新奧法在礦山軟巖平硐掘進(jìn)中的實(shí)踐應(yīng)用

仲徐東，王國(guó)呂，王虎，管樺，王雄榮

（四川里伍銅業(yè)股份有限公司，四川甘孜626201）

新奧法在礦山軟巖平硐掘進(jìn)中的實(shí)踐應(yīng)用

仲徐東，王國(guó)呂，王虎，管樺，王雄榮

（四川里伍銅業(yè)股份有限公司，四川甘孜626201）

深部巷道圍巖的合理支護(hù)是現(xiàn)代礦山深部開采時(shí)亟需解決的關(guān)鍵性技術(shù)。大水溝礦區(qū)2815中段開拓巷道，由于埋藏深而地壓大，圍巖穩(wěn)定性差。經(jīng)過機(jī)械開挖擾動(dòng)，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，冒頂現(xiàn)象嚴(yán)重。為了控制地壓對(duì)巷道圍巖的影響，確保巷道掘進(jìn)工作安全進(jìn)行，礦區(qū)通過現(xiàn)場(chǎng)分析研究后采用新奧法，最終順利通過這一軟巖破碎區(qū)。對(duì)新奧法的基本原理和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究的結(jié)果表明，軟弱破碎巖體中的巷道掘進(jìn)，使用新奧法成本低、效率高；隨著圍巖變形量增加，塑性能釋放量增大，支護(hù)厚度增加；此后隨著蠕變時(shí)間增長(zhǎng)，巷道圍巖變形量不再變化。準(zhǔn)確把握圍巖變形特性，合理確定支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)間，能經(jīng)濟(jì)有效地保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，具有非常重要的工程價(jià)值。

新奧法；圍巖；變形；應(yīng)力；監(jiān)測(cè)

深部巷道的圍巖支護(hù)是現(xiàn)代礦山深部開采時(shí)需解決的問題。巷道掘進(jìn)通過軟弱破碎巖層的方法有很多種，目前應(yīng)用比較成熟的有撞楔法［1］、注漿法［2］、掩護(hù)筒法、刻槽立柱法、穿梁護(hù)頂法、噴錨支護(hù)法等等。深部巷道圍巖原巖應(yīng)力高，只有在支護(hù)時(shí)充分利用圍巖的自承能力才能取得較好的支護(hù)效果，而新奧法是充分利用圍巖自身承載能力，視圍巖承載為主要支護(hù)體系，允許圍巖變形，但不過度松弛。支護(hù)時(shí)主要采取噴錨，輔助以金屬網(wǎng)，鋼支架，增大承載能力。

自新奧法創(chuàng)立以來，在國(guó)內(nèi)修建西坪、大瑤山、軍都山等鐵路隧道和中梁山、二郎山等多條公路隧道中，應(yīng)用新奧法及其相應(yīng)的技術(shù)，取得了較大的成就。在我國(guó)礦山的軟巖巷道掘進(jìn)中也取得了良好的應(yīng)用效果，如金川鎳礦二礦區(qū)某雙軌巷道施工中，利用新奧法施工成功通過了F16斷層帶和斷層影響帶［3］。

1 工程概況

九龍縣雅礱江礦業(yè)有限責(zé)任公司大水溝銅礦位于江浪穹隆的西南翼部位。礦體賦存于志留—泥盆系江浪石英巖片巖組（SD1）中段（SD21）里伍帶（SD2－21）沉積變質(zhì)巖系中，呈似層狀、透鏡狀和疊瓦式形態(tài)產(chǎn)出。構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂和次級(jí)褶皺有所發(fā)育，火成巖不發(fā)育。其中片狀礦物含量＞50%的片狀構(gòu)造發(fā)育的巖石，且片狀礦物中絹云母含量達(dá)30%～50%，黑云母占15%左右。

大水溝礦區(qū)2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段巖石主要成分為絹云母片巖，其中夾雜著黑云母片巖，巖體構(gòu)造簡(jiǎn)單。云母片巖是由泥巖、頁(yè)巖、砂巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成，黏結(jié)性較差。巷道開挖后，圍巖直接暴露在空氣中，較短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，存在極大的安全隱患，阻礙了巷道順利掘進(jìn)。爆破掘進(jìn)帶來的擾動(dòng)造成圍巖應(yīng)力重新分布，巷道頂板應(yīng)力集中，加速了頂部圍巖的垮落，鉆眼過程中的用水對(duì)巖體的軟化、泥化作用也加大了對(duì)巖石穩(wěn)定性的破壞。

