新型聚丙烯纖維混凝土在軟巖巷道支護中的應用

郭進平，鄭冰,2，祝硯檜，盧皎旭，程相琛

(1.西安建筑科技大學 資源工程學院， 陜西 西安 710015；2.山陽秦鼎礦業有限責任公司， 陜西 商洛市 726100；3.中國冶金地質總局 湖南地質勘查院， 湖南 長沙 410001)

0 引言

夏家店金礦主要賦存在寒武系水溝口組黑色巖系，泥盆系大楓溝組砂巖、板巖，星紅鋪組灰巖夾鈣質板巖地層，II 號金礦體主要由硅質板巖、泥質板巖、角礫巖組成，礦巖整體穩定性較差。隨著開采深度增加，夏家店金礦的開采技術條件變得更加復雜，主要表現為工程地質條件惡化、地應力增大、地壓顯現加強等，同時伴有采礦作業環境惡 化、危險系數增大、采礦作業成本陡然增大等影響，給后續采礦作業和軟巖巷道的支護造成了很大的困難。同時隨著時間的推移，圍巖的穩定狀態由蠕變逐步發展成地下井巷工程結構的失穩破壞，若不能得到有效解決，將嚴重制約礦山經濟發展。針對較軟巖礦巷道的支護，袁文伯等[1]根據巖體應變軟化的變形特性建立了彈塑性軟化模型，并推導出適用性更廣泛的塑性區半徑計算公式。張愛玲[2]研究發現在混凝土中添加聚丙烯纖維后，其強度和其他力學屬性均要優于傳統的混凝土。盡管大量的研究人員證明了添加聚丙乙烯混凝土的性能異常顯著，但是這些僅僅只是從單一學科角度出發得到的結論，并不具備工程應用的普適性，本文針對軟巖巷道支護困難、采礦作業條件復雜等問題，通過實際工程調研，提出采用添加聚丙烯纖維混凝土噴漿支護方案，通過添加劑改變噴漿體物理力學性質，從而達到對軟巖巷道支護的目的。利用數學理論建立軟巖破環的松動半徑和松動圈數學模型，得到軟巖巷道支護的具體參數，再運用數值模擬方法對新型混凝土支護效果進行模擬分析，并成功應用于夏家店II 號金礦的軟巖巷道支護中。結果表明，該新型聚丙乙烯混凝土噴漿支護效果要遠遠優于單純的混凝土噴漿支護和其他支護方式的支護效果。

1 工程概況

夏家店金礦II 號金礦體呈現傾角50°～60°，總體呈似板狀、厚度20～30 m，節理裂隙發育。礦巖體質量為IV～V 級。采礦方法為上向進路膠結充填采礦法，礦塊走向長50 m，階段高度40 m，礦塊寬度和礦體厚度為20～30 m，各礦塊之間不留間柱和頂底柱。最大埋深300 m，進路巷道尺寸2.5 m×2.7 m，進路長度約15～20 m，采用YT28 鑿巖鉆機掘進式爆破回采礦石，單班掘進進尺2.0 m，單條進路日掘進量4.0 m，單條進路回采周期約1 周。進路回采過程中，由于受爆破的影響，存在冒頂片幫，嚴重時甚至巷道垮塌，造成部分礦石損失，且垮塌進路支護工作量大、耗時長、安全性差，威脅作業人員安全，使礦山難以維持連續生產。

2 巷道松動圈計算

軟巖巷道支護關鍵在于精確分析軟巖活動的范圍和大小，即軟巖巷道的松動圈，只有確定了軟巖松動圈之后才能準確地分析使用哪種支護類型和方式。巷道松動圈大小也是評價巷道圍巖穩定性和選擇支護方式的主要依據。根據彈塑性軟化模型[1]，考慮到巖石在塑性區與破裂區的臨界狀態及邊界條件r=a（巷道半徑），得出圍巖松動圈計算公式[3]：

式中，R為塑性區半徑；a為巷道半徑；t為系數；φ為內摩擦角；P0為原巖應力；β為系數；μ為泊松比；Pi為支護抗力；σc為單軸抗壓強度；*cσ為殘余抗壓強度；Rt為破裂區半徑。

松動圈計算各參數數值見表1。

表1 松動圈計算各參數值

以上數據代入式（1）解得巖石塑性區半徑R=231 cm，破裂區半徑Rt=174 cm，根據軟巖松動圈分類表[4]，此松動圈在150～200 cm 之間，屬于大松動圈，為一般不穩定圍巖即軟巖，根據松動圈大小對應支護方式為錨噴支護。

