发布时间：2021-05-25所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 矿业研究与开发
《冻融条件下围岩膨胀力对斜井支护的影响研究》论文发表期刊：《矿业研究与开发》；发表周期：2021年01期
《冻融条件下围岩膨胀力对斜井支护的影响研究》论文作者信息：韩天字（1996一），男，黑龙江大庆人，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究
摘要：针对膨胀泥岩在冻融过程中的特殊工程性质，结合查干淖尔一号井主斜井在采用人工冻结法施工过程中表现出的大变形现象，采用数值模拟方法开展了不同膨胀力对斜井支护结构的影响研究。基于FLAC3D中的热力耦合模块对主斜井冻结法施工中膨胀岩的冻胀融胀过程进行模拟，通过比较不同膨胀力条件下2种支护结构的变形规律和受力情况，认为采用似马蹄形支护结构可有效地抵抗井壁变形，增强井筒的稳定性。研究成果可为类似工程支护优化及施工提供参考。
关键词：膨胀岩;人工冻结法;热力耦合;膨胀力;斜井支护
0引言
膨胀岩含有大量黏土矿物，具有吸水膨胀、失水收缩的特性]。膨胀岩在遇到地下水后，体积发生膨胀，产生的膨胀压力会直接作用于支护结构，导致支护结构失稳破坏，给地下工程的安全稳定带来极大的危害。近年来，我国煤矿开采水平和开采难度逐年增大，建井过程中常常会遇到高富水、极软岩、强膨胀等一系列复杂工程岩体，冻结法成为该地层开挖施工中优选的方法，形成的冻结壁能够抑制围岩膨胀，保证开挖及支护结构成型过程顺利进行，但冻结壁解冻过程中膨胀岩仍然会产生膨胀力，如何在考虑膨胀、冻融的条件下对该种地层中的支护参数进行设计，成为本文研究的重点。
国内外学者已对膨胀性岩土的工程特性做了一定的研究-。傅学敏等[2]探讨了软岩膨胀过程的宏观显现规律和岩石内部结构的微观变化，阐明了软岩的膨胀机理。许雷[6]开展了不同含水率条件下的膨胀土在冻融循环下的物理力学特性的研究。结果表明含水量会影响膨胀土体积变化。在膨胀岩数值模拟和工程应用方面，曾仲毅[]提出用热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程，展开增湿对隧道支护的影响研究。吴顺川[]基于Norany修正膨胀本构计算模型，对增设的缓冲层厚度进行优化。综合已有研究发现，对于膨胀岩的研究多集中于室内试验，结合工程应用的研究尚处于初级阶段[10]1，特别是在膨胀岩地层中，采用人工冻结法施工的工程实践国内外罕见，冻融条件下围岩膨胀力对工程支护结构作用规律还未见报道。笔者以查干尔一号井主斜井为工程背景，基于FLACP中的热力耦合模块，对主斜井冻结法施工中膨胀泥岩涂胀、融胀过程进行模拟，通过比较不同膨胀力条件下两种支护结构变形规律和受力情况，实现了对斜井支护形式的优化，以期为类似膨胀岩工程提供有益的参考。
1泥岩冻融膨胀特性和数值分析方法
1.1 工程概况
查干淖尔一号井主斜井设计倾角16，设计井简斜长768 m，其中明槽段40 m，冻结段285 m;普掘段445 m，已施工普掘段11 m，如图1所示。主斜井冻结段下部以及普掘段围岩以膨胀性泥岩为主，该岩层未固结成岩，含水率高，大部围岩呈泥状，膨胀性强、承载力较差。
主斜井从斜长240 m位置处揭露泥岩，泥岩段施工过程中，由于冻结壁的保护尚可施工，但随着冻结壁的融化，泥岩遇水发生膨胀变形，支护结构终因承受不了融化后围岩膨胀作用而发生破坏，具体表现为：井壁发生变形破坏，靠近拱脚处片帮，拱顶变形量达到1.5m，多次返修后变形仍非常严重，故被迫全部回填。
1.2泥岩矿物成分及膨胀性分析膨胀泥岩中土矿物主要由强亲水性土矿物蒙脱石、伊利石、高岭石等组成，特别是其中蒙脱石含量直接影响了该泥岩膨胀性能的强弱。通过对埋深90m的泥岩现场取样化验分析[1]，测得该泥岩土矿物成分占60.6%，其中蒙脱石占82%，对应蒙脱石占泥岩的含量为49.69%。参考孙晓明等[2膨胀性软岩的判别与分级标准，确定本工程中泥岩属极强膨胀性软岩。
