【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 粒的比表面 積極大，高嶺石 為 (7～ 30)179。 103m2/kg、伊利石 為 (67～ 100)179。 103m2/kg、蒙 脫石為 810179。 103m2/kg。 軟 巖中 膠 粒、粘粒愈多 愈細(xì) 小，比表面 積 愈大，其 親 水性愈 強(qiáng) 。如高嶺石巖體，最大吸 著 水容量 為 10～ 20%、最大分子水容量 為 25～ 35%；而蒙 脫石 最大吸 著 水容量 為 %，最大分子水容量 達(dá) %。水容量愈大、 強(qiáng) 度愈低。 隨著軟 巖含水量增大，由巖石逐步泥化 為 粘土；由固 態(tài)堅(jiān) 硬 狀態(tài) ，逐步 變?yōu)?硬塑 狀態(tài) 、可塑 狀態(tài) ，最后 變?yōu)?流 態(tài) 。 這 一 變 化特征 稱 之 為 粘土巖體的稠度，其劃分 標(biāo) 準(zhǔn)如表 1－ 5。 表 1－ 5 粘土礦物的稠度狀態(tài) 稠度指 數(shù) IL≦ 0 0IL≦ IL≦ IL≦ IL 稠度 狀態(tài) 堅(jiān) 硬 硬塑 可塑 軟 塑 流 態(tài) 工程上 稱從 半固 態(tài)過(guò) 渡到稠塑 狀態(tài)為 塑限； 稱從 粘塑 狀態(tài)過(guò) 渡到粘流 狀態(tài)為液 限或流限；液限與塑限的差值 稱為 塑性指 數(shù) 如表 1－ 6。 表 1－ 6 粘土 礦 物的塑性指 數(shù) 礦 物 種類 高嶺石 伊利石 蒙 脫石 液限（％） 塑限（％） 塑性指 數(shù)（ Ｉ） 38～ 59 25～ 37 11～ 28 95～ 120 40～ 58 49～ 63 290～ 710 60～ 100 220～ 650 巖體中粘粒含量與塑性指 數(shù)的關(guān)系曲線 近似 為 直 線。 粒度愈小可塑性就愈強(qiáng) ，尤其是 膠 粒和粘粒的可塑性 特別 強(qiáng) 烈。 工程上 還 用塑性指 數(shù) 與粒 徑 小于 2179。 106ｍ粘粒含量的比值Ａ， 來(lái)說(shuō) 明其 親水程度。 稱Ａ為 活 動(dòng) 性 指 數(shù) ，如表 1－ 7。 表 1－ 7 粘土礦物的活動(dòng)性指數(shù)Ａ 礦物名稱 高嶺石 伊利石 鈣蒙脫石 鈉蒙脫石 活動(dòng)性指數(shù)（Ａ） ～ 軟巖的膨脹性 軟巖膨脹的實(shí)質(zhì)主要在于粘粒中結(jié)合水膜厚度的變化增大，使顆粒間距增大，導(dǎo)致體積膨脹。膨脹的變化大致是，巖體中的含水量超過(guò)最大吸著水容量中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 6 以后開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的膨脹。而含水量達(dá)到液限，即相當(dāng)最大分 子水容量時(shí)，膨脹達(dá)最大值。之后，水分子進(jìn)一步增加，出現(xiàn)非結(jié)合水以后，粒間逐漸失去結(jié)合水膜的連接，巖體將由充分膨脹而發(fā)生崩解。 軟巖膨脹率的大小與下列主要因素有關(guān)： 1. 膨脹率與礦物成分和粘粒含量有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，巖體所含礦物成分愈差（特別是含大量蒙脫石）、粘粒含量愈高（特別是小于 5179。 107m 的粘粒和膠粒），其膨脹率愈大。 2. 膨脹率與液限有關(guān)，液限值愈高，膨脹性愈大。通常液限大于 40%者，膨脹性較明顯。 3. 膨脹率與初始含水量有關(guān)，巖體的初始含水量愈高，其膨脹率愈低。 4. 膨脹率與初始干容重有關(guān)，巖 體的初始干容重愈大，其膨脹率愈大。 5. 膨脹率與圍巖壓力有關(guān)，圍巖的膨脹率隨壓力增大而減小。 6. 膨脹率與巖體天然孔隙比、結(jié)構(gòu)狀態(tài)和介質(zhì)溶液性質(zhì)相關(guān)，天然孔隙比愈大，其膨脹率愈小；天然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度愈大，其膨脹率愈小。 軟巖的流變性 軟巖變形隨時(shí)間而增長(zhǎng)的特性稱為流變性。