大构造区域地下硐室群支护技术

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1、1.2红层构造区域地下硐室群支护技术1.2.1红层支护技术1红层划分为软岩类型（1）红层概念：泛指侏罗系、白垩系与第三系泥岩、砂岩泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩等软硬相间的层状岩体，外观上以红色为主色调，广泛分布于世界上许多地方，从寒武纪到现代各个时期均有出露。红层形成于三叠纪至第四纪的漫长历史时期。（2）软岩概念及分类软岩以其大变形、大地压、难支护的特征引起采矿工程工作者的普遍关注。软岩一般指巷道和隧道施工中常遇到的各种含粘土的岩石，如泥岩或粘土岩、粘土页岩、泥质板岩及煤层底板的粘土层、红土地层等。关于软岩的含义国内外学者目前尚无统一的认识。全国矿压名词讨论会将软岩定义为“结构疏

2、松，强度低，孔隙率大，胶结程度差，受构造面切割以及风化影响显著或含有大量粘土矿物的松散软弱的复杂岩体。”在理论研究和工程应用领域，将软岩分为地质软岩和工程软岩，分别予以定义。按照地质学的岩性划分，地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、软弱、破碎以及风化膨胀性一类岩体的总称。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度在0.5-25MPa之间的一类岩石，其分类基本上是依据强度指标。工程软岩是指在工程力的作用下能够产生显著塑性变形的工程岩体。①地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石为泥岩、页岩、粉砂岩、红土地层和泥质岩石等

3、强度较低的岩石，是天然形成的复杂地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度(σc)在0.5～25MPa的一类岩石，其分类依据基本上是依强度指标。该软岩定义应用于工程实践中会出现矛盾，如巷道所处安全深度足够小，地应力水平足够低，则小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特性；相反，大于25MPa的岩石，其工程部位足够深，地应力水平足够高，也可以产生软岩的大变形，大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践。②工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么本定义不仅重视软岩的强度特性

4、，而且强调软岩承受的工程力荷载的大小。强调从软岩的强度和工程力荷载的对应统一关系中分析，把握软岩的相对性质实质。当工程力一定时，不同的岩体，强度高于工程力水平的大多表现为软岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；而对于同种岩石，在较低工程力作用下，则表现为硬种岩的变形特性，在较高工程力作用下，则可能表现为软岩的变形特性。①红层多为砂岩、粉砂岩、泥岩互层，层与层之间的层面结合力差，当岩体解除约束力，出现临空面时,极易顺层面解体滑落。这是红层软岩成岩过程中就形成的薄弱环节。②红层岩体的亲水性强、透水性弱，在水的作用下易软化、塑变，吸水后岩体膨胀，失水后岩体收

5、缩，易崩解，抗风化能力弱，抗压抗剪强度低等特性。红层软岩的主要成分为石英碎屑，有少量燧石、长石、方解石，颗粒为棱角—次棱角状，分选性差。胶结物有两种：青灰色、灰褐色砂岩为硅质、钙质胶结;紫红色、红褐色砂岩为铁泥质胶结。泥质粉砂岩和泥岩的粘土矿物主要为伊利石/绢云母，有少量高岭石、绿泥石、蒙脱石。化学成份为SiO2、Al2O3、Fe2O3，三项之和达73%以上。基于上述分析，红层沉积建造的地质历史环境、及岩石的矿物、化学成分构成的特殊性，形成了红层软岩体原生结构特征，划分为地质软岩。本课题研究区域的红土地层在构造应力作用下，更加呈现软岩的特性。2红土软岩巷道变形破坏机制与特点划

6、分从理论上分析软岩的膨胀机制，可分晶粒膨胀、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等8种情况。下面分别叙述，据此划分红土软岩巷道变形破坏机制与特点。（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

7、颗粒急剧膨胀。晶胞中间的Al3+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