滲水泥化巷道失穩(wěn)機(jī)理與安全控制對(duì)策畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

緒論1Introduction1.1研究意義（Significance）泥質(zhì)巖石分布廣泛，僅泥巖和頁巖就占地球表面所有巖石的50%左右，它的存在嚴(yán)重影響煤礦巷道這類埋藏比較深的地下工程的穩(wěn)定性[1]。地下井巷工程中，特別是煤礦生產(chǎn)建設(shè)中經(jīng)常遇到地下水涌入，致使泥質(zhì)巖體泥化引起圍巖強(qiáng)度弱化，進(jìn)而引發(fā)巷道產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)、非線性、大變形量的流變現(xiàn)象，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞，使得巷道圍巖控制問題十分突出。泥化巷道往往是前掘后修甚至多次翻修，形成“破壞—修復(fù)—再破壞—再修復(fù)”的惡性循環(huán)，極大降低了正巷速度，打亂了正常的采掘接替平衡，給礦井高效生產(chǎn)和生命安全帶來極大危害。我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將長(zhǎng)期以煤炭為主，煤炭資源的快速消耗使得煤炭開采由淺部逐步轉(zhuǎn)向深部，而且從北到南一系列第三紀(jì)褐煤田的不斷開發(fā)，使得煤礦巷道有相當(dāng)一部分布置于泥質(zhì)軟巖中[2]。采動(dòng)影響下，泥質(zhì)軟巖巷道幫部整體移近、頂板彎曲下沉、底鼓極為嚴(yán)重，表現(xiàn)為全面來壓。泥質(zhì)圍巖的破裂為裂隙水提供了流通渠道，進(jìn)一步促進(jìn)泥巖的水化作用，泥巖泥化后裂隙閉合、強(qiáng)度進(jìn)一步降低，圍巖承載結(jié)構(gòu)平衡破壞，巖體破裂產(chǎn)生新的裂隙，進(jìn)入下一損傷循環(huán)，對(duì)巷道的圍巖控制技術(shù)提出巨大的挑戰(zhàn)。泥質(zhì)軟巖遇水弱化問題從20世紀(jì)60年代就作為世界難題被提了出來[3]，世界上很多大型水工事故就是由泥巖與水相互作用引發(fā)的，如美國(guó)圣佛蘭西斯壩、法國(guó)布澤壩的垮塌，都是由于壩體被水軟化后沿泥化夾層滑動(dòng)造成的。目前，對(duì)于泥質(zhì)軟巖遇水軟化流變研究主要集中于典型泥巖礦物成分物理化學(xué)性質(zhì)，特別是關(guān)鍵膨脹性粘土礦物成分以及泥巖微觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。泥巖礦物成分方面，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)軟巖礦物成分與物理力學(xué)關(guān)系進(jìn)行了研究，得出不同礦物含量與含水率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響[3-4]。微觀結(jié)構(gòu)方面上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用各種巖礦測(cè)試手段如掃描電鏡、壓汞、X-衍射、比表面分析儀等對(duì)泥頁巖進(jìn)行分析，研究泥頁巖中粘土礦物的組成和含量，測(cè)試水化過程中泥頁巖的膨脹率，定性地分析粘土礦物組構(gòu)對(duì)水化過程的影響規(guī)律，特別是泥巖在飽水狀態(tài)下微觀變化規(guī)律[5]。已有研究中，對(duì)泥巖組成性質(zhì)及其遇水軟化過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對(duì)其主要組成成分結(jié)構(gòu)變化特別是其分子結(jié)構(gòu)變化對(duì)泥巖泥化的影響鮮有提及。因此，針對(duì)泥巖礦物組構(gòu)及其水化過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律、力學(xué)性能參數(shù)的弱化特征展開實(shí)驗(yàn)研究，從本質(zhì)上揭示泥巖遇水弱化規(guī)律，繼而深入研究滲水泥化巷道失穩(wěn)機(jī)理，從而研發(fā)不同于傳統(tǒng)泥質(zhì)巷道防治手段的新型控制技術(shù)，對(duì)于該類泥質(zhì)軟巖巷道的穩(wěn)定性控制具有基礎(chǔ)性指導(dǎo)意義，對(duì)其他涉及泥巖水化的巖土工程具有可鑒之處。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀（Currentresearch）1.2.1泥質(zhì)巷道泥化失穩(wěn)研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)50年代，Norrish、日本學(xué)者須騰俊男研究了軟巖中蒙脫石的力學(xué)膨脹作用[6]，開啟了對(duì)泥巖力學(xué)性質(zhì)的研究。近年來，學(xué)術(shù)界針對(duì)泥巖水化致巷道失穩(wěn)的研究主要集中在宏觀與微觀兩方面進(jìn)行。宏觀方面，部分學(xué)者通過對(duì)含有粘土礦物較多的泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行水化實(shí)驗(yàn)，研究巖石力學(xué)參數(shù)隨含水率的變化而降低的過程，分析了溫度、圍壓等因素對(duì)水化過程和影響，建立了相應(yīng)的變化規(guī)律公式；部分學(xué)者則基于特定的巷道圍巖控制工程條件，研究泥質(zhì)圍巖遇水弱化失穩(wěn)破壞機(jī)理及相應(yīng)的控制技術(shù)，解決了部分困難巷道的支護(hù)難題。微觀方面，主要利用各種巖礦測(cè)試手段如掃描電鏡、壓汞、X-衍射、比表面分析儀等對(duì)泥頁巖進(jìn)行分析，研究泥頁巖中粘土礦物的組成和含量，測(cè)試水化過程中泥頁巖的膨脹率，定性地分析粘土礦物組構(gòu)對(duì)水化過程的影響。何滿潮等[7]采用自主開發(fā)研制的軟巖水理作用測(cè)試儀，對(duì)深井泥巖進(jìn)行吸水試驗(yàn)研究并進(jìn)行了SEM與X射線衍射試驗(yàn)，表明：泥巖吸水特性在時(shí)間序列上分為減速吸水和等速吸水兩個(gè)階段，吸水量與吸水時(shí)間雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線呈上凸、下凹和直線3種類型；孔隙率的大小、礦物含量與種類及粘土礦物的產(chǎn)狀等是泥巖吸水特性的主要影響因素；泥巖孔隙率與吸水量、吸水速率成正比關(guān)系；粘土礦物含量與吸水量、吸水速率成反比關(guān)系，且粒間孔隙中粘土礦物分布形態(tài)不同，特征曲線形態(tài)也不同。朱合華等[8]通過試驗(yàn)獲得含水狀態(tài)是影響巖石蠕變力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要因素，探討了巖石蠕變受含水狀態(tài)的影響規(guī)律，根據(jù)廣義Kelvin模型求得巖石蠕變模型參數(shù)。李棟偉等[9]對(duì)泥巖開展了先固結(jié)后徑向卸載的三軸剪切試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)，泥質(zhì)軟巖存在起始蠕變應(yīng)力閾值和蠕變破壞臨界應(yīng)力；基于試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)線性組合流變模型的分析，將MISES和Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則引入到組合模型中，建立了泥巖的非線性蠕變方程，可以很好地描述泥巖蠕變的各個(gè)階段。范慶忠，李術(shù)才[10]等采用重力加載式三軸流變儀，在低圍壓條件下對(duì)含油泥巖進(jìn)行了三軸蠕變壓縮試驗(yàn)研究，表明：含油泥巖存在一個(gè)起始蠕變應(yīng)力閾值且隨圍壓加大呈線性增加，蠕變破壞應(yīng)力也大致與圍壓成比例關(guān)系，但兩者隨圍壓的增長(zhǎng)率差異很大；含油泥巖的蠕變只有衰減狀態(tài)和加速狀態(tài)，未觀測(cè)到等速階段；含油泥巖黏滯系數(shù)較小，顯示出其流動(dòng)變形大的特點(diǎn)；黏滯系數(shù)近似為圍壓的線性函數(shù)，但增長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于前兩者，表明低圍壓對(duì)軟巖的流動(dòng)變形影響較弱。陳衛(wèi)忠等[11]對(duì)泥巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)大型真三軸蠕變?cè)囼?yàn)，分析了蠕變變形隨時(shí)間的變化規(guī)律，提出了泥巖非線性經(jīng)驗(yàn)冪函數(shù)型蠕變模型，較好地反映了深部軟巖不同應(yīng)力水平下的流變特征，表明泥巖蠕變速率不僅與時(shí)間密切相關(guān)，還與應(yīng)力水平相關(guān)。張農(nóng)等[12]基于泥巖全應(yīng)力-應(yīng)變加載過程的滲透特性試驗(yàn)研究，分析了掘巷影響區(qū)不同時(shí)空條件下巷道巖體裂隙的漸次發(fā)育過程，揭示了巷道圍巖滲透特性的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律以及軸向、徑向和環(huán)向3個(gè)方向的滲流特征；該規(guī)律對(duì)注漿孔深、間排距、注漿時(shí)機(jī)等控制滲流災(zāi)害的注漿參數(shù)設(shè)計(jì)具有明確的指導(dǎo)作用，進(jìn)一步分析了防止?jié)B流泥化災(zāi)害的最佳注漿時(shí)機(jī)和合理注漿孔布置等滲流災(zāi)害控制關(guān)鍵參數(shù)，提出控制泥質(zhì)巷道圍巖防止?jié)B流災(zāi)害的注漿穩(wěn)定技術(shù)。楊永康等[13,14]針對(duì)煤巷上方大厚度泥巖頂板在開挖支護(hù)后所表現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，對(duì)其變形破壞機(jī)制及控制對(duì)策進(jìn)行了系統(tǒng)研究，表明：泥巖風(fēng)化崩解、碎裂擴(kuò)容與應(yīng)力調(diào)整過程中的高應(yīng)力拉伸與剪切共同促使泥巖頂板破裂、離層和破碎；大厚度泥巖頂板支護(hù)的原則為及時(shí)封閉圍巖、提高下位巖層剛度、布置斜向錨索。李學(xué)華等[15]通過鉆孔窺視對(duì)不同含水條件下泥巖頂板的裂隙演化規(guī)律和破裂特征進(jìn)行了分析，研究了泥巖頂板巷道冒頂機(jī)理，表明：圍巖裂隙由淺部向深部逐漸擴(kuò)散，裂隙發(fā)育存在飽和現(xiàn)象；有效控制圍巖微裂隙區(qū)向裂隙發(fā)育區(qū)演化，避免裂隙發(fā)育區(qū)發(fā)展到錨固區(qū)之外是保證富水泥巖頂板巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵；建立了分頂、分區(qū)的圍巖控制技術(shù)體系，包括高性能錨桿支護(hù)技術(shù)、預(yù)應(yīng)力錨索強(qiáng)化技術(shù)和注漿加固技術(shù)。姚強(qiáng)嶺等[16]針對(duì)煤層巷道開挖和維護(hù)過程中泥巖頂板遇水導(dǎo)致圍巖承載性能惡化，易于冒頂?shù)奶攸c(diǎn)，分析了該類頂板易于發(fā)生冒頂?shù)臋C(jī)理：發(fā)生冒頂前已發(fā)生明顯離層，頂板錨固體呈現(xiàn)整體垮冒的特點(diǎn)；泥巖組分中富含粘土礦物是產(chǎn)生崩解和膨脹的根本原因；圍巖受水影響后頂板及兩幫變形量分別增加了13.5%和32.9%。提出了有控疏水、合理保水與高預(yù)緊力錨桿(索)網(wǎng)帶支護(hù)相結(jié)合的控制技術(shù)。