金 明

(中国高岭土有限公司， 江苏 苏州 215163)

高应力环境下高岭土深部软岩巷道围岩稳定性及孔隙水压力分布规律研究

金 明

(中国高岭土有限公司， 江苏 苏州 215163)

软岩在受到集中应力作用之后会展示出许多种力学特征，如可塑性、扩容性、流变性及崩解分散性等。岩石扩容指的是在偏应力作用下体积增加。岩石扩容变形是偏应力作用的结果，偏应力大小与扩容变形程度成正比关系。本文以高岭土软岩巷道支护形式与特点为重点，探讨高应力环境下高岭土深部软岩巷道围岩稳定性及孔隙水压力分布规律。

高应力； 高岭土； 深部软岩巷道； 稳定性

1 前言

软岩之间的隙缝较多，主要由粘土质组成，且矿物颗粒小，极易吸收水分子，从而导致岩石内部增生许多微孔隙，使岩样的内部结构体系发生变化，最终形成泥化现象。当水分子渗透进软岩的孔隙和裂隙中时，内部微小岩粒的吸附水膜就会增厚，导致软岩发生体积膨胀现象，不均匀的体积膨胀会引起软岩内不均匀的应力产生，由此引发岩石颗粒的碎裂以及解体[1]。在此以高岭石、伊利石为例，它们是遇到水分子极易软化崩解的软岩矿物的主要成分，在受到水分子的作用之后体积会随之增加，导致软岩缝隙充水，颗粒之间的相互作用减弱，颗粒结构遭到破坏，产生软化、崩解现象[2]。

2 高岭土深部软岩巷道支护形式

到目前为止，软岩巷道最有效、实用的支护形式主要是锚喷网支护系统。采用喷射混凝土的施工法可以及时封闭围岩以及隔离水分子的渗入，防止围岩形成松散堆积物和水分子对岩体稳定性的影响。锚网不但能够支撑锚杆之间的围岩，还能够将单个锚杆组合成整个锚杆群，和混凝土喷层形成具有柔韧性的支护圈。锚喷网支护系统允许围岩在可承受的范围内变形，它的支护作用也能满足对软岩一次支护的需求[3]。可以针对围岩实际情况，使用桁架锚网、钢筋梯锚网支护方式，进行二次喷射混凝土支护。可以采用软木塞或者橡胶圈混合使用混凝土进行封孔。锚杆安装和注浆分两个工序进行。采用普通端头锚固或加长锚固锚杆进行巷道掘进，在尾部套上软木塞或橡胶圈，再上托盘拧紧螺母，形成封孔效果。最后一个步骤就是喷射混凝土，巩固封孔以及支护效果[4]。当巷道围岩变形超过可承受范围，沿着巷道的周边形成松动破裂区时，采用建筑工程注浆方式，一方面会使巷道围岩进行泄压，另一方面又能使注浆加固效果达到最佳状态，见图1。

图1 高岭土深部软岩巷道支护示意图

U型钢金属支架从结构上看具有可缩量和承载能力，构件之间可缩量以及弹性变形能够有效调节围岩的应力。在支架产生变形以及收缩过程中，有效防止围岩的继续变形，承受围岩压力，促进应力趋于平衡状态[5]。我国在U型钢可缩性金属支架架后充填、架间支护、支护材料调质处理、支护工艺规范化等方面进行了大量的研究工作，U型钢可缩性金属支架已获得较广泛的应用。软岩中采用的断面支护形状为圆形且具有伸缩性，可以有效预防水分子的侵蚀及避免松散堆积物的形成，能够对底鼓进行有效控制。平时都是通过“木砖缝料石圆碹”和条带碹法这两种措施使碹体可缩。弧板的支架采用高强度的混凝土施工技术，使断面呈现全封闭状态，再结合高强度的钢筋混凝土结构形成巷道支架。

3 软岩的力学特性

图2所展现出最大主应力是沿劈面的切向方向，越靠近采空区，切向应力就越大，劈面切向应力达到最大值。最小主应力是沿巷道的径向应力，在巷道周边处为零，向围岩深部逐渐增大。如果巷道埋深超过软化临界深度，应力高于岩土强度的部分岩体就发生破坏，靠近劈面的岩体最先破坏，最大主应力集中区向围岩内部转移[6]。在巷道的高度及跨度不变的前提下，要想使围岩结构得到改善就必须合理地选择锚杆长度、间距等，进行正确的安装，才能使围岩的承受能力提高，支护发挥出最佳效果。