2 原理分析

礦區(qū)通過48h的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄，得出巷道頂板微量裂隙水，頂板允許短時(shí)間內(nèi)小面積暴露，風(fēng)化程度較小。云母片巖的軟化性較強(qiáng)，耐崩解性［4］較差，巷道開挖后必須立即封閉圍巖，保持巖石原始的濕度，防止其發(fā)生改變而導(dǎo)致膨脹或崩解現(xiàn)象發(fā)生。如果采用過去的短段掘砌，掘一小段，立即用鋼架或木材作臨時(shí)支護(hù)，事后不拆除，那么掘進(jìn)巷道斷面需加大，而永久支護(hù)采用鋼筋混凝土澆筑，成本高，作業(yè)難度大，影響工期，因此必須采取特別的施工方法掘進(jìn)巷道來通過這一破碎帶。

巖石在載荷作用下，首先發(fā)生的物理現(xiàn)象是變形，在恒定荷載作用下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，巖石變形逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石破壞，巖石變形有彈性變形、塑性變形和黏性變形三種。大水溝礦區(qū)2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段軟弱破碎圍巖直接暴露在空氣中，呈塑性變形破壞［5］。如果視圍巖為均質(zhì)，其變形過程是一個(gè)不可逆過程，由壓密階段→彈性變形階段→塑性變形階段→破壞后階段，但可以從圍巖的塑性變形階段過渡到圍巖和支護(hù)層構(gòu)成的承載環(huán)的彈性變形階段，這并不是圍巖形態(tài)的自身恢復(fù)，而是靠支護(hù)層的增加來提高由圍巖和支護(hù)層構(gòu)成的承載環(huán)的整體屈服峰值強(qiáng)度，所以可以將圍巖初期暴露在空氣中的變形稱為假塑性變形。如果立即噴射混凝土封閉，那么圍巖承載環(huán)就呈彈性變形破壞。

在彈性變形范圍內(nèi)，可以用彈性平衡理論來解釋新奧法原理［6］。巷道拱部邊緣某點(diǎn)在開挖前原始應(yīng)力處于一個(gè)平衡狀態(tài)。在開挖后這一點(diǎn)在臨空面失去約束，原始應(yīng)力要重新分布，如果圍巖強(qiáng)度不夠大，應(yīng)力重新分布后不支護(hù)，就會(huì)產(chǎn)生變形，直至失穩(wěn)垮塌，所以必須提供支護(hù)力才能防止圍巖失穩(wěn)。而分次支護(hù)允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，便于釋放塑性能（卸荷作用），以充分發(fā)揮圍巖的自承能力，這是一種比較經(jīng)濟(jì)的支護(hù)措施。

K1＋221～K1＋278m段軟巖巷道掘進(jìn)過程中分兩次支護(hù)的理論依據(jù)由云母片巖的變形特性決定，巷道圍巖和首次支護(hù)組成承載環(huán)，其徑向應(yīng)力與巷道變形量呈線性關(guān)系，如圖1。

圖1 巷道應(yīng)力與形變關(guān)系Fig.1 Relationship between stress and deformation in roadway

1）巷道圍巖受徑向應(yīng)力F隨著巷道變形量u的增加先逐步減小，因?yàn)榇笏疁系V區(qū)2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段圍巖主要成分為絹云母片巖，其作為Ⅳ類巖石［7］進(jìn)入塑性狀態(tài)是不可避免的，經(jīng)過第一次薄層混凝土錨網(wǎng)支護(hù)后，要讓圍巖達(dá)到自身最大塑性承載能力，同時(shí)，圍巖的塑性能（如膨脹變形能）釋放出來。當(dāng)塑性能釋放完全時(shí)，圍巖受徑向應(yīng)力最小，即點(diǎn)A，此后隨著變形量u的增加，巷道受徑向應(yīng)力逐步增大，直至圍巖破壞，如曲線1。

2）在巷道變形量u到達(dá)臨界點(diǎn)之前必須進(jìn)行第二次支護(hù)，就是圍巖和第一次支護(hù)層組成的承載環(huán)的位移接近脫落點(diǎn)時(shí)［8］。如果第二次支護(hù)時(shí)間過早，圍巖塑性能釋放不完全，未充分利用其自身承載能力，支護(hù)效果差，成本高，如曲線2；如果在圍巖即將達(dá)到變形臨界點(diǎn)時(shí)進(jìn)行第二次支護(hù)，圍巖塑性能釋放完全，利用其自身承載能力最大，支護(hù)效果最好，最經(jīng)濟(jì)，如曲線3。

3）當(dāng)?shù)诙沃ёo(hù)后，圍巖與兩次支護(hù)層共同構(gòu)成承載環(huán)，圍巖受力達(dá)到平衡狀態(tài)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，巷道變形量將不再增加，如曲線4。

3 施工過程

大水溝礦區(qū)在本段巷道掘進(jìn)過程中的支護(hù)工作分兩次進(jìn)行，第一次是噴外拱，打錨桿，開挖的巖面一經(jīng)暴露就噴射混凝土進(jìn)行覆蓋封閉，隔絕水、濕氣和風(fēng)化對(duì)巖體的不利作用，防止巖體強(qiáng)度降低，還可以克服接下來打的錨桿因巖面附近活石泥化、風(fēng)化冒落而失效，使圍巖形成一個(gè)整體；第二次是噴內(nèi)拱（或加支鋼架），穩(wěn)定平衡巷道支護(hù)環(huán)。具體施工流程如圖2。