柏建彪等[17]針對(duì)深部軟巖巷道四周來壓、整體收斂、變形強(qiáng)烈的特點(diǎn)，提出了主動(dòng)有控卸壓的方法，釋放圍巖膨脹變形能，將高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，減小淺部圍巖應(yīng)力；提出應(yīng)用高水速凝材料注漿加固遇水弱化、膨脹的泥巖。季明[18]在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了灰質(zhì)泥巖試件的三向自由膨脹試驗(yàn)，對(duì)不同含水率下的灰質(zhì)泥巖進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了含水率對(duì)巖石的力學(xué)和聲發(fā)射特性的影響，表明彈性模量、抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，峰值應(yīng)變隨著含水率的增加而增大；結(jié)合損傷力學(xué)理論，探討了單軸壓縮條件下，含水巖石的損傷演變規(guī)律，并推導(dǎo)了考慮載荷和濕度共同作用的灰質(zhì)泥巖的損傷本構(gòu)模型。鄧金根等[19]提出了一種模擬井下溫壓條件下泥頁巖吸水?dāng)U散系數(shù)的測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸處理技術(shù)，利用該裝置對(duì)泥頁巖的擴(kuò)散系數(shù)值進(jìn)行了測(cè)定。林永學(xué)等[20]利用三軸應(yīng)力防塌試驗(yàn)方法揭示了泥頁巖在不同流速、壓力、流體條件下的破壞規(guī)律：流速、流體及軸圍壓對(duì)巖樣的水敏破壞均有明顯的影響；流速及軸圍壓越大，巖樣越易破壞；全濾失型流體對(duì)巖樣水化破壞幾乎不起抑制作用，低濾失型非抑制性體系及高濾失型抑制性體系也只能起到延緩破壞的作用。和冰[21]通過泥巖水化試驗(yàn)，基于Yew和Chenevert[22,23]給出的含水量求解公式，對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)值進(jìn)行擬合后求得了吸附擴(kuò)散常數(shù)，給出了膨脹應(yīng)變與吸水量的關(guān)系曲線；通過三軸試驗(yàn)對(duì)水化后泥頁巖的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，回歸出泥頁巖的強(qiáng)度參數(shù)與含水量的關(guān)系式，表明：泥頁巖水化后，其強(qiáng)度降低，彈性模量減小，泊松比增大，黏聚力和內(nèi)磨擦角也隨含水量的增加而減小。冒海軍等[24]利用SEM、X-粉晶衍射技術(shù)，對(duì)采自不同地區(qū)的泥巖和板巖在干燥狀態(tài)、不同浸泡時(shí)間后的微觀結(jié)構(gòu)和含量進(jìn)行分析及研究，分析粘土礦物的組構(gòu)隨浸泡時(shí)間的變化過程，并定量地分析其對(duì)水化過程的影響規(guī)律，研究泥頁巖的軟化過程。研究表明：影響泥頁巖、板巖水化過程的內(nèi)在因素是蒙脫石、高嶺石、綠泥石和伊利石等粘土礦物的含量；粘土礦物定向排列時(shí)水化作用效果較無序排列時(shí)的明顯；泥頁巖水化作用是一個(gè)漸進(jìn)過程，水化過程中流體介質(zhì)首先使表面的粘土礦物軟化，產(chǎn)生掉塊，隨時(shí)間延長(zhǎng)，流體沿裂縫、層理面向巖石內(nèi)部滲透，粘土礦物發(fā)生膨脹，無圍巖限制作用時(shí)坍塌掉塊持續(xù)發(fā)生；泥漿中加入一定的無機(jī)鹽有助于抑制水化過程的發(fā)生；壓力增加抑制水化過程；溫度升高則促進(jìn)泥頁巖的水化過程。同時(shí)為直觀表現(xiàn)出泥巖中關(guān)鍵物質(zhì)—粘土礦物在分子層面的水化過程，特引進(jìn)分子建模及分子模擬，用以模擬粘土礦物分子聚集體的行為，從而計(jì)算分子系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。尤其是強(qiáng)膨脹粘土物質(zhì)—蒙脫石的分子模擬研究可以定量了解蒙脫石層間結(jié)構(gòu)和各種性質(zhì)的關(guān)系，目前已經(jīng)應(yīng)用于蒙脫石結(jié)構(gòu)各個(gè)方面的研究中。Boek、Skipper等[25-26]的研究表明蒙脫石晶體中Li＋離子和Na＋離子最容易水化，可以從蒙脫石粘土礦物結(jié)構(gòu)中的硅氧表面分離出來，相比之下K＋移往表面并束縛在表面。Smith[27]運(yùn)用蒙特卡羅方法(MC)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法研究了Cs-蒙脫石膨脹特征和層間結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)層間距是水含量的函數(shù)，且和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很相似。Young和Smith[28]運(yùn)用MD方法研究了Na-，Cs-，Sr-蒙脫石的膨脹和水化特征，研究結(jié)果表明三種蒙脫石的膨脹水化主要取決于蒙脫石層間陽離子的大小和電荷。劉濤、DePablo.L[29-30]等人通過分子動(dòng)力學(xué)（MD）及蒙特卡羅方法(MC)方法模擬研究了一價(jià)陽離子K+、Na+與二價(jià)陽離子Ca2+對(duì)蒙脫石結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定性及膨脹性的影響。ZhengY，ZaouiA[31]等人運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究了含有一層、二層、三層水分子的懷俄明型蒙脫石結(jié)構(gòu)中水分子及離子的擴(kuò)散性質(zhì)。D.Guerra，I.Mello[32]等人研究得出粘土的吸附性質(zhì)取決于吸附物溶液的PH值，接觸時(shí)間以及吸附離子初始濃度。P.Mignon,P.Ugliengo[33]等人運(yùn)用分子模擬研究了Li+-、Na+-、andK+-蒙脫石的水化性質(zhì)，研究結(jié)果表明三種蒙脫石的膨脹水化主要取決于蒙脫石層間陽離子對(duì)水的親和性以及控制氧原子表面負(fù)電荷的能力。劉濤、Ebrahimi.D[34-35]等人運(yùn)用MS軟件新添加的Clayff力學(xué)模塊分別研究了蒙脫石層間距函數(shù)與粘土礦物層間水系統(tǒng)的納米級(jí)彈性性能。Karaborni、Emiel、\o"SearchAuthor"Nakano等[36-40]也用不同的分子模擬方法對(duì)水分子在粘土表面的吸附特性和粘土層間水的性質(zhì)開展了初步研究。1.2.2泥質(zhì)巷道泥化控制理論現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代在礦山建設(shè)中出現(xiàn)了軟巖巷道支護(hù)問題，隨著開采深度增加軟巖巷道穩(wěn)定性問題日益突出，得到了國(guó)外專家學(xué)者及工程技術(shù)人員重視，相繼在日本（Tokyo，1981）、朝鮮(Weoul，1989)、前蘇聯(lián)(Novosibisk，1986)、英國(guó)(Leeds，1990)、澳大利亞(Wollongonl，1992)、中國(guó)(Beijing，1990；Nanjing，1990；xiangtan，1992；Guizhou，1994；Dayan，1995)等國(guó)家頻繁地召開了以軟巖巷道支護(hù)技術(shù)為主題的學(xué)術(shù)會(huì)議，在軟巖支護(hù)理論方面取得了一些新的進(jìn)展。我國(guó)在軟巖巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)等方面的研究工作起始于1958年，在1958～1975年期間軟巖巷道支護(hù)立足于提高碹體強(qiáng)度與剛度、減少圍巖擾動(dòng)，取得了一些效果。20世紀(jì)70年代后期至80年代期間，是圍巖穩(wěn)定理論空前發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員逐漸將新奧法運(yùn)用到煤礦軟巖支護(hù)中，基于新奧法理論，錨噴支護(hù)技術(shù)得到了大力推廣應(yīng)用，建立和發(fā)展了“二次支護(hù)”理論、“以讓為主，讓支結(jié)合”的理論，考慮支護(hù)體與圍巖體的相互作用，以控制圍巖的位移為目的，否定了單純提高支護(hù)剛度的理念。20世紀(jì)80年代以后，根據(jù)在實(shí)踐中對(duì)“新奧法”的運(yùn)用和發(fā)展，總結(jié)出了“綜合治理，聯(lián)合支護(hù)，長(zhǎng)期監(jiān)控，因地制宜”的軟巖巷道支護(hù)原則。軟巖工程本身屬于應(yīng)用科學(xué)，軟巖巷道支護(hù)理論也在實(shí)踐中逐步形成，并得到不斷的豐富與發(fā)展，形成了多種形式的支護(hù)理論，其中比較成熟的理論主要有：（1）新奧法20世紀(jì)60年代，奧地利工程師L．V．Rabcewicz在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道設(shè)計(jì)施工方法，稱為新奧地利隧道施工方法（NewAustrianRoadwayingMethod），簡(jiǎn)稱為新奧法[41]，新奧法目前已經(jīng)成為地下工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一。1978年，L．Muller教授比較全面的論述了新奧法方法的基本指導(dǎo)思想和主要原則，并將其概括為22條。新奧法的核心是利用圍巖的自承作用來支撐隧道，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使得圍巖與結(jié)構(gòu)的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成堅(jiān)固的支撐環(huán)。新奧法自起源后，得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)從最初的隧道施工擴(kuò)展到采礦、冶金、水利電力等其他巖土工程領(lǐng)域。雖然，新奧法的應(yīng)用如此的廣泛，但不同的應(yīng)用者對(duì)它的解析還存在著許多的矛盾[42-43]。（2）聯(lián)合支護(hù)理論該理論是由陸家梁、馮豫、鄭雨天、朱效嘉等結(jié)合軟巖實(shí)際，靈活運(yùn)用新奧法理論，提出的聯(lián)合支護(hù)理論[44-47]，是在軟巖支護(hù)方面對(duì)新奧法的發(fā)展。其觀點(diǎn)可以概括為:對(duì)于軟巖支護(hù)，一味地追求加強(qiáng)剛度是難以奏效的，要先柔后剛，先讓后抗，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)。由此發(fā)展起來的支護(hù)型式有錨噴網(wǎng)支護(hù)、錨注支護(hù)、錨帶噴架、大弧板加強(qiáng)支護(hù)等聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。（3）松動(dòng)圈支護(hù)理論董方庭提出了松動(dòng)圈支護(hù)理論[48]，經(jīng)過松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與巷道難易程度對(duì)比分析，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了分類：小松動(dòng)圈<40cm，為穩(wěn)定圍巖；中松動(dòng)圈40～150cm，為中等穩(wěn)定圍巖；大松動(dòng)圈>150cm，為不穩(wěn)定圍巖，應(yīng)進(jìn)行巷道表面變形監(jiān)控量測(cè)，必要時(shí)修改支護(hù)參數(shù)并確定二次支護(hù)的時(shí)間。認(rèn)為巷道支護(hù)對(duì)象為松動(dòng)圈發(fā)育過程中的碎脹力，支護(hù)的作用是限制圍巖松動(dòng)圈在發(fā)展過程中碎脹力產(chǎn)生碎脹（有害）變形，維護(hù)巷道的穩(wěn)定。