锚喷支护条件下膨胀岩巷道稳定性研究

常宝孟 韩 斌 李 涛 赵金田

(北京科技大学土木与环境工程学院)



锚喷支护条件下膨胀岩巷道稳定性研究

常宝孟 韩 斌 李 涛 赵金田

(北京科技大学土木与环境工程学院)

采用侧限膨胀率试验对某钼矿矿岩的膨胀特性进行研究，分析了膨胀岩巷道易膨胀变形的原因，基于莫尔-库伦强度准则对轴对称膨胀岩圆巷进行弹塑性分析，提出湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护手段，并对巷道收敛变形及周边围岩移动进行监测。研究结果表明:支护力p1越小，膨胀力σs越大，则塑性区半径R0越大，膨胀岩巷道越不稳定；湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护能有效控制膨胀岩巷道变形并大幅降低支护成本。研究成果为同类或相近条件下的膨胀岩巷道支护设计提供了依据。

膨胀岩 锚喷支护 树脂锚杆

膨胀岩为与水发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间增加、体积增大的一类不良工程岩体[1-3]。长期以来膨胀岩巷道的支护维修工作十分困难且耗资巨大，一直是影响我国矿山生产建设的重大技术难题之一。膨胀岩巷道支护问题的主要特征为大变形、大地压、难支护，具体表现为膨胀岩巷道的大变形具有明显的蠕变特征，初期来压快，变形量大[4-7]；巷道开挖后，不但顶板在大地压下易发生变形冒落情况，而且底板也产生强烈底鼓现象；巷道在膨胀应力、构造应力、地应力等交互作用下，具有明显的方向性，并与具体的施工措施有关[8-10]。从内因和外因两个方面分析膨胀岩巷道失稳原因，内因为膨胀岩遇水膨胀率高，易发生遇水泥化、崩解现象，导致围岩的自承能力迅速下降，产生极大的变形地压，另外，膨胀岩巷道开挖后二次应力分布不均，易造成应力集中现象[11]，因而对钢拱架及现浇筑混凝土等支护手段造成破坏、发生失稳；外因主要为现用支护形式不合理，不能有效控制膨胀岩的松动变形，从而造成失稳[12]。

通过侧限膨胀率试验等方式对膨胀岩的膨胀特性进行研究，基于莫尔-库伦强度准则对轴对称膨胀岩圆巷进行弹塑性分析，结合工程实例采用湿喷+树脂锚杆+钢拱架高强度的主动支护方式，形成完整的支护结构，可最大限度地发挥围岩自承作用，显著提高膨胀岩巷道的稳定性。

1 岩石膨胀特性试验

某钼矿水文地质条件复杂，矿岩性质受地下水影响较大。为对其巷道围岩的膨胀特性进行研究，分别在2 480，2 570及2 670 m水平巷道取得蚀变角岩、致密花岗斑岩、蚀变花岗斑岩岩样进行试验。为便于试验，分别将蚀变角岩、致密花岗斑岩、蚀变花岗斑岩标号为A、B、C，其岩样物理性质参数见表1。

表1 岩样物理性质参数

除测得岩样自由膨胀率外，还进行侧限膨胀率试验，对在有侧限条件下岩样浸水后所发生的单向膨胀变形进行测量。根据加载条件，膨胀率试验可分为无荷载和有荷载两种情况，本次试验采用的是无荷载膨胀率试验方案。试验方法为：首先将具有原状结构的岩石切制成直径61.8 mm、高20.0 mm的带环刀试样；再将试样装入固结仪中，注入纯水，使水面始终高出试样5 mm，记录注水时间，按5，15，30 min；1，2，4，6 h…测记量表读数，直至6 h变形量不超过0.01 mm时结束试验。试验分3组进行，每组测3个试样。试验结果如图1所示。

