薛迪光

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司,湖南冷水江 417500)

不穩(wěn)固巖層中掘進巷道的錨噴支護技術分析

薛迪光

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司,湖南冷水江 417500)

文章分析了湖南錫礦山采選廠在長龍界頁巖這種不穩(wěn)固巖層中所掘巷道的破壞模式與原因,對巷道斷面型式如何進行選擇,說明了在實際工程中通過采取錨噴支護的技術,調(diào)整了圍巖中的應力分布和抑制其變形發(fā)展,提高了圍巖的自承能力和維持穩(wěn)定,經(jīng)過錨噴支護后達到了穩(wěn)定狀態(tài)的巖體,具有長期工作的可靠性,巖體的穩(wěn)定性得到了明顯改善而取得的效果,保證了巷道的施工安全,確保了掘進進度與正常生產(chǎn)。

不穩(wěn)固巖層;掘進;斷面;錨噴支護

錫礦山采選廠位于湖南省冷水江市北郊,年采礦量15萬t,掘進8 000 m。該廠長龍界頁巖主要為深灰色鈣質(zhì)頁巖,結(jié)構(gòu)很細,方解石呈不規(guī)則貫入,巖性軟,易碎。此類巖層巖性軟弱,自穩(wěn)能力差,易風化,遇水軟化而崩落。其單軸極限抗壓強度Rb= 47.7～53.5 MPa,單軸極限抗拉強度Rc=1.28 MPa,彈性模量E=(1.1～2.6)×104MPa,泊松比v=0.1～0.19,巖石重度γ=23～25 kN/m3,內(nèi)摩擦角Φ=35°～45°,凝聚力C=0.6～1.5 MPa,飽水后的長龍界頁巖具塑性流變特征,屬不穩(wěn)固巖層。

鑒于在井巷掘進過程中經(jīng)常遇到長龍界頁巖這種不穩(wěn)固巖層,因此,對長龍界頁巖這種不穩(wěn)固巖層進行錨噴支護的設計與施工技術特性進行探討與分析是十分必要的,以維護巷道的穩(wěn)定,確保正常生產(chǎn)和安全。

1 巷道破壞模式與原因分析

圍巖穩(wěn)定性分析是在井巷工程支護襯砌設計中必不可少的步驟,它對工程設計和施工都有重大影響,歷來被決策者和施工技術人員所重視。長龍界頁巖屬于不穩(wěn)固型巖層,其自穩(wěn)時間短,較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。由于巷道在掘進開挖后失去了原有圍巖的支撐,巖體應力超過巖層強度,就可能出現(xiàn)破壞并逐步擴大到整個斷面。

長龍界頁巖中的巷道頂板是由薄層頁巖構(gòu)成,當掘進斷面足夠大時,頂板可以出現(xiàn)顯著彎曲甚至折斷而塌落。如果彎曲變形向上發(fā)展,會導致巖層彎曲,離層和多層塌落。

彎曲問題可用梁理論作簡單描述。取一單位長度的巷道進行觀察,第一層頂板高為t1,跨度L等于巷道寬,兩端固定,載荷均布并等于自重rt的梁(如圖1所示)。由材料力學可知,此梁的最大撓度u1max位于梁長的中點,最大拉應力σ1max出現(xiàn)在梁的兩端上邊緣點上,它們分別等于:

式中u1max為最大撓度;σ1ma為最大拉應力;L為巷道寬度;γ為巖石單位體積的重力;E1為材料的彈模;t1為第一層頂板高度。

一旦σ1max大于材料的抗拉強度,巖層就會發(fā)生折斷或垮塌。

同理可以單獨計算第二分層,求出u2max。如果u2max＞u1max,則兩個分層將組合為一個梁,層間以摩擦力相結(jié)合。如果u2max＜u1max,則第一分層將與第二分層脫離,產(chǎn)生離層現(xiàn)象。類似的計算還可以進一步向更上的分層遞推,從而給出梁的彎曲和離層的圖案(見圖1)。

如果巷道的頂板有發(fā)生彎曲離層破壞的危險,則用錨桿進行支撐是有效的。支護量可以梁或板理論計算,設計錨桿的錨固點應設置在撓度較小的堅固巖層上,使幾個分層之間保持足夠的正壓力和層間抗剪力,以增加組合梁的剛度和強度從而增加穩(wěn)定性。

圖1 巖層受力與破壞示意圖

巷道掘進開挖以后圍巖的受力狀態(tài)可以彈性力學定量計算,一般可用開爾希(Kirsh)公式來分析圍巖的穩(wěn)定性。巖層含水狀態(tài)對穩(wěn)定性影響很大,浸水后其塑性區(qū)深度比原始狀態(tài)要大,圍巖的松弛變形將引起抗剪強度的下降。因此,當圍巖不受水浸泡時,只考慮松弛變形所引起的變化。據(jù)此可推得以下結(jié)論:(1)施工要盡量避免圍巖受到水的浸泡作用;(2)施工中要采取及時而有效的支護措施,以避免圍巖過度松弛。

