王 波

(煤炭科學(xué)研究總院北京天地華泰采礦工程技術(shù)有限公司,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

軟巖巷道吸水膨脹變形量計(jì)算分析＊

王 波

(煤炭科學(xué)研究總院北京天地華泰采礦工程技術(shù)有限公司,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

為定量分析軟巖吸水膨脹引起巷道圍巖的變形量,基于濕度應(yīng)力場(chǎng)理論和彈性變形理論,推導(dǎo)出了軟巖巷道吸水膨脹變形量的計(jì)算公式;給出了公式中膨脹系數(shù)和含水率變化函數(shù)的確定方法;結(jié)合典型軟巖工程——龍口北皂煤礦海域運(yùn)輸巷,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試了運(yùn)輸巷圍巖的水理性質(zhì);根據(jù)得出的水理參數(shù),確定了運(yùn)輸巷的膨脹系數(shù)和含水率變化函數(shù),代入計(jì)算公式得出了變形量的分布規(guī)律。

軟巖巷道 吸水膨脹 水理性質(zhì) 變形量計(jì)算

當(dāng)巷道布置在含膨脹性礦物(蒙脫石等)的地層中時(shí),巖石遇水或吸濕之后將吸水膨脹;空氣濕度越大,圍巖吸水越多,膨脹變形量也就越大。其量值可能遠(yuǎn)大于巖石的彈塑性及碎脹變形量之和,由此產(chǎn)生的膨脹性變形壓力是軟巖巷道支護(hù)破壞的重要原因之一。

本文基于濕度應(yīng)力場(chǎng)理論和彈性變形理論,推導(dǎo)得出了軟巖巷道吸水膨脹變形量的計(jì)算公式,結(jié)合典型軟巖工程——龍口北皂煤礦海域運(yùn)輸巷,對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。

1 軟巖巷道圍巖吸水膨脹變形機(jī)理

巷道開挖后,圍巖遇水會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),引起體積膨脹和力學(xué)性能的變化,見圖1。

圖1 水理作用下圍巖分區(qū)示意圖

巷道圍巖相應(yīng)形成了兩個(gè)不同的區(qū)域:遇水膨脹區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。膨脹區(qū)由于體積膨脹和力學(xué)性能的變化,導(dǎo)致巷道圍巖的收斂變形。膨脹區(qū)形成的原因主要有:軟巖巷道圍巖的天然裂隙結(jié)構(gòu);應(yīng)力調(diào)整引起的圍巖裂隙;軟巖的吸水性;軟巖中的膨脹性礦物;巖層中的水與空氣中的水交換。

2 圍巖吸水膨脹變形量計(jì)算

根據(jù)軟巖工程中的實(shí)際情況,將軟巖巷道吸水膨脹問(wèn)題與溫度應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比,得出了以下三方面的共性。

(1)膨脹巖吸水后產(chǎn)生體積膨脹和巖性軟化,這類似于材料的溫度效應(yīng)。一般材料會(huì)隨溫度升高而產(chǎn)生體積膨脹和物性軟化。

(2)膨脹巖體遇水作用后,水分會(huì)在巖體內(nèi)不斷擴(kuò)散,導(dǎo)致一定范圍的含水率變化。這類似于物體在熱源作用下的溫度場(chǎng)變化。

(3)溫度場(chǎng)變化會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化,圍巖內(nèi)含水率的變化同樣也會(huì)引起圍巖內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化。

當(dāng)圍巖中各點(diǎn)的含水率隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí),圍巖的膨脹率也發(fā)生變化,引起巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)也發(fā)生變化。這種變化類似于溫度場(chǎng)變化引起的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化,因而,基于力學(xué)中的溫度應(yīng)力場(chǎng)理論,相關(guān)文獻(xiàn)給出了圓形巷道在平面應(yīng)力情況下的圍巖遇水作用應(yīng)力分量的解析解:

式中:σr——徑向應(yīng)力分量;