图1 各岩样膨胀率的时间关系曲线

从图1中可看出，A试样(蚀变角岩)平均膨胀率为1.96%，在2 h膨胀完毕；B试样(致密花岗斑岩)平均膨胀率为1.41%，在1 h内膨胀完毕；C试样(蚀变花岗斑岩)平均膨胀率11.60%，在2 h内基本膨胀完毕。由侧限膨胀率试验可以得出，不同地区的花岗斑岩体的侧限膨胀率不尽相同，其中以蚀变花岗斑岩的最大，蚀变角岩次之，致密花岗斑岩的最小，且花岗斑岩的侧限膨胀率为1.27%～12.90%。根据膨胀岩分级标准[13-14]，知蚀变花岗斑岩为强膨胀岩，蚀变角岩与致密花岗斑岩为弱膨胀岩。

由于蚀变花岗斑岩等膨胀岩含蒙脱石等膨胀性矿物成分，吸水后易发生膨胀，所以在对膨胀岩巷道围岩进行支护时，要考虑到膨胀效应对支护力的影响。

2 轴对称膨胀岩圆巷弹塑性分析

巷道开挖后，若围岩应力超过岩体的屈服极限，则围岩呈现塑性状态，处于塑性状态的岩体范围为塑性区[15]。下面对轴对称膨胀岩圆巷岩体处于弹塑性状态下围岩的应力应变进行分析(图2)。

图2 塑性区计算简图[15]

2.1 基本假设

深埋圆形平巷、无限长；原岩应力各向等压；围岩为具有膨胀性的弹塑性体。

2.2 基本方程

弹性区：积分常数待定的弹性应力解为

(1)

塑性区：轴对称问题的平衡方程为

(2)

莫尔-库伦强度准则方程

(3)

2.3 边界条件

弹性区：外边界r→，σr=σθ=p0。

内边界(弹塑性区交界面)：r=R0(塑性区半径)

(4)

塑性区：外边界(弹塑性区交界面)

(5)

式中，e、p分别为弹、塑性区的参数量。

内边界r=r0，σr=0(不支护)。

(6)

式中，p1、σs分别为支护力和膨胀力。

2.4 求解计算

由式(1)和塑性区外边界条件，得

(7)

由式(2)和式(3)联解，并用塑性内边界有支护的边界条件确定积分常数，解得有支护力情况下的弹性区应力为

(8)

塑性区应力为

(9)

塑性区半径为

(10)

式(8)描述了支护力p1与塑性区半径R0的关系。由此可知，支护力p1越小，膨胀力σs越大，则塑性区半径R0越大，巷道就越不稳定。湿喷混凝土与树脂锚杆支护，相较干喷混凝土及管缝式锚杆等其他手段的支护强度更高，支护力更大，所以能有效减小塑性区半径，维持膨胀岩巷道稳定。

3 工程应用

某钼矿矿体和围岩层理及节理裂隙发育，细小裂隙、节理、断层纵横交错，往往形成地表渗透水的通道。矿体顶部主要为第四系坡积物(Q)、奥陶系(O)和志留系(S)黄色黏沙岩，矿岩主要为花岗斑岩及角岩，蚀变强烈，加上地下水的作用，矿岩遇水膨胀变形、泥化崩解。采矿方法为自然崩落法，主要支护类型为钢拱架支护和木支护。由于采场底部结构受到放矿过程中动载荷及围岩膨胀的影响，巷道变形严重。巷道主要破坏形式为顶板下沉，侧帮内挤，底板鼓起。发生破坏的地段主要是在断层破碎带及采场底部结构巷道中，因而选择在2 480 m中段钼矿体203采场的底部结构开展支护试验，以期获得有效控制膨胀岩巷道变形的支护手段。

3.1 支护方法与参数

针对203采场膨胀岩巷道，采用湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护设计，具体支护参数见表2。树脂锚杆安装位置如图3所示。

表2 支护参数

图3 锚杆安装及测线布置(单位：mm)

3.2 支护监测与分析

支护结束后，对巷道收敛变形及周边围岩移动进行监测，其中收敛变形主要表现为顶底板移近和两帮内挤，采用收敛计监测，测线布置情况见图3，巷道周边围岩移动采用多点位移计监测。测量仪器情况如表3所示。

