r x 2 巳2 高吒 则膨胀应变第一不变量和应力第一不变量的关系为 6 1 ．2 1 绪论 L K 1 ．3 ￡一体积膨胀应变 以一第一应力不变量 q 。一最大体积膨胀应力 ∥一泊松比 ‘ 孙钧和李成江认为膨胀体积应变是第三应力不变量的函数，他们对在山东张家洼矿 区所采岩样进行试验，得出关系如下 ‘- - - - 0 ．0 3 3 8 0 5 - - 0 ．0 0 2 5 7 2 1 3 1 ．4 ￡一体积膨胀应变 b 一第三应力不变量 傅学敏、潘清莲借助扫描电镜，分析了膨胀过程中岩石内部颗粒结构的微观变化特 征，并做了大量的试验来研究膨胀过程的宏观显现规律。提出了用膨胀元件、弹性元件、 粘性元件和塑性元件并联组合，来模拟软岩膨胀的力学行为 如图1 ．7 。其本构模型为 盯 E c ∥ 以 1 ．5 n 图1 ．7 岩石膨胀结构模型 盯一某一时刻的膨胀应力 盯。一材料的屈服极限应力 s 一某一时刻的膨胀应变 E 一弹性模量 陈宗基认为膨胀是物理化学和力学过程联合作用的结果，其本构为 ￡v 3 a H 1 ．6 H H o e x p 伊／R T 1 ．7 占，一体积膨胀应变 a 一取决于在膨胀过程中出露面的当时比表面积参数，是一种力学因素的量度 H 一用于粘土矿物之类膨胀活动性很强的物质参数 7 磊 ．1 西安科技大学硕士学位论文 矿一激活能 R 一气体常数 T 一绝对温度 一些学者从有效应力的观点出发，把不饱和泥岩中产生的间隙空气压力和间隙水压 力，以及吸水膨胀压力总括起来用膨胀压力来表示，并把膨胀压力看作为内部应力。如 果将岩石视为各向同性的均质体，则关于土结构的有效应力理论对这类岩石也是适用 的。有效应力盯’可以用全应力J 和膨胀压力P 的差来表示，即 盯， 吒一P 1 ．8 口， 盯，一P 1 ．9 盯 吒一P 1 ．1 0 从而可以建立以下关系 气 { [ 吒一∥ 吒 q ] 一．1 - E 2 ／．t p 髟 刍b 一声缱州] 一半P 1 ．1 1 乞 刍[ 吒- ／a c r ． 町 ] ～T 1 - 2 ／．t P 1 ．2 ．4 膨胀性软岩蠕变机制的研究现状 软岩工程技术的研究属于岩石力学的范畴，而岩石力学在2 0 世纪5 0 年代开始了岩 石物理学噬础研究，到6 0 年代，逐渐发展成- - f - j 具有独立体系的学科∞1 。在岩石力学 的发展过程中，有其明显的研究重点。在6 0 年代重点研究完整岩块；7 0 年代重点研究 岩体和不连续面；8 0 年代，计算机数值分析蔚然成风；9 0 年代，十分强调综合研究分 析，即将岩石材料性质的确定，大尺寸原位测试，计算机分析和工程作用规律相结合。 到2 0 世纪末，由于无法测试到准确的岩体力学参数。使人们怀疑计算机模拟的可靠性， 从而限翩了计算机分析技术的发展l 弘2 6 1 。 我国软岩工程技术的发展起始于矿产资源开发工程。原煤炭部从“六五”开始，继“七 五”、“八五”均有计划地将软岩巷道支护及监测技术列入煤炭部科技发展规划，组织有 关科研单位进行了科研攻关。我国的有关科研单位和高校在软岩巷道围岩控制的基础理 论、软岩的岩性分析及工程地质条件、软岩巷道围岩变形力学机制、软岩巷道围岩控制、 软岩巷道支护设计与工艺及施工和监测方面进行了试验研究，均取得多方面的科研成 果。 在试验研究方面，研究了软岩物质成分及微观结构，包括软岩生成条件、粒度成分、 矿物组成、化学成分、颗粒组构及分形结构模型；水岩作用规律，包括膨胀性、崩解性、 溶蚀效应、长期渗压水作用的演变趋势和稳定性；流变性，包括蠕变速度的强度效应。 8 1 绪论 因此，软岩工程的研究对象是多相，各向异性的裂隙岩土介质体。这就决定了它是由多 学科相互交叉、渗透、依赖和补充的学科。这些特点决定着软岩工程必须采用多种方法、 多种技术来进行综合性研究。 在理论研究方面，软岩巷道变形地压的弹塑性分析方法首先是由F o r m e rk 1 9 3 8 提出的，后来K a s t n e rH ． 1 9 5 1 对此又作了重要修正，至今这一计算方法仍然在国内 外被广泛应用，出现在有关的教科书中田l 。