3 支護方式選擇及施工

3.1 夏家店金礦支護方案

針對進路充填采礦方法，需要一種安全高效、成本低廉且施工方便、操作可行的支護方法。3 種常用支護方式的優缺點見表2。根據夏家店金礦礦體工程地質特征及以往工程實例，選擇噴漿支護方案。

表2 不同支護方式的優缺點

噴射混凝土支護方式屬于主動支護方式的一種，其最大的優點在于可及時封閉圍巖以保證其完整性，混凝土與圍巖緊密黏結，共同形成承壓拱，及時給圍巖提供正向抵抗力，避免圍巖進一步脫落。

3.2 新型噴射混凝土支護技術

經夏家店金礦現場試驗，回采進路采用噴射混凝土支護方式取得了一定的效果，但是受爆破振動及充填時水的混入引起圍巖塑性變形，噴射混凝土層出現裂縫，甚至局部掉塊，如圖1 所示。

圖1 混凝土噴漿裂縫及局部掉塊

為解決此問題，經查閱相關文獻，將聚丙烯纖維添加在噴射混凝土中，能改善噴漿的物理力學性能[2]。聚丙烯工程纖維是以聚丙烯為基礎的合成纖維，具有耐腐蝕性強、強度高、加工性好、蠕變收縮小、價格低等特點。根據付華[5]、李光偉等[6]的研究，發現加入適量的聚丙烯纖維的混凝土，抗壓強度提升10%～20%，抗沖擊性能可提高30%～40%，收縮率可降低7%～18%，防滲性可提高50%～70%[4?8]。

普通混凝土噴漿凝固過程中，由于混凝土的化學收縮性，在其內部產生很多極細的微裂隙，而這些微裂隙在爆破振動時產生應力集中而擴大成裂隙，同時還會存在一定的滲透性；充填水可誘發圍巖的塑性變形進而造成進路巷道進一步失穩破壞。在混凝土內摻入混凝土專用聚丙烯纖維，攪拌后能在混凝土內部均勻分布，當噴漿體凝固收縮時，由于纖維在噴漿體內產生相應的反向拉力而相互抵消部分能量，可有效減少噴漿體收縮時產生微小裂縫，提高噴漿體的抗裂和抗剪切能力，同時可提高噴射混凝土的抗滲能力，以減少水的影響。采用新型混凝土噴漿支護后的巷道如圖2 所示。

圖2 添加聚丙烯纖維后噴漿效果

3.3 噴漿支護數值模擬

夏家店金礦的部分工程地質資料如下：夏家店金礦Ⅱ號礦體巷道的開挖直徑見表3，巖性為硅質板巖和泥質板巖，礦體巖石質量為IV～V 級。開挖后巷道初始地應力見表3，巖體飽和抗壓強度為2.04 MPa，干抗壓強度為9.32 MPa，變形模量為0.63 GPa，泊松比為0.34，天然容重為2.37 kN/m3，巖體凝聚力c=0.28 MPa，內摩擦角φ=30°。支護為新型混凝土噴漿支護，噴漿體的抗壓強度為35.00 MPa，抗拉強度設計值為1.27 MPa，與噴漿體的黏結強度為1.8 MPa；噴漿體與圍巖摩擦系數為1.2，彈性模量為30.0 MPa，泊松比為0.167，容重為23.5 kN/m3。

表3 夏家店金礦Ⅱ號礦進路開挖直徑和初始三維地應力

擬用平面彈塑性有限元法分析軟巖巷道新型混凝土的支護效果。并計算假定回采進路開挖地應力釋放70%后，初期支護和圍巖是否能承受剩余卸荷。需要注意的是此次只是設計采礦巷道的平面應力應變分析。

根據夏家店實際回采巷道斷面尺寸繪制回采巷道，如圖3 所示。之后在Phase2 中調用圖4 所示界面，通過人機交互的方式對模擬對象ROCK01、ROCK02 等進行部分屬性賦值。

圖3 夏家店金礦回采巷道斷面

圖4 基于Phase2 對軟巖巷道的巖石巖性賦值

待上述建模完成后，再定義其本構模型并計算主應力和剪應力以期獲得更加接近真實情況的該選擇σx和σz，同樣的剪應力也應該選擇τzx。其中主應力和剪應力的計算結果見表4。

