根据三门峡铝矿岩层特点及工程概况,研究复杂地质条件下巷道围岩特性,结合现场勘察试验情况,得出围岩的破坏成因,并阐述围岩支护结构的作用机理,借鉴国内外相关的支护经验,给出有针对性的支护方案,详细阐明支护方案的施工要点及其工艺过程,从而达到全面合理的评价效果

李庶林

林建宁

王伟

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2011 年第 04期总第 154期福   建   建   筑Fujian A rchitecture & ConstructionNo04 # 2011Vol # 154三门峡铝矿巷道支护机理分析及工程实践王伟  李庶林  林建宁(厦门大学建筑与土木工程学院  福建厦门  361005)摘  要:根据三门峡铝矿岩层特点及工程概况 ,研究复杂地质条件下巷道围岩特性, 结合现场勘察试验情况,得出围岩的破坏成因,并阐述围岩支护结构的作用机理, 借鉴国内外相关的支护经验, 给出有针对性的支护方案,详细阐明支护方案的施工要点及其工艺过程,从而达到全面合理的评价效果。关键词: 巷道围岩机理  支护结构  锚网喷  施工工艺中图分类号: P642       文献标识码: A       文章编号: 1004- 6135( 2011) 04- 0058- 04The protections mechanism analysis and project practice of Sanmenxia aluminum minerals tunnelWang Wei L in Shulin  L in Jianning( School of A rchitecture and Civ il Eng ineer ing, Xiamen Univer sity  Xiamen 361005)Abstract: In t his paper, acco rding to the r ock layer character istic and pro ject surv ey of Sanmenx ia aluminum minerals, w e researchtunnel surr ounding r ock character istic on complex condition, and unifies the scene reconnaissance experiment situation, obta ins thedestruction r eason o f sur rounding r ock, then elabo rates the sur rounding rock - suppo rting structure action mechanism, referencethe r elated protections exper ience f rom the domestic and fo reign, obtaining t he tar get- o riented protections plan1 Detailed expos-it ion the constr uction main po int and technolog ical pr ocess o f the suppo rting st ruct ur e plan1 Thus achiev es the comprehensiv e rea-sonable appraisal effect1Keywords: Tunnel sur rounding ro ck mechanism  Suppo rting structure  Anchor net spray  Const ruct ion craft作者简介:王伟,男, 1985年出生,硕士研究生,主要从事地下工程结构稳定性研究。