關于開磷礦業粘土巖工程地質特征與支護的研究

唐洪剛

摘要： 開磷礦業馬路坪和用沙壩礦區所施工的部分巷道設計在粘土巖中，經統計，其總長度已超過3300米。目前，大部分已完成施工的巷道出現了不同程度的頂板崩裂、兩幫膨脹后遮蔽水溝、底板下凹或上凸等問題。更為嚴重的是，這些巷道大部分為主運輸巷，威脅著過往人員和各類設備的安全。究其原因主要是巷道支護方式與巖體質量類型以及巖體特征不匹配所致。

Abstract： The total length of some tunnelsin clay rock has been over 3300 meters in Maluping and Yongshaping mining areas of Kailin Mineral Company. At present， some problems in different degree begin to appear in most completed tunnels， they are： the boron roof crack， two sides expansion masking the ditch， bottom concave or convex and so on. What's the more serious is that the tunnels with problems are the main traffic lanes， its unsafty will threat workers and equipments safty. The main reason for the appearance of the problems is the mismatching between the support partern of the tunnel and the quality and structure of the rock mass.

關鍵詞： 頁巖工程；頂板崩裂；兩幫膨脹

Key words： shale engineering；boron roof crack；two sides expansion

中圖分類號：P588.22 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0112-03

1 已完成施工巷道的崩裂情況

馬路坪和用沙壩礦區已完成施工的巷道發生了崩裂變形，其統計長度已超過2200余米，具體情況如下：

①馬路坪礦區：主要集中在640米中段和主斜坡道等地，該礦區共有1500余米的巷道發生了崩裂變形。從整體上看，640米中段南巷最嚴重（見圖1、圖2、），北巷（見圖3）和運輸主巷（見圖4）次之；巷道兩幫相比，水溝一邊較另一邊嚴重；頂底相比，頂板較嚴重；同時640米中段南、北兩巷的底板均有不同程度的塌陷或上凸，其中，北巷較南巷嚴重，而運輸主巷基本未見該現象。

②用沙壩礦區990米和920米中段：990米中段主要集中于南巷，共有300余米。崩裂主要發生在左幫（水溝一邊），右幫和頂稍好（見圖5、圖6）。左幫膨脹崩裂后已將部分水溝“蓋”住；920米中段有400余米，施工時間較晚，但水溝一邊部分地段已發生了崩裂現象。

2 粘土巖的工程地質特征

①礦物成分：主要由粘土礦物組成。包括高磷石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、埃洛石以及伊利石-蒙脫石組合、綠泥石-蒙脫石組合、伊利石-蒙脫石-綠泥石組合等。

②頁巖結構：包括微觀結構與宏觀構造。

1）微觀結構：粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，分為層狀和鏈狀兩種結構，以前者為主。層狀結構的粘土礦物由兩種基本結構層組成，即為硅氧四面體層和鋁氧八面體或鎂氧八面體層，四面體和八面體基本結構層彼此以一定規律結合就形成“結構單元層”，結構單元層中各基本結構層相互結合的比例和疊置方式的不同就形成了不同種類的粘土礦物，即粘土礦物具有層狀結構。

2）宏觀構造：主要有層理，厚度小于1cm時稱為頁理（圖7），小于1mm者稱為紋理。具有水平層理構造的粘土巖，它具有沿頁理方向易剝裂成葉片的性質（圖8），是由層狀粘土礦物水平定向排列而具有易剝裂性質的結果。

③頁巖親水性與膨脹性：粘土礦物中的蒙脫石、伊利石以及伊利石-蒙脫石組合均均具有較強的親水性，遇水后發生水化反應，體積迅速膨脹。

④粘土的強度：粘土巖是所有巖石中強度最低的種類之一，該礦區新鮮粘土巖（圖9）的普氏硬度系數通常f=1.5-3，暴露在室外一個月或室內三個月左右將變成粘土或泥粉。新鮮粘土巖屬較軟巖，隨著暴露時間的增加，其隨之變成軟巖或極軟巖。

