錨噴支護(hù)條件下膨脹巖巷道穩(wěn)定性研究

常寶孟 韓 斌 李 濤 趙金田

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

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錨噴支護(hù)條件下膨脹巖巷道穩(wěn)定性研究

常寶孟 韓 斌 李 濤 趙金田

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

采用側(cè)限膨脹率試驗(yàn)對(duì)某鉬礦礦巖的膨脹特性進(jìn)行研究，分析了膨脹巖巷道易膨脹變形的原因，基于莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)軸對(duì)稱膨脹巖圓巷進(jìn)行彈塑性分析，提出濕噴+樹(shù)脂錨桿+鋼拱架支護(hù)手段，并對(duì)巷道收斂變形及周邊圍巖移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果表明:支護(hù)力p1越小，膨脹力σs越大，則塑性區(qū)半徑R0越大，膨脹巖巷道越不穩(wěn)定；濕噴+樹(shù)脂錨桿+鋼拱架支護(hù)能有效控制膨脹巖巷道變形并大幅降低支護(hù)成本。研究成果為同類或相近條件下的膨脹巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

膨脹巖 錨噴支護(hù) 樹(shù)脂錨桿

膨脹巖為與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，引起巖石含水量隨時(shí)間增加、體積增大的一類不良工程巖體[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)膨脹巖巷道的支護(hù)維修工作十分困難且耗資巨大，一直是影響我國(guó)礦山生產(chǎn)建設(shè)的重大技術(shù)難題之一。膨脹巖巷道支護(hù)問(wèn)題的主要特征為大變形、大地壓、難支護(hù)，具體表現(xiàn)為膨脹巖巷道的大變形具有明顯的蠕變特征，初期來(lái)壓快，變形量大[4-7]；巷道開(kāi)挖后，不但頂板在大地壓下易發(fā)生變形冒落情況，而且底板也產(chǎn)生強(qiáng)烈底鼓現(xiàn)象；巷道在膨脹應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力等交互作用下，具有明顯的方向性，并與具體的施工措施有關(guān)[8-10]。從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面分析膨脹巖巷道失穩(wěn)原因，內(nèi)因?yàn)榕蛎泿r遇水膨脹率高，易發(fā)生遇水泥化、崩解現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖的自承能力迅速下降，產(chǎn)生極大的變形地壓，另外，膨脹巖巷道開(kāi)挖后二次應(yīng)力分布不均，易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象[11]，因而對(duì)鋼拱架及現(xiàn)澆筑混凝土等支護(hù)手段造成破壞、發(fā)生失穩(wěn)；外因主要為現(xiàn)用支護(hù)形式不合理，不能有效控制膨脹巖的松動(dòng)變形，從而造成失穩(wěn)[12]。

通過(guò)側(cè)限膨脹率試驗(yàn)等方式對(duì)膨脹巖的膨脹特性進(jìn)行研究，基于莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)軸對(duì)稱膨脹巖圓巷進(jìn)行彈塑性分析，結(jié)合工程實(shí)例采用濕噴+樹(shù)脂錨桿+鋼拱架高強(qiáng)度的主動(dòng)支護(hù)方式，形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)，可最大限度地發(fā)揮圍巖自承作用，顯著提高膨脹巖巷道的穩(wěn)定性。

1 巖石膨脹特性試驗(yàn)

某鉬礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦巖性質(zhì)受地下水影響較大。為對(duì)其巷道圍巖的膨脹特性進(jìn)行研究，分別在2 480，2 570及2 670 m水平巷道取得蝕變角巖、致密花崗斑巖、蝕變花崗斑巖巖樣進(jìn)行試驗(yàn)。為便于試驗(yàn)，分別將蝕變角巖、致密花崗斑巖、蝕變花崗斑巖標(biāo)號(hào)為A、B、C，其巖樣物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖樣物理性質(zhì)參數(shù)