拱形和在σv=σH=σ0(即垂直壓力和水平壓力與巖體初始應力相等)的條件對圍巖穩(wěn)定較為有利;假若巷道不是圓型或者σH＜σv,則圍巖的穩(wěn)定狀況較差。當N＜1(N=σH/σv)時,破壞總是首先在邊墻部位發(fā)生。因此,在實際工程中,應該盡量減少圍巖中的應力集中。

由于巷道圍巖性質(zhì)差、強度等力學性能差,圍巖成分具有膨脹性,這是巷道變形的內(nèi)在原因;而爆破作業(yè)的震動和采空區(qū)的影響是誘發(fā)巷道最終變形破壞的主要外因。

2 巷道斷面型式選擇

巷道的斷面形狀要盡量做到與圍巖壓力分布相適應,長龍界頁巖一般受四周壓力和較大的垂直壓力,且變形量大,延續(xù)時間長,在這類不穩(wěn)固巖層中的掘進巷道斷面宜采用拱型、馬蹄型及類馬蹄型等曲線形斷面形狀。采用圓滑曲線的斷面輪廓,可以減小應力集中引起的巖體破壞和增強噴混凝土層的結(jié)構(gòu)作用。

在長龍界巖層中掘進開挖巷道,基本原則是在不使圍巖發(fā)生有害松散的前提下,允許圍巖產(chǎn)生較大的變形,以減小支護抗力,使錨噴支護達到經(jīng)濟合理,安全可靠。因此,巷道斷面尺寸應預留允許的周邊收斂量,根據(jù)實踐經(jīng)驗,長龍界頁巖中掘進巷道周邊預留變形量一般為80～120 mm。

3 錨噴支護效果

錨噴支護的主要目的不是用它來承擔坍落巖體所形成的荷載,而是利用它來調(diào)整圍巖中的應力分布和抑制其變形發(fā)展,以提高圍巖的自承能力和維持穩(wěn)定。因此,經(jīng)過錨噴支護后的巖體,只要真正達到了穩(wěn)定狀態(tài),那么它長期工作的可靠性是毋庸置疑的。當然,對于可能影響圍巖和支護系統(tǒng)正常工作的各種不利因素都應該予以充分考慮。

長龍界頁巖軟弱且對水敏感,“水的作用”是影響其穩(wěn)定的主要因素之一。粘結(jié)力不大,遇水后迅速軟化,造成強度大幅度降低。由于水對巖體的穩(wěn)定性有嚴重影響,在分析有水巷道長期工作的可靠性時必須重點考慮這個因素。錨噴支護可以有效地抑制圍巖變形發(fā)展(可以減少強度損失)和改善巖體的應力分布,從而可使巖體的穩(wěn)定性得到明顯改善。

《采礦手冊》中提供的許多數(shù)據(jù)說明,厚約100 mm完整的噴射混凝土層,可以向圍巖提供0.1～0.4(最大測值為0.77)MPa的抗力。在設置噴混凝土層后,巖體的穩(wěn)定性就得到了較大改善,具有防止圍巖松弛的作用,若覆蓋層較大,僅噴混凝土還不夠,應該使用錨桿來進一步加固。當錨桿受到剪切作用(處在塑性區(qū)界面上的錨桿就是這樣)但不被剪斷時,它可以對剪切面產(chǎn)生一個“附加法向壓力”,錨桿的效果比噴射混凝土更為顯著。因此,實際工程應用中不應該忽視錨桿的加固效果。

4 噴錨支護設計及施工

4.1 巷道掘進開挖及支護

根據(jù)巷道破壞模式與原因分析,Φ、C值越大,工程的運行效果越好,因此,設計和施工中應該采取有效措施,避免巖體浸水或過度松弛而造成Φ、C值的大幅度下降,失去自承能力而導致破壞。

采用控制爆破(即光面爆破或預裂爆破)法全斷面一次開挖成型,減少對巖體的擾動是保持巖體自承能力及其穩(wěn)定性的一種最經(jīng)濟方法,而且比任何加固措施都更為有效。巷道掘進的開挖應該采用控制爆破法進行,宜采取淺鉆孔、弱爆破、多循環(huán)、穩(wěn)步掘進、各工序緊跟的措施。爆破質(zhì)量要求軟巖中周邊成型應符合設計輪廓;巖面不應有明顯的爆震裂縫;周邊不欠挖與平均線性超挖值應小于200 mm。

過大的變形是圍巖破壞的起因,必須對它加以限制。緊跟掌子面進行錨噴支護就是抑制變形的一種重要而有效的手段,宜遵循快開挖、先護后挖、邊挖邊護、超前支護的開挖支護方法,做到一掘一支護,穩(wěn)步前進,堅持多循環(huán)原則,并快速封閉巖面,合理控制變形。

