軟弱巖層地段井巷工程施工的探討

李洪林

摘要：軟弱巖層的自然特性及組成的主要成分是導(dǎo)致軟巖井巷工程破壞的主要原因。給出了設(shè)計的注意事項和支護的原則，并指出的關(guān)鍵是防水和及時控制圍巖的變形量。新奧法的指導(dǎo)思想應(yīng)成為井巷工程在軟弱巖層地段施工的精髓。

關(guān)鍵詞：軟弱巖層井巷工程；破壞；支護；變形；新奧法

翠宏山礦業(yè)有限公司是西林鋼鐵集團控股的大型才選聯(lián)合企業(yè)，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模年采選原礦200萬噸，采用主副井加輔助斜坡道聯(lián)合開拓，中央對角式通風(fēng)方式。礦區(qū)上有庫爾濱河流過，該礦區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)都屬于復(fù)雜型，翠宏山鐵多金屬礦在井巷掘砌施工過程中，經(jīng)常遇到片幫、冒頂、涌水現(xiàn)象，曾一度影響了工期的順利進(jìn)行，其中北風(fēng)井和入風(fēng)井因井底涌泥和涌水量過大而被迫停工。目前，國內(nèi)的采礦業(yè)形勢很好，但壓力也很大；一是技術(shù)人員奇缺，二是采礦施工難度空前加大。中煤集團、溫建集團（基建井巷工程承包單位）雖然都擁有一流的礦山建設(shè)技術(shù)人員和能吃苦敢打硬仗的施工隊伍，但下屬項目部在施工過程中還是遇到這樣或那樣的困難，尤其是在軟弱巖層中的井巷工程施工。本文是筆者在軟弱巖層地段井巷工程的掘進(jìn)與支護中總結(jié)的一些實踐經(jīng)驗。

1軟弱巖層的自然特性

軟弱巖層的自然特性基本上可歸納為軟弱、松散、膨脹、風(fēng)化和高地應(yīng)力等。影響其硬度的主要物質(zhì)有：松軟的砂質(zhì)土壤、高嶺土層；全部風(fēng)化的頁巖、褐煤、松軟的錳礦、貝殼石灰?guī)r、滑石片巖、火山凝灰?guī)r，還有風(fēng)化劇烈的橄欖巖、蛇紋巖、鋁礬土、菱鎂礦等。軟弱巖層在工程施工過程表現(xiàn)的主要屬性是：隨著井巷工程的開挖，圍巖應(yīng)力開始發(fā)生變化，產(chǎn)生顯著的塑性變形，由于其本身膠結(jié)程度較差，結(jié)構(gòu)松散，組分又多含黏土質(zhì)礦物，親水性強，遇水泥化潮解，很容易產(chǎn)生體積膨脹，致使強度降低，具有較大的可塑性。軟弱巖層的受力變形速率隨應(yīng)力增長的現(xiàn)象表現(xiàn)出明顯的流變性；有的軟弱巖層在物理、化學(xué)、工程力的作用下產(chǎn)生鱗片狀崩解（類似巖爆現(xiàn)象），因此對外界環(huán)境影響較敏感，抗擾動能力極差。

2軟弱巖層井巷工程破壞的主要原因分析

為了解決軟弱巖層中的井巷工程施工難題，首先需要熟悉軟弱巖層井巷工程破壞的主要原因，筆者認(rèn)為原因有以下幾個方面：

蠕變變形。軟弱巖層開挖具有明顯的蠕變變形，而且時間效應(yīng)極為明顯突出。開挖初期表現(xiàn)為來壓快，變形大。如果不及時加以控制，將會導(dǎo)致圍巖松馳、裂縫，繼而巖面出現(xiàn)片幫破壞，甚至出現(xiàn)整個巷道斷面的破壞報廢。即使此時及時采取了支護措施，但是支護方式不妥當(dāng)，也會導(dǎo)致同樣的結(jié)果。其支護方式必須適應(yīng)其蠕變的特點，避免剛性支護，而盡量采用既有一定強度又允許在一定范圍變形的柔性支護才是正確處理的方法，這樣方可保證井巷工程在使用期的安全與穩(wěn)定。

井巷斷面形狀不合理。在井巷設(shè)計時必須充分考慮其工程地質(zhì)資料，特別是大斷面巷道如隧道施工。適用于軟巖巷道的斷面形狀主要為拱形、半圓形、馬蹄形、橢圓形。綜觀這些形狀，其共同特點就在盡量要求巷道的斷面輪廓線圓滑平整，在施工過程盡量避免有折線鈍角出現(xiàn)，以免不能形成較好的封閉承載拱或承載弧，使局部產(chǎn)生應(yīng)力集中、彎矩，在拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)。

非對稱性高應(yīng)力。在軟弱巖層中拙進(jìn)巷道，巷道的頂板和兩幫將承受應(yīng)力重新分布時產(chǎn)生的巨大頂壓和側(cè)壓，致使拱墻冒落與片幫或者產(chǎn)生底臌。由于巷道的受力方向不均勻，具有明顯的方向性，所以在具體施工過程中，這些因素往往成為導(dǎo)致局部破壞，甚至大面積冒落的主要原因。