巷道支護(hù)的難易程度取決于圍巖松動(dòng)圈的大小，松動(dòng)圈越大，破裂圍巖的碎脹力越大，要求支護(hù)縮量和支護(hù)反力越大，支護(hù)越困難。（4）工程地質(zhì)學(xué)支護(hù)理論該理論是何滿潮等人[49]運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代力學(xué)相結(jié)合的方法，通過分析軟巖變形力學(xué)機(jī)制而提出的。該理論將軟巖變形力學(xué)機(jī)制分為物化膨脹類、應(yīng)力擴(kuò)容類和結(jié)構(gòu)變形類三大類。在每一類中又依據(jù)引起變形的嚴(yán)重程度分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。其理論要點(diǎn)是：軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制通常是三種以上的變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合類型，支護(hù)時(shí)要“對(duì)癥下藥”，合理有效地將復(fù)合性轉(zhuǎn)化為單一型。軟巖支護(hù)是一個(gè)力學(xué)過程，這個(gè)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都必須適應(yīng)其復(fù)合型變形力學(xué)機(jī)制的特點(diǎn)。（5）主次承載區(qū)支護(hù)理論該理論認(rèn)為巷道開挖后，在圍巖中形成拉壓域[50]，壓縮域在圍巖深部，體現(xiàn)了圍巖的自撐能力，是維護(hù)巷道穩(wěn)定性的主承載區(qū)。張拉域形成于巷道周圍，通過支護(hù)加固，也形成一定的承載力，但其與主承載區(qū)相比，只起輔助作用，故稱為次承載區(qū)。主、次承載區(qū)的協(xié)調(diào)作用決定巷道的最終穩(wěn)定。支護(hù)對(duì)象為張拉域，支護(hù)結(jié)構(gòu)與支護(hù)參數(shù)要根據(jù)主、次承載區(qū)相互作用過程中呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特征來確定。（6）應(yīng)力控制理論該理論方法也稱讓壓法[51]（或卸壓法）、圍巖弱化法等，該理論認(rèn)為高應(yīng)力軟巖巷道的形變壓力不可抗拒，應(yīng)通過各種讓壓或卸壓的形式進(jìn)行巷道釋放巷道圍巖的變形能，將作用于巷道周圍的集中載荷轉(zhuǎn)移到離巷道較遠(yuǎn)的支承區(qū)，降低巷道圍巖應(yīng)力水平，減少對(duì)支護(hù)的破壞?？刂葡锏雷冃蔚男秹悍椒ㄖ饕星锌p、卸壓槽、鉆孔、爆破、開卸壓巷和留卸壓煤柱、采用讓壓（卸壓）支護(hù)方式等。錢鳴高院士指出軟巖巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則是讓軟巖巷道圍巖巨大的變形能釋放出來，同時(shí)又能夠在圍巖未出現(xiàn)松動(dòng)破壞之前進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[52]。王悅漢，陸士良、康紅普等人[53-55]對(duì)鮑店煤礦受采動(dòng)影響的軟巖硐室實(shí)施了頂部卸壓的維護(hù)方法?？导t普對(duì)軟巖巷道底鼓的卸壓維護(hù)方法進(jìn)行了研究[55]，并成功的應(yīng)用與工程實(shí)踐。柏建彪，王襄禹等人采用全斷面放矸卸壓技術(shù)對(duì)古漢山煤礦西大巷進(jìn)行了治理[56-57]，其具體做法是：在巷道掘進(jìn)過程中，緊跟掘進(jìn)工作面架棚支護(hù)，當(dāng)圍巖變形至擠壓金屬支架時(shí)，主動(dòng)在支架后方松動(dòng)一定范圍的圍巖，并將該部分松散巖體挖掉，以釋放圍巖的變形能，并使圍巖中的高應(yīng)力由巷道淺部向深部轉(zhuǎn)移。然后再適時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行二次支護(hù)，以達(dá)到永久支護(hù)的目的。韓立軍，蔣斌松等人[58]針對(duì)陶陽煤礦構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域內(nèi)煤巷存在的高應(yīng)力、圍巖破碎和支護(hù)困難等問題，提出了控頂卸壓原理及配套的“三錨支護(hù)”技術(shù)，即在巷道掘進(jìn)過程中，首先以較小的斷面進(jìn)行超前掘進(jìn)，并對(duì)頂板采用高強(qiáng)度錨桿進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，而對(duì)巷道兩幫煤體不支護(hù)，允許兩幫煤體產(chǎn)生一定的變形和破壞，形成松動(dòng)圈，從而使圍巖中的高應(yīng)力得到釋放；當(dāng)兩幫煤體出現(xiàn)片幫后再進(jìn)行刷幫和錨桿支護(hù)，并對(duì)頂角補(bǔ)充錨桿進(jìn)行支護(hù)；然后再采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，且對(duì)巷道底角采用內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行錨注加固。文獻(xiàn)[59-60]認(rèn)為僅從加強(qiáng)巷道的支護(hù)強(qiáng)度入手，已不能解決高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問題，為從根本上解決高應(yīng)力軟巖巷道穩(wěn)定性問題，通過對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道基角深孔爆破卸壓，調(diào)整圍巖應(yīng)力分布，使巷道圍巖處于低應(yīng)力區(qū)，取得了良好的支護(hù)效果。徐金海、劉紅崗等人鉆孔卸壓的機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[61]。劉紅崗[62]介紹了在岱河煤礦的架棚支護(hù)巷道進(jìn)行卸壓支護(hù)的方法，即每隔3排背幫的架棚，就留一排架棚不背幫并在棚架之間的巷道頂板及兩幫鉆孔深為0.5-1.0m鉆孔以釋放巷道圍巖的變形能。王漢民[63]介紹了曉明煤礦在開掘受采動(dòng)影響的下區(qū)段回風(fēng)巷時(shí)，在區(qū)段煤柱內(nèi)開掘卸壓巷的做法。陳喜恩，王唐龍[64]對(duì)針對(duì)平頂山十二礦高應(yīng)力復(fù)合頂板巷道變形較大，錨桿支護(hù)破壞的狀況，綜合采用深孔控制爆破、掘進(jìn)迎頭高壓水射流割縫、巷道兩幫施工卸壓孔及超高強(qiáng)讓壓錨桿支護(hù)的方法。謝清孝[65]介紹了新安煤礦對(duì)松軟煤層架棚巷道的兩幫施工卸壓鉆孔進(jìn)行松幫卸壓的巷道維護(hù)方法。武曉華[66]介紹了對(duì)受動(dòng)壓影響的煤巷實(shí)施“控頂”及“空幫讓壓”相結(jié)合的維護(hù)方法。張玉軍，孫鈞[67]針對(duì)耿村煤礦U型棚支護(hù)巷道兩幫變形大的問題，在巷道擴(kuò)修時(shí)采用“空幫讓壓”的方法，即在擴(kuò)修巷道兩幫時(shí)，使幫部表面不與支架直接接觸，而是留有一定的空間?？导t普，王金華等人結(jié)合近年來大量的錨桿支護(hù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，指出在高地應(yīng)力、大變形等困難巷道中，錨桿經(jīng)常出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。袁溢[68]認(rèn)為支護(hù)系統(tǒng)能否有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于支護(hù)系統(tǒng)要能適應(yīng)圍巖的力學(xué)特性：既要能提供足夠的支護(hù)抗力，又要能適應(yīng)圍巖的變形。崔樹江[69]指出對(duì)高應(yīng)力巷道，單純考慮錨桿支護(hù)的強(qiáng)度已不能滿足要求，文中介紹了對(duì)某孤島工作面進(jìn)行讓壓錨桿支護(hù)的實(shí)踐。（7）能量支護(hù)理論蘇聯(lián)煤礦科學(xué)研究院最先提出了巷道支護(hù)的能量原理[70-71]，認(rèn)為巷道開掘后引起圍巖應(yīng)力重分布、產(chǎn)生位移和破裂的過程是一個(gè)能量釋放的過程。其中，彈性應(yīng)變能的量級(jí)很小，而且彈性位移以聲速傳播，彈性應(yīng)變能很快釋放，不會(huì)作用支護(hù)上。塑性區(qū)中的彈塑性應(yīng)力與位移所釋放的應(yīng)變能，如果沒有支護(hù)，將消弱巖體顆粒間的聯(lián)系，使巖體強(qiáng)度降低以至破裂，一部分能量還轉(zhuǎn)化為聲能和熱能；在有支護(hù)的條件下，巖體的彈塑性位移受到支護(hù)的阻擋，其能量除有一部分仍用于使巖體變形破裂，另一部分能量消耗于引起支護(hù)的受力與位移，表現(xiàn)為支護(hù)的阻擋功能并阻止圍巖應(yīng)變能的繼續(xù)釋放。當(dāng)圍巖釋放的能量與錨桿體內(nèi)儲(chǔ)存的能量達(dá)到平衡時(shí)，圍巖與支護(hù)便共同處于穩(wěn)定狀態(tài)。能量支護(hù)學(xué)說根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，研究地下工程開挖過程中產(chǎn)生的能量和支護(hù)轉(zhuǎn)化的能量以及圍巖釋放能量和支護(hù)吸收能量的關(guān)系[72]。M.D.Salamon把巖體視為均質(zhì)線彈性體，給出了洞體的能量守恒方程：Wc＋Wm＝Uc＋Wr(1-1)式中：Wc為整個(gè)巖體體積內(nèi)應(yīng)力因開洞而做的功；Um為該洞開挖出的那部分巖體釋放的應(yīng)變能；Uc為緊鄰圍巖因開洞而重新積聚的應(yīng)變能；Wr為開洞過程中損失的彈性能。近年來，隨著錨注支護(hù)的推廣應(yīng)用[73]，“一次支護(hù)讓壓、二次支護(hù)加強(qiáng)支護(hù)”的二次支護(hù)理論得到了較大的發(fā)展，并成功的應(yīng)用于工程實(shí)踐。李大偉[74]建立了一次支護(hù)彈塑性模型、二次支護(hù)（大剛度、高強(qiáng)度二次支護(hù)）粘彈、粘塑性力學(xué)模型。引入軟化模量和非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則建立了錨桿支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定作用的力學(xué)模型。分析了錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響以及應(yīng)變軟化區(qū)、破碎區(qū)和巷道周邊位移的變化趨勢(shì)；推導(dǎo)了不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度和錨固區(qū)半徑的情況下，圍巖應(yīng)力、巷道位移、應(yīng)變軟化區(qū)半徑及破碎區(qū)半徑的理論計(jì)算公式、二次支護(hù)最大工作阻力的粘彈及粘塑性理論解析解，并分析了二次支護(hù)前后圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的變化情況。柏建彪[75]用Flac2D軟件的指數(shù)蠕變模型模擬了高應(yīng)力軟巖巷道二次支護(hù)時(shí)間和支護(hù)強(qiáng)度的合理范圍。凌同華[76]根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用混沌理論研究了軟巖巷道的變形規(guī)律，計(jì)算了軟巖巷道頂板及兩幫變形的分形維數(shù)和最大Lyapunov指數(shù)，預(yù)測(cè)了軟巖巷道的后期變形，用重構(gòu)相空間方法確定了軟巖巷道二次支護(hù)的時(shí)間。