软岩工程力学23文档格式.docx

1、“松软岩层系松散破碎、软弱、强风化和膨胀性岩层的总称”。（5）1984年12月，在昆明市举行的“煤矿矿山压力名词讨论会”上提出的定义是：“松软岩层是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层”。（6）松软岩层是：“低强度的岩体”。2.1.1.2 指标化定义（1）ISRM（国际岩石力学学会1990，1993）定义：软岩是指单轴抗压强度在0.525MPa的一类岩石。（2）G. Russo（1994）定义：软岩指单轴抗压强度小于17MPa的岩石。（3）抗压强度小于20MPa的岩层称为软岩。（4）c/（H）2的岩层称为软岩（式中 c为单轴抗压

2、强度；为岩石容重；H为深度）。2.1.1.3 工程定义（1）中国矿业大学董方庭教授提出：“松动圈厚度大于1.5m的围岩，称为软岩”。（2）中国矿业大学鹿守敏教授指出：“围岩松动圈大于1.5m，并且用常规支护不能适应的围岩称为软岩”。（3）松软岩层是指“难支护的围岩”，或“多次支护，需要重复翻修的围岩”。此外，对于软岩的概念还进行过研究的国外学者有：Coates （1964），Deer & Miller （1966），Brock & Franklin （1972），Jennings （1973），Bieniawski （1973），Eigenbrod （1974），Morgenston （197

3、4），Barla （1990），Sciotti （1990），Cerici （1992），E. Holk （1993）。由此可见，国内外对于软岩的定义尚不能统一，严重阻碍了软岩的学术交流和研究的深入。作为软岩的定义应抽象出前述各家定义的共性规律，抽象出软岩的本质特征，力求简明扼要并反映软岩的实质性规律。何满潮在充分研究前人关于软岩概念的基础上，提出了新的软岩概念及其分类体系35-39。2.1.2 地质软岩的概念为了便于理论研究和工程应用，将软岩分为地质软岩和工程软岩分别予以定义。目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差

4、、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层（煤矿矿山压力名词讨论会，昆明，1984.12），该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度（c）在0.525MPa之间的一类岩石，其分类依据基本上是依据岩石的强度指标。国际岩石力学学会的软岩定义用于工程实践中会出现一些矛盾。如巷道所处深度足够的浅，地应力水平足够的低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，大于25MPa的岩石，其工程部位所处的深度足够的深，地应力水平足够的高，也可以产

5、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，故而提出了工程软岩的概念。2.1.3 工程软岩的概念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，那么本文定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所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立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质，即工程软岩要满足的条件是： （2-1）式中 工程荷载，MPa；工程岩体强度，MPa；U巷道变形，mm；U巷道允许变形，mm。该定义的主题词是工程力、显著塑性变形和工程岩体。工程岩体是软岩工程研究的主要对象

6、，是巷道开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征。工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等。显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值，并影响了工程的正常使用。显著塑性变形包含显著的弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；而对同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的小变形特性，在较高工程

7、力的作用下则可能表现为软岩的大变形特性。2.1.4 工程软岩和地质软岩的关系工程软岩和地质软岩的关系：当工程荷载相对于地质软岩（如泥页岩等）的强度足够小时，地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩；在大深度、高应力作用下，部分地质硬岩（如泥质胶结砂岩等）也呈现了显著变形特征，则应视其为工程软岩。2.2 软岩的基本力学属性软岩有两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度（何满潮，1993）。它揭示了软岩的相对性实质。2.2.1 软化临界荷载软岩的蠕变试验表明，当所施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变

8、曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于某一荷载水平时，岩石呈现明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形，这一荷载称为软岩的软化临界荷载，亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。岩石种类一定时，其软化临界荷载是客观存在的。当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，该岩石属于硬岩范畴；当岩石所受的荷载水平高于该岩石的软化临界荷载时，则该岩石表现出软岩的大变形特性，此时的岩石被视为软岩。2.2.2 软化临界深度与软化临界荷载相对应地存在着软化临界深度。对特定矿区，软化临界深度也是一个客观量。当巷道位置大于某一开采深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象；但当巷道位置较浅，即