Rf—塑性流动区半径; Rs—塑性软化区半径; Rh—塑性硬化区半径图2 软岩巷道围岩分区示意图

节理裂隙发育的围岩在水分子渗入之后呈现饱和状态，再加上地壳中应力以及构造体系和构造形式地应力场的共同作用下，巷道开挖之后，围岩周边应力和水压力都会重新分布；在可影响区域内，岩石隙缝在水压与高应力作用下很快扩展，造成围岩破碎更加严重；水分子的渗透能够使岩石节理面得到有效的润滑，减小摩擦力，水分子沿着压力卸载巷道中心方向不断渗透，容易造成巷道破坏[7]。

4 高岭土深部软岩巷道围岩稳定性及孔隙水压力分布规律

岩石的吸水、导水和地下水运动，不但是重要的水理性质，同时也是研究水文地质、注浆工程必不可少的基础资料。岩石的渗流性是指在水压力作用下水在岩石隙缝、裂隙内流动和通过的能力。在一般情况下，水在软岩中渗流速度很小，可看作流动。遵循达西层流渗流定律，水的渗透速度v与水力坡降I成正比，如下式：

式中：Q——岩层中渗流水的流量；A——渗流面积；v——渗透水的流速；K——渗透系数；I——水力坡降。

渗透系数并不是一成不变的。岩体内节理、微孔隙分布状态不同，在空间三维方向上的渗透系数Ki(i=1，2，3)并不相等，即K1≠K2≠K3，具有各向异性的性质。K值随着地应力分布与承压水、孔隙水压力的不同而发生变化，水压力越大，K值越小，岩体内产生应力威胁。这时如果发生岩体软弱、破碎，水压力大和临空面阻力小，就会导致软岩液化、管涌， “泥石流”事故发生[8]。

在软岩矿井巷道岩帮内会出现较薄的粘泥夹层，当巷道掘进岩面刚揭露时，表层会呈现出干燥坚固状态，一两天之后表层的水含量急剧增加，甚至饱水呈“豆腐乳”状，完全没有强度，而且会由于体积膨胀而被挤出，对巷道支护具有严重的破坏性。

5 结语

在高应力作用下，造成巷道破坏的原因是水与破碎的围岩之间的相互作用，为了有效预防变形破坏，要严格控制水和高应力。采用锚杆(索)与注浆巷道支护能有效控制水渗流，减小对破碎岩体的冲刷破坏，为锚固过程创造良好的条件。锚索支护和注浆能够防止围岩隙缝扩展，扩大锚固范围，从而减轻应力的变化梯度，使其成为良好自承载体。通过数值模拟可以得出在锚杆(索)、注浆加固下会形成较好支护效果的结论。这种方法在中国高岭土有限公司阳西矿、观山矿的应用中取得良好的效果，具有良好的推广应用价值。

[1] 刘 洋，叶义成，刘晓云，岳 哲，胡南燕.基于未确知聚类法的巷道围岩稳定性预测[J].中国安全生产科学技术，2017，22(2)：56-61.

[2] 王卫军，袁 超，余伟健，吴 海，彭文庆，彭 刚，柳小胜，董恩远.深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究[J].煤炭学报，2016，32(12)：2921-2931.

[3] 罗生虎，伍永平，张嘉凡.围岩—锚固体流变控制机制及支护最优化设计[J].岩土力学，2017,(1)：124-132.

[4] 汪令辉.基于加卸载响应比的小间距双硐巷道围岩稳定性研究[J].矿业研究与开发，2016,(8)：41-46.

[5] 武越超，韦志远，谭英明，牛钦环.空巷影响下回采巷道围岩稳定性及支护设计研究[J].煤炭科学技术，2016,(5)：128-130.

[6] 黄冬梅，谭云亮，常西坤，傅颖霞.深部巷道围岩稳定性影响因素的灰色关联分析[J].煤矿安全，2016,(3)：202-204.

[7] 唐礼忠，高龙华，王 春，蒋 锋.动力扰动下含软弱夹层巷道围岩稳定性数值分析[J].采矿与安全工程学报，2016,(1)：63-69.

[8] 和树栋.沿空动压巷道围岩稳定性模拟研究[J].煤炭技术，2016,(1)：31-33.

Study on the stability of surrounding rock and pore water pressure distribution law of deep soft rock roadways of kaolinite under high stress condition

The soft rock shows a variety of mechanical characteristics under concentrated stress, such as plasticity, dilatancy and rheological behaviour, and disintegration and dispersivity. Rock dilatancy refers to the volume increase under the action of deviatoric stress. Rock dilatancy deformation is the effect of deviatoric stress. The deviatoric stress is proportion to the dilatancy deformation degree. Focusing on the roadway supporting forms and features, the stability of surrounding rock and pore water pressure distribution law of deep soft rock roadways of kaolinite under high stress condition were discussed.

high stress; kaolinite; deep soft rock roadway; stability

TD873+.2

A

2017-03-28

2017-05-08

金 明(1982-)，男，江苏苏州人，工程师，从事采矿技术和安全管理工作。

1672-609X(2017)03-0049-03