1.2.3泥質(zhì)巷道泥化控制技術(shù)現(xiàn)狀現(xiàn)有的泥化軟巖的控制技術(shù)主要有，棚式金屬支架支護(hù)、錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系、水泥注漿支護(hù)和它們之間的組合支護(hù)等。1）棚式金屬支架棚式金屬支架通過提供被動(dòng)的徑向約束力，直接作用于巷道圍巖的表面，來平衡圍巖的變形壓力，減少圍巖變形。棚式金屬支架僅能被動(dòng)承受因圍巖變形而產(chǎn)生的壓力，在支設(shè)初期無法及時(shí)主動(dòng)承載，大量的實(shí)踐表明金屬支架只有在均布載荷方式下才能表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和承載力，而軟巖變形不均勻，不同部位變形并不一樣，易造成應(yīng)力集中、點(diǎn)載荷等受力劣化狀態(tài)，使得棚式金屬支架承載能力大大降低。棚式金屬支架支護(hù)具有變形適應(yīng)能力差，抗變形能力差，支護(hù)強(qiáng)度低、無法與圍巖形成同步協(xié)調(diào)承載的缺點(diǎn)。泥質(zhì)巖體可塑性很強(qiáng)，具有很強(qiáng)的流變性，變形隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，如遇水滲入或受到擾動(dòng)影響，變形會(huì)進(jìn)一步加速。當(dāng)采用剛性支架時(shí)，剛性支架對(duì)圍巖流變變形的限制，隨著時(shí)間的推移，將產(chǎn)生強(qiáng)大的流變附加應(yīng)力。流變附加應(yīng)力相對(duì)剛性支架的強(qiáng)度是非常大的，它甚至可以輕松將重型U型鋼扭成麻花。為了滿足支護(hù)強(qiáng)度的要求，即使采用重型U型鋼、小排距全封閉U型鋼甚至使用了剛度非常大的雙層型鋼焊接而成的雙桁架進(jìn)行支護(hù)仍舊滿足不了泥化巖體支護(hù)強(qiáng)度的要求而扭曲變形破壞。剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)一旦破壞突破，變形破壞就會(huì)迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。實(shí)踐已經(jīng)證明，泥質(zhì)軟巖巷道中，單純的棚式金屬支架支護(hù)只能起到減緩變形的作用而不能從根本上治理泥質(zhì)軟巖巷道變形破壞，僅僅靠棚式金屬支架支護(hù)已不適應(yīng)該類條件下的支護(hù)的要求。2）錨網(wǎng)索預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系采用柔性的、具有主動(dòng)支護(hù)作用的錨網(wǎng)索等預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系控制圍巖變形，是基于巷道深、表巖體的相對(duì)位移，利用桿體直接作用于巷道周邊一定范圍內(nèi)的巖體，約束周圍巖體的變形，而產(chǎn)生支護(hù)阻力，限制圍巖變形。預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系具有柔性讓壓、合理變形、及時(shí)支護(hù)和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，被煤礦巷道支護(hù)廣泛采用。但由于泥質(zhì)巖體遇水弱化強(qiáng)度大大降低，以錨固力強(qiáng)化圍巖的控制方法，失去了有效應(yīng)力傳遞與承載介質(zhì)，造成錨固松弛乃至失效。泥質(zhì)巖體的流變性特性導(dǎo)致圍巖持續(xù)長(zhǎng)期大變形，也會(huì)造成樹脂錨固劑與巖體膠結(jié)面損傷，降低錨固可靠性與錨固強(qiáng)度，由于錨固力“傳遞介質(zhì)”巖石的強(qiáng)度遇水弱化、錨固可靠性與錨固強(qiáng)度降低，很容易導(dǎo)致錨桿整體從巖石中拉松或拔出的情況，從而使支護(hù)失效，巷道變形破壞。由于預(yù)應(yīng)力體系發(fā)揮支護(hù)作用的前提要求錨固可靠、圍巖具有一定承載能力，對(duì)于裂隙水泥化巷道中的應(yīng)用受到限制，需要配合其它控制手段避免錨固巖體的泥化失效。3）水泥漿液注漿注漿可以直接作用于巷道圍巖本身，在原位改造圍巖，主動(dòng)加固并直接改善圍巖破裂體力學(xué)性能，從根本改善圍巖性狀，提高圍巖力學(xué)性能，以最大限度地提高圍巖的承載能力，促使圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，而且可以封堵裂隙，防止裂隙水的浸入與圍巖風(fēng)化。注漿作為控制圍巖泥化，阻止泥質(zhì)巖體遇水力學(xué)性質(zhì)劣化的關(guān)鍵手段，能充分保護(hù)和發(fā)揮圍巖自身的承載能力，在軟巖等復(fù)雜條件的巷道工程中廣泛應(yīng)用。但是由于泥質(zhì)巖體與水相互作用而弱化的特殊性，而且水泥漿液凝膠過程中析水導(dǎo)致泥質(zhì)巖體弱化，使得以水為載漿介質(zhì)的水泥注漿不可以應(yīng)用。泥質(zhì)軟巖影響因素多變、變形規(guī)律復(fù)雜、而且注漿的關(guān)鍵參數(shù)注漿時(shí)機(jī)把握不好，使得普通水泥注漿支護(hù)效果并不理想，必須尋找新型替代注漿材料。4）組合控制技術(shù)泥質(zhì)巷道地質(zhì)、物理?xiàng)l件復(fù)雜，單一支護(hù)方式難以保證巷道穩(wěn)定性，為了克服上述缺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工中采取了很多組合控制技術(shù)，常用的有錨注支護(hù)﹑錨噴與金屬支架聯(lián)合支護(hù)﹑金屬支架與注漿等組合支護(hù)。但在泥質(zhì)軟巖巷道中應(yīng)用時(shí)，由于對(duì)巷道圍巖遇水弱化機(jī)理、變形規(guī)律沒有明確的把握，而且采用的組合支護(hù)往往集中在迎頭施工，控制理念仍舊是硬巖一蹴而就的靜態(tài)控制思想，無法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)改進(jìn)支護(hù)方案。即使采用讓抗結(jié)合，分步治理的支護(hù)技術(shù)，同樣也存在一個(gè)合理支護(hù)時(shí)機(jī)問題和支護(hù)強(qiáng)度等控制關(guān)鍵因素的選擇問題。很多盲目采用多種組合控制手段的治理措施并沒有起到預(yù)想的效果。1.3存在的主要問題（Themainproblems）綜合上述研究現(xiàn)狀可見，針對(duì)泥質(zhì)巷道浸水流變失穩(wěn)這一工程問題，學(xué)術(shù)界在泥巖水化膨脹、泥巖蠕變、相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)等宏觀層面和泥巖礦物組構(gòu)、分子微觀結(jié)構(gòu)等微觀層面都進(jìn)行了廣泛的研究，取得顯著的成果。但由于泥質(zhì)巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，泥質(zhì)軟巖影響因素多變，給泥質(zhì)巷道有效控制帶來一定的難度。現(xiàn)階段針對(duì)泥質(zhì)巷道圍巖泥化、巷道變形以及巷道控制技術(shù)等一系列研究，主要存在如下幾個(gè)問題：（1）對(duì)泥巖遇水泥化機(jī)理研究不夠透徹。目前，對(duì)于泥質(zhì)軟巖遇水軟化流變研究主要集中于典型泥巖礦物成分物理化學(xué)性質(zhì)，特別是關(guān)鍵膨脹性粘土礦物成分性質(zhì)以及泥巖微觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。對(duì)泥巖組成性質(zhì)及其遇水軟化過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對(duì)其主要組成成分特別是分子結(jié)構(gòu)變化對(duì)泥巖泥化的影響鮮有提及，未能深入研究泥質(zhì)軟巖泥化機(jī)理。（2）對(duì)滲水泥化巷道失穩(wěn)機(jī)理研究不夠深入。目前，不少學(xué)者對(duì)深部泥質(zhì)軟巖的流變特性及其流變擾動(dòng)特征進(jìn)行了很多研究，分析了巖石蠕變特征與規(guī)律，得到了巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度及強(qiáng)度極限鄰域等巖石力學(xué)參數(shù)，但泥質(zhì)軟巖泥化流變特性對(duì)宏觀巷道失穩(wěn)的影響研究不夠深入，沒有將其應(yīng)用到軟巖巷道工程支護(hù)實(shí)踐中。（3）常規(guī)控制手段無法滿足泥質(zhì)軟巖巷道長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。在淋水及強(qiáng)泥化流變共同作用下，巷道錨桿生根著力點(diǎn)軟弱，無法形成支護(hù)工作阻力，常規(guī)巷道控制手段如錨網(wǎng)噴、重型U型鋼和澆灌混凝土聯(lián)合支護(hù)強(qiáng)度無法保證泥質(zhì)軟巖巷道在高地壓、高承壓水狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)。1.4研究?jī)?nèi)容及研究方法(Contentsandmethods)1.4.1研究?jī)?nèi)容通過對(duì)大量文獻(xiàn)的查閱，借鑒歸納已有的研究成果，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和工程實(shí)踐相結(jié)合的綜合研究手段進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容為：（1）泥質(zhì)軟巖巷道泥化失穩(wěn)特點(diǎn)及原因分析。通過深入細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)得出泥質(zhì)軟巖巷道泥化失穩(wěn)特點(diǎn)，并系統(tǒng)的從巷道圍巖性質(zhì)、滲流水影響、采動(dòng)影響、水平及構(gòu)造應(yīng)力等方面分析巷道失穩(wěn)原因。（2）研究以蒙脫石為代表的粘土礦物分子結(jié)構(gòu)變化對(duì)泥巖流變性的影響。借助MaterialsStudio（簡(jiǎn)稱MS）軟件建立蒙脫石的雙晶胞結(jié)構(gòu)模型，模擬蒙脫石的水化過程，研究以蒙脫石為代表的粘土礦物分子結(jié)構(gòu)變化對(duì)泥巖流變性的影響。（3）泥質(zhì)軟巖巷道泥化流變機(jī)理研究。對(duì)吸附1、2、3層飽和水分子層的蒙脫石模型進(jìn)行分子能量?jī)?yōu)化，并應(yīng)用數(shù)值模擬手段研究了滲水泥化巷道位移變化規(guī)律，揭示巷道泥化流變破壞過程，研究滲水泥化巷道失穩(wěn)機(jī)理。（4）研發(fā)適用于滲水泥化巷道的安全控制對(duì)策。結(jié)合以上研究成果，通過理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研發(fā)適用于滲水泥化巷道控制技術(shù)及施工工藝。（5）工業(yè)性試驗(yàn)研究以淮北礦區(qū)朱仙莊煤礦Ⅱ水平第二皮帶機(jī)大巷為工程背景，開展?jié)B水泥化巷道安全控制對(duì)策的工業(yè)性試驗(yàn)研究。1.4.2技術(shù)路線本論文的研究技術(shù)路線如下：圖1-1技術(shù)路線圖Fig.1-1Technicalroute2滲水泥化巷道失穩(wěn)特征及原因分析2滲水泥化巷道失穩(wěn)特征及原因分析2Cementinfiltrationofroadwaycharacteristicsandcausesofinstability2.1實(shí)驗(yàn)巷道工程背景(Experimentalroadwayengineeringbackground)2.1.1工程地質(zhì)條件淮北礦業(yè)集團(tuán)朱仙莊礦Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷位于煤礦Ⅱ3采區(qū)下部，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1025m，巷道標(biāo)高-676.2～-683.6m。