1、浅析煤矿软岩巷道支护理论与技术摘要文章解释了软岩巷道的概念及软岩的性质，阐述了软岩巷道支护的基本理论与技术，并对该领域的前景进行展望。关键词软岩巷道；软岩性质；支护理论1.引言随着我国经济快速增长而导致的能源需求量日益增大，作为我国最主要能源的煤炭的需求量也日益增长。与之相匹配的巷道掘进量也达到了一个很大的数目，随着深度的增加，软岩巷道在各类巷道中所占比例越来越大，特别是在华北华东地区掘井较深的煤矿表现尤为突出。软岩巷道支护技术已经成为一个亟待解决的问题。2.软岩巷道的概念从20世纪60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，软岩定义多达几十种，概括起来大体上可分为三类，即描述性
2、定义、指标化定义和工程定义。其中最具代表性的和权威性的是国际岩石力学学会对软岩的定义和GB50218-94定义的“工程岩体分级标准”。20世纪90年代默契，由中国院煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术研究推广中心组织专家专题讨论，提出了地质软岩和工程软岩的概念，提出了二者的区别和联系，并建议在软岩工程中应用工程软岩的定义。2.1地质软岩地质软岩在地质学中指强度低、孔隙率大、胶结程度差、受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。该类岩石多为泥岩、夜宴、粉砂岩和泥质砂岩，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将地质软岩定义为单轴抗压强度在0.525MPa之间的岩石
3、，分类依据是岩石的强度指标。可以从以下三个方面标表述地质软岩。（1）成分软岩一般由固体相、液体相和气体相三相组成的多相体系，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要部分，成为“骨架”。在颗粒之间的孔隙中，通常有液体相的水溶液和气体形成三相体，有时只被水或气体充填形成二相体。（2）内部结构从细观结构上描述，软岩微结构具有“松”和“散”的特征。“松”是岩石中在成岩过程中由于原岩急剧冷却，气体大量逸出或受风化作用的影响，使岩石结构疏松、质量减小、孔隙率增大的综合反映。这种岩石在煤矿中较少，一般赋存在浅部，如喷出岩浆火山灰形成的浮石
4、等。“散”是由于岩石在成岩过程中仅是沉积、压紧，而少固结，成岩时间较短造成的。煤矿中新近纪遇水变成流沙的砂岩大都属于此类。（3）力学指标从力学性质上描述软岩，可以用“软”和“弱”两个字作定性概括。“软”是指这类岩石受力作用后容易产生变形，且流变特性十分明显。一般坚硬岩石的弹性模量可以超过50GPa，甚至超过100 GPa，而软岩的弹性模量常常低于15 GPa。此外，软岩容易产生塑性变形，遇水易发生崩解、膨胀和泥化，脱水易风化等。这是工程中最难处理的有代表性的一种岩体。“弱”是指岩石的强度较低，国际岩石力学学会把软岩定义为单轴抗压强度在0.525MPa之间的一类岩石，而硬岩的单轴抗压强度可超过1
5、00MPa以上。地质软岩的定义用于工程实践中会出现一些矛盾，如巷道所处深度足够浅地应力水平足够低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特性；相反，大于25MPa的岩石，如果其所处工程部位足够深，地应力足够高，也可以产生岩石的大变形、大地压和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能正确用于工程实践，故提出了工程软岩的概念。2.2工程软岩目前，国内外普遍认为巷道围岩的稳定性主要取决于围岩应力与围岩强度的相互作用，即围岩的状态。离开巷道工程特征而仅仅依据岩层天然的基本特性松、散、软、弱来确定软岩，显然是不确切的，况且工程岩体的坚硬与软弱是相对的。开采深度大，围岩应力高或工程开挖的范围越大