由于長龍界頁巖變形的發(fā)展較快,支護系統(tǒng)應在距掌子面1～2 m之內(nèi)建成,并在下一循環(huán)開始之前就能發(fā)揮作用。在這種情況下,按照“圍巖—支護”相互作用原理,若采用一次完成剛性大的永久支護,對圍巖過早地施加過強的約束力,會導致支護結(jié)構(gòu)承受較大的荷載,甚至出現(xiàn)彎曲破壞。因此,一般應分2次支護,即初期支護與后期支護。初期支護采用噴層厚度不大于50 mm的錨噴支護;后期支護最終噴射混凝土厚度達到150～200 mm,后期支護施工的時機可根據(jù)現(xiàn)場觀測資料來定,但一般不宜大于1個月。初期支護的作用是及時提供一定的支護抗力,使巖體不致發(fā)生松散破壞,同時,又允許圍巖的變形有一定發(fā)展,以充分發(fā)揮圍巖的自支承作用。后期支護的作用是維持巷道的長期穩(wěn)定性。顯然,在長龍界頁巖這種不穩(wěn)固巖層中,采用柔性較大的薄層噴混凝土加錨桿做初期支護是十分理想的。但是,巖體變形也具有明顯的時間效應,必須適時地提高支護抗力,進行后期支護,以保證巷道的長期穩(wěn)定性。

長龍界巖層中應用錨桿支護是有效的,也是必不可少的。掘進開挖完成后應立即噴射第一層混凝土,噴射作業(yè)應當緊跟開挖工作面,混凝土終凝到下一循環(huán)時間不應小于3 h;接著進行邊墻錨桿施工,錨桿布置的密度由“不被剪斷”前提來決定,可采用梅花型布置,錨桿的間距1 m×1 m,必要時加密;錨噴支護施工應保持其整體性,以保證支護效果。

4.2 錨噴支護施工質(zhì)量控制及其監(jiān)測

對既成工程運行情況的調(diào)查表明,施工質(zhì)量的好壞往往是錨噴支護成敗的關鍵所在。在軟巖中的錨噴支護工程必須強調(diào)施工質(zhì)量的控制,尤其對于有水巷道更應如此。巷道長期運行的可靠性主要取決于圍巖的飽和程度。顯然,與噴射混凝土的施工質(zhì)量有著密切的關系。施工時必須保證噴射混凝土設計厚度,提高均勻性,避免“骨料干砌”現(xiàn)象的發(fā)生。同時作好噴射混凝土層“接茬”部位的處理,杜絕龜縮裂縫的出現(xiàn),避免多余水流對圍巖的浸泡作用。

由于地質(zhì)條件的變化和不可預見的各種問題存在,計算工作很難全面而準確地反映實際情況,施工過程中應當根據(jù)掘進開挖過程中不斷揭露的圍巖實際狀況,及時調(diào)整支護參數(shù),隨時驗證施工程序、支護體系的正確性和效果,以指導設計和施工。

圍巖破壞的發(fā)生一般都伴隨著某種量值的變化,而且在通常情況下,它就是過大變形的直接結(jié)果。因此,以圍巖變形這種“信息”為依據(jù),利用變形觀測資料來預報圍巖的穩(wěn)定狀態(tài),并以此決定所應采取的補強措施,確保安全生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

長龍界頁巖這種不穩(wěn)固巖層是該廠巷道掘進時經(jīng)常遇到的圍巖類別,因此,在錨噴支護施工時要做到:

1.采取控制爆破全斷面一次開挖成型的方法,減少對圍巖的擾動。

2.盡量避免圍巖受到水的浸泡作用,確保錨噴支護的強度。

3.及時采取有效的錨噴支護措施,堅持多循環(huán)原則,快速封閉巖面,合理控制變形。

4.強化施工質(zhì)量控制,加強施工監(jiān)測,以達到安全生產(chǎn)的目的。

[1] 馬安禧,于綬章,周康年,等.材料力學[M].北京:高等教育出版社,1987.

[2] 鄭永學,林韻梅,盧世宗,等.礦山巖體力學[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1988.

[3] 張富民,潘燮,常林彝,等.采礦設計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

Technical Analysis of Anchoring and Shotcreting Support in the Unstable Rock Tunnel

XUE Di-guang

(Hsikwangshan Twinkling Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417500,China)

This paper explains the search-and-destroy mode and its reason of the unstable rock tunnel in Changlongjie made by Hsikwangshan Mining and Processing Plant.It also states how to choose the lining sectional forms in the tunnel.In the practical project,by adopting the technique of anchoring and shotcreting support,the stress distribution has been adjusted in the wall rock,self-supporting capacity of surrounding rock is improved as well.The rock,which is stability in the condition after anchoring and shotcreting support,have the reliability of long-term work.The effect in the improvement of the rock stability ensure the construction safety in the tunnel and guarantee the tunnel progress and regularproduction.

unstable rock;tunnel process;section;anchoring and shotcreting support

TD352+.5

A

1003-5540(2010)04-0012-03

薛迪光(1968-),男,工程師,主要從事有色金屬礦山采礦技術研究與管理工作。

2010-04-12