不重視水的處理。在井巷工程掘進(jìn)過程中，不但有鉆機穿孔的冷卻用水，有時還難免有大量的裂隙水或地下水。前面筆者已經(jīng)指出了軟弱巖層的主要物質(zhì)。不難看出軟弱巖層一般親水性都較強，遇水泥化、膨脹或崩解是很正常的，這樣就會導(dǎo)致較為強烈的變形，特別是巷道底部受各種沒有及時排出的積壓水浸泡，往往會產(chǎn)生更大的底臌，導(dǎo)致大面積的井巷工程失穩(wěn)破壞。

3軟弱巖層井巷工程掘進(jìn)需要注意的幾個問題

根據(jù)軟弱巖層井巷工程破壞的原因，正確的進(jìn)行掘進(jìn)需要注意以下一些問題。

采取多打眼少裝藥，最好采用光面爆破，減少開挖時對圍巖的擾動和過大方量的欠挖、超挖，使井巷輪廓盡可能的圓滑平整，對于大斷面的井巷工程施工盡量采用一次性開挖的方法；

要確保巷道地板的坡度，一般控制在3％－5％左右的坡度，盡量不使巷道地板積水，減少水對地板的浸泡；

對于地下水較為豐富的地段，要采用長釬桿超前穿孔疏水，盡量保持掘進(jìn)過程掌子面的干燥。

軟弱巖層井巷工程的支護在軟弱巖層地段的施工中同樣重要，從根本上解決了軟弱巖層地段的掘進(jìn)問題后，如何保證井巷工程的安全使用理所當(dāng)然的就成了另一重要環(huán)節(jié)。軟弱巖層支護的關(guān)鍵在于防水和控制圍巖的變形。由于軟弱巖層多由于粘土質(zhì)組成，親水性很強，遇水軟化。當(dāng)水進(jìn)入軟巖的孔、裂縫中，水與軟巖大面積接觸，水分子與這些親水物質(zhì)形成水合物，使其分子間的間隙增大，從而引起軟弱巖層體積的膨脹而崩解，特別是軟弱巖層內(nèi)含較多的蒙脫石、伊利石等組分時，軟弱巖層崩解速度加快，有時還會引起底臌，此時支護就顯得尤為重要。

支護按使用時間分為臨時性支護和永久性支護，按力學(xué)性質(zhì)分為剛性支護和柔性支護。一般臨時性支護為柔性支護，對于軟巖地段的支護施工，原則上要采取先柔后剛，柔剛結(jié)合；先臨時后永久。臨時支護一般是在井巷工程掘挖結(jié)束后進(jìn)行的臨時性保護措施，分木支護和噴砼支護兩種，其目的是為了防止應(yīng)力變化導(dǎo)致的變形無限制的擴大，是允許支護結(jié)束后有一定變形而支護物不受破壞的支護方法。永久性支護則是圍巖變形相對穩(wěn)定后進(jìn)行的，有混凝土支護、噴砼支護、錨噴支護等。主要是要具有足夠的強度來維持巷道的長時間使用。永久性支護（對于臨時支護而言就是二次支護）與臨時性支護之間的過渡時間的把握很重要，要根據(jù)實際情況和施工組織者的現(xiàn)場經(jīng)驗把握。無論采取何種支護方法，但必須把握的支護的原則應(yīng)該是：

要適應(yīng)軟巖變形量大的特點，要先柔后剛，剛?cè)峤Y(jié)合。隨著掘進(jìn)面及時進(jìn)行，根據(jù)圍巖的軟硬程度靈活掌握木支護、噴錨或噴錨網(wǎng)支護，要竭力避免支護結(jié)構(gòu)上或者工藝上的薄弱環(huán)節(jié)，以免為成為隱患的突破口；

采用圍巖加固的辦法，即根據(jù)圍巖本身具有一定強度的特點，利用錨桿支護或者錨桿掛網(wǎng)噴砼支護等方法，對于這種方法應(yīng)注意的是錨桿楔入的方向、錨桿的長度等；

根據(jù)圍巖變形量、壓力、地質(zhì)構(gòu)造及擾動范圍等情況，采取加固與支護并舉的聯(lián)合支護方式。

4結(jié)語

井巷工程在軟巖地段的施工還存在一定的技術(shù)困難，僅靠一些先進(jìn)的理論和機械是不能完全解決問題的，更需要我們將理論與實踐經(jīng)驗有機地結(jié)合起來。在此，特別需要強調(diào)的是對軟巖地段井巷工程的規(guī)格設(shè)計，必須留有150－250mm的預(yù)留變形量，從而保證支護完成后巷道實際可利用的凈面積。新奧法指的是在軟弱巖層中修建隧道時，開挖后立即噴射水泥混凝土作為臨時支撐(必要時加錨桿)以穩(wěn)定圍巖，然后再進(jìn)行襯砌的施工方法?？v觀軟巖地段井巷工程施工的工藝發(fā)展過程，新奧法作為新的指導(dǎo)思想已經(jīng)被越來越多的人接受，如何運用和發(fā)展新奧法也必將成為擺在技術(shù)人員面前的新課題。

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