某種凝灰巖的內在特性研究

王清來,田昌進

(中國瑞林工程公司, 江西南昌 330002)

某種凝灰巖的內在特性研究

王清來,田昌進

(中國瑞林工程公司, 江西南昌 330002)

通過對凝灰巖進行微觀實驗、含水率實驗、崩解實驗、膨脹實驗和點荷載實驗,分析了凝灰巖的變形破壞規律,得出該處凝灰巖為中膨脹性軟巖,在不遇水情況下和干燥環境中,很少發生膨脹、崩解;但一旦遇水,其耐崩解能力大幅降低,膨脹性能大幅提升,強度很快下降。因此,對凝灰巖巷道圍巖提出了及時防水、噴錨網支護的治理措施,有效地指導了工程實踐。

凝灰巖;膨脹性軟巖;防水;噴錨網支護

最近幾年,隨著我國經濟的快速發展和西部大開發戰略的實施,基礎設施的建設較大地促進了巖石力學與工程的發展。在地下開采中,軟巖巷道的支護問題很久以來一直是所有巖土工程面臨的共同難題,特別是對凝灰巖進行全面的微觀實驗分析的資料目前還不夠深入,本文針對某礦山凝灰巖巷道[1]的破壞特點,結合凝灰巖的微觀結構、水理特性和力學特性進行分析,得出凝灰巖巷道變形破壞的規律,為下一步巷道的支護[2]設計提供了依據。

1 凝灰巖特性試驗分析

1.1 凝灰巖的微觀實驗分析

圖1 凝灰巖微觀結構(偏光顯微鏡)

對現場采集的典型凝灰巖進行了微觀實驗分析(見圖1)。采用X射線衍射法對凝灰巖進行微觀結構分析發現,凝灰巖中含有膨脹性粘土礦物,且含量較高。

1.2 凝灰巖的崩解試驗

將凝灰巖制樣并進行水解試驗,各巖樣崩解試驗結果見表1。

表1 凝灰巖巖樣崩解[3]試驗結果

1.3 凝灰巖的膨脹試驗[4]

膨脹性試驗中,1#～6#試樣分別進行了相同含水率時膨脹率與時間的關系、不同含水率時膨脹率與時間的關系、最大膨脹率與初始含水率的關系等試驗,其結果分別見圖2～圖4。

圖2 相同含水率時試樣膨脹率與時間的關系

從圖2～圖4反映的關系可知,凝灰巖的初始含水率越小,其遇水后發生的膨脹變形就越大,膨脹率就越高,巖樣遇水后一般在第一個小時膨脹速度較快。初始含水率越高,最大膨脹率就越小,它們之間成反向關系。由于巷道在開挖時凝灰巖一般較干燥,含水率不是很高,一旦遇水后,就會發生快速膨脹,膨脹量較大,這將導致強度降低,因此現場施工時,一定要對凝灰巖巷道采取防水措施。

圖3 不同含水率時試樣膨脹率與時間的關系

圖4 試樣的最大膨脹率與含水率的關系

對7#～10#巖樣(特性見表2)進行了膨脹力與初始含水率的關系試驗,結果見圖5～圖6。

表2 凝灰巖的含水率及其相關水理特性

圖5 凝灰巖的膨脹力與時間的關系

以上數據和圖像直觀顯示了凝灰巖的膨脹力在第4h基本趨于穩定,前2h內巖樣的膨脹力隨著吸水量的增加增長較快,通過圖6可知,凝灰巖的最大膨脹力隨著初始含水率的增加而降低,大致呈線性關系。

圖6 凝灰巖的最大膨脹力與初始含水率的關系

1.4 點荷載試驗

由點荷載試驗可知:凝灰巖的單軸抗壓強度在1～4MPa之間(見圖7),單軸抗拉強度在0.05～0.15MPa之間(見圖8),由于瀾滄鉛礦凝灰巖強度較低,比較破碎、松散,不能進行常規的力學試驗,因此,凝灰巖的力學參數只能通過點荷載試驗,然后根據點荷載試驗與常規力學試驗之間的換算公式進行換算,大致求出凝灰巖的相關力學參數,對凝灰巖的強度進行分級,因此由試驗及數據可知,該地凝灰巖屬于極軟巖,強度較低,遇水易膨脹、風化。