σθ——切向應(yīng)力分量;

τrθ——剪應(yīng)力分量;

r0——巷道半徑;

E——巖石彈性模量;

μ——巖石泊松比;

α——膨脹系數(shù);

t——吸水時(shí)間;

W(r,t)——含水率變化函數(shù);

r——巖體內(nèi)任意一點(diǎn)到巷道形心的距離。

深埋圓形洞室的應(yīng)力解為:

由彈性力學(xué)可知,巷道遇水徑向變形量:

將式(1)與式(2)聯(lián)立可得:

將式(4)代入式(3)得巷道遇水徑向變形量:

根據(jù)實(shí)際情況,圓形巷道軸線方向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巷道斷面的另外兩個(gè)方向,屬于平面應(yīng)變狀態(tài),將式(5)轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題,具體為,E換為得平面應(yīng)變條件下巷道遇水徑向變形量:

3 圍巖吸水膨脹變形量計(jì)算參數(shù)確定

3.1 膨脹系數(shù)的確定

膨脹系數(shù)α指的是在一定含水率情況下巖體最大膨脹量所對(duì)應(yīng)的線膨脹系數(shù)。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化,認(rèn)為α不隨含水率ep變化而改變,即巖體的膨脹率隨含水率增加而呈線性變化。其物理意義是膨脹巖增加單位含水率時(shí)所產(chǎn)生的膨脹率,即:

膨脹系數(shù)可通過(guò)這樣的方法求得,即實(shí)驗(yàn)得出不同含水率巖石的膨脹率,用最小二乘法擬合ep-W直線方程,該直線斜率的絕對(duì)值就是膨脹系數(shù)。

3.2 含水率變化函數(shù)W(r,t)的確定

巷道開挖t天后距巷道壁垂直距離r處的圍巖含水率用函數(shù)W(r,t)表示。根據(jù)對(duì)北皂煤礦海域首采面運(yùn)輸巷圍巖的水理性質(zhì)測(cè)試,巖石的原始含水率Wb為6%。巖石吸水30 d后可以達(dá)到飽和,飽和吸水率W0為42.6%。假定圍巖吸水率與時(shí)間成線性關(guān)系,得出W(r,t)的表達(dá)式如下:

圖2 圍巖含水率變化曲線

根據(jù)式(8)計(jì)算巷道圍巖開始吸水10 d、20 d和30 d后的含水率,并做出圍巖隨位置不同的含水率變化曲線,見圖2。

將式(8)代入式(6)可得:

4 圍巖吸水膨脹變形計(jì)算實(shí)例

以北皂煤礦海域首采面運(yùn)輸巷為例進(jìn)行計(jì)算。首先測(cè)試運(yùn)輸巷的水理參數(shù),在運(yùn)輸巷煤2頂板取巖樣進(jìn)行測(cè)試。使用WZ-2型膨脹測(cè)試儀測(cè)試巖石的膨脹性,通過(guò)膨脹測(cè)試儀測(cè)得巖樣的膨脹率和側(cè)向約束膨脹量。

運(yùn)輸巷巖石水理參數(shù)測(cè)試結(jié)果:泥巖砂巖互層容重2.23 g/cm3;含水率11.2%;飽和質(zhì)量251 g;飽和吸水率42.6%;側(cè)向約束膨脹量3.26 mm;膨脹率14.2%。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得出膨脹系數(shù)α為0.33。

運(yùn)輸巷遇水變形量計(jì)算參數(shù):巷道半徑r=2750 mm;泊松比μ=0.27;飽和吸水率W0=0.43;膨脹系數(shù)α=0.33。

4.1 圍巖不同吸水時(shí)間隨位置不同膨脹變形量分析

將運(yùn)輸巷遇水變形量計(jì)算參數(shù)代入式(9),計(jì)算圍巖吸水5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d后,圍巖吸水膨脹變形量隨位置不同的變化曲線見圖3。

