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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“结构疏松，强度低，
2、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。地质软岩是指单轴抗压强度小于是指单轴抗压强度小于25MPa25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。的松散、破碎、软弱及风化膨胀性一类岩体的总称。 该类
3、岩石为泥岩、页岩、粉砂岩、红土地层和泥质岩石等强度较低的岩石，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(c)在0.525MPa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。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
4、义不仅重视软岩的强度特性， 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。 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。 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
5、水后岩体收缩，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。特殊性，形成了红层软岩体原生结构特
6、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。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
7、体和中间一层铝氧八面体构成的 21 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
8、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。由于蒙脱石具有遇水后颗粒内部晶胞间距剧增和颗粒间结合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，其上下两层硅氧四面体中的 Si 可以被 Al、Fe 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，有时甚至二价正离子，以补偿晶胞中正电荷之不足。故伊利石结晶格架活动性比蒙脱石小，晶粒内部膨胀也弱些。（2）胶体膨胀机制有些软
9、岩并不含蒙脱石、伊蒙混层矿物和伊利石矿物，却也具有膨胀性。例如粘粒成分为高岭石、腐植质和难溶盐等时也具有一定的膨胀性，现仅以高岭石为例说明其膨胀机制。高岭石的结晶格架也是由互相平行的晶胞组成，属 11 型硅酸盐矿物。其晶胞之间是通过 O2-与 OH-连接，连结力较强，不允许水分子进入晶胞之间。所以它不具有晶格内部膨胀特性。尽管如此，但由于高岭石通常以粘粒形式出现，这种粘粒为准胶体颗粒，具有胶体的特性，因而在其周围可以形成一层很厚的水化膜吸附层。事实上，这种特性并非矿物独有，只要粒径小于 0.002mm，则均具有这种吸附特性。软岩一般是泥质岩类，基本是粘粒的集合体。相邻的粘粒比较靠近时，各自形成
10、的水化膜会有一部分重叠起来而形成公共水化膜。当各自水化膜加厚，公共水化膜消失，水胶连结力消失，软岩产生膨胀而进入塑性；若各自水化膜变薄，公共水化膜形成，水胶连结可使软岩变得相当坚硬。这就是现场见到的干软岩十分坚硬之原因。软岩遇水膨胀（胶体膨胀机制）的过程，可称为软岩胶体膨胀模式。固体状态的软岩粘粒周围有公共强结合水化膜，故其硬度很大；吸水后，公共强结合水化膜逐渐消失，粘粒的弱结合水膜加厚而出现公共结合水膜，这时软岩体积增大而变成塑性状态；当粘粒进一步吸水膨胀，公共弱结合水膜随水膜加厚并趋于消失或完全消失，代之出现了粘粒之间的自由水，这时软岩体积进一步增大而进入平时所见的粘流状态和液流状态。（3