除測(cè)得巖樣自由膨脹率外，還進(jìn)行側(cè)限膨脹率試驗(yàn)，對(duì)在有側(cè)限條件下巖樣浸水后所發(fā)生的單向膨脹變形進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)加載條件，膨脹率試驗(yàn)可分為無(wú)荷載和有荷載兩種情況，本次試驗(yàn)采用的是無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方法為：首先將具有原狀結(jié)構(gòu)的巖石切制成直徑61.8 mm、高20.0 mm的帶環(huán)刀試樣；再將試樣裝入固結(jié)儀中，注入純水，使水面始終高出試樣5 mm，記錄注水時(shí)間，按5，15，30 min；1，2，4，6 h…測(cè)記量表讀數(shù)，直至6 h變形量不超過(guò)0.01 mm時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)分3組進(jìn)行，每組測(cè)3個(gè)試樣。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 各巖樣膨脹率的時(shí)間關(guān)系曲線

從圖1中可看出，A試樣(蝕變角巖)平均膨脹率為1.96%，在2 h膨脹完畢；B試樣(致密花崗斑巖)平均膨脹率為1.41%，在1 h內(nèi)膨脹完畢；C試樣(蝕變花崗斑巖)平均膨脹率11.60%，在2 h內(nèi)基本膨脹完畢。由側(cè)限膨脹率試驗(yàn)可以得出，不同地區(qū)的花崗斑巖體的側(cè)限膨脹率不盡相同，其中以蝕變花崗斑巖的最大，蝕變角巖次之，致密花崗斑巖的最小，且花崗斑巖的側(cè)限膨脹率為1.27%～12.90%。根據(jù)膨脹巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]，知蝕變花崗斑巖為強(qiáng)膨脹巖，蝕變角巖與致密花崗斑巖為弱膨脹巖。

由于蝕變花崗斑巖等膨脹巖含蒙脫石等膨脹性礦物成分，吸水后易發(fā)生膨脹，所以在對(duì)膨脹巖巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)，要考慮到膨脹效應(yīng)對(duì)支護(hù)力的影響。

2 軸對(duì)稱膨脹巖圓巷彈塑性分析

巷道開(kāi)挖后，若圍巖應(yīng)力超過(guò)巖體的屈服極限，則圍巖呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，處于塑性狀態(tài)的巖體范圍為塑性區(qū)[15]。下面對(duì)軸對(duì)稱膨脹巖圓巷巖體處于彈塑性狀態(tài)下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析(圖2)。

圖2 塑性區(qū)計(jì)算簡(jiǎn)圖[15]

2.1 基本假設(shè)

深埋圓形平巷、無(wú)限長(zhǎng)；原巖應(yīng)力各向等壓；圍巖為具有膨脹性的彈塑性體。

2.2 基本方程

彈性區(qū)：積分常數(shù)待定的彈性應(yīng)力解為

(1)

塑性區(qū)：軸對(duì)稱問(wèn)題的平衡方程為

(2)

莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則方程

(3)

2.3 邊界條件

彈性區(qū)：外邊界r→，σr=σθ=p0。

內(nèi)邊界(彈塑性區(qū)交界面)：r=R0(塑性區(qū)半徑)

(4)

塑性區(qū)：外邊界(彈塑性區(qū)交界面)

(5)

式中，e、p分別為彈、塑性區(qū)的參數(shù)量。

內(nèi)邊界r=r0，σr=0(不支護(hù))。

(6)

式中，p1、σs分別為支護(hù)力和膨脹力。

2.4 求解計(jì)算

由式(1)和塑性區(qū)外邊界條件，得

(7)

由式(2)和式(3)聯(lián)解，并用塑性內(nèi)邊界有支護(hù)的邊界條件確定積分常數(shù)，解得有支護(hù)力情況下的彈性區(qū)應(yīng)力為

(8)

塑性區(qū)應(yīng)力為

(9)

塑性區(qū)半徑為

(10)

式(8)描述了支護(hù)力p1與塑性區(qū)半徑R0的關(guān)系。由此可知，支護(hù)力p1越小，膨脹力σs越大，則塑性區(qū)半徑R0越大，巷道就越不穩(wěn)定。濕噴混凝土與樹(shù)脂錨桿支護(hù)，相較干噴混凝土及管縫式錨桿等其他手段的支護(hù)強(qiáng)度更高，支護(hù)力更大，所以能有效減小塑性區(qū)半徑，維持膨脹巖巷道穩(wěn)定。