收稿日期: 2011- 02- 250  引言长期以来来,随着矿山建设的快速发展,在巷道施工过程中,经常碰到一些断层破碎带、溶洞和含水流沙层等复杂地质情况,其岩层特点为松、散、软、弱, 其施工过程特点: 对外界环境影响较敏感,抗扰动能力差, 开挖后易产生显著的塑性变形,破坏形态表现为片帮、冒顶、掉块或塌陷,对巷道掘进施工产生极坏影响。同时,随着支护理论和施工技术的发展, 地下工程中针对软、破、富水岩层中的井巷施工也有了很大的进展。本文研究的三门峡铝矿位于河南省三门峡市渑池县境内,长约 14km,宽 400m~ 1500m, 深度达 470m, 赋矿层位为石炭系上统本溪组,矿体主要呈层状, 走向近东西, 矿体倾向 200b,倾角 20b,主要由灰岩、页岩、泥岩组成, 矿床成因属沉积型。三门峡铝矿是目前中铝矿业有限公司所掌握的铝土矿资源矿区中保有资源储量大、矿体较连续、矿石质量较高的重要铝土矿供应基地,为此矿区建设规模较大, 同时难度也较大, 目前矿区正处于基建期,段村进风井(原 7 号井)是基建的第一个竖井,矿区 7# 进风井 420m 水平的码头门平巷是基建期的第一条水平巷道,作为今后巷道施工的参照 ,其施工重要性不言而喻。1  工程地质区域受多次构造地质的作用,形成以断裂为主的矿区地质构造特征。其中 F4 正断层将矿区分为段村、雷沟两个矿段。11 1  工程地质分组三门峡矿的主要岩性有灰岩、铝土矿岩、页岩、砂岩、及各种混合岩等,根据地质力学理论并根据矿区构造、水文地质和地形地貌等条件将岩体划分为 3 个工程地质区, 即 A 低山丘陵灰岩区, B 低山丘陵砂页岩互层区, C 松散沉积物区; 9 个工程地质岩组[1]。在不同岩组中,工程地质条件各有特点, 如表1所示。矿区不良地层主要有铁质页岩岩组; 炭质页岩岩组和灰岩、页岩、砂岩互层岩组和频繁穿插的构造破碎带岩组等, 基建的地下工程 420m 中段巷道掘进时不时受到不良地层影响, 其围岩基本属性有如下两个方面:( 1)围岩变形破坏主要受岩体结构控制断层构造纵横交错, 结构面十分发育, 表现为层状碎裂结构、碎裂结构。而这些结构岩体所以起到控制作用关键在于结构面,尤其是软弱结构面, 如断层、层间错动面、接触带等,它们多为充填有粘土矿物的软弱结构面, 在地下水的作用下, 结构面处物质更加软化或泥化,从而造成岩体的失稳破坏。( 2)岩体单块强度高, 而整体稳定性差由于巷道位于灰岩岩组, 岩体单块强度高, 但为岩溶裂隙含水层,富水性强, 在水头压力作用下,含水层岩溶裂隙水极有可能通过薄弱隔水层地段及断层破碎带, 进入开采巷道, 对围岩稳定性造成极大威胁。2011年 04期总第 154期 王伟等# 三门峡铝矿巷道支护机理分析及工程实践 # 59 #表 1  岩体工程地质分组工程地质组岩体结构特征 稳定性特征结构类型 岩性 构造 岩体质量 松动圈估计值 稳定评价Ñ 灰岩岩组( I ~ O) 块状- 碎裂结构 白云质灰岩, 角砾状灰岩岩溶裂隙发育, 充水岩层4~ 10(中等) < 1m较稳定 ~ 不稳定Ò 铁质页岩岩组( C2 b1) 层状- 碎裂结构 铁质页岩、粘土页岩 页理发育,裂隙发育 1~ 4(不良) 4m 左右欠稳定 ~ 较稳定Ó 铝土矿岩组( C2 b2) 砂粒状、鲕状、块状结构 铝土矿岩 节理发育 4~ 10(中等) < 1m较稳定 ~ 不稳定Ô 炭质页岩岩组( C2 b3) 层状- 片板状结构炭质页岩, 粉砂质页岩、粘土岩夹薄层煤或煤线页理发育 1~ 4(不良) 4m 左右欠稳定 ~ 较稳定Õ灰岩、页岩、砂岩互层岩组( C2 t )层状- 碎裂结构 灰岩、页岩、砂岩 页理发育 1~ 4(不良) 4m 左右欠稳定 ~ 较稳定Ö 页岩、砂岩互层岩组( P1~ 2 )层状- 碎裂结构 页岩、砂岩 节理发育 1~ 4(不良) 4m 左右欠稳定 ~ 较稳定×构造破碎带岩组 散体结构以角砾岩为主, 次为断层泥断层破碎带,各种软弱结构面密集01 01~ 01 10 (极坏)> 20 m 不稳定Ø 风化带碎裂层岩组 层状- 似层状结构 矿物成份显著变化 裂隙发育,岩石破碎,结构面疏密不一01 01~ 01 10 (极坏)10m 以上欠稳定 ~ 不稳定Ù松散层岩组( Q 4 ) 散体结构 粉质粘土、漂石、卵石 结构面密集无序01 01~ 01 10 (极坏)> 20 m 不稳定11 2  巷道破坏类型及原因由于岩体断裂构造面较多,且处于塑性状态, 故不良岩体具有流动特性。