F e n n e r 和K a s t n e r 都假设巷道围岩为理想的 弹塑性介质，认为岩体破坏后的强度始终保持原来的极限强度值，因此计算围岩塑性区 半径偏小，巷道围岩位移变形偏小；而在以后文献中常出现的将岩体视为理想脆塑性力 学模型所建立的应变软化模型计算的A i r e y 公式中则假定岩体达到极限强度后，强度立 即降至岩体的残余强度，忽略了岩体破坏后强度是逐渐降低的特性，所以依此计算出的 塑性半径与巷道变形位移偏大。上述计算方法都忽略了岩体破坏后强度是逐渐降低的特 性，与实际工程相差甚大。近年来，国内有关研究开始考虑岩石的应交软化性，软岩矿 物性膨胀对软岩巷道应力及变形的影响。岩石的扩容膨胀性，首先由勃列得曼 B d d m a a , 1 9 4 9 观测到的，韩丁等人 F I a n d i n ．1 9 6 3 量测了低围压下贝利 B e r e a 砂岩岩样的 扩容，在偏应力作用下的扩容是以与时间有关的体积增加来观测的，继后，派特森 P a t e r s o n ，1 9 6 3 ，爱德蒙特和派特森 E d m o n d , P a d , s o n , 1 9 7 2 、勃雷斯、保尔T 和肖尔茨 B r a c e ，P a u l d i n g ，S c h o l z ，1 9 6 6 ，宾那维斯基 B i e n a w s k i ，1 9 6 7 ，古鲁茨 C r o u c h , 1 9 7 0 ， 什巴克和比尔利 Z o b a c k , B y e r l e e ，1 9 7 5 、帕金、格林和福利得曼 P e r k i n g , G r e e n , F d d m a n , 1 9 7 0 、鲁模 R u m m e l ，1 9 7 4 、茂木清夫 M o g i , 1 9 7 7 等国外学者，他们根据实 验室实验发表了许多实验结果及其分析。在我国把岩石扩容概念与隧洞、巷道变形联系 起来加以研究的是陈宗基教授。陈宗基教授在1 9 8 3 年的国际岩石力学大会的一篇文章 中，强调了岩体中扩容的体积增加，对潜在膨胀岩石的稳定性的作用1 2 8 1 。软岩巷道变形 破坏的机制从宏观上看都有一种膨胀变形力学机制，导致软岩变形破坏的“膨胀”是指软 岩体向巷道空间的变形，它包括了膨胀性矿物的变形，同时也包括了蠕变等其它力学机 制的变形，现有文献多考虑的是软岩矿物性膨胀和蠕变对软岩巷道应力及变形的影响。 流变学是由化学、分子物理、固体力学的边缘科学发展起来的交叉科学，1 9 2 8 年由 B i n g - h a m 建议，于1 9 2 9 年成立了美国流变学会，被公认为流变学历史的新纪元。随着 现代工程技术的发展，流变学在各工程和实践领域中得到广泛的研究和应用。岩土的流 变特性，5 0 年代以前，国内外研究者较少注意，由于某些岩土工程因流变破坏引起事故 如坝、桥、建筑物地基基础、海堤、边坡、地下工程围岩变形 ，而引起科技界的重视。 1 9 4 8 年荷兰G e u z e E ．C ．W ．A ，首先开始对土流变学进行了系统的研究，采用实心圆柱 土样的扭转试验，提出B i n g - h a m 粘滞塑性流动定律对土的实用性。5 0 年代以后，流变 学在岩土工程领域内的研究和应用取得了很大的进展，使岩土工程流变力学发展成为工 程力学的一个独立分支学科，研究解决岩土流变性质对岩土工程结构物和构筑物的强 9 西安科技大学硕士学位论文 度、刚度和稳定性的影响。 近十多年来，软岩工程支护技术和理论的专门性研究工作越来越受到学术界的重 视，国际性的学术活动日益频繁四。0 J ，1 9 8 1 年9 月，在日本召开了“国际软岩学术讨 论会”；1 9 8 9 年8 月，在法国召开了深部围岩岩石学与岩石物理学学术讨论会；1 9 9 0 年 9 月在英国召开了“软岩工程地质”国际学术会议；1 9 9 2 年7 月，在澳大利亚召开了“采 矿地层控制”国际学术会议，均涉及到软岩的流变特性研究的内容。 