软岩巷道支护.docx

第十二章 软岩巷道支护第一节 基本概念及变形特征一、软岩及软岩巷道的定义与分类目前对软岩及软岩巷道（工程）的定义及其基本特征尚未完全统一，但一般认为软岩是指强度 低的岩体，是松散、软弱、破碎、膨胀、流变、强风化蚀变，以及高地应力岩体的统称软岩巷道 则指布置于上述软岩中难支护、需多次翻修和多次支护的巷道软岩的基本特性包括重塑性、崩解性、胀缩性、触变性、流变性其中，重塑性是软岩的基本 属性，崩解和胀缩性是环境效应，触变性是空间效应，流变性是时间效应在实际工程中，往往是 各种效应的综合，但有主有次，故应针对具体条件采取相应或综合措施软岩的工程分类，对工程设计、施工管理、定额制度、支护方式的合理选择以及改变软岩矿井 技术面貌都有十分重要的意义，国内外专家学者提出的分类方案有十几种之多，应用较多的有以下 几种1、煤矿巷道分类方案表 12-1 为我国《煤矿巷道软岩分类的建议》中的分类方案，将软岩分为 3 类，其中累计得分一 项由表 12-2 给出表12-1煤矿软岩巷道综合分类方案i软岩分类判别IIIIII前期累计得分1〜34〜6三7后期水平变形量/mm<150150〜300三300围岩松动圈/m1.5 〜2.02.0 〜3.0三3.0支护难易程度架棚、直墙拱碹出现 破坏架棚、直墙拱碹经1〜2次 翻修稳定架棚，直墙拱碹经多次翻修仍难稳定注：水平变形是指巷道掘出后，一次锚喷支护时，两侧墙位移的总和取大值；围岩松动圈指巷道掘进后，测得 围岩纵波速度降低范围的平均值。

表 12-2 煤矿巷道软岩分类判别指标II岩属性1级（1分）2级（2分）3级（3分）松散破碎松散弱胶结松散岩体无胶结松散岩体有水有泥松散岩体破碎破碎块体块度＜ 0.3〜0.4m碎块之间含＜ 30%的 断层泥碎块间含＜ 30%软泥， 含饱和水塑性流变R=20 〜8Mpa软弱致密流变R=8 〜1 Mpa 软弱裂隙易流变R＜1Mpa软弱致密极易流变膨胀W=25 〜50%W=50 〜90%W>90%地应力yh / R = 0.3 〜o.4yh / R = 0.4 〜0.6巷道在高地应力区注：R为围岩点载荷强度；W为岩块干燥饱和吸水率；y为上覆岩层平均容重；h为巷道埋深2、国家软质岩分类标准《工程岩体分级标准》（1991 年送审稿）中关于软质岩的国家标准是1） 岩石坚硬程度 岩石坚硬程度按表12-3定性划分为较软岩、软岩和极软岩3 类2） 岩石风化程度 岩石风化程度按表12-4划分为未风化至全风化5 类表12-3软质岩坚硬程度的定性划分较软岩锤击声不清脆，无回弹，较易击碎，浸 水后指甲可刻出印痕① 强风化的极坚硬岩、坚硬岩；② 弱风化的较坚硬岩；③ 未风化到微风化的凝灰岩、千枚岩、砂质 泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等。