根据现场实际施工破坏情况，泥岩在涂融过程中体积宏观表现为冻胀融胀，这与许雷等[6]给出的膨胀土第一次冻融过程中体积变化趋势一致。
1.3 膨胀岩冻融过程数值模拟FLACD温度板块中考虑了温度、热流量等因素[1]，能够将吸热体热源内嵌在模型材料中，可以模拟冻结区域冻融过程中温度场的变化，具体过程如下：
如需将数值模型指定冻结区域温度降低至温度T时，首先打开热学模式，确定热流量值qi，然后aT计算冻结区域温度降低至T所需的热量代入热传导能量平衡方程(式(1))，求得体热源产热强度q，值，并将该q。值赋予体热源内进行计算，即完成该区域冻结过程。若需解冻目标冻结区域，则直接移除体热源进行计算，即完成该区域自然解冻。
膨胀泥岩在冻融过程中产生的体积膨胀与数值模型材料，其随温度变化产生的体积膨胀类似，因此基于FLAC3D的热力耦合模块，将温度场通过热膨胀系数与应力场耦合，利用FLACD温度模块的热膨胀特性可以很好地模拟泥岩的膨胀特性。
FLACD中热力耦合计算为单向模型，即温度的变化可以改变单元的应变，从而引起应力的变化，但应力的变化却不能影响温度。
2冻融条件下主斜井支护结构受力及变形特征
膨胀性泥岩地层中主斜井井壁各部位均承受膨胀力。为优化支护结构受力，支护断面形状应尽量平滑，防止局部位置应力集中[1]。故在保持井壁厚度不变的前提下，提出了把原直墙半圆拱加反底拱支护形式(见图3)调整为似马蹄形支护形式(见图4)，图中1为初期支护，11为混凝土井壁。通过数值模拟分析两种断面形式下支护结构受力情况和变形情况，确定合理支护形式。
2.1 模型建立和参数选取
为减小边界效应对计算结果的影响，计算模型长取60m，宽取60 m，厚度取1m，井简倾角取16模型侧面限制沿水平方向移动，模型底面限制朝各个方向移动。模型计算的初始应力场采用实测应力场，模型上部为自由面，并根据埋深施加0.8 MPa的竖向应力。计算模型初始温度场依据实际测量岩体温度22℃生成，除上表面为恒温边界条件外，其余边界均为绝热边界条件。
计算过程中未冻区域和冻结区域岩体均采用摩尔一库伦弹塑性本构模型，通过现场勘察资料和室内冻土试验，测得常温下各岩层物理力学参数(22℃)和人工冻结条件下泥岩物理力学参数(-10℃)，见表1。由于冻结区域所在岩层大多为泥岩，室内冻土试验仅测得泥岩物理力学参数。
通过原状土热力学试验，获得了未冻岩体(22℃)和冻结岩体(-10℃)的热物理参数，为提高数值模拟计算效率，本文数值模型中热物理性质只区分未冻岩体与冻结岩体。
喷射混凝土、11"矿用工字钢、混凝土井壁等计算参数参考相关规范与类似工程[15]，具体参数见表3，计算模型中工字钢和喷射混凝土作为整体考虑[13]，其计算公式如下：1
E=Eo+EA，/A
(3)
式中，E为等效后喷射混凝土弹性模量;E，为原喷射混凝土弹性模量;E2为工字钢弹性模量;A，为工字钢截面面积;A，为喷射混凝土截面面积。不同膨胀力对支护结构影响显著，前人研究的膨胀力大多在1 MPa以下，膨胀力大小主要与蒙脱石含量、起始含水率有关，且膨胀力与起始含水率呈负相关[]。鉴于冻结段泥岩属极强膨胀性软岩，且冻结泥岩初始含水率很低，现场实测得到冻结泥岩在融化过程中最大膨胀力为17 MPa，为分析融化过程中不同膨胀力对井壁的影响，本文选取6种不同膨胀力(1 MPa，2 MPa，3 MPa，4 MPa，5 MPa，8MPa，12 MPa，17 MPa)，数值计算中膨胀力与温度的关系如下[0]：AP，=3KATa，(4)式中，A P，为膨胀力增量;K为土的体积模量;AT为温度变化量。
根据式(4)计算出泥岩在融化过程中不同膨胀力对应的温度线膨胀系数(见表4)。此外，由于实际工程中泥岩冻结的冻胀率为3%，故数值模拟中冻结过程对应温度线膨胀系数为-3.0×10-2/℃.
