軟巖工程力學(xué)r-5

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1、1755軟巖工程穩(wěn)定性控制理論5軟巖工程穩(wěn)定性控制理論軟巖工程穩(wěn)定性控制問題一直是困擾著我國煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的重大問題之一，隨著開采深度的增加和地質(zhì)條件漸趨復(fù)雜，軟巖巷道支護(hù)問題愈趨嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者對這一問題一直非常關(guān)注，形成了一些各具特色的理論與方法，為解決軟巖工程問題做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)。但是，長期以來，軟巖巷道支護(hù)研究一直沒能改變傳統(tǒng)的從支護(hù)形式入手的思路。軟巖巷道支護(hù)研究應(yīng)從工程地質(zhì)分析和軟巖的概念及其分類入手，弄清其變形力學(xué)機(jī)制及非線性變形規(guī)律，抓住支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)施有效的轉(zhuǎn)化及巷道設(shè)計優(yōu)化，才能取得成

2、功的支護(hù)效果，從根本上解決軟巖巷道支護(hù)問題，進(jìn)而建立與之適應(yīng)的、全新的軟巖巷道支護(hù)理論、設(shè)計方法和支護(hù)技術(shù)體系。5.1軟巖變形力學(xué)機(jī)制軟巖工程變形、破壞和失穩(wěn)的原因是多方面的，但其根本原因是其具有復(fù)雜的變形力學(xué)機(jī)制[76-81]。根據(jù)理論分析和大量的工程實(shí)踐，初步將軟巖的變形力學(xué)機(jī)制歸納為3大類，即物化膨脹類、應(yīng)力擴(kuò)容型類和結(jié)構(gòu)變形類。各類中又依據(jù)引起變形的嚴(yán)重程度分為A、B、C、D四個等級，共十三亞類，如圖5-1所示。顯然，I類機(jī)制與軟巖本身分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)特性有關(guān)，II類機(jī)制與力源有關(guān)，III類機(jī)制則是硐

3、室結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)構(gòu)面的組合特性有關(guān)。這三類機(jī)制基本概括了軟巖膨脹變形的主要動因。1755軟巖工程穩(wěn)定性控制理論IA型：分子吸水膨脹機(jī)制IAB型：分子吸水膨脹＋膠體膨脹IB型：膠體膨脹機(jī)制IC型：微裂隙膨脹機(jī)制IIA型：構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制IIB型：重力機(jī)制IIC型：水力機(jī)制IID型：工程偏應(yīng)力機(jī)制IIIAA斷層走向型(硐向與斷層走向夾角0°~30°)IIIAB斷層斜交型(硐向與斷層走向夾角30°~60°)IIIAC斷層傾向型(硐向與斷層走向夾角60°~90°)IIIBA弱層走向型(硐向與軟弱夾層夾角0°~30°)II

4、IBA弱層斜交型(硐向與軟弱夾層夾角30°~60°)IIIBA弱層傾向型(洞向與軟弱夾層夾角60°~90°)IIICA層理走向型(硐向與層理走向夾角0°~30°)IIICB層理斜交型(硐向與層理走向夾角30°~60°)IIICC層理傾向型(洞向與層理走向夾角60°~90°)軟巖變形力學(xué)機(jī)制III型(結(jié)構(gòu)變形型)I型(物化膨脹型)II型(應(yīng)力擴(kuò)容型)IIIA型(斷層型)IIIB型(軟弱夾層型)IIIC(層理型)IIID型(優(yōu)勢節(jié)理型)IIIDA節(jié)理走向型(硐向與節(jié)理走向夾角0°~30°)IIIDB節(jié)理斜交型(

5、硐向與節(jié)理走向夾角30°~60°)IIIDC節(jié)理傾向型(洞向與節(jié)理走向夾角60°~90°)IIIE隨機(jī)節(jié)理型圖5-1軟巖巷道變形力學(xué)機(jī)制及分類5.1.1物化膨脹型變形力學(xué)機(jī)制5.1.1.1分子膨脹機(jī)制含有蒙脫石和伊/蒙混層礦物的泥質(zhì)巖類的膨脹性頗為顯著，這種膨脹性與蒙脫石的分子結(jié)構(gòu)特征關(guān)系十分密切，因此也可將這種膨脹機(jī)制稱為蒙脫石型膨脹機(jī)制。蒙脫石的晶體是由很多相互平行的晶胞組成，每個晶胞厚度約14?，有三層，上層和下層為Si-O四面體，中間夾一層Al-O-OH八面體，如圖5-21755軟巖工程穩(wěn)定性控制理

6、論所示。其最大特點(diǎn)是每個晶胞中四面體和八面體數(shù)量之比為2:1；晶胞與晶胞之間以O(shè)-2接觸，故不夠緊密，可以吸收無定量的水分子，因而結(jié)構(gòu)格架活動性大，親水性強(qiáng)，晶胞之間的Al3+可被Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+等離子取代而形成蒙棉絮狀云朵狀蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)特征變形力學(xué)機(jī)制u內(nèi)膨機(jī)制(分子膨脹)u外膨機(jī)制(膠體膨脹)圖5-2蒙脫石膨脹機(jī)制脫石組各種不同的礦物。若為兩價離子所取代，則在格架中出現(xiàn)多余的游離原子價，提高了吸附能力，有助于增強(qiáng)晶胞間的連接力。由于上述特性，蒙脫石組礦物具有吸水能力強(qiáng)，使體積大大

7、膨脹，甚至使相鄰晶胞失去連接力的特性。1755軟巖工程穩(wěn)定性控制理論由于蒙脫石的相鄰晶胞具同號電荷，因而具有斥力，活動性大。另一方面，晶胞之間的沸石水也有一些反離子(圖5-2)。當(dāng)泥巖遇水后，其中的蒙脫石晶胞之間沸石水的一部分反離子逸出，使吸引力減小，水分子擠入，晶胞間距加大，使礦物顆粒本身急劇膨脹。另外，礦物顆粒之間的結(jié)合水膜也增厚，這屬于膠體膨脹力學(xué)機(jī)制。由于蒙脫石具有遇水后顆粒內(nèi)部晶胞間距劇增和粒間結(jié)構(gòu)水膜加厚兩種膨脹機(jī)制，所以其膨脹量在粘土礦物中是最大的。據(jù)測定，Ca蒙脫石可膨脹到原體積的7倍多(N

8、orrish，1954)。不僅蒙脫石具有上述晶粒內(nèi)部膨脹機(jī)制，而且伊/蒙混層礦物、伊利石礦物也具有這種膨脹特性，只是伊利石的三層結(jié)構(gòu)中的SiO2比蒙脫石少一些。其上、下兩層Si-O四面體中的Si4+可以被Al3+、Fe3+所取代，因而游離原子價與蒙脫石不同，在相鄰晶胞間可出現(xiàn)較多的一價正離子，有時甚至有二價正離子，以補(bǔ)償晶胞中正電荷之不足。在軟巖中，常見一價K離子。故伊利石結(jié)晶格架活動性比蒙脫石小，親水性也低一些