錨噴支護條件下膨脹巖巷道穩定性研究

常寶孟 韓 斌 李 濤 趙金田

(北京科技大學土木與環境工程學院)

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錨噴支護條件下膨脹巖巷道穩定性研究

常寶孟 韓 斌 李 濤 趙金田

(北京科技大學土木與環境工程學院)

采用側限膨脹率試驗對某鉬礦礦巖的膨脹特性進行研究，分析了膨脹巖巷道易膨脹變形的原因，基于莫爾-庫倫強度準則對軸對稱膨脹巖圓巷進行彈塑性分析，提出濕噴+樹脂錨桿+鋼拱架支護手段，并對巷道收斂變形及周邊圍巖移動進行監測。研究結果表明:支護力p1越小，膨脹力σs越大，則塑性區半徑R0越大，膨脹巖巷道越不穩定；濕噴+樹脂錨桿+鋼拱架支護能有效控制膨脹巖巷道變形并大幅降低支護成本。研究成果為同類或相近條件下的膨脹巖巷道支護設計提供了依據。

膨脹巖 錨噴支護 樹脂錨桿

膨脹巖為與水發生物理化學反應，引起巖石含水量隨時間增加、體積增大的一類不良工程巖體[1-3]。長期以來膨脹巖巷道的支護維修工作十分困難且耗資巨大，一直是影響我國礦山生產建設的重大技術難題之一。膨脹巖巷道支護問題的主要特征為大變形、大地壓、難支護，具體表現為膨脹巖巷道的大變形具有明顯的蠕變特征，初期來壓快，變形量大[4-7]；巷道開挖后，不但頂板在大地壓下易發生變形冒落情況，而且底板也產生強烈底鼓現象；巷道在膨脹應力、構造應力、地應力等交互作用下，具有明顯的方向性，并與具體的施工措施有關[8-10]。從內因和外因兩個方面分析膨脹巖巷道失穩原因，內因為膨脹巖遇水膨脹率高，易發生遇水泥化、崩解現象，導致圍巖的自承能力迅速下降，產生極大的變形地壓，另外，膨脹巖巷道開挖后二次應力分布不均，易造成應力集中現象[11]，因而對鋼拱架及現澆筑混凝土等支護手段造成破壞、發生失穩；外因主要為現用支護形式不合理，不能有效控制膨脹巖的松動變形，從而造成失穩[12]。

通過側限膨脹率試驗等方式對膨脹巖的膨脹特性進行研究，基于莫爾-庫倫強度準則對軸對稱膨脹巖圓巷進行彈塑性分析，結合工程實例采用濕噴+樹脂錨桿+鋼拱架高強度的主動支護方式，形成完整的支護結構，可最大限度地發揮圍巖自承作用，顯著提高膨脹巖巷道的穩定性。

1 巖石膨脹特性試驗

某鉬礦水文地質條件復雜，礦巖性質受地下水影響較大。為對其巷道圍巖的膨脹特性進行研究，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行試驗。為便于試驗，分別將蝕變角巖、致密花崗斑巖、蝕變花崗斑巖標號為A、B、C，其巖樣物理性質參數見表1。

表1 巖樣物理性質參數

除測得巖樣自由膨脹率外，還進行側限膨脹率試驗，對在有側限條件下巖樣浸水后所發生的單向膨脹變形進行測量。根據加載條件，膨脹率試驗可分為無荷載和有荷載兩種情況，本次試驗采用的是無荷載膨脹率試驗方案。試驗方法為：首先將具有原狀結構的巖石切制成直徑61.8 mm、高20.0 mm的帶環刀試樣；再將試樣裝入固結儀中，注入純水，使水面始終高出試樣5 mm，記錄注水時間，按5，15，30 min；1，2，4，6 h…測記量表讀數，直至6 h變形量不超過0.01 mm時結束試驗。試驗分3組進行，每組測3個試樣。試驗結果如圖1所示。

圖1 各巖樣膨脹率的時間關系曲線

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內膨脹完畢；C試樣(蝕變花崗斑巖)平均膨脹率11.60%，在2 h內基本膨脹完畢。由側限膨脹率試驗可以得出，不同地區的花崗斑巖體的側限膨脹率不盡相同，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，且花崗斑巖的側限膨脹率為1.27%～12.90%。根據膨脹巖分級標準[13-14]，知蝕變花崗斑巖為強膨脹巖，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，吸水后易發生膨脹，所以在對膨脹巖巷道圍巖進行支護時，要考慮到膨脹效應對支護力的影響。

2 軸對稱膨脹巖圓巷彈塑性分析

巷道開挖后，若圍巖應力超過巖體的屈服極限，則圍巖呈現塑性狀態，處于塑性狀態的巖體范圍為塑性區[15]。下面對軸對稱膨脹巖圓巷巖體處于彈塑性狀態下圍巖的應力應變進行分析(圖2)。

圖2 塑性區計算簡圖[15]

2.1 基本假設

深埋圓形平巷、無限長；原巖應力各向等壓；圍巖為具有膨脹性的彈塑性體。

2.2 基本方程

彈性區：積分常數待定的彈性應力解為

(1)

塑性區：軸對稱問題的平衡方程為

(2)

莫爾-庫倫強度準則方程

(3)

2.3 邊界條件

彈性區：外邊界r→，σr=σθ=p0。

內邊界(彈塑性區交界面)：r=R0(塑性區半徑)

(4)