圖7 抗壓強度數據分布

圖8 抗拉強度數據分布

2 凝灰巖膨脹試驗結果

通過試驗,針對凝灰巖的膨脹特性可以得出如下幾點結論:

(1)從膨脹率可見,凝灰巖在不同荷載下的膨脹率是不同的。自由膨脹率最高,無荷載狀態下,膨脹率次之;隨著外荷載的增加,膨脹率逐漸降低。

(2)在同一含水率和密度狀況下,隨著反復膨脹次數的增多,膨脹有逐漸減少直至穩定的趨勢。

(3)含水率一定時,隨密度的增大,膨脹變形一般呈現變大的趨勢。

(4)初始含水率越小,膨脹量越大。

(5)在同一外荷載作用下,初始含水率越大,膨脹率越小。

(6)在膨脹試驗中,初期膨脹速度最塊,一般在120min內已基本完成膨脹,后期雖然有膨脹發生,但顯現緩慢。初期快速膨脹的時間一般為60min內,前30min是膨脹最快的。

(7)通過測膨脹力可知,隨著荷載的增加,膨脹力的增速呈現先快速增加然后逐漸降低的趨勢,當外荷載增加到某一值后,膨脹變形基本不再發生。當外荷載不足以克服膨脹力時,膨脹變形總會發生,只是由于外荷載的存在,使膨脹減弱,直至穩定。

3 結 論

(1)通過凝灰巖的微觀分析可知,該礦凝灰巖含有大量的粘土礦物,主要以高嶺石為主,含有一定量的蒙脫石。

(2)通過對凝灰巖的水理性試驗和力學試驗分析,該凝灰巖的強度較低,屬于中膨脹性軟巖,它的特殊性主要體現在遇水膨脹風化[6]比較快,在干燥的環境中幾乎不發生膨脹風化,由于含有大量的粘性土,其顆粒較細,采用注漿堵水的方法不起作用。

(3)該礦山巷道的凝灰巖遇水膨脹風化,時間長了呈泥狀,因此,防水成為關鍵環節。在這類圍巖中要及時封閉圍巖防止膨脹風化,否則會使松動圈應力不平衡而增大,組合拱強度也會降低。

(4)對凝灰巖軟巖巷道進行錨噴網支護的關鍵條件之一是有較大錨固力的螺紋錨桿和菱形金屬網;二者相互配合,形成一個共同的支護體系。錨桿的懸吊、組合拱和擠壓作用,使錨桿把圍巖的組合巖體和壓縮域連接在一起,同時又可防止水通過桿體對凝灰巖發生影響;金屬網則適應了巷道圍巖破碎膨脹整體性差的特點,允許圍巖有一定的變形量,兩者配合使用是軟巖巷道支護中的最佳構件。

(5)通過現場考察,得知該處凝灰巖巷道底鼓破壞最嚴重,也是最難解決的問題,因此,對底鼓提出混凝土反拱的解決辦法,在水量多的地段開挖蓄水井或者水倉,再加以截流的辦法進行防水。

[1]陸家良.軟巖巷道支護技術[M].長春:吉林科學技術出版社,1995.

[2]馬健生,等.全煤巷道支護技術研究[J].建井技術,2001,(6).

[3]楊文輝,于小軍.膨脹土(巖)濕化性的試驗方法研究[J].中國鐵道科學,1999,(1).

[4]GB/T50123-1999.土工試驗方法標準[S].

[5]章學義,鮑本健.點荷載試驗確定巖基抗壓強度標準值的分析[J].安徽地質,2002,(4).

[6]譚羅榮.蒙脫石晶體膨脹和收縮機理研究[J].巖土力學,1997,18(3):13～18.

2010-03-25)

王清來(1966-),男,江西廣昌人,教授級高工,第六屆中國有色金屬學會采礦學術委員會委員,從事井巷工程設計研究、施工監理工作,Email:hy@chinamine.net。