11、）毛细膨胀机制软岩的空隙颇为发育，如广西那龙二号井软岩空隙度为 3.827.3%，空隙比为0.3130.394。每克干样品的空隙体积为 109.96140.29mm3。这些空隙包括裂隙和孔隙两种。由于大量孔隙和裂隙的存在和水的表面张力，产生毛细压力，使地下水通过软岩的微小空隙通道吸入。其上升的高度和速度决定于土的孔隙、有效粒径、空隙中吸附空气和水的性质以及温度等。据文献试验数据，卵石的毛细高度为零至几厘米。砂土为数十厘米，而粘土（相当于泥质软岩）则可达数百厘米。因此，在整个毛细带内，事实上为软岩的进一步化学膨胀和胶体膨胀准备了条件。正是由于这种毛细作用，才使水通过毛细空隙向各方向运动。（4）构
12、造应力扩容机制在地质历史时期，煤系地层经历了多期地质构造应力场的作用，岩层本身以弹性变形的形式储存了变形能。一旦地层中掘进巷道而挖空，这些变形能将以变形的形式向相邻空区释放，宏观上表现出岩层的扩容膨胀。另一方面，岩层在巷道成形时应力状态从三维向二维发生转变，在构造应力作用下，又极易发生破坏而产生非线弹塑性变形，这是一种与时间有关的变形。这种变形往往导致软岩支护的宏观破坏。其特征是方向性破坏明显，破坏程度与深度无关。构造应力一般以水平构造应力为主，在构造应力显著地区，巷道两帮的破坏往往颇为明显。（5）水胀机制水的作用可分为两部分，即力学作用和物理化学作用。水的力学作用又分静水压力作用和动水压力作
13、用。 当在含水岩层中开挖巷道时，围岩稳定性首先受到含水层地下水泄出的影响，作为一种动水压力作用使支护（如喷层）难度增大。而一旦支护体形成，又作为静水压力作用用于支护体，增加支护体变形和破坏的可能性。另一方面，地下水的泄出，增加了与泥质软岩接触的机会，使泥质软岩中的具有膨胀潜能的矿物剧烈膨胀，其机制是前面讨论过的晶粒化学膨胀机制和粘粒胶体膨胀机制。（6）重力扩容机制有些软岩巷道的变形破坏明显表现出与深度有关而与方向无前的特点。即在开挖浅部巷道时，按常规支护形式，巷道变形不很明显；当开挖到深部巷道时，变形破坏变得严重起来，而破坏的方向性不甚明显。这些特征往往是重力机制起作用的扩容膨胀。如广西那龙煤
14、矿二号井即具上述特点，在开挖 B8煤层巷道（深度 170m）时，采用直墙半圆拱支护形式，未出现破坏性变形；当开拓 A3煤巷道时（深度 280m） ，则变形破坏十分严重，屡支屡坏。（7）工程偏应力扩容机制巷道围岩在开挖后应力状态发生了较大改变，切向正应力发生在岩壁附近，出现局部集中现象，愈远则愈接近于原岩应力状态。弹性理论表明，此时巷道围岩中任一点的应力状态可分解为球形应力张量和偏应力张量两部分。球应力张量不引起形变，它是一种三向均压状态；偏应力张量引起巷道围岩的变形破坏。因此工程开挖引起的偏应力局部集中是软岩巷道变形破坏的主要原因之一。其特点是与开挖的断面、巷道密度和交叉方式有前。巷道布置得，
15、切割愈密，则其工程偏应力集中愈明显，支护亦越困难。（8）结构面变形机制有时不同巷道通过同一岩层，顺层的巷道破坏甚为严重，穿层的巷道破坏较轻微。这实际上是受结构面的影响而呈现变形各向异性特征。特别是岩层中发育有软弱夹层时尤为如此。综上所述，引起软岩巷道变形的力学原因有 8 种。但详细考究，可划分为三大类，即化学膨胀类、应力扩容类和结构变形类。各类中又依据引起变形的严重程度分为A、B、C、D 等级。红层含蒙脱石，具有红层含蒙脱石，具有晶粒膨胀机制；晶粒膨胀机制；吸水后岩体膨胀，具有吸水后岩体膨胀，具有水胀机制；位于大的水胀机制；位于大的地质构造内地质构造内，具有构造应力扩容机制。因此，本研究区域的
16、红土变形力学原因划分为，具有构造应力扩容机制。因此，本研究区域的红土变形力学原因划分为化学膨胀类、应力扩容类的变形机制。化学膨胀类、应力扩容类的变形机制。3 软岩巷道支护的经验教训软岩巷道支护问题开始仅在褐煤田矿井比较严重。直到两淮矿区建设中出现严重的巷道支护问题，才引起普遍关注。软岩支护应该汲取以下经验教训：（1）单纯提高支护刚度得不偿失软岩巷道中，因巷道变形严重，支护不久就遭到破坏，经常出现前掘后翻的局面。此时一般的做法是不断提高支护刚度，增加支护成本，而取得的效果却是微不足道的。如梅河三井，料石碹采用 3 层半料石，砌碹厚度达 1.225m，仍未阻止围岩的严重变形和支护体失效；金川矿区井底车场巷道，现浇混凝土支护用重轨作筋，发碹厚度达1.5m，同样遭致严重破坏；淮南潘集二矿，巷道支护采用西德进口 36kg/m 的 U 型钢每米 3 架支护，成本高达 1.22.6 万元/m，仍造成 U 型钢压扁、裂开等破坏，反复翻修。大量经验表明，对软岩与极软岩巷道，单纯提高支护刚度，采取以刚克刚的方法是错误的，其结果支护费用巨大，但支护效果却不理想，巷道不得不多次