巷道所在區(qū)域主要斷層有F19正斷層、F19-1正斷層、SF22正斷層、ⅡF2正斷層，落差均在5m以上，對(duì)巷道施工及后期維護(hù)有一定的錯(cuò)斷影響。Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷初始設(shè)計(jì)層位在10煤下與一灰中間位置，10煤與二灰之間巖層如表2-1。表2-1巖層順序表Table2-1Stratasequencetable序號(hào)名稱特點(diǎn)110煤黑色光亮、塊狀、性硬2泥巖深灰色、塊狀、含少量植物化石3砂質(zhì)泥巖見條帶狀層理4細(xì)砂巖灰色，與上部砂質(zhì)泥巖互層，薄層理狀，此層較厚5煤線不穩(wěn)定6砂質(zhì)泥巖深灰色、致密、見灰色細(xì)條紋層理，此層較厚7細(xì)砂巖灰色、薄層狀、性硬8砂質(zhì)泥巖節(jié)理發(fā)育9細(xì)砂巖薄層狀10一灰含方解石充填脈，厚2m左右，不含水11砂質(zhì)泥巖深灰色、致密、巖性較脆，易破碎，此層較厚，約20~23m12二灰致密、塊狀、性硬，厚約2.5~3.0m，有水底鼓段巷道向外約40m拐彎處揭露有F19斷層（傾角70°，落差20~35m），上盤巖層為薄層狀層理灰色細(xì)砂巖，下盤巖層主要為1.5m厚石灰?guī)r，斷層面有淋水現(xiàn)象，且巷道圍巖性質(zhì)為遇水極易泥化的泥巖與砂質(zhì)泥巖。2.1.2工程水文條件Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷下部灰?guī)r標(biāo)高大部分在-680m以下，富水性弱、水壓大，二灰目前水位標(biāo)高為-45m(06-觀1孔資料)左右。根據(jù)探查F19斷層取芯成果顯示，底鼓段一灰厚約3.4m，距10煤法距63m，二灰厚度約1.5m，距離一灰15~18m，三灰厚度9.0m，距離二灰16m，四灰厚度0.8m，距離三灰1.5m。根據(jù)水文地質(zhì)分析得出，巷道區(qū)域內(nèi)一灰和二灰厚度較小，從而富水弱，三灰及四灰厚度較大，富水強(qiáng)，五灰以下沒有抽水資料，富水性不祥。Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷巷道空間位置如圖2-1。因此Ⅱ水平第二部皮帶大巷初始防護(hù)水設(shè)計(jì)就是將將一灰和二灰作為巷道防護(hù)隔水層，預(yù)防三灰、四灰區(qū)域內(nèi)富含水進(jìn)入巷道，設(shè)計(jì)了40m的隔水柱。（a）巷道平面圖（b）巷道剖面圖圖2-1巷道空間位置圖Fig.2-1Roadwayspatiallocationmap2.1.3滲水巷道失穩(wěn)特點(diǎn)朱仙莊煤礦Ⅱ水平第二部皮帶大巷主要擔(dān)負(fù)礦井未來的運(yùn)煤、排水等任務(wù)，目前Ⅱ水平運(yùn)輸巷亟待安裝、出煤。其中，Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷與連接Ⅱ水平軌道大巷的中間聯(lián)巷的交叉點(diǎn)是直接影響整個(gè)Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)安裝使用的關(guān)鍵地段，由于該交叉點(diǎn)處于斷層破碎帶位置（F19、F19-1斷層帶），前期交岔點(diǎn)及附近區(qū)段內(nèi)巷道頂板淋水嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形、支護(hù)崩解。（a）泥化巷道全斷面失穩(wěn)圖（b）巷道跨落變形（c）巷道泥化流變圖2-2Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷破壞實(shí)照Fig.2-2ⅡSecondbeltlevelroadwaydamagerealphotos巷道斷層破碎帶將位于底板下方的灰?guī)r高強(qiáng)度承壓水導(dǎo)通，破碎帶巖體在承壓水的沖擊下形成富含液體的泥化流體，進(jìn)而阻礙承壓水流通排泄，致使底板承壓水壓不斷上升、流變體不斷噴出，圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成巷道圍巖長(zhǎng)期失穩(wěn)，巷道支護(hù)極其困難。（a）巷道幫部突水（b）巷道泥化失穩(wěn)圖2-3Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷噴水漏泥實(shí)照Fig.2-3ⅡSecondbeltlevelroadwaywaterleakmudrealphotos此種特殊環(huán)境下泥化巷道歷經(jīng)反復(fù)多次修整平復(fù)，仍然不能保持巷道支護(hù)穩(wěn)定，嚴(yán)重制約著Ⅱ水平投產(chǎn)。若重新開掘巷道870米，至少需直接增加費(fèi)用2300萬元，同時(shí)需要大量的時(shí)間成本，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。2.2滲水巷道泥化失穩(wěn)原因分析(SeepagetunnelmuddingStabilityFailure)滲水泥化巷道具有大變形、長(zhǎng)流變等特點(diǎn)，其變形破壞是圍巖塑性區(qū)和破碎區(qū)不斷向深部圍巖發(fā)展所造成的長(zhǎng)期結(jié)果。此種巷道的變形和破壞不是瞬間產(chǎn)生的，而是圍巖開挖后由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)后經(jīng)過一段動(dòng)態(tài)變形過程所產(chǎn)生結(jié)果。塑性區(qū)和破碎區(qū)不斷發(fā)展，為高承壓水致圍巖泥化創(chuàng)造了先決條件。受采動(dòng)影響以及多次修復(fù)工程對(duì)破碎區(qū)的擾動(dòng)，圍巖泥化程度日益加劇，特別是多次不成功修復(fù)，造成圍巖冒落，為泥流不斷涌出形成通道，給后來逐步形成的泥流噴出埋下重大隱患。2.2.1巷道初始支護(hù)概況Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷初始支護(hù)采用“錨噴＋全封閉29U型棚+滯后注漿支護(hù)”，支護(hù)工藝流程如下圖。巷道放炮初噴后，使用GM22/2800-490高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿及全封閉29U型棚支護(hù)，錨桿間排距為800×1000mm，棚距為500mm。滯后注漿采用φ20×2000mm鋼管制作加工的錨桿，其參數(shù)為2000×2000mm，滯后150m左右進(jìn)行注漿。圖2-4巷道支護(hù)流程圖Fig.2-4Roadwayflowchart2.2.2泥化巷道失穩(wěn)原因分析Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷從2009年5月份施工完成至今，先后共出現(xiàn)四次劇烈來壓現(xiàn)象。第1次來壓在2009年11月份底鼓200mm左右，底鼓后已進(jìn)行臥道。隨后又出現(xiàn)2次底鼓情況，均做了臥底處理，直至2010年十月份，巷道出現(xiàn)大面積底鼓，頂板及兩幫噴層出現(xiàn)大面積脫落，伴隨著底板出水，最大底鼓量1.1m，水量穩(wěn)定在2～3m3/h。結(jié)合Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷圍巖特征及所處應(yīng)力環(huán)境，初步確定導(dǎo)致其圍巖泥化流變的因素主要為：圍巖性質(zhì)、滲流水、采動(dòng)影響、水平應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)巷道斷面較弱等因素，分別分析如下。（1）圍巖性質(zhì)：Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷變形失穩(wěn)段位于斷層破碎帶內(nèi)，巷道圍巖完整性非常差，且含有以伊利石、蒙脫石、高嶺石等粘土礦物為主要成分的泥巖，此種泥巖極易遇水泥化流變，降低其力學(xué)強(qiáng)度，使其無法達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定使用的目的。同時(shí)強(qiáng)度低、泥化嚴(yán)重的圍巖無法錨固成一個(gè)整體，對(duì)后期修復(fù)造成一定的難題。（2）滲流水：根據(jù)巷道水文地質(zhì)資料可以看出，Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷底板灰?guī)r中含有達(dá)6.5MPa水壓的承壓水，在2#鉆場(chǎng)施工的灰?guī)r探查孔，起始出水量約6~7m3/h，水量較小但水壓較大，水主要來源二灰?guī)r和三灰?guī)r。泥質(zhì)軟巖遇水后發(fā)生膨脹，導(dǎo)致軟化、松散、崩解。其礦物成分一般是以蒙脫石、高嶺土、伊利石等膨脹性粘土礦物為主。同時(shí)物探結(jié)果表明：巷道底鼓段下方富水性弱但水壓大；巷道初始支護(hù)強(qiáng)度偏弱，在受到巷道本身的構(gòu)造應(yīng)力及煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力兩方面的影響后，巷道局部范圍出現(xiàn)跨落，圍巖出現(xiàn)大小裂隙，為承壓水侵入圍巖提供了通道，從而導(dǎo)致巷道圍巖軟化流變，從而喪失力學(xué)強(qiáng)度，無法達(dá)到維持巷道穩(wěn)定的效果。由此我們得出，高承壓水的侵入軟化作用是直接導(dǎo)致Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷泥化失穩(wěn)的重要因素。（3）采動(dòng)影響：礦井Ⅱ1034工作面已回采至距離F19斷層180m左右，應(yīng)力沿?cái)鄬觽鬟f，可能間接造成巷道短時(shí)間內(nèi)底鼓。同時(shí)，Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷周圍有些巷道正在放炮掘進(jìn)，對(duì)其有一定的影響。事實(shí)上，煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力由于其間斷性對(duì)巷道，尤其是本身就不太穩(wěn)定的巷道有很大的影響，巷道不斷地承受采動(dòng)帶來的應(yīng)力傳導(dǎo)，最終出現(xiàn)失穩(wěn)變形。采動(dòng)前，地下巖體由自重作用在其內(nèi)部引起的應(yīng)力，通常稱為原巖應(yīng)力。此時(shí)原巖應(yīng)力處于一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)開掘巷道或進(jìn)行回采時(shí)，去除了一部分承擔(dān)上覆巖體自重的巖石，原巖應(yīng)力必將發(fā)生改變，出現(xiàn)應(yīng)力集中或應(yīng)力分散，而巷道周圍的巖體或煤體無法承受重新分配的應(yīng)力時(shí)必將發(fā)生塌毀破壞，這種情況將持續(xù)到煤、巖內(nèi)部再次形成新的應(yīng)力平衡為止。由于開采煤炭范圍巨大，采空區(qū)頂板巖層從下向上出現(xiàn)不規(guī)則跨落帶的范圍、裂隙帶區(qū)域和彎曲下沉帶，所產(chǎn)生的動(dòng)力引起采場(chǎng)周圍巖體上應(yīng)力的重新分布。如圖2-6所示。在這種狀態(tài)下，巷道支護(hù)圍巖受到反復(fù)多變的壓力可有數(shù)倍至十倍之多，其受拉應(yīng)力及底板的剪切應(yīng)力同樣急劇上升，必然對(duì)采場(chǎng)周圍的巷道有多種應(yīng)力，保持其長(zhǎng)期穩(wěn)定也變得異常復(fù)雜和困難。