岩体的流变分析在地下工程中得到了广泛的应用。尤其随着数值计算的完善与成 熟，基于等效连续假设，根据流变理论 包括弹塑性、粘弹性、粘塑性和粘弹塑性 ，运 用有限元或边界元，可以解决更为复杂的地下工程问题，如围岩应力和围岩位移分布特 征以及围岩动态规律，甚至已用于地下工程的设计。 1 ．3 本文研究的主要内容及技术路线图 1 研究内容 本文以云南省东源集团恩洪煤矿主水仓、副水仓膨胀性软岩巷道群为研究对象，主 要研究由巷道群引起的应力叠加以及在湿度的作用下使得膨胀岩变形破坏的问题，本文 在总结前人研究的基础上，将开展以下工作 ①针对膨胀性软岩的特殊性，从微观角度分析其变形机制。 ②鉴于膨胀性软岩各项性质和其稳定性与湿度的密切关系，研究湿度对其各种性质 的影响，并通过试验进行论证。 ③针对膨胀性软岩的力学特征，建立膨胀性软岩的蠕变模型，并推导蠕变本构方程。 ④以恩洪煤矿主、副水仓为例，对其进行数值模拟分析。 ⑤探讨水仓的破坏原因并对其进行修复。 2 技术路线图 影响陶索 t，● 内在因素『 外界因素 f 人为扰动因素I l 微观机制分析 {I 对湿度的敏感性分析 1 蠕变分析 l 广]审审’’事 审 嚯空空空空芋 匦 2 膨胀性软岩变形破坏微观机制研究 2 膨胀性软岩变形破坏微观机制研究 2 ．1 膨胀性软岩变形机制的理论研究 2 ．1 ．1 膨胀性软岩的定义及基本属性 1 膨胀性软岩的定义 膨胀性软岩的定义有多种，但到目前为止还没有一个通用的解释，最常见的是杨庆 教授在膨胀岩与巷道稳定和何满潮教授在软岩工程力学中的解释。杨庆教授认 为膨胀性软岩是指与水发生化学反应，引起岩石含水量随时间而增高且体积发生膨胀 的一类岩石，属于易风化和软化的软弱岩石。而何满潮教授则认为膨胀性软岩是指含 有粘土高膨胀性矿物、在较低应力水平 2 5 M P a 条件下即发生显著变形的低强度工程 岩体。本文定义为膨胀性软岩是指含有遇水膨胀的矿物成分且在较低应力水平下就会 显著变形或在变形过程中体积会增大的一类岩石。 2 膨胀性软岩的分级 根据蒙脱石干燥吸水率、蒙脱石含量和自由膨胀变形量将其分为三级。膨胀性软 岩分级标准采用表2 ．1 。 表2 ．1 膨胀性软岩分级 3 膨胀性软岩的几个基本概念 ①崩解的临界失水量 并不是任何微小的水分损失都会造成膨胀性软岩崩解破坏，客观上存在有一个临界 失水量p 1 1 。聂恰耶夫对原苏联一些粘土岩的试验结果表明，当含水量降低值超过2 9 6 ～ 2 ．5 ％时，粘土岩发生明显破坏。王幼麟工程师在葛洲坝泥岩试验中测定此值为2 ．5 ％～ 3 ．0 ％。对多数泥岩试验统计分析后确定，其临界失水量为1 ．5 ％～3 ．5 ％。 ②干湿交替的活化作用 环境的湿度变化是造成膨胀岩性质蜕变的晟重要因素之一。膨胀岩的活化作用是通 过膨胀岩的失水和吸水特性而表现出来的。国内外大量观察试验结果表明，所有保持天 然含水量的未扰动泥岩，在水中可以保持其稳定的天然性状和较高的天然强度，几乎不 显示其膨胀特性。这是由于其成岩作用而形成的不可逆结构连接作用的结果。如在葛洲 西安科技大学硕士学位论文 坝工程二三江基坑中所取的未失水的完整蒙脱石泥岩，在水中浸泡二年未发现任何破坏 现象。由此可见，保持天然湿度的岩石浸水后一般不会显示其崩解特性。 ③膨胀性和成岩时代 人们一般的概念是地质时代越老岩石成岩程度越高，岩体质量越好，其膨胀性就越 弱。其实这个概念是片面的，上述因素之间并没有直接的因果关系。一些晚侏罗纪煤田 成岩时代较早，但其强度很低 抗压强度小于5 M P a ，属强膨胀或剧膨胀岩。而成岩时 代晚的一些老第三系泥岩强度却远远超过了它们。 “ 膨胀性软岩的几个基本属性 膨胀性软岩的性质由其特殊的矿物成分和组织结构所决定，具有以下十分显著的6 大特点。 ①强度低、孔隙度大 膨胀性软岩的抗压强度一般在l O M P a 左右或以下，而其孔隙度则一般在2 5 ％～3 5 ％之间，相当于孔隙比0 ．3 3 ～0 ．5 5 。经现场测试，恩洪煤矿水仓膨胀性围岩的单轴抗压 强度仅为1 2 ．删P a