冻结过程中，岩土体在0℃~-10℃之间，绝大多数未冻水会相变成冰;融化过程中岩土体内原有的未冻水在-10℃~0℃之间会恢复[1。为简化计算并考虑泥岩冻融过程中冻胀融胀现象，在冻融过程中，岩体只在温度0℃~-10℃之间发生体积变化，在其他温度区间内岩体变形不再因温度变化。
此外，数值计算中的未冻岩体的热胀冷缩效应不予考虑;由于支护结构与冻结壁之间存在保温层，故忽略围岩与井壁之间的热传导。
原冻结设计积极冻结期约为50 d，冻结壁平均温度为-10℃，以形成顶板有效厚度为7.0m、帮部有效厚度为3.0m、底板有效厚度为5.0m的似长方形冻结壁[1]。在数值模拟中，采用在冻结壁单元中引入体积热源，并设置热源流量值为一25 W/m的方式，等效模拟冻结管对岩体的冻结过程[1。使积极冻结时间和最终冻结壁温度场分布与设计方案保持一致。
2.2计算方案
基于FLACD数值软件中的热力耦合模块，对泥岩段主斜井冻结法施工全过程进行模拟。分析融化过程中不同膨胀力对井简支护的影响。计算方案如下：
(1)数值模型(未开挖)达到初始应力平衡并生成初始温度场(22℃);
(2)通过设置吸热体积热源等效模拟人工冻结过程，冻融过程中采用热力耦合计算;
(3)通过FISH语言实现了岩体力学参数和热物理参数随岩体温度的变化过程，当岩体温度达到0℃以下时，相应岩体参数由冻结岩体参数代替;
(4)在冻结壁温度达到设计要求后，采取一次性全断面开挖，一次性施工初期支护和二次衬砌，通过移除吸热体热源的方式等效模拟土体自然解冻过程，待冻结壁温度整体回升至0℃以上时视为解冻完成。
2.3 计算结果分析
2.3.1温度场分布特征
在积极冻结过程中，当冻结进行到25 d时，冻结壁中心温度降至0℃以下，随着冻结时间的增加，当冻结时间达到50 d时，冻结区域平均温度小于-10℃，冻结壁厚度满足设计要求，积极冻结完成。
模型温度场变化如图5所示。
在自然解冻过程中，由于冻结区域外部与冻结壁发生热交换，冻结壁由外部向内部融化，冻结壁温度整体回升至0℃以上，视为解冻完成。
2.3.2井筒变形分析
冻结壁融化过程产生的膨胀力对井壁作用贯穿整个融化过程，为了能够直观研究膨胀岩融化过程中的井筒变形规律，在自然解冻前将模型单元位移清零，通过在井壁指定断面各特征部位设立变形观测点(见图6)，列出了解冻后稳态下各测点最大位移量与膨胀力的关系(见图7~图9)。
(1)数值计算结果显示：当膨胀力为17 MPa时，原支护结构拱顶和拱底收敛量为1.84 m，两帮水平收敛量为0.37 m，与实际破坏情况基本相同。
该数值模型可有效模拟冻结膨胀泥岩融胀对支护的影响。
(2)从拱顶和拱底收敛变形量来看，在膨胀力为2 MPa时，原支护结构变形量为0.2 m，而似马蹄形支护结构在膨胀力为3 MPa时变形量才达到0.19 m，即优化后的断面支护形式(似马蹄形)可承受更大的膨胀力。2种支护结构的井壁拱脚均发生向围岩方向的移动，即拱脚外移。且随着膨胀力的增大，似马蹄形支护结构拱顶拱底收敛量始终小于原支护结构。
(3)两帮收敛变形趋势受膨胀力影响明显，当膨胀力较小时，原支护结构和似马蹄形支护结构的井壁两帮均会出现“外扩”的现象，两帮挤入围岩，引起围岩对衬砌的约束，这种围岩对支护施加的抗力称为“弹性抗力”，由于弹性抗力的作用，限制了支护结构的变形，提高了其承载力。膨胀力与2种断面形式支护结构的位移量大致呈线性关系，似马蹄形支护结构外扩现象较原支护结构更加明显。随着膨胀力逐渐增大，对于原支护结构，当膨胀力达到12MPa时，井壁两帮变形趋势由外扩变为收敛。而似马蹄形支护结构的两帮变形自始至终表现为“外扩”。
2.3.3支护结构应力分析在冻结壁融化后的稳态条件下，膨胀力对井壁最大主应力和最小主应力分布影响较小，由于篇幅有限，仅对比膨胀力为5MPa下2种断面形式支护结构的最大主应力云图和最小主应力云图。从图10、图11中可以看出：2种支护结构在拱脚位置附近均存在明显的应力集中现象，尤其是原支护结构应力集中现象最为明显，且与现场拱脚附近破坏情况相符。似马蹄形支护结构井壁拱脚处最大主应力较小。