3 工程應(yīng)用

某鉬礦礦體和圍巖層理及節(jié)理裂隙發(fā)育，細(xì)小裂隙、節(jié)理、斷層縱橫交錯(cuò)，往往形成地表滲透水的通道。礦體頂部主要為第四系坡積物(Q)、奧陶系(O)和志留系(S)黃色黏沙巖，礦巖主要為花崗斑巖及角巖，蝕變強(qiáng)烈，加上地下水的作用，礦巖遇水膨脹變形、泥化崩解。采礦方法為自然崩落法，主要支護(hù)類型為鋼拱架支護(hù)和木支護(hù)。由于采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)受到放礦過(guò)程中動(dòng)載荷及圍巖膨脹的影響，巷道變形嚴(yán)重。巷道主要破壞形式為頂板下沉，側(cè)幫內(nèi)擠，底板鼓起。發(fā)生破壞的地段主要是在斷層破碎帶及采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)巷道中，因而選擇在2 480 m中段鉬礦體203采場(chǎng)的底部結(jié)構(gòu)開(kāi)展支護(hù)試驗(yàn)，以期獲得有效控制膨脹巖巷道變形的支護(hù)手段。

3.1 支護(hù)方法與參數(shù)

針對(duì)203采場(chǎng)膨脹巖巷道，采用濕噴+樹(shù)脂錨桿+鋼拱架支護(hù)設(shè)計(jì)，具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。樹(shù)脂錨桿安裝位置如圖3所示。

表2 支護(hù)參數(shù)

圖3 錨桿安裝及測(cè)線布置(單位：mm)

3.2 支護(hù)監(jiān)測(cè)與分析

支護(hù)結(jié)束后，對(duì)巷道收斂變形及周邊圍巖移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中收斂變形主要表現(xiàn)為頂?shù)装逡平蛢蓭蛢?nèi)擠，采用收斂計(jì)監(jiān)測(cè)，測(cè)線布置情況見(jiàn)圖3，巷道周邊圍巖移動(dòng)采用多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)。測(cè)量?jī)x器情況如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)儀器型號(hào)及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.2.1 收斂監(jiān)測(cè)方案

通過(guò)收斂監(jiān)測(cè),可以了解圍巖和襯砌的變化形態(tài)，判斷圍巖壓力類型，推算最大位移，以正確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)通過(guò)對(duì)收斂值分析、計(jì)算，可以達(dá)到研究圍巖及支護(hù)的變形發(fā)展規(guī)律、探索支護(hù)效果、評(píng)定工程穩(wěn)定狀態(tài)的目的。累計(jì)變形量隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 y=56 m斷面收斂曲線

從圖4可知，測(cè)線1、測(cè)線2累計(jì)變形量隨時(shí)間變化表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，即開(kāi)始階段迅速上升，但增速不斷減緩，說(shuō)明支護(hù)開(kāi)始發(fā)揮作用。拉底之后，變形量增速和增量都有一次小幅上漲，而后趨于平緩。我國(guó)錨噴支護(hù)規(guī)范中以兩幫內(nèi)擠速率小于0.2 mm/d，頂?shù)装逡平俾市∮?.15 mm/d作為圍巖穩(wěn)定的標(biāo)志之一。y=56 m斷面在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)兩幫擠進(jìn)量平均值55.01 mm，頂?shù)装逡平科骄?7.03 mm，符合圍巖穩(wěn)定性要求。

3.2.2 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

選取y=56 m斷面各安裝3個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)(圖3中E、F、G)，分別位于兩幫和頂板，觀測(cè)周期同收斂觀測(cè)一致。每個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)由4個(gè)測(cè)點(diǎn)組成，分別測(cè)定距離巷道表面0.4，0.8，1.2，1.6 m的巖體移動(dòng)狀況。各錨固點(diǎn)累計(jì)變形量隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5的共同變化趨勢(shì)是：離巷道表面近的測(cè)點(diǎn)變形量大，遠(yuǎn)離巷道表面的測(cè)點(diǎn)變形量小，深度在1.2 m以上的圍巖，受巷道開(kāi)挖、支護(hù)、拉底的影響可以忽略不計(jì)，視為原巖區(qū)。松動(dòng)圈的范圍大致在0.8～1.2 m，其中頂板松動(dòng)圈較薄，兩幫較厚。y=56 m斷面兩幫擠進(jìn)量不等的情況更甚，兩幫受力、巖體性質(zhì)不完全相同是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。