软岩锤击声哑；无回弹，有凹痕，易击碎， 浸水后，手可掰开① 强风化的极坚硬岩、坚硬岩；② 弱风化到强风化的较坚硬岩；③ 弱风化的较软岩；④ 未风化的的泥岩等极软岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可 捏碎，浸水后可捏成团① 全风化的各种岩石② 各种半成岩表12-4岩石风化程度的划分名称风化特征未风化岩质新鲜，结构构造未变微风化结构构造未变，沿节理面有铁锰质渲染，矿物色泽基本未变，无松散物质弱风化结构构造基本未变，矿物色泽稍微变化，裂隙面风化较重，出现风化矿物，张开裂隙 中有少量松散物质强风化结构构造部分破坏，长石、云母等多风化成次生矿物，色泽明显变化，张开裂隙中有 许多松散物质全风化结构构造大部分破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状，基本不含坚硬块体3）岩体完整程度的定性划分① 岩体完整程度可按表12-5 定性划分为完整至极破碎5 类② 结构面的结合程度，可根据结构面特征按表12-6划分为结合好至结合很差4类表 12-5 岩体完整程度的定性划分名称结构面发-育程度主要结构面的结合 程度主要结构面 类型组数平均间距（m）完整1〜2>1.0结合好节理、裂隙较完整2〜31.0 〜0.4结合好节理、裂隙较破碎>30.4 〜0.2结合好结合一般构造节理、 小断层破碎>3三0.2结合差小断层、构造节 理、软弱层面<0.2极破碎结合很差表12-6结构面结合程度的划分名称结构面特征结合好张开度小于1mm,无充填物张开度1~3mm,为硅质或铁质胶结张开度大于3mm,结构面粗糙，为硅质胶结结合一般张开度1~3mm，为钙质或泥质胶结张开度大于3mm,结构面粗糙，为铁质或钙质胶结结合差张开度1~3mm，结构面平直，为泥质或钙质胶结，张开度大于3mm,多为泥 质、钙质胶结或充填岩屑结合很差泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物质厚度大于起伏差4）定量指标的确定和划分① 岩石坚硬程度的定量指标采用岩石单轴饱和抗压强度（R ）。

R应采用实测值，当无条件取得C C实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数（1（50））的换算值，并按下式换算： s（50）R =22.82 I 0.75c s （50）② 岩石单轴饱和抗压强度（R ）与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系，参照表12-7C③ 岩体完整程度的定量指标采用岩体完整系数（K）K应采用实测值，当无条件取得实测值时，vv也可用岩体体积节理数J ）按表12-8确定相应的K值V V④ 岩体完整性系数（K ）与定性划分的岩体完整程度的对应关系见表12-9V⑤ 具有特殊变形破坏特性的岩体，如膨胀性强的岩类和溶蚀岩类等，当其特殊性成为影响岩体稳定的主要因素时，其特性对工程岩体级别的影响应作专门研究表12-7 Rc与定性划分的软质软岩坚硬程度的对应关系R.(MPa)30~1515~5<5坚硬程度较软岩软岩极软岩表 12-8 J 与 K 对照表J (条V/m3)<3 V-3~10 ¥ 10 〜2020~35>35K V 1>0.750.75 〜0.550.55~0.350.35~0.15<0.15表12-9 K与定性划分的岩体完整程度的对应关系 1 1— 1 K>0.75 ¥ 0.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎二、软岩巷道变形破坏机制与特点关于软岩“膨胀”的概念有两个含义，即狭义和广义。

前者专指那些含有膨胀性矿物（如蒙脱石）的软岩所产生的膨胀变形；后者则是指软岩岩体向巷道空间的变形，它包括膨胀性矿物的变形 同时也包括其它力学机制的变形这里采用后者从理论上分析软岩的膨胀机制，可分 8 种情况，即晶粒膨胀、胶体膨胀、毛细膨胀、水胀、构 造应力扩容、重力扩容、工程偏应力机制以及结构面变形机制1、晶粒膨胀机制含有蒙脱石和伊蒙混层矿物的泥质岩类往往膨胀性颇为显著这种膨胀性与蒙脱石的分子结构 特征关系十分密切因此，也可将这种膨胀机制称为蒙脱石型膨胀机制蒙脱石的晶体是由很多相互平行的晶胞组成，属由上下层的硅氧四面体和中间一层铝氧八面体 构成的2 : 1型硅酸盐矿物由于晶胞两边都为负电荷的硅氧四面体，晶胞与晶胞之间氧相接，连结 力极弱，因此水分子及交换的阳离子可无定量地进入其间，致使颗粒急剧膨胀晶胞中间的A13+可 以被Fe2+、Fe3+、Ca2+、Mg2+所取代，而形成本组中不同矿物若为两价离子取代，则在格架中出现 多余的游离原子价，提高了吸附能力，有助于晶胞间的连结力增强由于上述特性，蒙脱石组矿物 具有吸附能力强，使体积大为膨胀，甚至使相邻晶胞失去连结力的特性另一方面，蒙脱石的晶胞之间的沸石水也有一些反离子。