塑性區：外邊界(彈塑性區交界面)

(5)

式中，e、p分別為彈、塑性區的參數量。

內邊界r=r0，σr=0(不支護)。

(6)

式中，p1、σs分別為支護力和膨脹力。

2.4 求解計算

由式(1)和塑性區外邊界條件，得

(7)

由式(2)和式(3)聯解，并用塑性內邊界有支護的邊界條件確定積分常數，解得有支護力情況下的彈性區應力為

(8)

塑性區應力為

(9)

塑性區半徑為

(10)

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

3 工程應用

某鉬礦礦體和圍巖層理及節理裂隙發育，細小裂隙、節理、斷層縱橫交錯，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，主要支護類型為鋼拱架支護和木支護。由于采場底部結構受到放礦過程中動載荷及圍巖膨脹的影響，巷道變形嚴重。巷道主要破壞形式為頂板下沉，側幫內擠，底板鼓起。發生破壞的地段主要是在斷層破碎帶及采場底部結構巷道中，因而選擇在2 480 m中段鉬礦體203采場的底部結構開展支護試驗，以期獲得有效控制膨脹巖巷道變形的支護手段。

3.1 支護方法與參數

針對203采場膨脹巖巷道，采用濕噴+樹脂錨桿+鋼拱架支護設計，具體支護參數見表2。樹脂錨桿安裝位置如圖3所示。

表2 支護參數

圖3 錨桿安裝及測線布置(單位：mm)

3.2 支護監測與分析

支護結束后，對巷道收斂變形及周邊圍巖移動進行監測，其中收斂變形主要表現為頂底板移近和兩幫內擠，采用收斂計監測，測線布置情況見圖3，巷道周邊圍巖移動采用多點位移計監測。測量儀器情況如表3所示。

表3 監測儀器型號及監測內容

3.2.1 收斂監測方案

通過收斂監測,可以了解圍巖和襯砌的變化形態，判斷圍巖壓力類型，推算最大位移，以正確指導現場設計和施工，同時通過對收斂值分析、計算，可以達到研究圍巖及支護的變形發展規律、探索支護效果、評定工程穩定狀態的目的。累計變形量隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 y=56 m斷面收斂曲線

從圖4可知，測線1、測線2累計變形量隨時間變化表現出相同趨勢，即開始階段迅速上升，但增速不斷減緩，說明支護開始發揮作用。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。我國錨噴支護規范中以兩幫內擠速率小于0.2 mm/d，頂底板移近速率小于0.15 mm/d作為圍巖穩定的標志之一。y=56 m斷面在監測周期內兩幫擠進量平均值55.01 mm，頂底板移近量平均值37.03 mm，符合圍巖穩定性要求。

3.2.2 多點位移計監測結果及分析

選取y=56 m斷面各安裝3個多點位移計(圖3中E、F、G)，分別位于兩幫和頂板，觀測周期同收斂觀測一致。每個多點位移計由4個測點組成，分別測定距離巷道表面0.4，0.8，1.2，1.6 m的巖體移動狀況。各錨固點累計變形量隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5的共同變化趨勢是：離巷道表面近的測點變形量大，遠離巷道表面的測點變形量小，深度在1.2 m以上的圍巖，受巷道開挖、支護、拉底的影響可以忽略不計，視為原巖區。松動圈的范圍大致在0.8～1.2 m，其中頂板松動圈較薄，兩幫較厚。y=56 m斷面兩幫擠進量不等的情況更甚，兩幫受力、巖體性質不完全相同是導致這一現象的主要原因。

圖5 y=56 m斷面各測點變形

另外，在y=56 m斷面左幫，測點3、4的累計變形量為負值，說明其向著巖體深部而非巷道壁面移動，分析認為存在一個平行于巷道方向的剪應力作用，該位置附近圍巖發生水平錯動，從而引起圍巖一側向里、一側向外的移動現象。

3.3 技術經濟分析

鋼拱架+木支護效果與錨噴+鋼拱架支護效果分別見圖6、圖7。

濕噴混凝土能夠及時封閉巖面，防止圍巖風化造成的巖體逐步掉塊脫落，錨噴支護提供的高支護強度能有效控制膨脹巖的松動變形情況，能維持膨脹巖巷道的穩定性。通過采用錨噴+鋼拱架支護使得支護強度提高了2～2.5倍，明顯減少了二次支護工作量，綜合成本降低25%，為礦山帶來了顯著的經濟效益。

圖6 鋼拱架+木支護3個月后的狀況

4 結 論

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

圖7 膨脹巖巷道錨噴+鋼拱架支護前后3 a的狀況

(2)基于莫爾-庫倫強度準則方程，對軸對稱膨脹巖圓巷進行彈塑性分析，求解出膨脹巖巷道支護情況下的塑性區應力及塑性區半徑方程，得出支護力p1、膨脹力σs及塑性區半徑R0與膨脹巖巷道穩定性的關系。

(3)在203采場進行濕噴+樹脂錨桿+鋼拱架支護試驗研究，通過對巷道收斂變形及周邊圍巖移動進行監測分析，得出巷道松動圈為0.8～1.2 m，巷道變形量符合國家錨噴支護標準。

(4)濕噴+樹脂錨桿+鋼拱架支護技術能大幅降低支護成本并提高支護效率，達到了對膨脹巖巷道的支護要求，可為同類或相近條件下的膨脹巖巷道支護設計提供依據。

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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 北京市海淀區學院路30號。