6、，围岩变形量越大，围岩变形量越大，围岩破坏程度越严重，其稳定性亦越难控制；反之，即使围岩强度很低，但围岩应力也很小，则巷道支护并没有多大难度。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。工程力是指作用在工程岩体是的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著塑性变形是指以塑性变形为主的变形量超过了工程设计的允许变形值并影响了工程的正常使用，包含显著的弹塑性变形、黏弹塑性变形、连续性变形和非连续性变形等；工程岩体是软岩工程研究的主要对象，是巷道开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。该定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力
7、与岩体强度的相互关系。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硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性。对于同种岩体，在较低工程力作用下，则表现为硬岩的小变形特性；在较高水平工程力的作用下，则可能表现为软岩的大变形特性。综上所述，所为软岩应包含三方面的概念：一是岩体的结构和所处的环境，表现为软弱、破碎、松散、高地应力等；二是岩体的物理、化学和力学特性，表现为低强度、流变、风化、膨胀等；三是围岩的工程特征，表现为长期流变，变形量大、来压迅速等，所谓的“难支护”。2.3 地质软岩与工程软岩的关系工程软岩和地质软岩的关系是：当工程荷载相对于地质软岩的强度足够小
8、时，围岩没有产生大的破坏区，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不为工程软岩。只有在工程力作用下围岩产生大破坏区，发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩。在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩也呈现出显著的变形特征，则视其为工程软岩。3.软岩的物理性质、力学性质与工程特性3.1 软岩的物理性质软岩的物理性质包括容重、比重、孔隙率、矿物成分、微结构特征、结构粘结及水理性质等。3.1.1软岩的结构特征通过对我国软弱岩层的粘土矿物分析，其成分主要有四类：高岭石、蒙脱石、伊利石及伊蒙混层矿物。（1）粘土矿物的结构特征高岭石、蒙脱石、伊利石等粘土矿物属于层状或层链状硅酸岩，有两种结构单元类型作为矿
9、物结构的基础：一种是硅氧四面体，另一种是硅氧八面体。高岭石的结构层由一层四面体和一层八面体构成。这种结构具有刚性晶格，阳离子交换量很小，层间不能水化。其水化作用仅靠水分子和晶体外层表面的相互作用进行，晶体结构沿厚度方向并不变化。伊利石和蒙脱石都是两层四面体加八面体构成。蒙脱石构造的明显特征是水和其他极性分子极易进入晶层中，引起晶格沿厚度方向膨胀。蒙脱石具有很强大的离子交换能力，它具有很高的亲水性，遇水泥化、膨胀，强度大大降低。伊利石晶层中间的平衡阳离子主要是钾离子，它的单位晶层比较固定，水和极性分子不易进入层间以致引起膨胀。（2）软弱岩层的微结构特征粘土类岩石的微结构分为5种类型：蜂窝状、骨架
10、状、基质状、絮流状及层流状。蜂窝状结构的特点是疏松、不牢固、孔隙率搞，具有强烈的压缩性，抗压、抗剪强度低。骨架状结构较蜂窝状结构密实一些，其最大的特点是有触变性。具有基质状结构的粘土类岩石在整个无定向的粘土机制中含有无序分不到 粉土粒和沙粒，属于中等密实程度。层流状结构的特征是结构单元按大小具有良好的分选性及岩层里面的高度定向性，具有严重的各向异性。我国煤矿中，年代比较老或者以高岭石、伊利石为主的软弱岩层一般具有絮流或层状结构，而年代比较新或富含蒙脱石矿物的软弱岩层多数具有蜂窝状或骨架状结构。（3）软弱岩层的结构连接软弱岩层的力学性质并不取决于矿物晶体的强度，而在于它们之间的结构力。原始颗粒强
