關(guān)于開磷礦業(yè)粘土巖工程地質(zhì)特征與支護(hù)的研究

唐洪剛

摘要： 開磷礦業(yè)馬路坪和用沙壩礦區(qū)所施工的部分巷道設(shè)計(jì)在粘土巖中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其總長(zhǎng)度已超過3300米。目前，大部分已完成施工的巷道出現(xiàn)了不同程度的頂板崩裂、兩幫膨脹后遮蔽水溝、底板下凹或上凸等問題。更為嚴(yán)重的是，這些巷道大部分為主運(yùn)輸巷，威脅著過往人員和各類設(shè)備的安全。究其原因主要是巷道支護(hù)方式與巖體質(zhì)量類型以及巖體特征不匹配所致。

Abstract： The total length of some tunnelsin clay rock has been over 3300 meters in Maluping and Yongshaping mining areas of Kailin Mineral Company. At present， some problems in different degree begin to appear in most completed tunnels， they are： the boron roof crack， two sides expansion masking the ditch， bottom concave or convex and so on. What's the more serious is that the tunnels with problems are the main traffic lanes， its unsafty will threat workers and equipments safty. The main reason for the appearance of the problems is the mismatching between the support partern of the tunnel and the quality and structure of the rock mass.

關(guān)鍵詞： 頁巖工程；頂板崩裂；兩幫膨脹

Key words： shale engineering；boron roof crack；two sides expansion

中圖分類號(hào)：P588.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）19-0112-03

1 已完成施工巷道的崩裂情況

馬路坪和用沙壩礦區(qū)已完成施工的巷道發(fā)生了崩裂變形，其統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度已超過2200余米，具體情況如下：

①馬路坪礦區(qū)：主要集中在640米中段和主斜坡道等地，該礦區(qū)共有1500余米的巷道發(fā)生了崩裂變形。從整體上看，640米中段南巷最嚴(yán)重（見圖1、圖2、），北巷（見圖3）和運(yùn)輸主巷（見圖4）次之；巷道兩幫相比，水溝一邊較另一邊嚴(yán)重；頂?shù)紫啾龋敯遢^嚴(yán)重；同時(shí)640米中段南、北兩巷的底板均有不同程度的塌陷或上凸，其中，北巷較南巷嚴(yán)重，而運(yùn)輸主巷基本未見該現(xiàn)象。

②用沙壩礦區(qū)990米和920米中段：990米中段主要集中于南巷，共有300余米。崩裂主要發(fā)生在左幫（水溝一邊），右?guī)秃晚斏院茫ㄒ妶D5、圖6）。左幫膨脹崩裂后已將部分水溝“蓋”住；920米中段有400余米，施工時(shí)間較晚，但水溝一邊部分地段已發(fā)生了崩裂現(xiàn)象。

2 粘土巖的工程地質(zhì)特征

①礦物成分：主要由粘土礦物組成。包括高磷石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、埃洛石以及伊利石-蒙脫石組合、綠泥石-蒙脫石組合、伊利石-蒙脫石-綠泥石組合等。

②頁巖結(jié)構(gòu)：包括微觀結(jié)構(gòu)與宏觀構(gòu)造。

1）微觀結(jié)構(gòu)：粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，分為層狀和鏈狀兩種結(jié)構(gòu)，以前者為主。層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物由兩種基本結(jié)構(gòu)層組成，即為硅氧四面體層和鋁氧八面體或鎂氧八面體層，四面體和八面體基本結(jié)構(gòu)層彼此以一定規(guī)律結(jié)合就形成“結(jié)構(gòu)單元層”，結(jié)構(gòu)單元層中各基本結(jié)構(gòu)層相互結(jié)合的比例和疊置方式的不同就形成了不同種類的粘土礦物，即粘土礦物具有層狀結(jié)構(gòu)。

2）宏觀構(gòu)造：主要有層理，厚度小于1cm時(shí)稱為頁理（圖7），小于1mm者稱為紋理。具有水平層理構(gòu)造的粘土巖，它具有沿頁理方向易剝裂成葉片的性質(zhì)（圖8），是由層狀粘土礦物水平定向排列而具有易剝裂性質(zhì)的結(jié)果。

③頁巖親水性與膨脹性：粘土礦物中的蒙脫石、伊利石以及伊利石-蒙脫石組合均均具有較強(qiáng)的親水性，遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，體積迅速膨脹。

④粘土的強(qiáng)度：粘土巖是所有巖石中強(qiáng)度最低的種類之一，該礦區(qū)新鮮粘土巖（圖9）的普氏硬度系數(shù)通常f=1.5-3，暴露在室外一個(gè)月或室內(nèi)三個(gè)月左右將變成粘土或泥粉。新鮮粘土巖屬較軟巖，隨著暴露時(shí)間的增加，其隨之變成軟巖或極軟巖。

⑤粘土巖的完整性：由于頁里間結(jié)合力較差，再加上后期構(gòu)造的破壞，新鮮頁巖的完整性通常屬較完整-較破碎，隨著暴露時(shí)間增加，其完整性也隨之變成破碎-極破碎。

⑥粘土巖的質(zhì)量：通過對(duì)粘土巖的的強(qiáng)度和完整性的評(píng)價(jià)，完全可以判定新鮮粘土巖的的質(zhì)量類型屬Ⅲ類，隨著暴露時(shí)間的增加，其質(zhì)量類型也隨之變成Ⅳ類或Ⅴ類。

綜上所述，粘土巖原始具有層（或頁理）狀結(jié)構(gòu)，且具有沿層理（或頁理）面剝裂、強(qiáng)度較低、遇水膨脹等特性，決定了其工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性。