通常把巖體在長(zhǎng)期靜荷載下隨時(shí)間的延長(zhǎng)所發(fā)生的緩慢變形，稱為蠕變。 據(jù)開(kāi)爾文模型曲線，可得巖體在恒定荷載下的蠕變方程為： tA ln0 ????? () 式中 Ａ — 蠕變常數(shù) ε— 蠕變變形（ 應(yīng)變） ε0— 瞬時(shí)變形 ｔ — 時(shí)間 軟巖的來(lái)壓特點(diǎn)與自穩(wěn)時(shí)間 軟巖礦壓顯現(xiàn)具有來(lái)壓快、圍巖變形位移量大、壓力大、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、底鼓嚴(yán)重，且由塑變、蠕變和膨脹三者的變形位移及壓力共同構(gòu)成。其壓力顯現(xiàn)大體分三個(gè)階段： 1. 原巖潛能釋放階段。在掘進(jìn)初期，一般在 10～ 15d 左右， 圍 巖 處 于急 劇變形階 段；其位移速度快、位移量大、 變形劇 烈、方向 性強(qiáng) 。主要是 圍 巖 潛 能釋 放所至 ，屬?gòu)?塑性 變形 ，以塑 變形為 主。 2. 緩慢變形階段。此時(shí)圍巖位移速度減小、變形較為緩慢。巖體處于彈塑性剩余潛能繼 續(xù)緩慢釋放階段，同時(shí)又處于巖體吸水膨脹及蠕變的開(kāi)始階段。此階段時(shí)間視巖體膨脹與流變特性的不同而相差較大，短者 1～ 3月， 長(zhǎng) 者半年中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 7 左右。 3. 穩(wěn)定變形 或加速 變形階 段。 對(duì) 于膨 脹 性流 變 性 較 小的 軟 巖， 緩慢變形階段之后， 圍 巖位移速度 減至 很小且近于 常數(shù) ， 進(jìn) 入 穩(wěn)定變形階 段。 對(duì) 于膨 脹 性流 變 性大的 軟 巖， 緩慢變形階 段之后，再 次轉(zhuǎn) 入 劇 烈 變形 ，位移速度再度增大而 進(jìn) 入加速 變形階 段， 導(dǎo) 致 圍巖失穩(wěn) 破壞。 對(duì) 于 支護(hù) 不 及時(shí) 或支護(hù)抗 力不足、 支護(hù)變形 與 圍 巖位移不相 適應(yīng)時(shí) ， 也將導(dǎo) 致加速 變形階 段。 軟 巖的自 穩(wěn)時(shí)間 通常都很短，甚至自 穩(wěn)時(shí)間趨 于零。自 穩(wěn) 時(shí)間是軟 巖物理力 學(xué) 性 質(zhì) 、工程地 質(zhì) 特性和 礦壓顯現(xiàn)的綜 合性反映。 實(shí)踐表 明， 軟 巖的自 穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng) 者 數(shù) 小 時(shí) ，短者 數(shù) 分 鐘 ，極短者 趨 于零。 軟巖巷道支護(hù)困難 原因分析 1．巖層成巖年代晚， 巖石強(qiáng)度低， 膠結(jié)程度差 我國(guó)軟巖礦區(qū)主要分布在開(kāi)采新生界第三紀(jì)褐煤和開(kāi)采中生界上侏羅紀(jì)的褐煤礦區(qū)。這些礦區(qū)礦層頂板巖石都非常松軟破碎，易風(fēng)化，因此怕風(fēng)、怕水、怕震。由于巖石強(qiáng)度低，表現(xiàn)在松散、軟弱，在中等或稍高應(yīng)力水平狀態(tài)下就能產(chǎn)生較大的圍巖變形，支護(hù)困難。 2．節(jié)理發(fā)育，巖體破碎 有些礦區(qū)，雖然巖石強(qiáng)度很高，但由于節(jié)理比較發(fā)育，巖 體破碎，支護(hù)也變得十分困難。所以，在巖塊強(qiáng)度高的節(jié)理化地層中，也可能表現(xiàn)出軟巖的特征。金川鎳礦就是我國(guó)有名的軟巖礦區(qū)。 3．巖石吸水膨脹、水解性強(qiáng) 軟巖一般都含有親水性很強(qiáng)的蒙脫石、伊利石等粘土礦物質(zhì)，這些巖石的水解性很強(qiáng)，遇水后軟化，體積急劇膨脹，同時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹壓力。 4．巷道埋深大 ，圍巖 構(gòu)造應(yīng)力大 ，受 集中應(yīng)力作用 明顯 我國(guó)立井的平均深度在 20 世紀(jì) 50 年代低于 200m， 90年代平均已達(dá) 600m。隨著開(kāi)采深度的增加，一些原本穩(wěn)定性較好的圍巖也顯現(xiàn)出軟巖的特征。