王清來,田昌進(jìn)

(中國瑞林工程公司, 江西南昌 330002)

某種凝灰?guī)r的內(nèi)在特性研究

王清來,田昌進(jìn)

(中國瑞林工程公司, 江西南昌 330002)

通過對凝灰?guī)r進(jìn)行微觀實(shí)驗(yàn)、含水率實(shí)驗(yàn)、崩解實(shí)驗(yàn)、膨脹實(shí)驗(yàn)和點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn),分析了凝灰?guī)r的變形破壞規(guī)律,得出該處凝灰?guī)r為中膨脹性軟巖,在不遇水情況下和干燥環(huán)境中,很少發(fā)生膨脹、崩解;但一旦遇水,其耐崩解能力大幅降低,膨脹性能大幅提升,強(qiáng)度很快下降。因此,對凝灰?guī)r巷道圍巖提出了及時(shí)防水、噴錨網(wǎng)支護(hù)的治理措施,有效地指導(dǎo)了工程實(shí)踐。

凝灰?guī)r;膨脹性軟巖;防水;噴錨網(wǎng)支護(hù)

最近幾年,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)較大地促進(jìn)了巖石力學(xué)與工程的發(fā)展。在地下開采中,軟巖巷道的支護(hù)問題很久以來一直是所有巖土工程面臨的共同難題,特別是對凝灰?guī)r進(jìn)行全面的微觀實(shí)驗(yàn)分析的資料目前還不夠深入,本文針對某礦山凝灰?guī)r巷道[1]的破壞特點(diǎn),結(jié)合凝灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)、水理特性和力學(xué)特性進(jìn)行分析,得出凝灰?guī)r巷道變形破壞的規(guī)律,為下一步巷道的支護(hù)[2]設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 凝灰?guī)r特性試驗(yàn)分析

1.1 凝灰?guī)r的微觀實(shí)驗(yàn)分析

圖1 凝灰?guī)r微觀結(jié)構(gòu)(偏光顯微鏡)

對現(xiàn)場采集的典型凝灰?guī)r進(jìn)行了微觀實(shí)驗(yàn)分析(見圖1)。采用X射線衍射法對凝灰?guī)r進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),凝灰?guī)r中含有膨脹性粘土礦物,且含量較高。

1.2 凝灰?guī)r的崩解試驗(yàn)

將凝灰?guī)r制樣并進(jìn)行水解試驗(yàn),各巖樣崩解試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 凝灰?guī)r巖樣崩解[3]試驗(yàn)結(jié)果

1.3 凝灰?guī)r的膨脹試驗(yàn)[4]

膨脹性試驗(yàn)中,1#～6#試樣分別進(jìn)行了相同含水率時(shí)膨脹率與時(shí)間的關(guān)系、不同含水率時(shí)膨脹率與時(shí)間的關(guān)系、最大膨脹率與初始含水率的關(guān)系等試驗(yàn),其結(jié)果分別見圖2～圖4。

圖2 相同含水率時(shí)試樣膨脹率與時(shí)間的關(guān)系

從圖2～圖4反映的關(guān)系可知,凝灰?guī)r的初始含水率越小,其遇水后發(fā)生的膨脹變形就越大,膨脹率就越高,巖樣遇水后一般在第一個(gè)小時(shí)膨脹速度較快。初始含水率越高,最大膨脹率就越小,它們之間成反向關(guān)系。由于巷道在開挖時(shí)凝灰?guī)r一般較干燥,含水率不是很高,一旦遇水后,就會(huì)發(fā)生快速膨脹,膨脹量較大,這將導(dǎo)致強(qiáng)度降低,因此現(xiàn)場施工時(shí),一定要對凝灰?guī)r巷道采取防水措施。

圖3 不同含水率時(shí)試樣膨脹率與時(shí)間的關(guān)系

圖4 試樣的最大膨脹率與含水率的關(guān)系

對7#～10#巖樣(特性見表2)進(jìn)行了膨脹力與初始含水率的關(guān)系試驗(yàn),結(jié)果見圖5～圖6。

表2 凝灰?guī)r的含水率及其相關(guān)水理特性

圖5 凝灰?guī)r的膨脹力與時(shí)間的關(guān)系

以上數(shù)據(jù)和圖像直觀顯示了凝灰?guī)r的膨脹力在第4h基本趨于穩(wěn)定,前2h內(nèi)巖樣的膨脹力隨著吸水量的增加增長較快,通過圖6可知,凝灰?guī)r的最大膨脹力隨著初始含水率的增加而降低,大致呈線性關(guān)系。