巷道开挖后, 岩体中应力迅速重新分布, 使巷道产生变形。( 1)顶板破坏巷道自稳能力极差,在巷道掘进过程中,很容易出现大规模塌方或冒顶,如图 1 所示。从各种结构的破坏特征来看, 顶压引起的顶裂破坏显现出拉张破裂特征,尖顶和侧向引起的顶部破坏属于剪切破坏。图 1  冒顶破坏图( 2)涌水危害此岩体小岩溶洞发育, 爆破后形成空洞,洞中松散的充填物,形成石泥细砂, 易发生坍塌危害,也对施工时的出渣造成较大影响,如图 2 所示。( 3)片帮图 2  涌水破坏图片帮多发生在侧墙中下部,尤以墙角处最为严重; 片帮水平延伸通常达数米至数十米不等。轻微的片帮,仅在侧墙上出现贯通性纵向裂缝。严重片帮时, 支护结构破坏并出现离层,围岩之间形成空腔。根据支护结构的破坏特征来看, 它们的破坏机制或为剪切破裂或为拉张破裂。11 3  地下水情况矿区主要含水层为位于矿层底板的寒武- 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层, 经单孔抽水试验, 单位涌水量 q = 01 104 ~31 275L / s # m,渗透系数 K= 01 394~ 301 11m/ d, 在断裂构造发育地段,岩溶裂隙发育, 富水性强。11 4  围岩岩体力学参数选取根据巷道围岩的工程地质资料及现场实际情况, 可确定穿过围岩为白云质灰岩[ 2]。根据室内实验得出的完整岩石的强度参数,运用 H oek- Brow n 准则对节理岩体的强度参数进行计算,计算后的结果如表 2 所示。表 2  折减后的岩体力学强度指标岩性抗拉强度Rmt( MPa)抗压强度Rmt( MPa)粘聚力 Cm( M Pa)内摩擦角Um (b)变形模量 Em( GPa)泊松比白云质灰岩 - 01 027 01 484 01 057 28 21800 01472011年 04期总第 154期 王伟等# 三门峡铝矿巷道支护机理分析及工程实践 # 60 #2  巷道支护原理分析和支护结构参数设计21 1  支护结构作用机理( 1)临时支护针对巷道的围岩特征, 尽可能快的提供支撑抗力, 有效的阻止围岩松散,又能在有制约的条件下, 容许围岩变形缓慢发展,使围岩应力得到一定释放, 无疑应当是选择初始支护型式的主要依据,同时为了最大限度防止涌水危害掘进前必须做超前探水工作。开挖后裸巷时间短, 围岩自稳时间较短, 冒顶片帮现象不断。因此, 对临时支护的要求是具有及时性和有效性,初步设计的砌碹混凝土支护已不符合要求, 根据工程类比情况,锚网喷支护可以最大限度地紧跟开挖作业面施工, 使得它能做到支护及时迅速。所以临时支护采用锚网喷支护方式,即开掘后先打锚杆,再挂金属网, 然后喷射混凝土。1- 锚杆; 2- 金属网喷层; 3- 锚杆作用形成的锚岩拱;4- 喷层作用形成的组合拱图 3  锚杆- 围岩承载拱机理图图 4  三心拱形巷道断面1- 锚杆; 2- 钢筋网; 3- 托盘; 4- 混凝土喷层图 5  锚网喷支护图( 2)永久支护在锚喷网的临时支护基础上,永久支护形式为二次喷射混凝土。巷道开挖后,暴露的围岩体虽然单体强度较高,但是发育的节理裂隙,富集的地下水, 对围岩地整体稳定性产生非常不利的影响,导致围岩的各向异性与不连续, 极大地降低了围岩的自稳能力,致使围岩松动破裂引起危岩掉落; 而且此岩层的小岩溶洞发育,爆破后形成空洞, 其松散的充填物, 易发生坍塌危害,在保持设计断面上比较困难; 爆破后围岩初期变形量大,并呈现来压迅速, 变形速率大, 形成围岩塑性区,并从应力集中系数最高的部位开始和发展,导致冒顶片帮危害不断。针对此种情况,在支护结构的选择上一定要及时主动, 并以一种柔性的方式,即允许围岩在一定范围内的变形位移, 这样支护结构既可以和围岩共同产生变形, 又能使围岩的自承能力得以充分发挥。