風(fēng)化花崗巖巷道掘進支護工藝探討

引言
　　隨著我礦井下開采深度的不斷深入，逐步開采分布在花崗巖與大理巖接觸帶上的矽卡巖型錫石-硫化物礦體，為此大量采掘工程需穿越花崗巖，隨之而來的花崗巖地段支護問題成為困繞施工人員和工程技術(shù)人員的一大難題。
　　本文主要以老廠分公司南部坑為例，以1900m-2050m高程，圍繞4141突起20#、20-3#、20-6#礦體，05突起25#、27-9#礦體，1021突起3-2#、3-3#礦體，曬魚壩突起27-6#、38#礦體開采范圍，同時結(jié)合竹葉坑29#礦群1900m中段巷道變形治理情況作為分析探討風(fēng)化花崗巖巷道掘進的軟巖支護方法，以期拋磚引玉。
　　1.1 花崗巖的物理性質(zhì)
　　花崗巖是一種酸性火成巖，二氧化硅含量多在70%以上，顏色較淺，以灰白色、肉紅色者較常見。主要由石英、長石和少量黑云母等暗色礦物組成，石英含量為20%～40%。老廠分公司南部坑主要為灰白色中粒塊狀黑云母花崗巖，體重3.4t/m3，松散系數(shù)1.4，f=10-12。
　　1.2 花崗巖的風(fēng)化作用
　　巷道爆破掘進后，花崗巖在水、水溶液和空氣中的氧與二氧化碳等的作用下，發(fā)生溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列復(fù)雜的化學(xué)變化形成軟巖，在地應(yīng)力作用下表現(xiàn)出膨脹特性和流變特性，受此影響，巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)發(fā)生位移的地壓顯現(xiàn)。
　　1.3 風(fēng)化花崗巖對巷道的主要危害
　　通過對1900m、2000m、2025m、2050m中段大量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和跟蹤觀察表明：冒頂、側(cè)突及底鼓是巷道發(fā)生變形破壞的三種主要表現(xiàn)形式。巷道變形的主要危害是縮小了巷道斷面（實測2050m中段巷道規(guī)格最小為2.4×2.6㎡變形為1.9×1.5㎡），給人行、運輸、供風(fēng)、排水、井下通風(fēng)和巷道的維修及采掘帶來較大困難，嚴(yán)重時能將巷道斷面全部封閉，迫使原工程繞道而行，因此分析研究風(fēng)化花崗巖巷道地壓顯現(xiàn)原因并作出合理的支護和防治措施，對保證礦山正常掘進，提高工作人員安全作業(yè)有著較大的理論意義和實用價值。
　　上圖為29#礦群1900m中段2903平巷穿越花崗巖地段，巷道在激烈的構(gòu)造應(yīng)力和風(fēng)化膨脹作用下，巷道扭曲變形，破壞嚴(yán)重。
　　2 分析巷道變形產(chǎn)生的原因
　　2.1 引起巷道變形的主要原因有： 構(gòu)造應(yīng)力、水的影響
　　構(gòu)造應(yīng)力的基本特點是以水平應(yīng)力為主， 具有明顯的方向性和區(qū)域性。我們知道水平應(yīng)力σH普遍大于垂直應(yīng)力σv，即側(cè)壓力系數(shù)λ=σH/σv >1；最大、最小水平主應(yīng)力隨深度線性增加：σHmax=6.7+0.0444H（Mpa），σHmin=0.8+0.0329H（Mpa），由此可知水平應(yīng)力是影響巷道兩幫內(nèi)擠、底板鼓起的主要因素。在風(fēng)化花崗巖中， 底板巖層在水平應(yīng)力作用下與形成褶曲構(gòu)造相類似， 向巷道空間鼓起。如果底板巖層呈粘- 塑性變形， 底板巖層則進入蠕變狀態(tài)，此時高水平應(yīng)力是造成底板巖層破壞和強烈底鼓的主要原因。
　　2.2水對巖石強度的影響主要有以下兩方面：
　　1）由于水的作用減少了巖石層理、節(jié)理和裂隙間的摩擦力， 使巖石的整體連接強度降低， 使巖體沿巖層的節(jié)理面、層理面和裂隙面形成滑移面， 并將原來層間連接緊密的巖體分為很多薄層， 甚至完全喪失強度；
　　2）巖石中的某些礦物成分遇水產(chǎn)生膨脹。
　　3 巷道變形的支護方法
　　根據(jù)以上分析影響巷道變形的原因，選擇安全合理經(jīng)濟的支護方法進行支護。
　　3.1選擇安全合理經(jīng)濟的支護方法
　　現(xiàn)在常用的支護方法有以下幾種：
　　3.1.1 木欀、金屬欀支護
　　該法采用木欀、金屬欀支護，簡單易于操作，適應(yīng)性強，是最常用的支護方法。
　　3.1.2 混凝土支護
　　該法采用混凝土澆灌支護，成本較高，施工周期長，是一種常用于重要巷道地段的支護方法。
　　3.1.3 噴射混凝土支護
　　該法采用噴射混凝土支護，適應(yīng)性強，成本較低，操作方便，是一種常用的巷道支護方法。
　　3.1.4 噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護
　　該法能夠克服單一的支護方法，適應(yīng)性強，成本較高，主要用于重要巷道地段的支護方法。
　　3.1.5 注漿法支護
　　注漿法是將某些能固化的漿液注入巖土地基的裂縫或孔隙中，以改善其物理力學(xué)性質(zhì)的方法。
　　由于風(fēng)化花崗巖體屬致密結(jié)構(gòu)，并不具有大量的裂縫或孔隙，因此該方法并不適于風(fēng)化花崗巖的支護。
　　3.1.6 新奧法支護