分析圖3的曲線形態(tài),隨圍巖深度的增加,吸水膨脹量是逐漸減小的。隨著距水源的距離增加,變形趨勢(shì)逐漸變緩。如果圍巖充分吸水,膨脹量在30 d后可以達(dá)到621 mm。

圖3 不同時(shí)間變形量隨位置變化曲線

4.2 圍巖相同位置不同時(shí)刻變形量計(jì)算

圖4為壁面及距壁面1 m、2 m、3 m、4 m和5 m處圍巖吸水膨脹量隨時(shí)間變化曲線。

圖4 圍巖相同位置膨脹量隨時(shí)間變化曲線

由于假定圍巖每天的吸水量是線性的,因此曲線形態(tài)呈直線型。并且,隨著距壁面距離的增加,直線斜率逐漸減小,這是由于隨著距水源距離的增加,圍巖變形受含水率變化影響逐漸減小。

5 結(jié)論

(1)軟巖內(nèi)膨脹性礦物遇水作用后體積膨脹會(huì)導(dǎo)致巷道的收斂變形。通過(guò)分析圍巖吸水膨脹變形的影響因素,推導(dǎo)出了圍巖吸水膨脹變形量的計(jì)算式:

通過(guò)測(cè)試不同含水率巖石的膨脹率,用最小二乘法擬合ep-W直線方程,直線斜率的絕對(duì)值即為膨脹系數(shù)。

(2)結(jié)合北皂煤礦海域軟巖巷道的水理參數(shù)測(cè)試結(jié)果,得出海域首采面運(yùn)輸巷的吸水函數(shù)為:

(3)分析海域首采面運(yùn)輸巷的計(jì)算結(jié)果可知,隨圍巖深度的增加,吸水膨脹量 是逐漸減小的。隨著距水源的距離漸遠(yuǎn),變形趨勢(shì)逐漸變緩。運(yùn)輸巷圍巖表面含水率達(dá)到飽和時(shí)的最大變形量為621 mm。

[1] 繆協(xié)興.用濕度應(yīng)力場(chǎng)理論分析膨脹巖巷道圍巖變形[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995(1)

[2] 盧愛紅,茅獻(xiàn)彪.濕度應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(S2)

[3] 何滿潮,周莉,李德建等.深井泥巖吸水特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008(6)

[4] 朱合華,葉斌.飽水狀態(tài)下隧道圍巖蠕變力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(12)

[5] 溫春蓮,陳新萬(wàn).初始含水率、容重及載荷對(duì)膨脹巖特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1992(3)

[6] 繆協(xié)興,茅獻(xiàn)彪.盧愛紅.濕度應(yīng)力場(chǎng)理論在軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制中的應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理,2002(3)

[7] 繆協(xié)興.膨脹巖體中的濕度應(yīng)力場(chǎng)理論[J].巖土力學(xué),1993(4)

Calculation analysis on water swelling deformation of road in soft rock

Wang Bo
(Bejing Tiandi Huatai Mining Engineering&Technology Co.Ltd.,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

The main reason of soft rock tunnel deformation destruction on surrounding rock is water swelling.In order to analyze the deformation degree,a calculation formula is concluded on the basis of humidity stress field and elastic deformation theory.Also a determination method of the expansion coefficient and water content variation function is given in the formula.Besides,the hydrogeological properties in the transportation tunnel were tested in laboratory which integrated the typical example-Longkou Coal Mine Area.According to the hydrogeological properties,the expansion coefficient and water content variation function are decided,and also the deformation distribution is studied.

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TD322

A

天地科技青年創(chuàng)新基金(TZ-JJ-10-HT-2)

王波(1981-),男,山東陽(yáng)谷縣人,工程師,博士?，F(xiàn)供職于北京天地華泰采礦工程技術(shù)有限公司科技研發(fā)部,從事采礦工程與巖石力學(xué)方面的科研工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)