圖6 凝灰?guī)r的最大膨脹力與初始含水率的關(guān)系

1.4 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

由點(diǎn)荷載試驗(yàn)可知:凝灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度在1～4MPa之間(見圖7),單軸抗拉強(qiáng)度在0.05～0.15MPa之間(見圖8),由于瀾滄鉛礦凝灰?guī)r強(qiáng)度較低,比較破碎、松散,不能進(jìn)行常規(guī)的力學(xué)試驗(yàn),因此,凝灰?guī)r的力學(xué)參數(shù)只能通過點(diǎn)荷載試驗(yàn),然后根據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)與常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)之間的換算公式進(jìn)行換算,大致求出凝灰?guī)r的相關(guān)力學(xué)參數(shù),對凝灰?guī)r的強(qiáng)度進(jìn)行分級,因此由試驗(yàn)及數(shù)據(jù)可知,該地凝灰?guī)r屬于極軟巖,強(qiáng)度較低,遇水易膨脹、風(fēng)化。

圖7 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布

圖8 抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布

2 凝灰?guī)r膨脹試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn),針對凝灰?guī)r的膨脹特性可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)從膨脹率可見,凝灰?guī)r在不同荷載下的膨脹率是不同的。自由膨脹率最高,無荷載狀態(tài)下,膨脹率次之;隨著外荷載的增加,膨脹率逐漸降低。

(2)在同一含水率和密度狀況下,隨著反復(fù)膨脹次數(shù)的增多,膨脹有逐漸減少直至穩(wěn)定的趨勢。

(3)含水率一定時(shí),隨密度的增大,膨脹變形一般呈現(xiàn)變大的趨勢。

(4)初始含水率越小,膨脹量越大。

(5)在同一外荷載作用下,初始含水率越大,膨脹率越小。

(6)在膨脹試驗(yàn)中,初期膨脹速度最塊,一般在120min內(nèi)已基本完成膨脹,后期雖然有膨脹發(fā)生,但顯現(xiàn)緩慢。初期快速膨脹的時(shí)間一般為60min內(nèi),前30min是膨脹最快的。

(7)通過測膨脹力可知,隨著荷載的增加,膨脹力的增速呈現(xiàn)先快速增加然后逐漸降低的趨勢,當(dāng)外荷載增加到某一值后,膨脹變形基本不再發(fā)生。當(dāng)外荷載不足以克服膨脹力時(shí),膨脹變形總會(huì)發(fā)生,只是由于外荷載的存在,使膨脹減弱,直至穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1)通過凝灰?guī)r的微觀分析可知,該礦凝灰?guī)r含有大量的粘土礦物,主要以高嶺石為主,含有一定量的蒙脫石。

(2)通過對凝灰?guī)r的水理性試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)分析,該凝灰?guī)r的強(qiáng)度較低,屬于中膨脹性軟巖,它的特殊性主要體現(xiàn)在遇水膨脹風(fēng)化[6]比較快,在干燥的環(huán)境中幾乎不發(fā)生膨脹風(fēng)化,由于含有大量的粘性土,其顆粒較細(xì),采用注漿堵水的方法不起作用。

(3)該礦山巷道的凝灰?guī)r遇水膨脹風(fēng)化,時(shí)間長了呈泥狀,因此,防水成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這類圍巖中要及時(shí)封閉圍巖防止膨脹風(fēng)化,否則會(huì)使松動(dòng)圈應(yīng)力不平衡而增大,組合拱強(qiáng)度也會(huì)降低。

(4)對凝灰?guī)r軟巖巷道進(jìn)行錨噴網(wǎng)支護(hù)的關(guān)鍵條件之一是有較大錨固力的螺紋錨桿和菱形金屬網(wǎng);二者相互配合,形成一個(gè)共同的支護(hù)體系。錨桿的懸吊、組合拱和擠壓作用,使錨桿把圍巖的組合巖體和壓縮域連接在一起,同時(shí)又可防止水通過桿體對凝灰?guī)r發(fā)生影響;金屬網(wǎng)則適應(yīng)了巷道圍巖破碎膨脹整體性差的特點(diǎn),允許圍巖有一定的變形量,兩者配合使用是軟巖巷道支護(hù)中的最佳構(gòu)件。

(5)通過現(xiàn)場考察,得知該處凝灰?guī)r巷道底鼓破壞最嚴(yán)重,也是最難解決的問題,因此,對底鼓提出混凝土反拱的解決辦法,在水量多的地段開挖蓄水井或者水倉,再加以截流的辦法進(jìn)行防水。

[1]陸家良.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)[M].長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[2]馬健生,等.全煤巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].建井技術(shù),2001,(6).

[3]楊文輝,于小軍.膨脹土(巖)濕化性的試驗(yàn)方法研究[J].中國鐵道科學(xué),1999,(1).

[4]GB/T50123-1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]章學(xué)義,鮑本健.點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定巖基抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的分析[J].安徽地質(zhì),2002,(4).

[6]譚羅榮.蒙脫石晶體膨脹和收縮機(jī)理研究[J].巖土力學(xué),1997,18(3):13～18.

2010-03-25)

王清來(1966-),男,江西廣昌人,教授級高工,第六屆中國有色金屬學(xué)會(huì)采礦學(xué)術(shù)委員會(huì)委員,從事井巷工程設(shè)計(jì)研究、施工監(jiān)理工作,Email:hy@chinamine.net。