　　新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護為主要支護手段，因錨桿噴射混凝土支護能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護結(jié)構(gòu)，允許圍巖有一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護結(jié)構(gòu)承受過大的壓力。但在以下情況下并不適用：大量涌水的巖體； 由于涌水會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖；極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體； 開挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。因此該方法也并不適于風(fēng)化花崗巖的支護。
　　3.2風(fēng)化花崗巖選用的支護方法
　　通過長期實踐和跟蹤觀察，我們總結(jié)了風(fēng)化花崗巖具有“不破不化，見風(fēng)則化，滲水即落，1-3個月后趨于穩(wěn)定”的特點，在現(xiàn)有支護方法的基礎(chǔ)上，提出以下施工方法進行支護。
　　施工順序可以概括為： 　　開挖→一次支護→二次支護→三次支護
　　1）一次支護
　　主要工作包括開挖后及時進行木欀、金屬欀支護和超前支護，以增加地腳欀辦法維持巷道斷面的形狀，要求兩幫關(guān)好，頂板接頂，地腳加橫撐，確保后續(xù)掘進工程能夠繼續(xù)施工到穩(wěn)固地段；并視情況施工長3-6m，坡度-10°的卸壓巷道進行輔助卸壓；
　　2）二次支護
　　在風(fēng)化花崗巖巷道變形嚴(yán)重、后續(xù)掘進工程施工已達(dá)穩(wěn)固地段或時間上已達(dá)1-3個月，風(fēng)化花崗巖巷道應(yīng)力趨于平衡穩(wěn)定時進行。主要工作包括對木欀、金屬欀進行加密、調(diào)換，要求兩幫關(guān)好，頂板接頂，地腳加橫撐；清理開挖地鼓地段，并適當(dāng)?shù)陀谲壝?0-30mm；澆灌水溝等工作；如巷道松散破碎嚴(yán)重，還應(yīng)以噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護進行加強支護；
　　3）三次支護
　　是在后續(xù)使用過程中，視巷道的變化情況作局部的木欀、金屬欀加密、調(diào)換或以噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護進行加強支護等工作。
　　整體施工要求科學(xué)選擇支護方法和材料，及時、超前進行支護，支護由外及里、由易及難、注意清理浮石浮礦、注重架設(shè)立柱，保護作業(yè)人員的安全，支護符合規(guī)范。即講究科學(xué)性、及時性、有效性和規(guī)范性。
　　3.3風(fēng)化花崗巖支護方法實例
　　按照上面所述方法，南部坑在遇滲水風(fēng)化花崗巖時常用16#工鋼密集支護和開挖底板100～300mm深并加設(shè)地腳梁的聯(lián)合支護方式來克服巷道變形的影響，雖然工作量大、施工較難且成本偏高，但確保了巷道的穩(wěn)定性和后續(xù)工程的順利進行，且實施14年以來，不段總結(jié)經(jīng)驗進行改進，歷經(jīng)近20個地段的試用，情況良好，是值得借鑒的一個方法。
　　4 巷道變形的防治措施
　　防治巷道變形的措施主要從降低巷道圍巖應(yīng)力，加固或保持圍巖的強度這兩方面考慮。從設(shè)計到指導(dǎo)施工時應(yīng)重視以下幾點：
　　4.1 科學(xué)合理的巷道布置
　　巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力方向之間夾角不同， 巷道圍巖水平應(yīng)力集中程度就有較大差異，因此在構(gòu)造應(yīng)力影響較強烈的區(qū)域，要重視巷道布置方向，依靠正確調(diào)整巷道方向與構(gòu)造應(yīng)力方向間的關(guān)系， 削減構(gòu)造應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。從巷道圍巖控制的角度出發(fā)， 在布置巷道時應(yīng)重視下列問題：
　?。?）在采礦系統(tǒng)允許的距離范圍內(nèi)， 選擇穩(wěn)定的巖層或礦體布置巷道， 盡量避免水與松軟膨脹巖層直接接觸；
　?。?）巷道通過地質(zhì)構(gòu)造帶時， 巷道軸向應(yīng)盡量垂直斷層構(gòu)造帶或向、背斜構(gòu)造；
　?。?）巷道的軸線方向盡可能與構(gòu)造主應(yīng)力方向平行， 避免與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直；
　　4.2 巷道底板防治水
　　風(fēng)化花崗巖巷道滲水應(yīng)該做到能排則排，能導(dǎo)則導(dǎo)，能疏則疏，防止跑、冒、滴、漏等，盡量減少巷道內(nèi)的積水。
　　4.3 應(yīng)力控制
　　應(yīng)力控制又稱卸壓，它的實質(zhì)是使巷道圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，達(dá)到保持底板穩(wěn)定的目的，是一種使用比較普遍的底鼓控制方法。
　　應(yīng)力控制法主要有：切縫、松動爆破、鉆孔等方法，由于缺少試驗數(shù)據(jù)，因此建議使用較簡單有效的巷道卸壓法。
　　5 結(jié)束語
　　采礦工程是一個復(fù)雜的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，為了更好地保證地下礦山的安全生產(chǎn)，最大限度地回收礦產(chǎn)資源、保護環(huán)境和地面設(shè)施，必須研究礦山地壓和巖層活動規(guī)律，發(fā)展巖體支護技術(shù)與控制措施，不斷勇于實踐，善于總結(jié)經(jīng)驗，提高理論認(rèn)知程度，這是采礦學(xué)科一個永恒的重要主題！