大构造区域地下硐室群支护技术.docVIP

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，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强度较低的岩石，(σc)在0.5～25MPa的一类岩石，， ，，25MPa的岩石也不会产生软岩的特性；相反，25MPa的岩石，其工程部位足够深，，，，，， ，，，，，，，，, 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1∶1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，各自形成的水化