圖5 y=56 m斷面各測(cè)點(diǎn)變形

另外，在y=56 m斷面左幫，測(cè)點(diǎn)3、4的累計(jì)變形量為負(fù)值，說(shuō)明其向著巖體深部而非巷道壁面移動(dòng)，分析認(rèn)為存在一個(gè)平行于巷道方向的剪應(yīng)力作用，該位置附近圍巖發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)，從而引起圍巖一側(cè)向里、一側(cè)向外的移動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

鋼拱架+木支護(hù)效果與錨噴+鋼拱架支護(hù)效果分別見(jiàn)圖6、圖7。

濕噴混凝土能夠及時(shí)封閉巖面，防止圍巖風(fēng)化造成的巖體逐步掉塊脫落，錨噴支護(hù)提供的高支護(hù)強(qiáng)度能有效控制膨脹巖的松動(dòng)變形情況，能維持膨脹巖巷道的穩(wěn)定性。通過(guò)采用錨噴+鋼拱架支護(hù)使得支護(hù)強(qiáng)度提高了2～2.5倍，明顯減少了二次支護(hù)工作量，綜合成本降低25%，為礦山帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 鋼拱架+木支護(hù)3個(gè)月后的狀況

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)某鉬礦的膨脹特性試驗(yàn)研究，得出圍巖的主要組成成分蝕變花崗斑巖為強(qiáng)膨脹巖，其吸水后易發(fā)生膨脹，是巷道發(fā)生變形破壞的重要原因。

圖7 膨脹巖巷道錨噴+鋼拱架支護(hù)前后3 a的狀況

(2)基于莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則方程，對(duì)軸對(duì)稱膨脹巖圓巷進(jìn)行彈塑性分析，求解出膨脹巖巷道支護(hù)情況下的塑性區(qū)應(yīng)力及塑性區(qū)半徑方程，得出支護(hù)力p1、膨脹力σs及塑性區(qū)半徑R0與膨脹巖巷道穩(wěn)定性的關(guān)系。

(3)在203采場(chǎng)進(jìn)行濕噴+樹(shù)脂錨桿+鋼拱架支護(hù)試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)巷道收斂變形及周邊圍巖移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得出巷道松動(dòng)圈為0.8～1.2 m，巷道變形量符合國(guó)家錨噴支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)濕噴+樹(shù)脂錨桿+鋼拱架支護(hù)技術(shù)能大幅降低支護(hù)成本并提高支護(hù)效率，達(dá)到了對(duì)膨脹巖巷道的支護(hù)要求，可為同類或相近條件下的膨脹巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì).膨脹巖學(xué)術(shù)討論會(huì)會(huì)議總結(jié)[C]∥中國(guó)膨脹巖學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.大連：中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì),1986:10-12.

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Research on the Swelling Rock Roadway Stability under the Condition of Bolt-shotcrete Support

Chang Baomeng Han Bin Li Tao Zhao Jintian

(School of Civil & Environment Engineering, University of Science & Technology，Beijing)

In order to analyze the reason of swelling rock roadway deformation,the expansion characteristics of the ore-rock in a molybdenum mine is analyzed by adopting the confining expansion rate test.Based on the Mohr-coulomb strength criterion,the axisymmetric swelling rock roadway elastic-plastic characteristics is analyzed,and the wet shotcrete+resin anchoring bolt+steel arch support method is proposed,besides that,the convergence deformation and surrounding rock movement are monitored.The study results show that the smaller of supporting force and the greater of expansion force,the greater of radius of plastic zone and the instability of swelling rock roadway;wet shotcrete + resin anchoring bolt+steel arch coupling support can effectively control the rock deformation and dramatically reduce support costs.The study results of the paper can provide the basis for the same or similar mine.

Swelling rock,Bolt-shotcrete support,Resin bolt

韓 斌(1969—)，男，副教授，博士。

2016-06-20)

常寶孟(1988—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。