采場(chǎng)工作面前方支承壓力集中，壓力集中系數(shù)可高 達(dá)普通巷道圍巖壓力的 3～ 6 倍，跨采巷道、礦柱下巷道、受鄰近巷道掘進(jìn)影響的巷道等，其巷道圍巖均承受較大的集中壓力。 5．圍巖 四周來(lái)壓 、自穩(wěn)時(shí)間短 、底鼓明顯 在較堅(jiān)硬巖層中，圍巖對(duì)支架的壓力主要來(lái)自于頂板，中硬巖層來(lái)自于頂板和兩幫，在松軟巖層中則四周來(lái)壓、底鼓明顯、松軟巖層由于其結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低，很難支撐上覆巖層的重量，圍巖在自重地壓作用下，以垂直變形為主，垂直變形中又以底鼓為主。軟巖巷道底鼓現(xiàn)象明顯，如果底板不支護(hù)，將出現(xiàn)一個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱帶，巷道破壞首先就從缺少支護(hù)的底板開(kāi)始，直至片幫冒頂，中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 8 巷道全部破壞。 軟巖工程分類 軟 巖工程根據(jù)主要影 響 因素和工程巖體分 級(jí)國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn)所依據(jù)的巖石 堅(jiān) 硬程度 (巖體 單軸飽 和抗 壓強(qiáng) 度 RC)和巖體完整程度 (巖體完整性指 數(shù) KV)這兩個(gè) 各 類工程巖體 穩(wěn) 定性的基本共性因素 ,將軟 巖劃分 為 5 類 ,即 軟 弱型 軟 巖、破碎型 軟巖、高 應(yīng) 力型 軟 巖、 軟 弱破碎型 軟 巖、膨 脹性軟 巖 ,如表 1— 8。 表 1－ 8 按主要影響因素劃分的軟巖分類法 類別 軟 巖 類別 形成 軟 巖的主要因素 分類 指 標(biāo) 巖體基本 質(zhì)量指 針 (BQ) Ⅰ 軟 弱型 軟 巖 巖 塊強(qiáng) 度低、巖石完整性 較 好 RC30 KV 250Q Ⅱ 破 碎型 軟 巖 巖體完整性差、巖 塊強(qiáng)度 較 高 30RC60 KV 250Q Ⅲ 高 應(yīng) 力型 軟 巖 巖 塊強(qiáng) 度 較 高、巖體完整性差、高地 應(yīng) 力 2603RC+250KV160 RC/σ 15 250Q Ⅳ 軟 弱破碎型 軟巖 巖 塊強(qiáng) 度低、完整性差 RC5KV Q150 Ⅴ 膨 脹性軟 巖 膨 脹 性 礦 物、地下水 表中的 RC 為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度 ,單位為 MPa。 KV 為巖石完整性指數(shù)。 國(guó)內(nèi)外軟巖工程研究的現(xiàn)狀及相關(guān)經(jīng)驗(yàn) 軟巖理論的研究現(xiàn)狀 近年 來(lái) ， 國(guó)內(nèi) 外相 關(guān)專業(yè) 人士和 學(xué)者 對(duì)軟 巖工程 進(jìn) 行了大量的研究工作，對(duì)軟 巖的特性有了 較為 成熟的 認(rèn)識(shí) ，并在此基 礎(chǔ) 上提出了不少 軟 巖巷道 支護(hù)理論 ，在世界范 圍內(nèi) ， 被廣 大科技人 員 和工 程師 接受 的關(guān)于錨 桿 支護(hù)理論 有 懸 吊理論 、 組 合梁 理論 和加固拱 理論 。 1. 懸 吊 理論 。 錨 桿 將軟 弱、松 動(dòng)不穩(wěn) 定的 圍 巖 懸 吊在 較為堅(jiān) 硬而 穩(wěn) 定的深部巖體里， 從 而 實(shí)現(xiàn) 不 穩(wěn) 定的 圍 巖不離 層， 不 脫 落。如 圖 1— 2 所示。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 9 圖 1－ 2 錨桿的懸吊作用 2. 組 合梁作用。 錨 桿 錨 入 層狀 巖 層后， 把 數(shù)層薄層 巖 層組 合成 組 合梁，使其 層間 的摩擦力增大，提高 組 合梁整體巖 層的 抗 彎 能力，在相同情 況 下 ，組 合前后梁的 撓 度和 內(nèi)應(yīng) 力分布情 況 大不相同。在成 層 巖體中，由于 錨 桿的 錨 固使巖 層擠緊 ，增大了巖 層的 摩擦阻力，有效地防止了 層間 的 錯(cuò)動(dòng) ，提高了巖 層的抗 彎 能力，確保了巖 層的穩(wěn) 定性。 