P圖2-5工作面回采后的應(yīng)力區(qū)域分布圖PFig.2-6Regionaldistributionofstressafterminingface圖2-6前支撐壓力以非均面荷載向底板傳遞的應(yīng)力分布Fig.2-7Supportpressurebeforetheloadtransfertothenon-flatsurfacestressdistributiontothefloorⅡ水平第二部皮帶機(jī)大巷的失穩(wěn)問題本質(zhì)上是采動(dòng)應(yīng)力、地應(yīng)力和地下水滲透力相互影響、相互作用的巖體力學(xué)問題。（4）構(gòu)造應(yīng)力：Ⅱ水平第二部皮帶大巷選巷設(shè)計(jì)存在不足，該巷道布置時(shí)未考慮穿F19正斷層的后續(xù)作用，隨著巷道圍巖應(yīng)力逐步釋放，巷道將承受大構(gòu)造應(yīng)力的影響。同時(shí)該分段是中間聯(lián)巷和皮帶機(jī)巷的連接地段，從結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和巷道受力不均衡。（5）巷道設(shè)計(jì)不合理：Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷毛斷面達(dá)到6000mm×4400mm，尤其是主巷道與中間聯(lián)巷交叉點(diǎn)處，巷道斷面更大。而巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度較弱，尤其是巷道底板支護(hù)強(qiáng)度，必然會(huì)造成巷道頂板跨落和底板鼓起?？傊?，該巷道在泥質(zhì)軟巖圍巖、底板承壓水及各種應(yīng)力擾動(dòng)的共同作用下，出現(xiàn)圍巖泥化流變，最終導(dǎo)致巷道滲流失穩(wěn)，具體過程如下圖。圖2-7泥質(zhì)軟巖巷道滲流失穩(wěn)過程Fig.2-8Argillaceoussoftrocktunnelseepageinstabilityprocess2.3本章小結(jié)(Summary)本章對(duì)朱仙莊煤礦Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷所處地質(zhì)條件和水文特征進(jìn)行了介紹，結(jié)合巷道初始支護(hù)情況，揭示了滲水泥化巷道失穩(wěn)破壞特點(diǎn)，分析了巷道的失穩(wěn)原因，得到如下結(jié)論：（1）朱仙莊Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷揭露多條斷層，巷道圍巖完整性非常差，且含有以伊利石、蒙脫石、高嶺石等粘土礦物為主要成分的泥巖，同時(shí)受底板二灰?guī)r層高壓滲水影響，圍巖極易泥化流變，降低其力學(xué)強(qiáng)度，使其無法達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定使用的目的。（2）從圍巖性質(zhì)、滲流水作用、巷道構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)影響等幾個(gè)方面對(duì)滲水泥化巷道失穩(wěn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道在泥質(zhì)軟巖圍巖、底板承壓水及各種應(yīng)力擾動(dòng)的共同作用下，出現(xiàn)圍巖泥化流變，最終導(dǎo)致巷道滲流失穩(wěn)。（3）滲水泥化巷道變形破壞的根本在于泥質(zhì)圍巖、高承壓水滲流及采動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力相互作用的結(jié)果，而滲流水對(duì)圍巖的侵蝕是巷道變形破壞的關(guān)鍵因素，因此對(duì)巷道滲流水的控制及對(duì)滲流水影響的泥化圍巖置換是修復(fù)巷道的關(guān)鍵。3浸水泥巖流變演化規(guī)律研究3浸水泥巖流變演化規(guī)律研究3Floodingshalerheologicallawofevolution泥巖在地球表面分布廣泛，它的存在嚴(yán)重影響煤礦巷道這類埋藏比較深的地下工程的穩(wěn)定性。煤礦巷道掘進(jìn)時(shí)常常遇到泥巖遇水軟化、泥化現(xiàn)象，圍巖在裂隙水及采動(dòng)影響下，迅速軟化破壞，幫部整體移近、頂板彎曲下沉、底鼓極為嚴(yán)重，表現(xiàn)為全面來壓。泥化巷道往往需要前掘后修甚至多次翻修[77]，形成“成巷—破壞—修復(fù)—再次破壞—二次修復(fù)”的惡性循環(huán)，降低了煤礦正常成巷速度，打亂了采掘接替平衡，給礦井高效生產(chǎn)和員工生命安全帶來極大危害。流變性是指巖石應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間因素有關(guān)的性質(zhì)，泥巖流變性包括蠕變、應(yīng)力松弛和彈性后效[78]。對(duì)于泥巖流變性質(zhì)研究目前主要集中于典型泥巖礦物成分物理化學(xué)性質(zhì)，特別是關(guān)鍵膨脹性粘土礦物成分以及泥巖微觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，且對(duì)泥巖組成性質(zhì)及其遇水軟化過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，但對(duì)其主要組成成分特別是分子結(jié)構(gòu)變化對(duì)泥巖流變性的影響鮮有提及。3.1天然泥巖微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試分析(Naturalshalemicrostructuretestanalysis)3.1.1X射線衍射相分析（1）X射線衍射儀簡(jiǎn)介X射線是一種波長(zhǎng)極短（0.06-20nm），能量很大的電磁波，一般有加速的荷電粒子（例如電子）撞擊金屬靶后突然減速制造而成，具有穿透作用、電離作用、熒光作用、熱作用及干涉、衍射、反射、折射作用。其中X射線衍射儀就是利用X射線的衍射作用制造而成。我校配備的粉末晶體X射線衍射儀（D8Advance），進(jìn)口于德國(guó)，配合國(guó)際粉末礦物衍射分析數(shù)據(jù)庫PDF及常見的Jade分析軟件，可精確分析粉末礦物主要礦物成分及其含量。如圖3-1所示。圖3-1粉末晶體X射線衍射儀Fig.3-1CrystalX-raypowderdiffraction粉末晶體X射線衍射儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：表3-1X射線衍射儀主要指標(biāo)Tab.3-1X-raydiffractionmainindex名稱參數(shù)名稱參數(shù)測(cè)量精度±0.0001°電流10～60mA測(cè)角儀半徑≥200mm陽極靶材料Cu靶，Ka輻射最小步長(zhǎng)0.0001°測(cè)角儀半徑250mm角度范圍-110～168°檢測(cè)器開口2.82°溫度范圍0～1200℃狹縫系統(tǒng)DS(發(fā)散狹縫),SS(防散射狹縫)穩(wěn)定性±0.01%采樣間隔0.019450（step）管電壓20～60kV測(cè)量范圍（2θ）3～105°（2）衍射樣品制作實(shí)驗(yàn)樣品要求為粉末狀物質(zhì)，大拇指與食指捏搓無任何顆粒感為佳，樣品總質(zhì)量不少于1g，使用密封袋保存，防止風(fēng)化損傷礦物成分。樣品制作流程為分塊、研磨、過325目篩、保存，送去礦大現(xiàn)代分析與計(jì)算中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3-2泥巖樣品制作過程Fig.3-2Mudstoneprototypingprocess隨機(jī)選取Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷泥化圍巖進(jìn)行封存，防止泥巖在運(yùn)輸過程中風(fēng)化，參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T5163-95）進(jìn)行制樣，按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行粘土礦業(yè)判定及根據(jù)衍射峰強(qiáng)度對(duì)比法進(jìn)行相對(duì)定量計(jì)算分析，分析結(jié)果如表3-2、圖3-3。樣品中粘土成分以具有強(qiáng)膨脹性的蒙脫石為主，同時(shí)含有為數(shù)不少的伊利石、蒙脫石混層，伊利石、高嶺石、綠泥石成分占少數(shù)。因此，我們可以認(rèn)為此類泥巖性質(zhì)主要取決于蒙脫石，將此泥巖認(rèn)定為蒙脫石型泥巖。表3-2粘土物質(zhì)相對(duì)定量分析結(jié)果Tab.3-1ResultsofClayMineralsRelativelyQuantitativeAnalysis樣品采樣地點(diǎn)I（伊利石）I/S（伊蒙混層）S蒙脫石Cl綠泥石K高嶺石1底板7976262頂板1447237(a)樣品1衍射圖譜（Q:石英、F:長(zhǎng)石）(b)樣品2衍射圖譜（Q:石英、F:長(zhǎng)石）圖3-3泥巖X射線衍射圖譜Fig.3-3MudstoneX-raydiffractionpattern3.1.2掃描電鏡實(shí)驗(yàn)圖像分析（1）分析測(cè)試儀器與條件掃描電鏡（SEM），全稱為掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope），是自上世紀(jì)60年代作為商用電鏡面世以來迅速發(fā)展起來的一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。由于它具有制樣簡(jiǎn)單、放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬、圖像的\o"分辨率"分辨率高、景深大等特點(diǎn)，故被廣泛地應(yīng)用于\o"化學(xué)"化學(xué)、\o"生物"生物、\o"醫(yī)學(xué)"醫(yī)學(xué)、\o"冶金"冶金、\o"材料"材料、\o"半導(dǎo)體"半導(dǎo)體制造、\o"微電路"微電路檢查等各個(gè)研究領(lǐng)域和工業(yè)部門。它由真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)三大部分組成，能產(chǎn)生樣品表面的三維高分辨率圖像，用來鑒定樣品的表面結(jié)構(gòu)我校配置的掃描電鏡，是FEI公司（原飛利浦電鏡）首創(chuàng)提出的環(huán)境掃描電子顯微鏡，型號(hào)為QuantaTM-250，其獨(dú)創(chuàng)的環(huán)掃系統(tǒng)可以在任何真空環(huán)境條件穩(wěn)定工作，更可以掃描含水、有氣的礦物樣品，用于觀測(cè)礦物在任何狀態(tài)的表面結(jié)構(gòu)圖像，目前環(huán)掃系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于無機(jī)材料、石油地質(zhì)、生物樣品等不導(dǎo)電樣品的形貌表征以及原位過程分析。圖3-4掃描電子顯微鏡實(shí)物Fig.3-4Scanningelectronmicroscopy（2）樣品制樣對(duì)封存的泥巖試驗(yàn)進(jìn)行碎塊，稱重處理，分批編號(hào)進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，如下圖。記錄浸水時(shí)間。對(duì)于用以參照的天然泥巖，不予以浸水。圖3-5浸水泥巖制備過程Fig.3-5Floodingduringthepreparationofmudstone對(duì)天然泥巖進(jìn)行碎塊、烘干、噴漆處理，通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其微觀結(jié)構(gòu)，所得圖像如圖3-6、圖3-7。從放大1000倍的泥巖微觀結(jié)構(gòu)可以分析得出：泥巖樣品中粘土成分含量比較高，粘土微觀顆粒集結(jié)在一起，成棉絮狀隨機(jī)交錯(cuò)。同時(shí)可以看出粘土礦物夾含有石英、長(zhǎng)石、白云母等粗粒物質(zhì)，由粘土顆粒粘合在一起。放大3000倍可以看出，粘土礦物并沒有徹底粘合在一起，中間含有大量孔隙將粘土隨機(jī)分割成塊。