表3 监测仪器型号及监测内容

3.2.1 收敛监测方案

通过收敛监测,可以了解围岩和衬砌的变化形态，判断围岩压力类型，推算最大位移，以正确指导现场设计和施工，同时通过对收敛值分析、计算，可以达到研究围岩及支护的变形发展规律、探索支护效果、评定工程稳定状态的目的。累计变形量随时间变化曲线如图4所示。

图4 y=56 m断面收敛曲线

从图4可知，测线1、测线2累计变形量随时间变化表现出相同趋势，即开始阶段迅速上升，但增速不断减缓，说明支护开始发挥作用。拉底之后，变形量增速和增量都有一次小幅上涨，而后趋于平缓。我国锚喷支护规范中以两帮内挤速率小于0.2 mm/d，顶底板移近速率小于0.15 mm/d作为围岩稳定的标志之一。y=56 m断面在监测周期内两帮挤进量平均值55.01 mm，顶底板移近量平均值37.03 mm，符合围岩稳定性要求。

3.2.2 多点位移计监测结果及分析

选取y=56 m断面各安装3个多点位移计(图3中E、F、G)，分别位于两帮和顶板，观测周期同收敛观测一致。每个多点位移计由4个测点组成，分别测定距离巷道表面0.4，0.8，1.2，1.6 m的岩体移动状况。各锚固点累计变形量随时间变化曲线如图5所示。

图5的共同变化趋势是：离巷道表面近的测点变形量大，远离巷道表面的测点变形量小，深度在1.2 m以上的围岩，受巷道开挖、支护、拉底的影响可以忽略不计，视为原岩区。松动圈的范围大致在0.8～1.2 m，其中顶板松动圈较薄，两帮较厚。y=56 m断面两帮挤进量不等的情况更甚，两帮受力、岩体性质不完全相同是导致这一现象的主要原因。

图5 y=56 m断面各测点变形

另外，在y=56 m断面左帮，测点3、4的累计变形量为负值，说明其向着岩体深部而非巷道壁面移动，分析认为存在一个平行于巷道方向的剪应力作用，该位置附近围岩发生水平错动，从而引起围岩一侧向里、一侧向外的移动现象。

3.3 技术经济分析

钢拱架+木支护效果与锚喷+钢拱架支护效果分别见图6、图7。

湿喷混凝土能够及时封闭岩面，防止围岩风化造成的岩体逐步掉块脱落，锚喷支护提供的高支护强度能有效控制膨胀岩的松动变形情况，能维持膨胀岩巷道的稳定性。通过采用锚喷+钢拱架支护使得支护强度提高了2～2.5倍，明显减少了二次支护工作量，综合成本降低25%，为矿山带来了显著的经济效益。

图6 钢拱架+木支护3个月后的状况

4 结 论

(1)通过对某钼矿的膨胀特性试验研究，得出围岩的主要组成成分蚀变花岗斑岩为强膨胀岩，其吸水后易发生膨胀，是巷道发生变形破坏的重要原因。

图7 膨胀岩巷道锚喷+钢拱架支护前后3 a的状况

(2)基于莫尔-库伦强度准则方程，对轴对称膨胀岩圆巷进行弹塑性分析，求解出膨胀岩巷道支护情况下的塑性区应力及塑性区半径方程，得出支护力p1、膨胀力σs及塑性区半径R0与膨胀岩巷道稳定性的关系。

(3)在203采场进行湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护试验研究，通过对巷道收敛变形及周边围岩移动进行监测分析，得出巷道松动圈为0.8～1.2 m，巷道变形量符合国家锚喷支护标准。

(4)湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护技术能大幅降低支护成本并提高支护效率，达到了对膨胀岩巷道的支护要求，可为同类或相近条件下的膨胀岩巷道支护设计提供依据。

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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

韩 斌(1969—)，男，副教授，博士。

2016-06-20)

常宝孟(1988—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。