圖2 掘進(jìn)支護(hù)施工流程Fig.2 Construction process of drivaging and supporting

為了減少圍巖應(yīng)力的擾動(dòng)和應(yīng)力集中，在施工過程中采取短掘短支（每一循環(huán)掘進(jìn)1m），采用全斷面掘進(jìn)巷道和光面爆破。巷道一經(jīng)開挖爆破，立即對(duì)邊幫和頂板清理浮石，在短時(shí)間內(nèi)向巷道頂、壁噴一層3cm的混凝土，此時(shí)為第一次混凝土支護(hù)。待混凝土初凝后，鉆眼打樹脂錨桿，掛金屬網(wǎng)，參數(shù)如表1。這樣就充分利用了混凝土噴層的可縮性，使圍巖內(nèi)部形成擠壓承載環(huán)，圍巖和支護(hù)共同作用［9］。

表1 支護(hù)材料參數(shù)Table 1 Parameters of support material

噴射的混凝土要按照試驗(yàn)報(bào)告的砂漿配合比［10］進(jìn)行配料，采用經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)合格的425＃水泥，水泥︰水︰砂的配合比為268︰295︰1 625。

新奧法的支護(hù)原則不僅是把圍巖看作承載物體，更是承載結(jié)構(gòu)［11］。圍巖承載部分和支護(hù)體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個(gè)力學(xué)體系，所以在施工過程中要加強(qiáng)巷道變形與地壓測(cè)量工作。在第一次支護(hù)后開始對(duì)巷道周邊位移、錨桿、噴層等進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量（以位移測(cè)量為重點(diǎn)），以測(cè)量數(shù)據(jù)作為判斷圍巖穩(wěn)定性的依據(jù)。監(jiān)控測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置如圖3。

圖3 巷道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Arrangement of roadway deformation monitoring points

大水溝礦區(qū)2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段圍巖整體呈緩傾斜，傾角15°～20°，巷道圍巖主要是頂板變形破壞，所以重點(diǎn)對(duì)巷道頂板進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。在頂板下沉變形接近臨界點(diǎn)時(shí)進(jìn)行第二次噴射混凝土支護(hù)，厚度12cm。最終隨著時(shí)間增加，巷道頂板穩(wěn)定，不再變形。

4 結(jié)論

1）噴錨支護(hù)過程中利用錨桿的擠壓作用，使圍巖應(yīng)力重新分布，構(gòu)成承載環(huán)，減少了圍巖的應(yīng)力集中。

2）噴錨支護(hù)結(jié)合了錨桿支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)，更簡(jiǎn)單有效地支護(hù)了應(yīng)力集中的破碎部分，取得了較好的支護(hù)效果。

3）在施工過程中要加強(qiáng)巷道圍巖變形測(cè)量，以便及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)（噴層厚度、錨桿網(wǎng)度、錨桿長(zhǎng)度等）。

4）新奧法在礦山軟巖破碎巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用，安全可靠，節(jié)約成本，效率高，能保證掘進(jìn)工程順利完成。

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Practical application of New Austrian Tunnelling Method in the adit excavation through soft rock mine

ZHONG Xudong，WANG Guolv，WANG Hu，GUAN Hua，WANG Xiongrong
（Sichuan Liwu Copper Industry Co.，Ltd.，Ganzi Sichuan 626201，China）

Appropriate supporting scheme of deep roadway wall rock is the key technology of deep mining in the modern mines，which needs to be solved.In Dashuigou mining area，the stability of wall rock developing roadway in 2815middle section is poor due to the deep embedding and great geopressure.Due to the mechanical excavation interfere，the roadway wall rock stress is redistributed，and the roof fall phenomenon is serious.In order to control the influence of the pressure in wall rock of roadway as well as to ensure the safety of roadway drivage，after taking field investigation and analysis，New Austrian Tunneling Method is used，and finally the roadway smoothly get through the soft－broken rocks.By studying the basic principle and application of the New Austrian Tunnelling Method，the results were achieved that the adit excavation through soft broken rocks.New Austrian Tunnelling Method is in low cost and high efficiency.With the deformation increasing of wall rock，the release quantity of plastic energy increases and the supporting thickness increases as well.In addition，as creeping time grows，the deformation of wall rock in roadway no longer changes.Accurately grasping the deformation characteristics of wall rock and determining the reasonable support parameters and supporting time can economically and effectively guarantee the stability of wall rock in roadway，which has very important engineering value.

New Austrian Tunnelling Method；wall rock；deformation；stress；monitoring

TD313；TD353

A

1671－4172（2015）05－0065－03

仲徐東（1989－），男，助理工程師，采礦工程專業(yè)，主要從事巖土力學(xué)工程和采礦技術(shù)方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.013