表4 回采巷道主應力計算結果

從表4 可以清晰地得出，該回采巷道的主應力σ1為25.13 MPa、主應力σ3為8.37 MPa、夾角大小為?9.76°。之后將上述巖性參數輸入模型，即可對該回采巷道在開挖過程中采用新型聚丙乙烯混凝土支護下圍巖的應力應變進行分析。

對巷道采用新型聚丙烯混凝土支護方案的分析主要集中在支護后的巷道在水平方向和數值方向的變形情況、巷道塑性區的變化情況以及開挖之后巷道的應力應變變化情況分析，從而整體判斷該支護方案的效果，如圖5 所示。從圖5 中可以看出，在使用新型混凝土噴漿支護之后巷道的西北和東南方向受到的壓力相比其他方向單一且較大，但均在允許的范圍之內，為了后續作業的安全，在接下來的支護作業中應該考慮在薄弱的地方適當增加噴砼的厚度以保證生產作業正常進行。

圖5 回采巷道應力應變空間分布

塑性區的形成和發展是導致巖石變形和破壞的主要原因之一，因此對巷道圍巖塑性區的分析和研究是探究巷道支護方案必須考慮的，夏家店金礦回采巷道開挖塑性區分布如圖6 所示。從圖6 中可以看出，采用新型聚丙烯混凝土支護的巷道塑性區分布比較均勻，并未出現在某一方向上較大的塑性區，除此之外從圖7 和圖8 中可以看出，夏家店金礦回采巷道采用新型混凝土支護后在X?X和Y?Y方向的位移趨勢較小，再次說明采用該種新型混凝土支護的效果優于其他支護方式。綜上，這種采用新型聚丙烯混凝土的支護方案的優越性比較明顯，可以在軟巖巷道支護中推廣使用。

圖6 回采巷道開挖塑性區

圖7 回采巷道開挖后水平變形

圖8 回采巷道開挖后豎直變形

3.4 新型噴射聚丙烯纖維混凝土應用

為提高噴漿效果質量，在混凝土噴漿料里加入適當的聚丙烯纖維添加劑，可提高噴射混凝土抗壓強度、抗沖擊性，減少收縮率，提高防水性，且能快速凝固，在夏家店金礦軟巖巷道支護成功應用。

3.4.1 材料配比

混凝土噴漿材料有機制砂石、水、水泥、速凝劑、聚丙烯纖維、羥丙基甲基纖維素，經過工程實踐，確定材料為普通機制水洗砂石混合料，經篩分其含量見表5。

表5 新型混凝土砂石比例

根據砂石含水率調節用水量，水用量為砂石用量的8%～9.6%；水泥約占砂石總量的25%；速凝劑占水泥用量的20%；聚丙烯纖維為工程用束狀單絲，長度約20 mm，摻量為1.6 kg/m3；羥丙基甲基纖維素：規格CH?150000，摻量為1.5 kg/m3，噴射混凝土材料配比見表6。

表6 噴射混凝土各材料配比

3.4.2 施工工藝

采用型號PZ-5 的噴射混凝土設備，配高壓風和高壓水。將所需物料按照上述比例進行充分攪拌，裝入噴漿機料斗，采用高壓風使混合料在軟管內呈懸浮狀態，壓送到噴槍，在噴頭處加入高壓水混合，以較高速度噴射到巖面上。采用多次重復噴漿，使噴層厚度達6～8 cm。

4 結論

（1）在同等條件下，與原普通噴漿支護相比，加入聚丙烯纖維噴射混凝土在其凝固后，明顯比以前支護效果更好，更易黏結而且節省物料，同時受爆破振動產生的裂縫和掉塊比之前減少50%～70%，充填水對周邊進路影響減少了70%～90%。

（2）加入聚丙烯纖維的噴漿支護在軟巖進路巷道施工周期內，能保證進路回采安全，解決冒頂片幫及充填滲水引起的圍巖塑性變形等問題，為礦體回采連續安全生產提供了保障，在夏家店金礦充填進路軟巖支護中得到了廣泛應用。

（3）在噴射混凝土材料中添加聚丙烯纖維和羥丙基甲基纖維素，具有操作簡單，易施工，支護成本低，支護效率高等優點，特別適用于采場充填進路支護選擇，但是該法不適用于軟巖巷道長期支護的選擇，需要長期支護時應該選擇聯合支護方式。