圖3-6天然泥巖掃描電鏡圖像(X1000)Fig.3-6NaturalmudstoneSEMimage(X1000)從表3-1、圖3-7、3-8可以得出以下結(jié)論：（1）Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷圍巖大多為膨脹性極強(qiáng)的蒙脫石型泥巖，其微觀結(jié)構(gòu)單一，粘土顆粒膠結(jié)，巖石本身強(qiáng)度就不大。（2）泥巖樣品微觀結(jié)構(gòu)中含有大量大小不一的孔隙，為水侵入巖石內(nèi)部提供了通道，極易導(dǎo)致泥巖內(nèi)部蒙脫石膨脹變形，巖石發(fā)生泥化流變。因此，對(duì)泥巖內(nèi)部粘土礦物，尤其是蒙脫石的泥化研究就非常必要。圖3-7天然泥巖掃描電鏡圖像(X3000)Fig.3-7NaturalmudstoneSEMimage(X3000)3.2蒙脫石型泥巖泥化過程模擬(Smectiteclayshaleprocesssimulation)3.2.1分子模擬簡(jiǎn)介分子模擬是一種根據(jù)物理和化學(xué)的基本原理建立的一種以計(jì)算數(shù)據(jù)（由計(jì)算機(jī)來執(zhí)行）來代替實(shí)驗(yàn)測(cè)量的研究方法，其特別之處在于以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，構(gòu)建原子、分子級(jí)別的材料結(jié)構(gòu)，從極度微觀的角度研究、預(yù)測(cè)、模擬材料的性質(zhì)，獲取材料相關(guān)的物理和化學(xué)信息。其中，MaterialsStudio（簡(jiǎn)稱MS）軟件是由美國(guó)Accelry公司專為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的，集X射線衍射分析、構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測(cè)及復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模擬和量子力學(xué)計(jì)算于一體的一款計(jì)算模擬軟件。該軟件采用采用靈活的Client-Server結(jié)構(gòu)，擁有多個(gè)用以構(gòu)建分子、優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及數(shù)值模擬的功能板塊，可使用多種分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法模擬分子結(jié)構(gòu)的演變過程，從而精確的計(jì)算出分子最低能量結(jié)構(gòu)模型及最優(yōu)結(jié)構(gòu)形狀等。3.2.2蒙脫石水化過程模擬及結(jié)果借助MS軟件構(gòu)建蒙脫石雙晶胞結(jié)構(gòu)模型，空間群為12C2/m，對(duì)稱型為L(zhǎng)2PC，晶格常數(shù)為α=γ=90°，β=99°，a=5.23，b=9.06，c值是常規(guī)變量，其大小通常取決于晶體層間H2O分子的數(shù)量以及陽離子的類型和數(shù)量[79]，從而建立晶胞單位。由于晶體層間距、體系帶電量及范德華力等客觀條件限制，本文研究的雙晶胞結(jié)構(gòu)模型僅由4a×2b×2c個(gè)單位晶胞組成，空間群為P1[80]。按照蒙脫石的理想結(jié)構(gòu)模型，對(duì)Al-O八面體結(jié)構(gòu)和Si-O四面體結(jié)構(gòu)中Al3+和Si4+進(jìn)行晶格取代，八面體晶胞每8個(gè)Al3+離子中會(huì)有1個(gè)被Mg2+離子取代，四面體晶胞每32個(gè)Si4+離子中有1個(gè)被Al3+離子取代[81]，并在晶體多面體層中留下負(fù)電荷。導(dǎo)致晶體層間必須吸附一種或多種陽離子(如K+、Na+、Mg2+、Ca2+等)，以達(dá)到電荷的平衡[82]。而不同大小與電荷數(shù)量的陽性離子對(duì)蒙脫石水化性質(zhì)影響也有較大差異，其中Li+蒙脫石容易水化，Na+次之，K+最差[83]。為簡(jiǎn)化研究?jī)?nèi)容，本文特選擇水化性能處于中間狀態(tài)的Na-蒙脫石進(jìn)行定性研究。表3-3蒙脫石晶胞原子電荷數(shù)Tab.3-3smectitelatticeatomnumberofcharges多面體層原子電荷數(shù)蒙脫石晶體四面體O-0.800Si1.200Al0.200頂端O-1.000八面體O-1.424H0.424Al3.000Mg2.000水分子O-0.848H0.424本文模擬的雙晶胞結(jié)構(gòu)模型由16個(gè)單晶胞組成，因此八面體晶胞中有8個(gè)Al3+離子被Mg2+離子取代，四面體晶胞中有4個(gè)Si4+離子被Al3+離子取代，取代位置對(duì)稱分布在多面體結(jié)構(gòu)內(nèi)。體系層間補(bǔ)償12個(gè)Na+離子，用以平衡層電荷，模型邊界條件為3維周期性條件。最終形成的蒙脫石雙晶胞結(jié)構(gòu)模型如圖3-8所示。圖3-8蒙脫石雙晶胞結(jié)構(gòu)模型Fig.3-8smectitedoublecrystalcellstructuremodel在另外窗口構(gòu)建H2O分子，賦予其電荷與力場(chǎng)，為防止外來粒子添加到蒙脫石結(jié)構(gòu)體系時(shí)出現(xiàn)崩落現(xiàn)象，對(duì)水分子進(jìn)行能量最小優(yōu)化，得到能量最優(yōu)水分子構(gòu)型。運(yùn)用Sorption板塊向蒙脫石的雙晶胞結(jié)構(gòu)體系中添加水分子，默認(rèn)溫度298K，壓力105pa，相對(duì)濕度75%。設(shè)置c值為12.5?，不斷向蒙脫石結(jié)構(gòu)體系中加入水分子，當(dāng)加入48水分子后繼續(xù)加入水分，運(yùn)用100000步后，出現(xiàn)以下提示信息。說明：蒙脫石模型加入48個(gè)水分子后便組成一層飽和水分子結(jié)構(gòu)，再加入水分子需要再次調(diào)節(jié)層間距c值?！癆dsorptioncalculationcompleteStatus:ErrorErrordescription:Unabletoloadtherequestednumberofmoleculesin100000steps.Requestedloading=56Actualloading=48”從圖3-9可以看出，48個(gè)水分子均勻分為兩份，處于蒙脫石晶層中間位置，被層間陽離子吸附，形成蒙脫石1層飽和H2O分子層結(jié)構(gòu)，而蒙脫石骨架分子結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。圖3-9蒙脫石吸附1層水分子結(jié)構(gòu)模型Fig.3-9Thestructuremodelof1layersofwatermoleculesintheadsorptionofsmectite根據(jù)Skipper[84]及那平[85]的研究成果，蒙脫石結(jié)構(gòu)模型吸附一層、兩層、三層水分子時(shí)相當(dāng)于每1kg蒙脫石含0.1kg、0.2kg、0.3kg水。測(cè)量泥巖中蒙脫石含量后，對(duì)泥巖進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，控制浸水時(shí)間及浸水泥巖前后質(zhì)量變化，找出近似于蒙脫石吸附一層、二層、三層水分子時(shí)的泥巖，運(yùn)用掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行微觀觀測(cè)，圖像如圖3-10。圖3-10蒙脫石吸附1層水分子時(shí)泥巖微觀結(jié)構(gòu)Fig.3-10Mudstonemicrostructurewhensmectiteadsorbalayerofmoisture從圖3-10可以看出隨著蒙脫石吸水膨脹，泥巖微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微改變，粘土顆粒間粘合力降低，多處粗大的雜質(zhì)顆粒脫落，試樣中的小孔隙被水充填逐漸開始擴(kuò)張，出現(xiàn)較大孔隙，同時(shí)出現(xiàn)許多微小裂隙，將原先成塊的粘土顆粒再次分割，致使巖樣中粘土礦物與水接觸總表面積增大，從而促進(jìn)了泥巖的水化作用。上文提到c值是常規(guī)變量，其大小通常取決于晶體層間H2O分子的數(shù)量以及陽離子的類型和數(shù)量，因此調(diào)節(jié)蒙脫石模型c值大小，可以繼續(xù)往模型中加入H2O分子。調(diào)節(jié)c=15.5?，當(dāng)添加到128個(gè)水分子時(shí)MS軟件提示無法繼續(xù)添加。此時(shí)，蒙脫石雙晶層剛好形成如圖3-11所示第2層飽和H2O分子層。相比較蒙脫石吸附1層水分子構(gòu)型可以看出蒙脫石結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，水分子凌亂分布在晶層中間，隱約可以看出成雙層分布。圖3-11蒙脫石吸附2層水分子結(jié)構(gòu)模型Fig.3-11Thestructuremodelof2layersofwatermoleculesintheadsorptionofsmectite當(dāng)蒙脫石吸附2層水分子時(shí)，泥巖試樣微觀結(jié)構(gòu)如圖3-12所示，由于蒙脫石吸附水分子程度增加，粘土顆粒間的粘合力進(jìn)一步降低，石英、云母等粗粒大量脫落，粘土礦物的薄片狀結(jié)構(gòu)清晰可見，出現(xiàn)大量方向一致的孔隙致使微觀結(jié)構(gòu)呈面與面接觸，泥巖抵抗剪切力能力降低，在外力作用下極易出現(xiàn)滑動(dòng)破壞。圖3-12蒙脫石吸附2層水分子時(shí)泥巖微觀結(jié)構(gòu)Fig.3-12Mudstonemicrostructurewhensmectiteadsorb2layersofmoisture繼續(xù)調(diào)節(jié)晶體層間距c值為18.5?，往蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)增添H2O分子，當(dāng)添加到224個(gè)水分子時(shí)軟件提示無法繼續(xù)添加。所以，當(dāng)c=18.5?、n=224時(shí)，蒙脫石雙晶層剛好形成3層飽和水分子層。模擬結(jié)果見圖3-13所示。圖3-13蒙脫石吸附3層水分子的結(jié)構(gòu)模型Fig.3-13Thestructuremodelof3layersofwatermoleculesintheadsorptionofsmectite當(dāng)蒙脫石結(jié)構(gòu)吸附3層水分子時(shí)，泥巖試樣微觀結(jié)構(gòu)如圖10所示。隨著泥巖浸水程度增加，粘土顆粒間連結(jié)變松散，大量孔隙連接在一起形成大的裂隙，泥巖微觀結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，由初始強(qiáng)度較高的緊密粘合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)疏松、裂隙分布的不規(guī)則結(jié)構(gòu)狀態(tài)。圖3-14蒙脫石吸附3層水分子時(shí)泥巖微觀結(jié)構(gòu)Fig.3-14Mudstonemicrostructurewhensmectiteadsorb3layersofmoisture通過蒙脫石水化過程模擬及蒙脫石型泥巖不同浸水程度的微觀結(jié)構(gòu)分析，研究得出蒙脫石雙晶胞結(jié)構(gòu)模型吸附48、128和224個(gè)水分子，可以在其雙晶層間形成1、2、3層飽和水分子層。并隨著粘土礦物尤其是蒙脫石水化過程，蒙脫石型泥巖微觀結(jié)構(gòu)逐步遭到破壞，粘土顆粒間的連接逐漸降低并出現(xiàn)如圖3-15所示的大量孔隙，孔隙彼此連接形成大的裂隙，進(jìn)一步為裂隙水侵入泥巖提供通道，蒙脫石發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生不均衡的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致泥巖結(jié)構(gòu)發(fā)生大規(guī)模的破壞變形，出現(xiàn)泥化流變現(xiàn)象。