而初步设计的喷混支护作为一种被动支护, 不能及时主动地提供抵抗力,也不能有效地限制围岩裂隙的发展, 更不能发挥围岩自身的承载能力,因此施工过程中不采取此种支护方式。而锚网喷支护作为一种主动的柔性大的非线性变刚度联合支护结构,能够在围岩暴露的第一时间提供支护抗力,又能最大限度地发挥围岩作为支护体的能力, 符合支护原则,对目前遇到的围岩条件非常适合。首先,锚杆发挥的作用: 锚杆将围岩松动圈进行加固。形成锚杆- 围岩共同承载的组合拱, 如图 3 所示, 提高围岩的完整性和整体强度。其次,钢筋网的作用: ¹ 使喷层应力得到均匀分布。改变其变形性能,增强锚喷支护的整体性。º增强喷层的柔性。 »提高喷层承载力,特别是承受剪力和拉力的能力。¼ 间接提高岩体中的环向力,提高组合拱的质量, 使组合拱的支承能力加强。最后,混凝土喷层的作用: ¹ 阻止围岩松动。喷层能阻止围岩松动或过快地发生变形,对于保护围岩完整性起到很大作用。º/ 卸载0作用。由于喷层属柔性,能有效控制围岩在不出现有害变形的前提下,产生一定程度的塑性, 从而使围岩壁处的压力降低,同时, 喷层的柔性也能使喷层中的弯曲应力减小,有利于混凝土承载能力的发挥。»形成防风化和止水的防护层,并阻止节理裂隙中充填物流失。¼ 填平补强围岩, 避免或缓和围岩应力集中[4]。在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下, 二次支护开始进行,由于初期支护的让压作用, 有利于二次支护提供良好的刚性补强作用,使得围岩和支护结构最终形成一个整体, 达到一个力学上的稳定结构,提高了整个支护体系的安全度。21 2  支护结构参数本文设计的锚网喷支护方法, 主要根据工程经验类比, 并参照相邻的渑池贾西铝矿,具体参数如下 :1)一次支护经理论计算并结合实践, 巷道断面选择三心拱,断面净宽21 76m。净高 21 6m, 如图 4 所示。巷道断面为三心拱, 断面净宽 21 76m, 净高 21 6m, 因此对跨度小于 10 m 的巷道, 可按下述经验公式确定锚杆参数:L= n(11 1+ X10)DU 01 5~ 01 7Ld U L110式中: n- 围岩稳定性参数, 对稳定性好的围岩, n= 11 0, 稳定性较差的围岩 n= 11 1,不稳定围岩 n= 11 2; D-锚杆间距, m; L- 锚杆长度, m; d- 锚杆直径, m; X- 巷道跨度, m。¹ 采用管缝锚杆,直径 5 381 1mm,2011年 04期总第 154期 王伟等# 三门峡铝矿巷道支护机理分析及工程实践 # 61 #钻孔直径为 341 9mm, 杆长 1600mm, 间排距为 800mm @800mm,托盘规格为 120mm @ 120mm, 呈梅花形布置, 如图 5所示。º采用 5 6 的焊接钢筋网, 网眼规格 100mm @ 80mm, 网间搭接长度为 160mm。»采用全断面初喷混凝土厚度 80mm。选用 325 型普通硅酸盐水泥, 采用粒径为 01 3mm~ 3mm 的中砂, 石子直径不大于 25mm,配比水泥B砂B石子= 1B2B2, 速凝剂掺入量为 3% ,水灰比为 1B01 45。2)二次支护二次支护为复喷混凝土,喷射厚度为 80mm。当围岩稳定后,将开裂脱皮的喷层脱掉, 即可复喷。21 3  巷道支护结构施工工艺和程序1)超前探水:利用潜孔钻机钻眼, 眼孔深 30m,沿工作面布置 1个中心孔,在中心孔两侧各布置 2 个帮孔, 总共 5 个孔, 如图 6 所示,每掘进 20m 探水一次,循环地进行作业。图 6  超前探水钻孔布置图2)爆破掘进:串并联方式全断面一次光面爆破。YT - 28型风动气腿式凿岩机打眼, 爆破材料为硝铵炸药、雷管和振动管。炮眼布置参数:根据岩石硬度系数 f = 4~ 6, 并结合选用爆破材料、钻眼机具等确定合理的爆破参数: 采用楔形掏槽, 炮眼深 11 2m, 炮眼直径 41 2mm,周边眼眼距 450mm,一次装药量共 24kg。同时,在施工中根据岩性变化和实际爆破情况及时对爆破参数调整,以提高爆破效果。