3 粘土巖的支護(hù)

3.1 已完成施工的巷道發(fā)生崩裂的原因

馬路坪和用沙壩礦區(qū)發(fā)生崩裂的巷道，巖體呈紫紅色或灰綠色、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、團(tuán)塊狀構(gòu)造，其成分絕大部分為粘土礦物，僅有少量巖屑。巖體頁理、細(xì)小裂隙和節(jié)理較發(fā)育（見圖9），其完整性屬較完整-較破碎；經(jīng)定性測(cè)量其普氏硬度系數(shù)f=1.5-3左右，屬較軟巖。據(jù)以上兩個(gè)指標(biāo)可判定兩礦區(qū)新鮮粘土巖的質(zhì)量屬Ⅲ類。巷道跨度均在5米以內(nèi)，原設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)、錨索加噴砼支護(hù)方式是合理的。但忽略了頁巖遇水膨脹和頁理面易剝落等特點(diǎn)，具體如下：

①巖體頁理發(fā)育，頁理間結(jié)合力較差，在載荷失去后，頁理間結(jié)合力隨之降低；暴露在空氣中，由于水（或水蒸汽）的介入使得頁理間的結(jié)合力進(jìn)一步降低；在重力作用下，巖石沿頁里面層層剝裂（見圖8）離開母巖，當(dāng)其重量超過鋼筋網(wǎng)或錨索的承受能力時(shí)巷道頂部便發(fā)生崩裂（圖1、圖2、圖3、圖4）。

②粘土礦物成分中90%以上的為粘土礦物，他們中蒙脫石、伊利石以及伊利石-蒙脫石組合遇水（或水蒸氣）膨脹，隨著體積的增加，其強(qiáng)度和完整性隨之降低，巷道便出現(xiàn)變形、崩裂，甚至垮塌。

③地應(yīng)力促使頁巖局部發(fā)生塑性流動(dòng)：其中鉀礦區(qū)640米中斷最大埋深約600米左右，而乙礦區(qū)990和920米中段均在400-500米左右，均屬中等地應(yīng)力區(qū)，由此可推斷有引起頁巖發(fā)生塑性流動(dòng)的可能，但不是巷道發(fā)生大面積崩裂的主要原因。

總之，馬路坪和用沙壩礦區(qū)粘土巖段巷道發(fā)生大面積崩裂的主要原因?yàn)檎惩翈r遇水膨脹和應(yīng)力釋放后在重力作用下沿頁理面剝落所致。而地應(yīng)力所引起頁巖發(fā)生塑性流動(dòng)為次要原因。就兩幫和頂而言，兩幫以頁巖遇水膨脹為主；頂以沿頁理面剝落為主。

3.2 頁巖巷道的支護(hù)

①支護(hù)方式的選擇。粘土巖的支護(hù)在工程地質(zhì)領(lǐng)域?qū)偈澜绻J(rèn)的難題。支護(hù)時(shí)不僅要考慮其新鮮巖體的質(zhì)量類型，而且還應(yīng)考慮工程所在地的水文地質(zhì)條件，巷道跨度、埋深與使用年限等因素。為此，粘土巖的支護(hù)通常采取剛性支護(hù)、柔性支護(hù)與防滲漏的排水相結(jié)合的方式。剛性支護(hù)能防止頂部巖石的剝落，柔性支護(hù)能減輕兩幫遇水膨脹后給兩幫施加的側(cè)壓力，防滲漏的排水方式可避免水與粘土巖直接接觸。

②采用“預(yù)留緩沖空間”的鋼拱架或現(xiàn)澆鋼筋混泥土支護(hù)（圖片10）：

1）鋼軌架或現(xiàn)澆混凝土頂部應(yīng)填滿硬質(zhì)物，防止巖石沿頁理面剝落。

2）鋼軌架或現(xiàn)澆混凝土兩幫中下部預(yù)留一定的“緩沖空間”或者在緩沖空間內(nèi)填滿柔性物質(zhì)，巖石吸水膨脹后有緩沖的余地，不至于立即將強(qiáng)大的側(cè)向應(yīng)力施加給鋼拱架或鋼筋混凝土的兩側(cè)。否則，鋼拱架或鋼筋混凝土均會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形（圖11）。

3）水溝可用管道代替或采用防滲漏處理的現(xiàn)澆混凝土水溝。

③采用“U”型鋼軌架支護(hù)（圖12）

“U”型鋼軌架的原理與上一種方法類似。它在煤田的粘土巖支護(hù)中應(yīng)用非常廣泛，與普通鋼軌架支護(hù)最大的區(qū)別在于用一段弧形鋼軌代替了直鋼軌，同時(shí)底板必須澆筑混凝土。

3.3 對(duì)礦區(qū)內(nèi)粘土巖支護(hù)的建議

①巷道跨度在5米以內(nèi)的臨時(shí)巷道（服務(wù)年限5年以內(nèi)）仍可以采用錨網(wǎng)、錨索加噴砼的支護(hù)方式。

②巷道跨度在5米以內(nèi)或5米以上的永久性巷道采用“預(yù)留緩沖空間”或“U”型鋼拱架支護(hù)

4 結(jié)語

施工實(shí)踐證明，通過在該礦區(qū)其他中段采用“預(yù)留緩沖空間”或“U”型鋼拱架支護(hù)，不僅大大提高了施工效率，而且巷道并未發(fā)生較大規(guī)模的崩裂。針對(duì)粘土巖來說，以上兩種支護(hù)方式與其巖體質(zhì)量類型和特征是匹配的。

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