11、度很高，使之发生破坏非常困难，只有矿物颗粒或微集聚体间的相互作用，即结构连接，才是决定软弱岩层强度和变形的本质因素。据分散体系物理、化学、力学的研究成果可知，对粘土类岩石结构连接有重要影响的有磁力、库伦力、分子力、离子静电力、化学力和毛细管力。磁力是由粘土类岩石中的赤铁矿等在颗粒表面形成薄膜产生的，这种力不大。库仑力是由颗粒表面所带静电电荷而产生的，同号相斥、异号相吸。分子力在粘土类岩石中起着很大的作用，其特点是有远距离作用。他受三种类型的相互作用制约：极性分子之间的定向作用；双电极分子电场中非极性分子极化产生的感应作用；在分子和电子相互作用下所产生的分散作用。离子静电力：巷道底板岩层经常是含
12、水的，矿物颗粒与交换离子相互作用即可获得电荷。如果另一个颗粒接近此带电颗粒，则阳离子同时与两个颗粒相互作用，两颗粒之间就会形成离子静电力。化学力：在胶结的粘土类岩石中，由化学价键形成的化学结构连接占优势地位。化学力是近距离作用力，这种结构连接具有很高的能量，接触强度与颗粒晶体结构的强度相似。毛细管力：在三相系的粘土类岩石中应该考虑毛细管弯液面的存在，它可以牵引颗粒，提高它们的连接强度。以分子远距离的相互作用形成凝聚接触；以离子静电力为基础的接触形成过度接触；靠化学键和离子静电力的相互作用形成同相接触。凝聚接触强度低，同相接触强度最高，过度接触强度居中。3.1.2 软岩的水理性质软岩的水理性质一
13、般是指水与软岩作用引起软岩物理状态发生的某些特性，包括岩石的吸水性、水力传导性、软化性、抗冻性、可溶性和膨胀性。对煤矿软岩工程来说，最重要的是软岩的膨胀性和吸水性。由于软岩的矿物成分及微结构特征，造成了它与水的特殊关系，同时软岩内节理裂隙发育，所以水很容易进入软岩内部，引起软化、崩解及膨胀现象，结果导致软岩强度急剧降低。软岩遇水后通常有两种破坏方式：一是软化、碎裂、崩解，但体积基本不增加；二是体积发生膨胀，最终导致软化、松散。（1）含水率岩石的含水率是W是指岩石在天然状态下所含水分的质量与在温度105时烘干至恒重的岩石质量的比值，其计算方法为W=Gw/Grd100% （2-1）式中 Gw岩样中
14、水的质量； Grd烘干至恒重的岩样质量。含水率高是软岩的基本属性之一。根据实验测定，不同时代形成的软岩，其含水特性有很大不同。统计结果表明，经常出现严重失稳的软岩巷道，其岩层的含水率大致为：石炭二叠系软岩W=3%5%，侏罗系软岩W=10%15%，古近系和新近系软岩W=5%15%，第四系软岩W=15%20%。岩石的孔隙率与含水率通常是一致的，因此岩石的含水率反映了岩石中裂隙和孔隙的多少。孔隙率大和含水率高是软岩强度降低的主要原因。（2）软化系数岩石浸水后，引起其强度降低的性质称为水对岩石的软化作用。岩石抵抗水的软化作用的性能主要取决于岩石中亲水性矿物和易溶性矿物的含量以及岩石中孔隙性与微裂隙的发
15、育程度。亲水性或可溶性矿物的含量愈多、岩石中的孔隙和裂隙愈发育，岩石愈易软化，其强度也就降低愈多。水对岩石强度的影响常用软化系数表示，其定义为 =岩石饱水状态的抗压强度/岩石干燥状态的抗压强度由于软岩孔隙、裂隙较多，而且多粘土质组成成分，粘土矿物颗粒较小，其亲水性强。泥岩遇水后，岩石内部增生了大量的微孔隙，这些微孔隙的出现破坏了天然岩样的内部结构体系，使得岩石出现泥化现象。当水贯入软岩的孔隙和裂隙中，细小岩粒的吸附水膜便会增厚，引起软岩的体积膨胀，由于这种体积膨胀是不均匀的，使得软岩内产生不均匀的应力，于是导致了岩石颗粒的碎裂、解体。软岩崩解过程见图3.1。图3.1 软岩崩解过程（3）膨胀蒙脱石与水发生物理化学反应引起软岩膨胀，可是原体积增加50%60%。判别软岩膨胀性的指标有蒙脱石含量及自由膨胀率等。如果在化验粘土质岩石矿物组成时，蒙脱石类矿物含量超过10%15%，自由膨胀率大于40%时，通常就认为属于膨胀性软岩。在这种围岩中掘进巷道就有发生膨胀的危险。岩石的膨胀力是指岩石试件浸水饱和后膨胀所产生的最大内应力，这时试件的含水率即为最终饱和含水率。测试表明，不论是原岩试件还是重塑试件，膨胀力随着膨胀率的增加而明显增大，反之亦然。这说明膨胀率大的岩石，膨胀力也大。膨胀率是岩石分类、判别的可靠指标。岩层吸水膨胀是影响井巷工程稳定性的重要因素，是巷道底鼓的主要原因。3.2软