3)巷道支护锚杆安装:打锚杆按照从外到里、从正顶到两帮的顺序进行,打一根锚一根, 不得集中安装。采用 38mm 的钻头, 用气腿式风钻进行凿眼,锚杆角度垂直岩面。用高压风吹净眼内渣石,采用液压锚杆安装机安装锚杆, 再整断面挂金属网片, 两张网片搭接时,在搭接区中心和两端用直径 10# 铁线连接拧紧,如图 7 所示,最后上托盘拧紧。喷混工艺:地面设 350 型搅拌机 ,用 PZ- 5 型喷浆机喷射混凝土。湿喷的方法,先用清水清洗岩面, 再挂线喷射混凝土,最后终喷。在掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的, 待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次顶锚杆安装完成后再出渣, 可见巷道掘进支护的流程图 8。4)施工中应注意的问题¹ 管缝锚杆的施工中,钻孔和锚杆径差小 ,则推进力小, 但锚固力小;径差大, 则推进力大,但锚固力大。所以径差是施工最严格控制的主要因素。º锚杆对托盘的要求比较高, 因此要保证托盘、螺母和锚杆螺纹段的匹配性的一致。»钢筋网在施工过程中网片与网片之间要搭接不少于160mm,并用托盘压实压牢。¼ 钢筋网的施工,要尽量人为的使钢筋网紧贴起伏的围岩图 7  钢筋网搭接示意图图 8  巷道掘进支护的流程图体壁面,减少两者之间的空隙。½ 影响喷层支护的质量主要有水泥质量、配比及工艺。因此,要严格按照配比, 在工艺方面, 初喷一定要及时而且均匀,不要过厚。¾ 施工过程中,可能遇到围岩不同部位受力不同或破坏较严重时,可适当的加长加密打锚杆。3  结论( 1)根据岩层揭露情况, 巷道围岩体为白云质灰岩,节理裂隙较为发育,地下水量大, 并存在小岩溶洞,而且基本都含有岩溶水,其充填物松软。开挖后冒顶片帮灾害不断, 围岩自稳能力差,需提供必要的支护方式。( 2)通过现场实践和分析, 在巷道光面爆破及全断面开挖基础上,围岩确定采用锚网喷支护方式, 一次支护为管缝锚杆临时支护, 长度 1600mm, 间距 800 @ 800mm, 采用 5 6 的焊接钢筋网,网眼规格 100mm @ 80mm, 网间搭接长度为 160mm, 喷混等级为 C25,厚度为 80mm; 二次支护为复喷混凝土永久支护,等级为 C25, 终凝厚 160mm。( 3)采用锚网喷锚索联合支护,对围岩的破坏减少到了最低程度,提高了围岩自身的承载能力, 喷混使围岩和混凝土共同形成了一个整体,有效地控制了围岩应力的变化。该巷道经过半年时间, 支护状态完好, 没有发生混凝土脱落、片帮、抽冒顶现象。它与 U 型钢铁棚支护比较, 投入少, 施工方便, 且在使用过程中只需进行简单维护。参考文献[ 1]长沙有色冶金设计研究院,煤炭工业郑州设计研究院有限公司.段村- 雷沟铝土矿采矿工程初步设计书[ R] . 20081[ 2]长沙有色冶金设计研究院, 段村铝土矿探水工程 3#提升井、7# 风井岩土工程勘察报告[ R] . 20071[ 3]李少本, 杨晓东.软岩巷道锚网喷支护实践[ J] .中州煤炭, 2005, 5: 34- 35.[ 4]付强,李晓云.软岩巷道支护理论研究与发展[ J] .煤炭安全与环保, 2007, 34( 2) : 70- 72.[ 5]刘招伟, 张顶立, 张民庆等 .圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术[ J] . 岩石力学与工程学报, 2005, 24( 10) : 1728- 17341[ 6]程良奎. 岩土锚固研究与新进展[ J] . 岩石力学与工程学报, 2005, 24( 21) : 3803- 38111[ 7]周长巨. 锚网、喷、索联合支护在软岩施工中的应用[ J] . 江西煤炭科技, 2008, 2( 2) : 10- 111

三门峡铝矿巷道支护机理分析及工程实践

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