圖3-15蒙脫石型泥巖裂隙發(fā)育與宏觀泥化特征Fig.3-15smectiteclayshalefissuresandmacroscopicmuddingcharacteristics3.3本章小結(jié)(Summary)本章通過掃描電鏡與X射線衍射儀等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)典型泥巖樣品的微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成進(jìn)行觀測(cè)與定量計(jì)算，并借助MaterialsStudio（簡(jiǎn)稱MS）軟件建立了蒙脫石的雙晶胞結(jié)構(gòu)模型，揭示了蒙脫石吸附水分子形成1、2、3層飽和水分子層的水化過程，結(jié)合蒙脫石型泥巖不同浸水程度的微觀結(jié)構(gòu)變化，研究了泥巖泥化流變演化規(guī)律，得到結(jié)果如下：（1）從天然泥巖微觀結(jié)構(gòu)與X射線圖譜可以看出，Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷泥巖大多為膨脹性極強(qiáng)的蒙脫石型泥巖，其微觀結(jié)構(gòu)單一，粘土顆粒膠結(jié)，巖石本身強(qiáng)度就不大。泥巖樣品微觀結(jié)構(gòu)中含有大量大小不一的孔隙，為水侵入巖石內(nèi)部提供了通道，極易導(dǎo)致泥巖內(nèi)部蒙脫石變形軟化。（2）借助MS軟件模擬了蒙脫石水化過程，得出：當(dāng)吸附48、128及224個(gè)水分子時(shí)可在蒙脫石雙晶層間形成1、2、3層飽和水分子層，并結(jié)合蒙脫石型泥巖不同浸水程度的微觀結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)隨著粘土礦物水化程度加強(qiáng)，泥巖微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，石英、云母等粗大顆粒脫落，出現(xiàn)大的裂隙，致使泥巖宏觀出現(xiàn)流變破壞現(xiàn)象。4滲水巷道泥化失穩(wěn)機(jī)理研究4滲水巷道泥化失穩(wěn)機(jī)理研究4Mechanismofmudmuddyroadway4.1蒙脫石結(jié)構(gòu)能量?jī)?yōu)化(Smectitestructureenergyoptimization)4.1.1能量?jī)?yōu)化晶體結(jié)構(gòu)變化選取蒙脫石雙晶胞結(jié)構(gòu)模型吸附48、128、224個(gè)水分子時(shí)形成的1、2、3層飽和水分子層結(jié)構(gòu)體系，運(yùn)用forcite模塊下GeometryOptimization-smart優(yōu)化法進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，力場(chǎng)為Universal，為使優(yōu)化結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，對(duì)多面體進(jìn)行剛性約束，而層間離子可以自由運(yùn)動(dòng)，計(jì)算結(jié)果如圖4-1。對(duì)優(yōu)化前后蒙脫石模型結(jié)構(gòu)對(duì)比得出：能量?jī)?yōu)化前結(jié)構(gòu)模型中的Si-O四面體和Al-O八面體中心對(duì)稱、形狀規(guī)則、排列整齊，水分子均勻分布在晶層中間；能量?jī)?yōu)化后Si-O四面體晶體層和Al-O八面體晶體層結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生改變，變成不規(guī)則的多面體，水分子不規(guī)律的在晶層擴(kuò)散，層間鈉離子明顯靠近Si-O四面體表面，同時(shí)由于模型限制條件約束，模型無法隨水化進(jìn)行膨脹擴(kuò)展，使得原有的上層蒙脫石層消失。（a）吸附一水分子層能量?jī)?yōu)化前后對(duì)比圖（b）吸附二水分子層能量?jī)?yōu)化前后對(duì)比圖（c）吸附三水分子層能量?jī)?yōu)化前后對(duì)比圖圖4-1蒙脫石結(jié)構(gòu)能量?jī)?yōu)化前后對(duì)比圖Fig.4-1smectitestructurebeforeandaftercomparisonchartEnergyOptimization4.1.2優(yōu)化前后晶體能量參數(shù)變化分析蒙脫石結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化前后能量參數(shù)變化，得出表4-1。表4-1蒙脫石結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化前后能量參數(shù)變化Tab.4-1Energyparameterschangebeforeandafteroptimizationonsmectitestructuralmodel水分子數(shù)優(yōu)化時(shí)間化學(xué)鍵能（kcal/mol）非鍵能(kcal/mol)總能量（kcal/mol）bondsanglestorsionsvanderWaalsElectrostatic48前21967.82847473.47435.4541721172.5876050.0291796699.37248后7346.03640878.22250.3781216.532-73477.311-23986.143128前22798.22548800.04635.4542.87121E+8-224947.8872.86968E+8128后1524.21537160.75343.3171251.327-249919.499-209939.887224前22798.19948800.04535.4543.13752E+8-224431.9463.1359E+8224后1503.31437215.40841.7721274.964-250026.383-209990.924從表4-1可以看出，蒙脫石雙晶胞結(jié)構(gòu)模型能量?jī)?yōu)化后，其體系總能量大幅度下降，其中范德華力降低最明顯，說明保持蒙脫石模型穩(wěn)定的分子間作用力已降到最低，使得蒙脫石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與圖4-1一致。朱仙莊煤礦Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷泥質(zhì)巖石在原巖條件下?lián)碛辛己玫母羲畬?，受周圍巷道開挖、放炮等產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力影響導(dǎo)致泥巖內(nèi)部間隙逐漸增大，圍巖出現(xiàn)大的裂隙[86-87]，形成暢通滲流通道，使得巷道頂?shù)装迥鄮r處于浸水狀態(tài)，水分子在蒙脫石晶層間隨機(jī)做布朗運(yùn)動(dòng)[88]與蒙脫石骨架分子結(jié)構(gòu)能量交換，形成如同圖4-1所示的能量最小化結(jié)構(gòu)體系，泥巖力學(xué)性能降低直至喪失力學(xué)強(qiáng)度，最終形成如圖4-2所示的無強(qiáng)度的泥化混合物[89-90]。圖4-2泥巖宏觀泥化流變實(shí)照?qǐng)DFig.4-2Macroclaymudstonerheologicalsolidfigure同時(shí)可以從模擬看出，隨著水分子的增加，蒙脫石結(jié)構(gòu)模型層間距逐漸增加，即c值不斷增加，說明蒙脫石結(jié)構(gòu)主要沿c值進(jìn)行膨脹破壞。宏觀上，泥巖泥化破壞裂隙基本也是沿c值法方向，與分子模擬結(jié)果一致，如圖4-3所示。圖4-3泥巖泥化宏觀裂隙方向Figure4-3Mudstonemudmacrofracturedirection4.2泥化圍巖巷道失穩(wěn)模擬(Muddingsurroundingrockinstabilitysimulation)4.2.1泥化圍巖巷道模型建立模擬采用Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷主巷道位置尺寸6m×4.4m，并根據(jù)朱仙莊煤礦提供的Ⅱ水平皮帶機(jī)大巷地質(zhì)剖面圖等現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，建立相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型。模型中各巖層參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)情況加以修訂后確定，見表4-2.表4-2主要巖層力學(xué)參數(shù)Table4-2Mainrockmechanicsparameters巖層粘聚力c/MPa密度/g·cm-3體積模量K/GPa剪切模量G/GPa抗拉強(qiáng)度t/MPa摩擦角f/(°)粉砂巖0.60.629細(xì)砂巖0.750.629灰?guī)r50.60.527粉細(xì)砂巖0.80.627同時(shí)由于蒙脫石分子模擬結(jié)果可知，長(zhǎng)期浸水的泥巖在水分子作用下，其體系總能量大幅度下降，保持蒙脫石模型穩(wěn)定的分子間作用力已降到最低，泥巖也就處于泥化流變狀態(tài)。因此將FLAC3D中泥巖強(qiáng)度調(diào)到最低，模擬此時(shí)泥化圍巖巷道失穩(wěn)的過程。模擬模型如圖4-4。圖4-4數(shù)值模擬模型Fig.4-4Numericalsimulationmodel4.2.2泥化巷道失穩(wěn)過程模擬分析從圖4-5可以看出，模型僅運(yùn)行109Step后，巷道出現(xiàn)明顯的底鼓及頂板下沉情況，底鼓量最大可達(dá)到372mm，頂板下沉量最大也達(dá)到343mm，頂?shù)装逡平窟_(dá)到815mm，同時(shí)可以看到兩幫也出現(xiàn)400mm的移近量。說明泥化的泥巖已經(jīng)無法達(dá)到維持支護(hù)巷道基本穩(wěn)定的圍巖強(qiáng)度。巷道開挖的短時(shí)間內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)大面積的圍巖縮進(jìn)。圖4-5109Step巷道失穩(wěn)模型Fig.4-5109Steproadwayinstabilitymodel從圖4-6可以看出，巷道開挖500Step后，巷道底鼓最大量已達(dá)到729mm，頂板及兩幫均向巷道縮進(jìn)600mm，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤堰_(dá)到1200mm，巷道變形嚴(yán)重。與其同時(shí)巷道塑性區(qū)逐步擴(kuò)大，巷道圍巖向外3m圍巖位移變化均已達(dá)到200mm。泥化圍巖巷道在地應(yīng)力的作用下面積逐步縮小，巷道塑性區(qū)漸漸擴(kuò)大，直至跨落。圖4-6500Step巷道失穩(wěn)模型Fig.4-6500Steproadwayinstabilitymodel從圖4-7可以看出，巷道開挖結(jié)束后，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃挝灰凭_(dá)到750mm，由此可以計(jì)算巷道面積已縮小將近50%，如此大面積的巷道斷面縮減，對(duì)于泥化巷道而言早已出現(xiàn)頂板破裂、圍巖流變以及全斷面跨落等失穩(wěn)現(xiàn)象。圖4-7巷道失穩(wěn)模型Fig.4-73Roadwayinstabilitymodel由于FLAC3D軟件的局限性，泥化嚴(yán)重的巷道跨冒現(xiàn)象無法模擬出來，但是我們可以預(yù)想，對(duì)于泥化嚴(yán)重的巷道圍巖，但巷道斷面縮減達(dá)到一定程度，必然導(dǎo)致整條巷道全斷面來壓，無法維持巷道穩(wěn)定。事實(shí)上，Ⅱ水平第二部皮帶機(jī)大巷確實(shí)出現(xiàn)了如圖4-8所示的巷道變形破壞。因此，有必要在疏導(dǎo)巷道底板承壓水的基礎(chǔ)上，置換泥化軟巖，注