综上所述，井壁各特征点的位移均随膨胀压力的增加而增加;随着膨胀力的增加，原支护结构两帮变形会由开始的外扩转变为收敛，而拱脚始终外移，帮部和拱脚变形趋势相反，使得帮部与拱脚之间更易发生破坏;而由于似马蹄形支护结构增大了边墙的曲率，使断面更加平滑，且帮部与拱脚的变形均向外，相对于原支护结构，似马蹄形支护结构拱顶拱底收敛变形平均减小约23%，拱脚外移变形平均降低约52.3%。可以得出的结论是，在较高膨胀力极软岩地层进行支护设计时，采用似马蹄形支护形式可有效地抵抗井壁变形，增强井筒的稳定性。
3结论
(1)冻结膨胀岩融化过程中产生的膨胀力对井简支护结构影响较大，较高的膨胀力将导致支护结构发生破坏，建议在强膨胀岩地层中进行支护设计时，通过施加缓冲层方式减小膨胀力。
(2)通过对比不同膨胀力下2种断面形式支护结构的变形规律，表明采用似马蹄形支护结构可有效地抵抗井壁变形，增强井筒的稳定性。
(3)2种断面形式支护结构在拱脚位置均出现应力集中，直墙半圆拱加反底拱支护形式更为明显。
在井壁施工中应避免在应力集中的拱脚位置出现接茬。
笔者针对实际工程背景下2种断面支护结构进行了合理性的初步研究，选取膨胀力范围较广，后续还需通过室内试验对冻结膨胀性泥岩冻结、融化过程中的膨胀力进行研究，获取特定地层以及特定边界条件下真实的膨胀力演化过程，以期为查干淖尔及类似地层支护设计提供更好的服务。
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Abstract; In view of the special engineering properties of expansive muds tone during freezing tha wing process, combined with the large deformation phenomenon occurred in the construction of main inclined shaft in Chagan Zhuar No. I mine by artificial freezing method, the influences of different expansion forces on the support structure of inclined shaft were studied by numerical simulation method. Based on the thermal-mechanical coupling module in FLAC3D, the process of freezing-thawing expansion of the swelling rock in the construction of the main inclined shaft by freezing method was simulated. By comparing the deformation law and stress situation of the two supporting structures under different expansion forces, it is concluded that the horseshoe-like supporting structure could effectively resist the deformation of shaft wall and enhance the stability of pitshaft. The research results can provide a reference for support optimization and construction of similar projects.
Key words: Swelling rock, Artificial freezing method, Thermal-mechanical coupling, Expansion forces, Inclined shaft support
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