⑤粘土巖的完整性：由于頁里間結合力較差，再加上后期構造的破壞，新鮮頁巖的完整性通常屬較完整-較破碎，隨著暴露時間增加，其完整性也隨之變成破碎-極破碎。

⑥粘土巖的質量：通過對粘土巖的的強度和完整性的評價，完全可以判定新鮮粘土巖的的質量類型屬Ⅲ類，隨著暴露時間的增加，其質量類型也隨之變成Ⅳ類或Ⅴ類。

綜上所述，粘土巖原始具有層（或頁理）狀結構，且具有沿層理（或頁理）面剝裂、強度較低、遇水膨脹等特性，決定了其工程地質條件的復雜性。

3 粘土巖的支護

3.1 已完成施工的巷道發生崩裂的原因

馬路坪和用沙壩礦區發生崩裂的巷道，巖體呈紫紅色或灰綠色、泥質結構、團塊狀構造，其成分絕大部分為粘土礦物，僅有少量巖屑。巖體頁理、細小裂隙和節理較發育（見圖9），其完整性屬較完整-較破碎；經定性測量其普氏硬度系數f=1.5-3左右，屬較軟巖。據以上兩個指標可判定兩礦區新鮮粘土巖的質量屬Ⅲ類。巷道跨度均在5米以內，原設計的錨網、錨索加噴砼支護方式是合理的。但忽略了頁巖遇水膨脹和頁理面易剝落等特點，具體如下：

①巖體頁理發育，頁理間結合力較差，在載荷失去后，頁理間結合力隨之降低；暴露在空氣中，由于水（或水蒸汽）的介入使得頁理間的結合力進一步降低；在重力作用下，巖石沿頁里面層層剝裂（見圖8）離開母巖，當其重量超過鋼筋網或錨索的承受能力時巷道頂部便發生崩裂（圖1、圖2、圖3、圖4）。

②粘土礦物成分中90%以上的為粘土礦物，他們中蒙脫石、伊利石以及伊利石-蒙脫石組合遇水（或水蒸氣）膨脹，隨著體積的增加，其強度和完整性隨之降低，巷道便出現變形、崩裂，甚至垮塌。

③地應力促使頁巖局部發生塑性流動：其中鉀礦區640米中斷最大埋深約600米左右，而乙礦區990和920米中段均在400-500米左右，均屬中等地應力區，由此可推斷有引起頁巖發生塑性流動的可能，但不是巷道發生大面積崩裂的主要原因。

總之，馬路坪和用沙壩礦區粘土巖段巷道發生大面積崩裂的主要原因為粘土巖遇水膨脹和應力釋放后在重力作用下沿頁理面剝落所致。而地應力所引起頁巖發生塑性流動為次要原因。就兩幫和頂而言，兩幫以頁巖遇水膨脹為主；頂以沿頁理面剝落為主。

3.2 頁巖巷道的支護

①支護方式的選擇。粘土巖的支護在工程地質領域屬世界公認的難題。支護時不僅要考慮其新鮮巖體的質量類型，而且還應考慮工程所在地的水文地質條件，巷道跨度、埋深與使用年限等因素。為此，粘土巖的支護通常采取剛性支護、柔性支護與防滲漏的排水相結合的方式。剛性支護能防止頂部巖石的剝落，柔性支護能減輕兩幫遇水膨脹后給兩幫施加的側壓力，防滲漏的排水方式可避免水與粘土巖直接接觸。

②采用“預留緩沖空間”的鋼拱架或現澆鋼筋混泥土支護（圖片10）：

1）鋼軌架或現澆混凝土頂部應填滿硬質物，防止巖石沿頁理面剝落。

2）鋼軌架或現澆混凝土兩幫中下部預留一定的“緩沖空間”或者在緩沖空間內填滿柔性物質，巖石吸水膨脹后有緩沖的余地，不至于立即將強大的側向應力施加給鋼拱架或鋼筋混凝土的兩側。否則，鋼拱架或鋼筋混凝土均會產生側向變形（圖11）。

3）水溝可用管道代替或采用防滲漏處理的現澆混凝土水溝。

③采用“U”型鋼軌架支護（圖12）

“U”型鋼軌架的原理與上一種方法類似。它在煤田的粘土巖支護中應用非常廣泛，與普通鋼軌架支護最大的區別在于用一段弧形鋼軌代替了直鋼軌，同時底板必須澆筑混凝土。

3.3 對礦區內粘土巖支護的建議

①巷道跨度在5米以內的臨時巷道（服務年限5年以內）仍可以采用錨網、錨索加噴砼的支護方式。

②巷道跨度在5米以內或5米以上的永久性巷道采用“預留緩沖空間”或“U”型鋼拱架支護

4 結語

施工實踐證明，通過在該礦區其他中段采用“預留緩沖空間”或“U”型鋼拱架支護，不僅大大提高了施工效率，而且巷道并未發生較大規模的崩裂。針對粘土巖來說，以上兩種支護方式與其巖體質量類型和特征是匹配的。

參考文獻：

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