不稳固岩层中掘进巷道的锚喷支护技术分析

薛迪光

(锡矿山闪星锑业有限责任公司,湖南冷水江 417500)

不稳固岩层中掘进巷道的锚喷支护技术分析

薛迪光

(锡矿山闪星锑业有限责任公司,湖南冷水江 417500)

文章分析了湖南锡矿山采选厂在长龙界页岩这种不稳固岩层中所掘巷道的破坏模式与原因,对巷道断面型式如何进行选择,说明了在实际工程中通过采取锚喷支护的技术,调整了围岩中的应力分布和抑制其变形发展,提高了围岩的自承能力和维持稳定,经过锚喷支护后达到了稳定状态的岩体,具有长期工作的可靠性,岩体的稳定性得到了明显改善而取得的效果,保证了巷道的施工安全,确保了掘进进度与正常生产。

不稳固岩层;掘进;断面;锚喷支护

锡矿山采选厂位于湖南省冷水江市北郊,年采矿量15万t,掘进8 000 m。该厂长龙界页岩主要为深灰色钙质页岩,结构很细,方解石呈不规则贯入,岩性软,易碎。此类岩层岩性软弱,自稳能力差,易风化,遇水软化而崩落。其单轴极限抗压强度Rb= 47.7～53.5 MPa,单轴极限抗拉强度Rc=1.28 MPa,弹性模量E=(1.1～2.6)×104MPa,泊松比v=0.1～0.19,岩石重度γ=23～25 kN/m3,内摩擦角Φ=35°～45°,凝聚力C=0.6～1.5 MPa,饱水后的长龙界页岩具塑性流变特征,属不稳固岩层。

鉴于在井巷掘进过程中经常遇到长龙界页岩这种不稳固岩层,因此,对长龙界页岩这种不稳固岩层进行锚喷支护的设计与施工技术特性进行探讨与分析是十分必要的,以维护巷道的稳定,确保正常生产和安全。

1 巷道破坏模式与原因分析

围岩稳定性分析是在井巷工程支护衬砌设计中必不可少的步骤,它对工程设计和施工都有重大影响,历来被决策者和施工技术人员所重视。长龙界页岩属于不稳固型岩层,其自稳时间短,较大的各种变形和破坏都可能发生。由于巷道在掘进开挖后失去了原有围岩的支撑,岩体应力超过岩层强度,就可能出现破坏并逐步扩大到整个断面。

长龙界页岩中的巷道顶板是由薄层页岩构成,当掘进断面足够大时,顶板可以出现显著弯曲甚至折断而塌落。如果弯曲变形向上发展,会导致岩层弯曲,离层和多层塌落。

弯曲问题可用梁理论作简单描述。取一单位长度的巷道进行观察,第一层顶板高为t1,跨度L等于巷道宽,两端固定,载荷均布并等于自重rt的梁(如图1所示)。由材料力学可知,此梁的最大挠度u1max位于梁长的中点,最大拉应力σ1max出现在梁的两端上边缘点上,它们分别等于:

式中u1max为最大挠度;σ1ma为最大拉应力;L为巷道宽度;γ为岩石单位体积的重力;E1为材料的弹模;t1为第一层顶板高度。

一旦σ1max大于材料的抗拉强度,岩层就会发生折断或垮塌。

同理可以单独计算第二分层,求出u2max。如果u2max＞u1max,则两个分层将组合为一个梁,层间以摩擦力相结合。如果u2max＜u1max,则第一分层将与第二分层脱离,产生离层现象。类似的计算还可以进一步向更上的分层递推,从而给出梁的弯曲和离层的图案(见图1)。

如果巷道的顶板有发生弯曲离层破坏的危险,则用锚杆进行支撑是有效的。支护量可以梁或板理论计算,设计锚杆的锚固点应设置在挠度较小的坚固岩层上,使几个分层之间保持足够的正压力和层间抗剪力,以增加组合梁的刚度和强度从而增加稳定性。

