软岩工程力学r-5

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1、1755软岩工程稳定性控制理论5软岩工程稳定性控制理论软岩工程稳定性控制问题一直是困扰着我国煤矿生产和建设的重大问题之一，随着开采深度的增加和地质条件渐趋复杂，软岩巷道支护问题愈趋严重。国内外学者对这一问题一直非常关注，形成了一些各具特色的理论与方法，为解决软岩工程问题做出了相应的贡献。但是，长期以来，软岩巷道支护研究一直没能改变传统的从支护形式入手的思路。软岩巷道支护研究应从工程地质分析和软岩的概念及其分类入手，弄清其变形力学机制及非线性变形规律，抓住支护关键技术，实施有效的转化及巷道设计优化，才能取得成

2、功的支护效果，从根本上解决软岩巷道支护问题，进而建立与之适应的、全新的软岩巷道支护理论、设计方法和支护技术体系。5.1软岩变形力学机制软岩工程变形、破坏和失稳的原因是多方面的，但其根本原因是其具有复杂的变形力学机制[76-81]。根据理论分析和大量的工程实践，初步将软岩的变形力学机制归纳为3大类，即物化膨胀类、应力扩容型类和结构变形类。各类中又依据引起变形的严重程度分为A、B、C、D四个等级，共十三亚类，如图5-1所示。显然，I类机制与软岩本身分子结构的化学特性有关，II类机制与力源有关，III类机制则是硐

3、室结构与岩体结构面的组合特性有关。这三类机制基本概括了软岩膨胀变形的主要动因。1755软岩工程稳定性控制理论IA型：分子吸水膨胀机制IAB型：分子吸水膨胀＋胶体膨胀IB型：胶体膨胀机制IC型：微裂隙膨胀机制IIA型：构造应力机制IIB型：重力机制IIC型：水力机制IID型：工程偏应力机制IIIAA断层走向型(硐向与断层走向夹角0°~30°)IIIAB断层斜交型(硐向与断层走向夹角30°~60°)IIIAC断层倾向型(硐向与断层走向夹角60°~90°)IIIBA弱层走向型(硐向与软弱夹层夹角0°~30°)II

4、IBA弱层斜交型(硐向与软弱夹层夹角30°~60°)IIIBA弱层倾向型(洞向与软弱夹层夹角60°~90°)IIICA层理走向型(硐向与层理走向夹角0°~30°)IIICB层理斜交型(硐向与层理走向夹角30°~60°)IIICC层理倾向型(洞向与层理走向夹角60°~90°)软岩变形力学机制III型(结构变形型)I型(物化膨胀型)II型(应力扩容型)IIIA型(断层型)IIIB型(软弱夹层型)IIIC(层理型)IIID型(优势节理型)IIIDA节理走向型(硐向与节理走向夹角0°~30°)IIIDB节理斜交型(

5、硐向与节理走向夹角30°~60°)IIIDC节理倾向型(洞向与节理走向夹角60°~90°)IIIE随机节理型图5-1软岩巷道变形力学机制及分类5.1.1物化膨胀型变形力学机制5.1.1.1分子膨胀机制含有蒙脱石和伊/蒙混层矿物的泥质岩类的膨胀性颇为显著，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，每个晶胞厚度约14Å，有三层，上层和下层为Si-O四面体，中间夹一层Al-O-OH八面体，如图5-21755软岩工程稳定性控制理

6、论所示。其最大特点是每个晶胞中四面体和八面体数量之比为2:1；晶胞与晶胞之间以O-2接触，故不够紧密，可以吸收无定量的水分子，因而结构格架活动性大，亲水性强，晶胞之间的Al3+可被Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+等离子取代而形成蒙棉絮状云朵状蜂窝状微观结构特征变形力学机制u内膨机制(分子膨胀)u外膨机制(胶体膨胀)图5-2蒙脱石膨胀机制脱石组各种不同的矿物。若为两价离子所取代，则在格架中出现多余的游离原子价，提高了吸附能力，有助于增强晶胞间的连接力。由于上述特性，蒙脱石组矿物具有吸水能力强，使体积大大

7、膨胀，甚至使相邻晶胞失去连接力的特性。1755软岩工程稳定性控制理论由于蒙脱石的相邻晶胞具同号电荷，因而具有斥力，活动性大。另一方面，晶胞之间的沸石水也有一些反离子(图5-2)。当泥岩遇水后，其中的蒙脱石晶胞之间沸石水的一部分反离子逸出，使吸引力减小，水分子挤入，晶胞间距加大，使矿物颗粒本身急剧膨胀。另外，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粒间结构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(N

8、orrish，1954)。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Si-O四面体中的Si4+可以被Al3+、Fe3+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，有时甚至有二价正离子，以补偿晶胞中正电荷之不足。在软岩中，常见一价K离子。故伊利石结晶格架活动性比蒙脱石小，亲水性也低一些