紅旗二礦斜井大巷軟巖的性質(zhì)研究

黃小生，杜朝陽

（1.平泉冀東水泥有限責(zé)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(xué)特性試驗

紅旗二礦主斜井巷道與第一聯(lián)絡(luò)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(xué)特性試驗。根據(jù)試驗需求制作巖樣6個，試件的具體規(guī)格見表1。

表1 試件規(guī)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(jié)果見表2、表3。

表2 試驗測定巖石單軸壓縮結(jié)果

表3 試驗測定的巖石抗拉強度和彈性模量

根據(jù)試驗測得泥巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系繪制的泥巖全應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖1、圖2。

圖1 泥巖單軸壓縮試驗全應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖2 泥巖劈裂試驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線

表4 泥巖礦物成分X衍射特征

通過對試驗結(jié)果的計算分析，并結(jié)合泥巖力學(xué)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(fēng)化。

2 軟巖的力學(xué)屬性及工程特性

2.1 軟巖的力學(xué)屬性

通過對軟巖的力學(xué)屬性進行研究分析，得出軟巖力學(xué)屬性的實質(zhì)是存在相對性的，因此根據(jù)其相對性可以將軟巖的力學(xué)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加的載荷小于某一荷載水平時，巖石的變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(dāng)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(chǎn)生了不穩(wěn)定的變形，這一荷載稱為軟巖的臨界荷載，也稱為巖石發(fā)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(dāng)荷載水平大的時候，巖石的屬性表現(xiàn)為硬巖，荷載水平小的時候，巖石的屬性表現(xiàn)為軟巖。

（2）軟化臨界深度。與軟巖臨界荷載相對應(yīng)的是軟化臨界深度。軟化臨界深度對于某一給定礦區(qū)是一個客觀量。當(dāng)?shù)V井的開采深度達到一定的值時，巷道的圍巖產(chǎn)生比較明顯的變形，同時礦井巷道中也會出現(xiàn)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(guān)系〔20〕。軟化臨界荷載和軟化臨界深度是相對應(yīng)的，可以相互轉(zhuǎn)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(jīng)驗公式法和現(xiàn)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(yīng)該與軟化臨界荷載相當(dāng)。經(jīng)驗公式法是通過公式σcs＝KRC來確定兩者的區(qū)別的。式中：RC為巖石單軸抗壓強度，MPa；K為經(jīng)驗系數(shù)，膨脹性軟巖K＝0.3～0.5，高應(yīng)力軟巖K＝0.5～0.7，節(jié)理化軟巖K＝0.4～0.8。

2.2 軟巖工程力學(xué)特性

軟巖能產(chǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)面的特點，這些特點決定了軟巖的工程力學(xué)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(fā)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(yīng)力軟巖可塑性的重要物質(zhì)。

膨脹性根據(jù)巖石所處的外界因素的不同，影響巖石體積發(fā)生變化的因素也不同，巖石的體積發(fā)生變化主要表現(xiàn)為體積的增大。根據(jù)影響巖石發(fā)生膨脹的因素，可以將膨脹性分為：外部膨脹性軟巖、內(nèi)部膨脹性軟巖和應(yīng)力膨脹性軟巖。

低應(yīng)力軟巖、高應(yīng)力軟巖和節(jié)理化軟巖發(fā)生崩解的機理是不一樣的。低應(yīng)力軟巖中的粘土礦物在外部因素影響不統(tǒng)一時容易發(fā)生不均勻的崩解現(xiàn)象；高應(yīng)力軟巖發(fā)生崩解時多是由于巷道受到較大的工程作用力的作用；節(jié)理化軟巖是因為巖石內(nèi)部節(jié)理化發(fā)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(fā)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(wěn)定性。

3 結(jié)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(fēng)化。巖石的單軸抗壓和抗拉試驗，得出該礦軟巖的力學(xué)特性，界定了巷道類型，為數(shù)值模擬和巷道的支護設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。