遇水时，沸石水的部分反离子逸出， 吸引力减小，水分子挤入，晶胞间距加大，使矿物颗粒本身急剧膨胀此外，矿物颗粒之间的结合 水膜也增厚，这属于胶体膨胀力学机制由于蒙脱石具有遇水后颗粒内部晶胞间距剧增和颗粒间结 合水膜加厚两种膨胀机制，所以其膨胀量在粘土矿物中是最大的据测定， Ca 蒙脱石可膨胀到原体 积的 7 倍多不仅蒙脱石具有上述晶粒内部膨胀机制，而且伊蒙混层矿物、伊利石矿物也具有这种膨胀特性 只是伊利石的三层结构中的SiO2比蒙脱石少一些，其上下两层硅氧四面体中的Si可以被Al、Fe所 取代，因而游离原子价与蒙脱石不同，在相邻晶胞间可出现较多的一价正离子，有时甚至二价正离 子，以补偿晶胞中正电荷之不足故伊利石结晶格架活动性比蒙脱石小，晶粒内部膨胀也弱些2、胶体膨胀机制有些软岩并不含蒙脱石、伊蒙混层矿物和伊利石矿物，却也具有膨胀性例如粘粒成分为高岭 石、腐植质和难溶盐等时也具有一定的膨胀性，现仅以高岭石为例说明其膨胀机制高岭石的结晶格架也是由互相平行的晶胞组成，属1 ： 1型硅酸盐矿物其晶胞之间是通过O2- 与OH-连接，连结力较强，不允许水分子进入晶胞之间所以它不具有晶格内部膨胀特性尽管如 此，但由于高岭石通常以粘粒形式出现，这种粘粒为准胶体颗粒，具有胶体的特性，因而在其周围 可以形成一层很厚的水化膜吸附层。

事实上，这种特性并非矿物独有，只要粒径小于0.002mm,则 均具有这种吸附特性软岩一般是泥质岩类，基本是粘粒的集合体相邻的粘粒比较靠近时，各自形成的水化膜会有 一部分重叠起来而形成公共水化膜当各自水化膜加厚，公共水化膜消失，水胶连结力消失，软岩 产生膨胀而进入塑性；若各自水化膜变薄，公共水化膜形成，水胶连结可使软岩变得相当坚硬这 就是现场见到的干软岩十分坚硬之原因软岩遇水膨胀（胶体膨胀机制）的过程，可称为软岩胶体膨胀模式固体状态的软岩粘粒周围 有公共强结合水化膜，故其硬度很大；吸水后，公共强结合水化膜逐渐消失，粘粒的弱结合水膜加 厚而出现公共结合水膜，这时软岩体积增大而变成塑性状态；当粘粒进一步吸水膨胀，公共弱结合 水膜随水膜加厚并趋于消失或完全消失，代之出现了粘粒之间的自由水，这时软岩体积进一步增大 而进入平时所见的粘流状态和液流状态3、毛细膨胀机制软岩的空隙颇为发育，如广西那龙二号井软岩空隙度为3.8〜27.3%，空隙比为0.313〜0.394 每克干样品的空隙体积为109.96〜140.29mm3这些空隙包括裂隙和孔隙两种由于大量孔隙和裂隙的存在和水的表面张力，产生毛细压力，使地下水通过软岩的微小空隙通 道吸入。

其上升的高度和速度决定于土的孔隙、有效粒径、空隙中吸附空气和水的性质以及温度等 据文献试验数据，卵石的毛细高度为零至几厘米砂土为数十厘米，而粘土（相当于泥质软岩）则 可达数百厘米因此，在整个毛细带内，事实上为软岩的进一步化学膨胀和胶体膨胀准备了条件 正是由于这种毛细作用，才使水通过毛细空隙向各方向运动4、构造应力扩容机制在地质历史时期，煤系地层经历了多期地质构造应力场的作用，岩层本身以弹性变形的形式储 存了变形能一旦地层中掘进巷道而挖空，这些变形能将以变形的形式向相邻空区释放，宏观上表 现出岩层的扩容膨胀另一方面，岩层在巷道成形时应力状态从三维向二维发生转变，在构造应力 作用下，又极易发生破坏而产生非线弹塑性变形，这是一。