图1 岩层受力与破坏示意图

巷道掘进开挖以后围岩的受力状态可以弹性力学定量计算,一般可用开尔希(Kirsh)公式来分析围岩的稳定性。岩层含水状态对稳定性影响很大,浸水后其塑性区深度比原始状态要大,围岩的松弛变形将引起抗剪强度的下降。因此,当围岩不受水浸泡时,只考虑松弛变形所引起的变化。据此可推得以下结论:(1)施工要尽量避免围岩受到水的浸泡作用;(2)施工中要采取及时而有效的支护措施,以避免围岩过度松弛。

拱形和在σv=σH=σ0(即垂直压力和水平压力与岩体初始应力相等)的条件对围岩稳定较为有利;假若巷道不是圆型或者σH＜σv,则围岩的稳定状况较差。当N＜1(N=σH/σv)时,破坏总是首先在边墙部位发生。因此,在实际工程中,应该尽量减少围岩中的应力集中。

由于巷道围岩性质差、强度等力学性能差,围岩成分具有膨胀性,这是巷道变形的内在原因;而爆破作业的震动和采空区的影响是诱发巷道最终变形破坏的主要外因。

2 巷道断面型式选择

巷道的断面形状要尽量做到与围岩压力分布相适应,长龙界页岩一般受四周压力和较大的垂直压力,且变形量大,延续时间长,在这类不稳固岩层中的掘进巷道断面宜采用拱型、马蹄型及类马蹄型等曲线形断面形状。采用圆滑曲线的断面轮廓,可以减小应力集中引起的岩体破坏和增强喷混凝土层的结构作用。

在长龙界岩层中掘进开挖巷道,基本原则是在不使围岩发生有害松散的前提下,允许围岩产生较大的变形,以减小支护抗力,使锚喷支护达到经济合理,安全可靠。因此,巷道断面尺寸应预留允许的周边收敛量,根据实践经验,长龙界页岩中掘进巷道周边预留变形量一般为80～120 mm。

3 锚喷支护效果

锚喷支护的主要目的不是用它来承担坍落岩体所形成的荷载,而是利用它来调整围岩中的应力分布和抑制其变形发展,以提高围岩的自承能力和维持稳定。因此,经过锚喷支护后的岩体,只要真正达到了稳定状态,那么它长期工作的可靠性是毋庸置疑的。当然,对于可能影响围岩和支护系统正常工作的各种不利因素都应该予以充分考虑。

长龙界页岩软弱且对水敏感,“水的作用”是影响其稳定的主要因素之一。粘结力不大,遇水后迅速软化,造成强度大幅度降低。由于水对岩体的稳定性有严重影响,在分析有水巷道长期工作的可靠性时必须重点考虑这个因素。锚喷支护可以有效地抑制围岩变形发展(可以减少强度损失)和改善岩体的应力分布,从而可使岩体的稳定性得到明显改善。

《采矿手册》中提供的许多数据说明,厚约100 mm完整的喷射混凝土层,可以向围岩提供0.1～0.4(最大测值为0.77)MPa的抗力。在设置喷混凝土层后,岩体的稳定性就得到了较大改善,具有防止围岩松弛的作用,若覆盖层较大,仅喷混凝土还不够,应该使用锚杆来进一步加固。当锚杆受到剪切作用(处在塑性区界面上的锚杆就是这样)但不被剪断时,它可以对剪切面产生一个“附加法向压力”,锚杆的效果比喷射混凝土更为显著。因此,实际工程应用中不应该忽视锚杆的加固效果。

4 喷锚支护设计及施工

4.1 巷道掘进开挖及支护

根据巷道破坏模式与原因分析,Φ、C值越大,工程的运行效果越好,因此,设计和施工中应该采取有效措施,避免岩体浸水或过度松弛而造成Φ、C值的大幅度下降,失去自承能力而导致破坏。

采用控制爆破(即光面爆破或预裂爆破)法全断面一次开挖成型,减少对岩体的扰动是保持岩体自承能力及其稳定性的一种最经济方法,而且比任何加固措施都更为有效。巷道掘进的开挖应该采用控制爆破法进行,宜采取浅钻孔、弱爆破、多循环、稳步掘进、各工序紧跟的措施。爆破质量要求软岩中周边成型应符合设计轮廓;岩面不应有明显的爆震裂缝;周边不欠挖与平均线性超挖值应小于200 mm。

