矽卡岩体的工程力学特性及巷道支护对策

明 建，赵增山

(1.北京科技大学，北京 100083；2.鲁中冶金矿业集团公司，山东 莱芜 271113)

矽卡岩型矿床是最常见的一种铁矿床类型，它赋存形态复杂多变，矿岩破碎。在地下开采过程中，采场地压显现都十分剧烈。国内难采金属矿床大多属于该类型矿床，如小官庄铁矿、金山店铁矿、程潮铁矿、玉石洼铁矿、符山铁矿、西石门铁矿、张家洼铁矿、丰山铜矿等，在开采过程中，都遇到了严重的岩石力学问题，井巷大面积片垮和冒落、炮孔错挤、巷道难以维护，回采无法正常进行，产量迟迟不能达到设计生产能力。后来，这些矿山都进行过多年的采矿方法攻关，但地压显现一直没有得到有效控制，地压问题仍是严重制约矿山发展的技术难题。长期生产实践表明，井巷变形破坏及其它形式的地压显现，大都与矽卡岩体有关，该岩体常常是破坏发生的突发点和关键因素。因此，认真研究矽卡岩型矿床地质特征，掌握矽卡岩的工程力学特性，对解决这类矿床的开采具有极其重要的意义。

1 矽卡岩型矿床主要赋存特征

矽卡岩型矿床是高温热液接触变质矿床，矿体形态复杂，顶底板起伏大，倾角变化多端，夹石夹层穿插频繁。由于矿床多次受到蚀变及变质作用，岩性变异类型复杂，矿体多被大大小小的破碎带切割，形成众多宽而破碎的矿岩接触带，使得矿体与围岩稳固性变差。矿床的主要特征是：

(1)矿床形态复杂多变

矽卡岩型矿床形态变化大，一个矿体在不同部位，其倾角、形状、厚度、品位都有较大变异，其中倾角变化可从20°到80°左右，矿体厚度从几米到上百米，有时矿体反转，上盘变为下盘，如符山3﹟矿体。矿体形态变化，给开采带来了极大的困难，往往需要几种采矿方法，才能适应矿体变化。

(2)夹石夹层多

矿体内赋存有大量的夹石夹层。这些夹石一般都为蚀变强烈的变质岩种，如玢岩、矽卡岩、蚀变闪长岩、角岩等。由于矿体内众多接触破碎带的存在，矿体整体性和稳固性明显降低，这些夹石夹层，常常是采矿工程失稳的突发点。

(3)围岩软弱破碎

矿体上下盘部位一般都赋存有矽卡岩带，宽度从0.5m到40m不等。这些矽卡岩体本身就软弱破碎，又受到矿岩接触带的影响，岩体工程稳定性变得很差。另外，矽卡岩、闪长岩、蚀变闪长岩、角岩这类围岩，都具有较强的水理性质，遇到水会急剧地发生崩解、膨胀与软化，甚至完全丧失自身强度。在此类围岩体中，巷道的掘、支都异常困难，但又很难避开这些岩体，故仍有大量的咽喉工程布置在其间，如电耙道、沿脉运输道、溜井及斜坡道通风道等。

(4)矿岩软硬相间

矿岩的稳固性差异较大，岩块与岩体间强度差异更大，不同区段的同一类岩石，其稳固性有时截然不同。如同为Fe1，呈块状的矿石强度高达100MPa，而呈粉状矿石其强度几乎为零，夹石的强度则从10～100MPa。矿岩的软硬相间，往往一条巷道，则需要通过数种稳固程度不同矿岩，给支护和深孔保护都带来极大的困难。

2 矽卡岩体的工程力学特性

矽卡岩是矽卡岩类矿体最有代表性的一种围岩类型，也是影响矿床难采最直接的因素。不同矿山的矽卡岩，尽管岩石成分不尽相同，但其性质仍具有一定共性，主要特征为：

(1)自稳性差

矽卡岩体是由强烈的变质和蚀变而形成，岩质软弱破碎，整体性很差。岩体强度大都在600MPa以下，一些类型的矽卡岩的强度还不足20MPa，且触动性敏感，围岩一旦暴露，就会引起垮冒。根据对多个矽卡岩型矿山的调查，多数矽卡岩巷道(3.2m×3m)的自稳性不足12h，如表1所示。这期间，往往来不及进行支护，经常发生冒落，许多矿山遇到矽卡岩体，特别是矽卡岩破碎带，必须采用超前支护才能成巷。由于自稳性差，矿山在巷道掘进过程中，由矽卡岩引起的垮冒占到垮冒事件总数的90%以上。小官庄、张家洼、玉石洼、程潮铁矿、金山店铁矿等矿山，位于矽卡岩地段的巷道变形破坏率均达100%，掘进时需采用超前和及时支护才能掘进。