9、小于某一深度时，大变形、大地压现象明显消失。这一临界深度，称之为岩石软化临界深度。软化临界深度的地应力水平大致相当于软化临界荷载。2.2.3 软岩两个基本属性之间的关系软化临界荷载和软化临界深度可以相互推求，在无构造残余应力矿区，其公式为： （2-2） （2-3）在构造应力或其它附加应力均存在的矿区，其公式为： （2-4） （2-5）式中 Hcs软化临界深度，m； cs软化临界荷载，MPa；残余构造应力，MPa；j=1构造残余应力；j=2膨胀应力；j=3动载荷附加应力；i上覆岩层第i岩层容重t/m3；H上覆岩层总厚度，m；hi上覆岩层第i层厚度，m；N上覆岩层层数。2.2.4 软化临界荷载与软

10、化临界深度的确定方法由于软化临界荷载与软化临界深度是相对应的，只要确定了其中一个，即可相互求出，确定的方法有：2.2.4.1 蠕变实验法在实验中，通过岩石蠕变力学试验测定出各岩石的长期强度，此值大致相当于软化临界荷载。2.2.4.2 经验公式法计算公式为：cs=KRc式中 Rc岩石单轴抗压强度，MPa；K经验系数，膨胀性软岩K=0.30.5，高应力软岩K=0.50.7，节理化软岩K=0.40.8。2.2.4.3 现场观察法围岩开始产生显著变形的埋深即为岩石的软化临界深度。2.3 软岩的工程分类体系2.3.1 软岩矿井分类在煤矿开发之前，能够科学地判定是否属于软岩矿井，对于准确地实施合理设计极为

11、重要。根据实践摸索和理论研究，提出根据软岩临界深度（Hcs）指标判别软岩矿井的方案。根据软化临界深度，将矿井分为三类，一般矿井、准软岩矿井和软岩矿井。各种矿井的力学工作状态是不同的，因而其设计对策也有所不同，如表2-1所示。一般矿井的巷道围岩是弹性工作状态，常规设计即可奏效。表2-1 软岩矿井的界定及设计对策软岩分类分类指标工程力学状态支护设计一般矿井H1.2Hcs塑性、流变性全断面实施软岩支护设计注：Hcs软化临界深度，m；H巷道所处的埋深，m。进入软岩工作状态的矿井，并不表征所有岩层进入软岩状态，而是局部某些岩层首先进入了软岩状态，其余岩层尚属于硬岩状态，故优选岩层十分重要。进入了软岩状态

12、的矿井，要区分准软岩和软岩两种状态。准软岩状态是指巷道围岩局部（如曲率变化最大处）进入塑性状态；软岩状态则是指整个巷道围岩全部进入塑性或流变状态。对于准软岩矿井，其工作状态是弹塑性（局部塑性）工作状态，其设计对策可采取两种：（1）仍采用常规设计，但要经过13次返修即可达到稳定；（2）在常规设计的基础上，对局部塑性区（两底角或底部处理）予以加固，即可一次成巷，不用返修。对于软岩矿井，常规设计绝不能奏效，返修多次也不会稳定，越返修，其稳定状态越不好，必须严格按照软岩工程力学的理论和支护对策进行设计，才能收到事半功倍的效果。2.3.2 软岩分类与分级进入软岩状态的矿井，其软岩种类是不同的，其强度特性

13、、泥质含量、结构面特点及其塑性变形力学特点差异很大。根据上述特性的差异及产生显著塑性变形的机理，软岩可分为四大类，即膨胀性软岩（也称低强度软岩）、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩，见表2-2。表2-2 软岩分类软岩名称泥质成分含量塑性变形特点膨胀性软岩 （低强度软岩）25%在工程力作用下，沿片架状硅酸盐粘土矿物产生滑移，遇水显著膨胀等。高应力软岩c25MPa遇水发生少许膨胀，在高应力状态下，沿片架状粘土矿物发生滑移。节理化软岩c25MPa沿节理等结构面产生滑移、扩容等塑性变形。复合型软岩具有上述某种组合的复合型机理。2.3.2.1 膨胀性软岩的分级膨胀性软岩（Swelling Soft Rock，简称S型），系指含有粘土高膨胀性矿物在较低应力水平（25MPa）条件下即发生显著变形的低强度