紅旗二礦斜井大巷軟巖的性質研究

黃小生，杜朝陽

（1.平泉冀東水泥有限責任公司，河北 承德067503；2.平煤股份十礦，河南 平頂山467000）

1 斜井大巷軟巖物理力學特性試驗

紅旗二礦主斜井巷道與第一聯絡巷向下的巷道中進行圍巖取樣，利用X衍射對巖樣進行礦物成分分析，并對巖樣進行力學特性試驗。根據試驗需求制作巖樣6個，試件的具體規格見表1。

表1 試件規格

對兩組試件分別進行巖石抗壓和抗拉試驗，巖石破壞后的測定結果見表2、表3。

表2 試驗測定巖石單軸壓縮結果

表3 試驗測定的巖石抗拉強度和彈性模量

根據試驗測得泥巖應力應變關系繪制的泥巖全應力—應變曲線見圖1、圖2。

圖1 泥巖單軸壓縮試驗全應力－應變曲線

圖2 泥巖劈裂試驗應力－應變曲線

表4 泥巖礦物成分X衍射特征

通過對試驗結果的計算分析，并結合泥巖力學特性，得出軟巖的抗壓強度平均為20MPa左右，抗拉強度平均為4MPa左右。

采用X射線衍射儀在常溫常壓、濕度為60%下，對巖樣進行X衍射分析，得到泥巖衍射圖譜特征曲線（見圖3）。泥巖礦物成分X衍射特征見表4。

圖3 泥巖衍射圖譜特征曲線

通過JCPDS物相分析法，對泥巖的礦物成分進行分析，得到泥巖的成分為蒙脫石50%、高嶺石22%、白云石17%、石英以及其它礦物占11%，這類巖石強度低，遇水容易水解并且比較容易風化。

2 軟巖的力學屬性及工程特性

2.1 軟巖的力學屬性

通過對軟巖的力學屬性進行研究分析，得出軟巖力學屬性的實質是存在相對性的，因此根據其相對性可以將軟巖的力學屬性分為軟化臨界荷載和軟化臨界深度。

（1）軟化臨界荷載。通過對軟巖進行蠕變試驗，可以發現，當施加的載荷小于某一荷載水平時，巖石的變形處于穩定狀態，巖石的蠕變處于某一固定的變形值，該值不會隨著時間的變化而變化；同時當施加的載荷大于某一特定水平時，巖石的塑形變形速度明顯增加，即產生了不穩定的變形，這一荷載稱為軟巖的臨界荷載，也稱為巖石發生明顯變形的最小荷載。

工程實踐研究表明，對于同一類巖石，軟巖臨界荷載是客觀存在的，巖石的屬性取決于所受荷載水平與臨界荷載的水平的大小，當荷載水平大的時候，巖石的屬性表現為硬巖，荷載水平小的時候，巖石的屬性表現為軟巖。

（2）軟化臨界深度。與軟巖臨界荷載相對應的是軟化臨界深度。軟化臨界深度對于某一給定礦區是一個客觀量。當礦井的開采深度達到一定的值時，巷道的圍巖產生比較明顯的變形，同時礦井巷道中也會出現地壓高、支護難的情況；但隨著礦井巷道開采深度的降低，軟巖巷道變形大、地壓高等特征也會隨之消失。于是定義這一臨界深度為巖石的軟化臨界深度。

（3）軟化臨界荷載和軟化臨界深度之間的關系〔20〕。軟化臨界荷載和軟化臨界深度是相對應的，可以相互轉換，只要知道它們其中的一個，可以通過計算得到另一個。具體的方法有：蠕變試驗法、經驗公式法和現場觀測法。蠕變試驗法是通過試驗，測定出巖石的長期強度，這個強度的值應該與軟化臨界荷載相當。經驗公式法是通過公式σcs＝KRC來確定兩者的區別的。式中：RC為巖石單軸抗壓強度，MPa；K為經驗系數，膨脹性軟巖K＝0.3～0.5，高應力軟巖K＝0.5～0.7，節理化軟巖K＝0.4～0.8。

2.2 軟巖工程力學特性

軟巖能產生顯著的塑形變形取決于軟巖中的粘土礦物成分和巖石內部結構面的特點，這些特點決定了軟巖的工程力學特性，同時這些特性決定了軟巖具有以下特點：可塑性、吸水膨脹性、遇水易崩解性、觸變性和離子交換性。

可塑性是在工程力的作用下軟巖發生不可逆的變形。不同的軟巖的可塑性機理是不一樣的，軟巖中的粘土礦物吸水特性是引起低應力軟巖可塑性的重要物質。

膨脹性根據巖石所處的外界因素的不同，影響巖石體積發生變化的因素也不同，巖石的體積發生變化主要表現為體積的增大。根據影響巖石發生膨脹的因素，可以將膨脹性分為：外部膨脹性軟巖、內部膨脹性軟巖和應力膨脹性軟巖。

低應力軟巖、高應力軟巖和節理化軟巖發生崩解的機理是不一樣的。低應力軟巖中的粘土礦物在外部因素影響不統一時容易發生不均勻的崩解現象；高應力軟巖發生崩解時多是由于巷道受到較大的工程作用力的作用；節理化軟巖是因為巖石內部節理化發育，容易引起巖石崩解。

流變性又稱為粘性，是指巖體在受到外力的作用下，巖石的變形隨時間的改變而發生變化。

易擾動性是指由于軟巖在受到外界因素影響，其抗干擾能力極差，從而影響巷道的穩定性。

3 結語

通過對該斜井巷道的巖樣進行巖石的X射線衍射試驗，得到泥巖的成分為蒙脫石50%、高嶺石22%、白云石17%、石英以及其它礦物占11%，這類巖石強度低，遇水容易水解并且比較容易風化。巖石的單軸抗壓和抗拉試驗，得出該礦軟巖的力學特性，界定了巷道類型，為數值模擬和巷道的支護設計提供了可靠的依據。