表1 矽卡岩体自稳时间调查表

(2)水理性强

水理性是矿岩遇水后物理力学性质发生变化的特性。大量实验表明，矽卡岩体具有极其强烈的水理性质，亲水能力强，湿化与水化作用强烈。大多数矽卡岩的吸水率都超过15%，遇水后会快速发生崩解、软化，其强度明显降低，有些矽卡岩还具有强烈的膨胀性。根据对小官庄、张家洼、程潮、金山店、北铭河五个铁矿山的矽卡岩试样的水理实验，矽卡岩崩解性和软化性显著。所有矿山的试样入水后，均发生快速崩解，有的崩解速度仅几分钟。其崩解物多呈粉状或碎屑状，失水干燥后再遇水，崩解速度更快、更强烈。矽卡岩的软化性也比较明显，软化实验数据如表2所示。如透辉石化矽卡岩在干燥状态其强度可达80MPa，但遇水后强度值不足40MPa。特别是绿泥石矽卡岩和高岭土化矽卡岩，入水后其强度迅速降低，遇水即崩解变为毫无强度的散体，软化系数最高不超过0.3。

表2 矽卡岩软化实验数据表

膨胀性实验结果表明，大部分矽卡岩的膨胀变形能力较弱，膨胀率一般在20%以下，膨胀力为0.2MPa左右，如表3所示。但有些矽卡岩体膨胀性则极其剧烈，如张家洼铁矿的红褐色矽卡岩和金山店铁矿绿泥石化矽卡岩，膨胀变形均超过40%以上。

矽卡岩的水理破坏现象，在井下极为普遍，受水影响大的巷道底板和两帮，常发生底臌和脱帮破坏。

表3 矽卡岩的膨胀特性表

(3)变异性大

矽卡岩体由于多次受到蚀变和构造作用，其成分、力学特性都变得复杂变异。同一类型的矽卡岩，处于不同区域，其力学性质则截然有别，如小官庄铁矿透辉石矽卡岩的稳定性就存在明显差异，东区该种岩石的强度最高不到40MPa，而西区则普遍高于80MPa。再如张家洼铁矿赋存于下盘矿岩接触带处的透辉石矽卡岩，一掘即冒，遇水会迅速崩解片冒；而位于矿体中间部位，则能保持较长时间的稳定性，如能及时支护，可长期保持稳定。另外，不同矿山的同一类型矽卡岩，稳定性虽都较差，但其稳定程度差异较大，如程潮铁矿矿化矽卡岩较为稳定，其强度可达80MPa，而西石门铁矿、小官庄铁矿、张家洼铁矿的矿化矽卡岩的强度则不足40MPa，且松散破碎并含多种黏土矿物成分，遇水会迅速软化。

(4)触变性

触变特性是矽卡岩在外界工程环境的变化下，物理力学特性易发生改变的特性。矽卡岩体对环境变化敏感，当岩体暴露后，其力学特性就会发生迅速下降，主要表现形式是：①完整性下降。矽卡岩体节理裂隙发育，处于原始应力状态下的岩体，节理裂隙基本是闭合的，当开挖卸荷后，节理由闭合转化为张裂，整体性会很快丧失，有些则变为散体。②强度弱化。原封闭在特定环境中的矽卡岩体，一旦暴露卸载，其力学强度就会迅速降低，风化程度明显。根据实测，刚揭露出透辉石矽卡岩，其抗压强度可达82MPa，但经过2个月后，其强度降低至55MPa以下；而处于巷道表面处的绿泥石和高岭土化的矽卡岩，其强度已基本丧失。③流变不止。处于矽卡岩体中的工程，尤其是采动巷道工程，一旦开挖，其围岩变形就不会停止。在不支护的情况下，巷道很快就会产生垮冒。如及时采用支护措施，变形速度虽会降低，但变形并不会停止。

3 加固与支护对策

由矽卡岩力学特性实验研究表明，该岩体是一种水理性和触变性极强的软岩体，大多数工程的失稳破坏，都是由其特性引起的。因此，采用速效和全封闭性支护与加固措施，控制其强度弱化，应是此类围岩工程的支护设计原则。