过大的变形是围岩破坏的起因,必须对它加以限制。紧跟掌子面进行锚喷支护就是抑制变形的一种重要而有效的手段,宜遵循快开挖、先护后挖、边挖边护、超前支护的开挖支护方法,做到一掘一支护,稳步前进,坚持多循环原则,并快速封闭岩面,合理控制变形。

由于长龙界页岩变形的发展较快,支护系统应在距掌子面1～2 m之内建成,并在下一循环开始之前就能发挥作用。在这种情况下,按照“围岩—支护”相互作用原理,若采用一次完成刚性大的永久支护,对围岩过早地施加过强的约束力,会导致支护结构承受较大的荷载,甚至出现弯曲破坏。因此,一般应分2次支护,即初期支护与后期支护。初期支护采用喷层厚度不大于50 mm的锚喷支护;后期支护最终喷射混凝土厚度达到150～200 mm,后期支护施工的时机可根据现场观测资料来定,但一般不宜大于1个月。初期支护的作用是及时提供一定的支护抗力,使岩体不致发生松散破坏,同时,又允许围岩的变形有一定发展,以充分发挥围岩的自支承作用。后期支护的作用是维持巷道的长期稳定性。显然,在长龙界页岩这种不稳固岩层中,采用柔性较大的薄层喷混凝土加锚杆做初期支护是十分理想的。但是,岩体变形也具有明显的时间效应,必须适时地提高支护抗力,进行后期支护,以保证巷道的长期稳定性。

长龙界岩层中应用锚杆支护是有效的,也是必不可少的。掘进开挖完成后应立即喷射第一层混凝土,喷射作业应当紧跟开挖工作面,混凝土终凝到下一循环时间不应小于3 h;接着进行边墙锚杆施工,锚杆布置的密度由“不被剪断”前提来决定,可采用梅花型布置,锚杆的间距1 m×1 m,必要时加密;锚喷支护施工应保持其整体性,以保证支护效果。

4.2 锚喷支护施工质量控制及其监测

对既成工程运行情况的调查表明,施工质量的好坏往往是锚喷支护成败的关键所在。在软岩中的锚喷支护工程必须强调施工质量的控制,尤其对于有水巷道更应如此。巷道长期运行的可靠性主要取决于围岩的饱和程度。显然,与喷射混凝土的施工质量有着密切的关系。施工时必须保证喷射混凝土设计厚度,提高均匀性,避免“骨料干砌”现象的发生。同时作好喷射混凝土层“接茬”部位的处理,杜绝龟缩裂缝的出现,避免多余水流对围岩的浸泡作用。

由于地质条件的变化和不可预见的各种问题存在,计算工作很难全面而准确地反映实际情况,施工过程中应当根据掘进开挖过程中不断揭露的围岩实际状况,及时调整支护参数,随时验证施工程序、支护体系的正确性和效果,以指导设计和施工。

围岩破坏的发生一般都伴随着某种量值的变化,而且在通常情况下,它就是过大变形的直接结果。因此,以围岩变形这种“信息”为依据,利用变形观测资料来预报围岩的稳定状态,并以此决定所应采取的补强措施,确保安全生产。

5 结束语

长龙界页岩这种不稳固岩层是该厂巷道掘进时经常遇到的围岩类别,因此,在锚喷支护施工时要做到:

1.采取控制爆破全断面一次开挖成型的方法,减少对围岩的扰动。

2.尽量避免围岩受到水的浸泡作用,确保锚喷支护的强度。

3.及时采取有效的锚喷支护措施,坚持多循环原则,快速封闭岩面,合理控制变形。

4.强化施工质量控制,加强施工监测,以达到安全生产的目的。

[1] 马安禧,于绶章,周康年,等.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1987.

[2] 郑永学,林韵梅,卢世宗,等.矿山岩体力学[M].北京:冶金工业出版社,1988.

[3] 张富民,潘燮,常林彝,等.采矿设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,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,工程师,主要从事有色金属矿山采矿技术研究与管理工作。

2010-04-12