3. 加固拱作用。根據(jù) 國(guó)內(nèi) 一些研究院研 究試驗(yàn)證 明， 用錨 桿加固后的拱，提高了承 載 能力。在 塊裂 介 質(zhì) 體中打入 錨 桿，能使其 間 的 節(jié) 理面被 擠緊 而 產(chǎn) 生較 大的摩擦阻力，因此增大了沿 結(jié) 構(gòu)面的抗剪 強(qiáng) 度，增大了不 穩(wěn)定塊 體下滑的阻力，防止了 塊 體移 動(dòng) 的可能性，也就提高了被 錨 固巖 層的穩(wěn) 定性。 但 這 些 理論僅 適于 支護(hù)軟 巖巷道的 頂 板，有很大的局限性。因此近年 來(lái) ，又 發(fā) 展了“巷道 圍 巖松 動(dòng) 圈 理論 ”和基于水平 應(yīng) 力的“ 剛 性梁” 理論 等。 1. 巷道 圍 巖松 動(dòng) 圈 理論 。越 來(lái) 越多的 礦 山使用 該理論進(jìn) 行 支護(hù)設(shè)計(jì) 。主要內(nèi) 容有： (1)松 動(dòng) 圈因 圍 巖不同其形 狀 也不同。 若圍 巖是各向同性，且垂直 應(yīng) 力和水平 應(yīng) 力相等， 則為圓 形松 動(dòng) 圈；若垂直 應(yīng) 力和水平 應(yīng) 力不相等， 則為橢圓形松 動(dòng) 圈，且其 長(zhǎng)軸 與主 應(yīng) 力方向垂直。 若圍 巖不是各向同性， 則 在巖石 強(qiáng) 度低的部位 將產(chǎn) 生 較 大松 動(dòng) 圈。 (2)松 動(dòng) 圈的形成有一 個(gè)時(shí)間過(guò) 程，松 動(dòng) 圈 發(fā) 展 時(shí)間 與巷道收 斂變形 在 時(shí)間 上一致。 (3)支護(hù)對(duì) 象 為 松 動(dòng) 圈 內(nèi)圍 巖的碎 脹變形 和巖石的吸水膨 脹變形 (僅 限于膨 脹 地 層 )。另外，深部 圍 巖的部分 彈 塑性 變形 、 擴(kuò)容 變形 和松 動(dòng) 圈自重也可 能對(duì)支護(hù)產(chǎn) 生 壓力 。 (4) 支護(hù) 的作用是限制 圍 巖松 動(dòng)圈形成 過(guò) 程中碎 脹 力造成的有害 變形。 2. 剛 性梁 理論 。此 理論 是基于巖體中存在的水平 應(yīng) 力，由美 國(guó) 的郭 頌 博士提出的。其主要 內(nèi) 容有： (1)錨 桿 預(yù) 拉力的大小 對(duì)頂 板的 穩(wěn) 定具有 決定 作用。 當(dāng)預(yù) 拉力 達(dá) 到了一定程度 時(shí) ， 錨 桿 長(zhǎng) 度范 圍內(nèi) 的 頂 板離 層 得以控制，建立了 剛 性梁 頂 板，它本身形成一 個(gè)壓力 支 撐結(jié) 構(gòu)。 (2)剛 性梁 頂 板可充分利用水平 應(yīng) 力 來(lái)中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 軟巖巷道地壓災(zāi)害及其控制方法 10 維護(hù)頂 板的 穩(wěn) 定性。水平 應(yīng) 力的存在，在一定程度上保 護(hù)著頂 板，使其代 替 頂板巖 層處 于 橫 向 壓縮狀態(tài) 。 (3)在 剛 性梁 頂 板的 條 件下， 頂 板的垂直 應(yīng) 力被 轉(zhuǎn) 移到巷道 兩側(cè) 巖體 縱深 ，巷道 兩側(cè)的壓力減 少。 該理論 主 張 “先控 頂 ，后 護(hù)幫 ”的 原則 。 軟巖技術(shù)的研究現(xiàn)狀 我 國(guó)軟 巖工程技 術(shù) 的研究 對(duì)象過(guò) 去 還 是 以針對(duì) 煤 礦 的居多， 這 因其煤 礦 生產(chǎn) 的幾 個(gè) 特性 決定 的。 隨著 工程地 質(zhì)條 件的 變 化，非煤 礦 山 軟 巖的 認(rèn)識(shí) 不清晰，支護(hù) 不合理，而 導(dǎo) 致近幾年 來(lái) 巷道片 幫 、 冒頂 、垮塌事件的 頻 繁 發(fā) 生，相信今后非煤 礦 山 軟 巖 支護(hù) 技 術(shù)會(huì) 越 來(lái) 越引起 我們 的注重。 結(jié)合軟 巖特性的 認(rèn)識(shí) ， 對(duì)軟 巖巷道 支護(hù)理論 的研究， 逐漸 形成了 錨噴 、 錨網(wǎng) 噴 、 錨噴 網(wǎng)架等系列技