(1)及时速效支护

当该类岩体被揭露后，应及时采用速效和刚性较强的支护手段对其封闭加固，尽早控制其变形卸载。目前，最有效的支护形式是锚喷网支护，即先喷射薄层混凝土加以封闭，再采用快凝树脂锚杆或缝管摩擦式锚杆等具有速效特性的垫板锚杆，最后形成刚性较强的锚喷网支护层。小官庄铁矿在进行矽卡岩巷道的掘进中，采用一掘一喷的施工工艺，即巷道爆破出渣后，立即喷射混凝土封闭，接着再施加锚网喷支护。金山店铁矿采用喷射混凝土和超前钢支架的联合支护方法，及时对新掘巷道进行支护，保证了采矿需要。张家洼铁矿则采用紧跟掌子面施加快凝树脂垫板锚杆加压预制片网，再喷射混凝土封闭的及时支护形式，基本杜绝了掘进中的垮冒破坏，由于采取及时的支护措施，矽卡岩巷道的稳定性显著提高。

(2)表面强化支护

矽卡岩强度低，节理发育，巷道松动范围大，围岩承载能力弱，如不强化支护，围岩极易由塑性变形转化为散体破坏。因此，应采用刚性强、能够主动施加围压的支护，来抑制巷道地压的转化，提高围岩的自我承载强度，减缓巷道的变形速度。为提高表层整体支护结构的强度，金山店铁矿采用密集钢支架和喷射混凝土联合支护的结构。张家洼铁矿和小官庄铁矿采用端锚预应力大垫板锚杆，加连续的钢筋网和双筋条带，经初喷和终喷两次喷射混凝土，在巷道表面形成封闭和牢固的承载壳体。并在此支护的基础上，再采用3.2m的中长锚杆和大直径双筋条带吊挂补强。

(3)剥皮减压卸载

采场内的联络巷道，服务年限一般应大于2～3年。但一些处于高应力区段的矽卡岩巷道，尽管采用了较强的锚喷网支护，安全稳定时间也仅8～12个月。在其服务年限内，需重复进行补强加固，使巷道断面越来越小，巷道的服务功能无法完全实现。为此，许多矽卡岩型矿山采取了多次卸载放压的维护方法，即巷道变形量达到一定程度时，将巷道周边完全松动的围岩剥除掉，重新支护，服务期较长的巷道往往要剥皮支护多次。

但该种剥皮减载维护方法，一般应用于初期采用锚喷网支护的巷道。由于这些巷道，在锚喷网的包裹限制下，碎裂松动的围岩体虽承载能力较小，但仍具有一定的围压效应。这种围压作用，限制了深部围岩的过量变形与松动，并在碎裂松动圈以外，形成一定厚度的挤压承载圈，该承载圈使巷道保持了稳定平衡。所以，当碎裂围岩剥除后，巷道仍能保持一定的自稳性。

(4)综合防水

水是引起矽卡岩强度弱化的直接因素之一，也是使矽卡岩巷道加速变形破坏的重要原因。但完全避免水的作用，对于地下工程岩体是十分困难的，尤其是采矿工程，许多开采工序必须用水，如巷道掘进和深孔凿岩。为了降低水的危害，鲁中冶金矿业集团公司所属矿山，严格控制巷道掘进钻孔用水量，底板积水及时排泄。锚杆钻孔采用12mm的小直径进水管，深孔凿岩施工废水通过管道外排。金山店铁矿采场排水，采用了无渗透排水沟和管道，施工过程中巷道基本不积水。在采取积极排水的同时，各矿山加强巷道的通风，尽量保持巷道内湿度的稳定和巷道的干燥。由于采取多种防水措施，矽卡岩巷道围岩的强度弱化得到有效控制。

4 结论

通过对国内几个矽卡岩型铁矿山矿体赋存条件和岩性的研究，揭示了这类软破岩体的工程力学特性和变形破坏机理。根据矽卡岩体强度低、水理性强、巷道自稳时间短的特性，提出了与其岩性相匹配的支护方法和防水措施，并在鲁中冶金矿业集团公司和武钢矿业集团公司所属的几个大型地下矿山进行了应用，成功地解决了这些矿山矽卡岩巷道掘不进、支不住的难题。支护应用实践表明，对于矽卡岩巷道，恢复围压环境、提高围岩自承载能力是支护的理论依据，及时、强化支护和综合防水是支护成功的技术关键。

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