矽卡巖體的工程力學(xué)特性及巷道支護(hù)對策

明 建，趙增山

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.魯中冶金礦業(yè)集團(tuán)公司，山東 萊蕪 271113)

矽卡巖型礦床是最常見的一種鐵礦床類型，它賦存形態(tài)復(fù)雜多變，礦巖破碎。在地下開采過程中，采場地壓顯現(xiàn)都十分劇烈。國內(nèi)難采金屬礦床大多屬于該類型礦床，如小官莊鐵礦、金山店鐵礦、程潮鐵礦、玉石洼鐵礦、符山鐵礦、西石門鐵礦、張家洼鐵礦、豐山銅礦等，在開采過程中，都遇到了嚴(yán)重的巖石力學(xué)問題，井巷大面積片垮和冒落、炮孔錯(cuò)擠、巷道難以維護(hù)，回采無法正常進(jìn)行，產(chǎn)量遲遲不能達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。后來，這些礦山都進(jìn)行過多年的采礦方法攻關(guān)，但地壓顯現(xiàn)一直沒有得到有效控制，地壓問題仍是嚴(yán)重制約礦山發(fā)展的技術(shù)難題。長期生產(chǎn)實(shí)踐表明，井巷變形破壞及其它形式的地壓顯現(xiàn)，大都與矽卡巖體有關(guān)，該巖體常常是破壞發(fā)生的突發(fā)點(diǎn)和關(guān)鍵因素。因此，認(rèn)真研究矽卡巖型礦床地質(zhì)特征，掌握矽卡巖的工程力學(xué)特性，對解決這類礦床的開采具有極其重要的意義。

1 矽卡巖型礦床主要賦存特征

矽卡巖型礦床是高溫?zé)嵋航佑|變質(zhì)礦床，礦體形態(tài)復(fù)雜，頂?shù)装迤鸱螅瑑A角變化多端，夾石夾層穿插頻繁。由于礦床多次受到蝕變及變質(zhì)作用，巖性變異類型復(fù)雜，礦體多被大大小小的破碎帶切割，形成眾多寬而破碎的礦巖接觸帶，使得礦體與圍巖穩(wěn)固性變差。礦床的主要特征是：

(1)礦床形態(tài)復(fù)雜多變

矽卡巖型礦床形態(tài)變化大，一個(gè)礦體在不同部位，其傾角、形狀、厚度、品位都有較大變異，其中傾角變化可從20°到80°左右，礦體厚度從幾米到上百米，有時(shí)礦體反轉(zhuǎn)，上盤變?yōu)橄卤P，如符山3﹟礦體。礦體形態(tài)變化，給開采帶來了極大的困難，往往需要幾種采礦方法，才能適應(yīng)礦體變化。

(2)夾石夾層多

礦體內(nèi)賦存有大量的夾石夾層。這些夾石一般都為蝕變強(qiáng)烈的變質(zhì)巖種，如玢巖、矽卡巖、蝕變閃長巖、角巖等。由于礦體內(nèi)眾多接觸破碎帶的存在，礦體整體性和穩(wěn)固性明顯降低，這些夾石夾層，常常是采礦工程失穩(wěn)的突發(fā)點(diǎn)。

(3)圍巖軟弱破碎

礦體上下盤部位一般都賦存有矽卡巖帶，寬度從0.5m到40m不等。這些矽卡巖體本身就軟弱破碎，又受到礦巖接觸帶的影響，巖體工程穩(wěn)定性變得很差。另外，矽卡巖、閃長巖、蝕變閃長巖、角巖這類圍巖，都具有較強(qiáng)的水理性質(zhì)，遇到水會急劇地發(fā)生崩解、膨脹與軟化，甚至完全喪失自身強(qiáng)度。在此類圍巖體中，巷道的掘、支都異常困難，但又很難避開這些巖體，故仍有大量的咽喉工程布置在其間，如電耙道、沿脈運(yùn)輸?shù)?、溜井及斜坡道通風(fēng)道等。

(4)礦巖軟硬相間

礦巖的穩(wěn)固性差異較大，巖塊與巖體間強(qiáng)度差異更大，不同區(qū)段的同一類巖石，其穩(wěn)固性有時(shí)截然不同。如同為Fe1，呈塊狀的礦石強(qiáng)度高達(dá)100MPa，而呈粉狀礦石其強(qiáng)度幾乎為零，夾石的強(qiáng)度則從10～100MPa。礦巖的軟硬相間，往往一條巷道，則需要通過數(shù)種穩(wěn)固程度不同礦巖，給支護(hù)和深孔保護(hù)都帶來極大的困難。

2 矽卡巖體的工程力學(xué)特性

矽卡巖是矽卡巖類礦體最有代表性的一種圍巖類型，也是影響礦床難采最直接的因素。不同礦山的矽卡巖，盡管巖石成分不盡相同，但其性質(zhì)仍具有一定共性，主要特征為：

(1)自穩(wěn)性差

矽卡巖體是由強(qiáng)烈的變質(zhì)和蝕變而形成，巖質(zhì)軟弱破碎，整體性很差。巖體強(qiáng)度大都在600MPa以下，一些類型的矽卡巖的強(qiáng)度還不足20MPa，且觸動(dòng)性敏感，圍巖一旦暴露，就會引起垮冒。根據(jù)對多個(gè)矽卡巖型礦山的調(diào)查，多數(shù)矽卡巖巷道(3.2m×3m)的自穩(wěn)性不足12h，如表1所示。這期間，往往來不及進(jìn)行支護(hù)，經(jīng)常發(fā)生冒落，許多礦山遇到矽卡巖體，特別是矽卡巖破碎帶，必須采用超前支護(hù)才能成巷。由于自穩(wěn)性差，礦山在巷道掘進(jìn)過程中，由矽卡巖引起的垮冒占到垮冒事件總數(shù)的90%以上。小官莊、張家洼、玉石洼、程潮鐵礦、金山店鐵礦等礦山，位于矽卡巖地段的巷道變形破壞率均達(dá)100%，掘進(jìn)時(shí)需采用超前和及時(shí)支護(hù)才能掘進(jìn)。

表1 矽卡巖體自穩(wěn)時(shí)間調(diào)查表

(2)水理性強(qiáng)

水理性是礦巖遇水后物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的特性。大量實(shí)驗(yàn)表明，矽卡巖體具有極其強(qiáng)烈的水理性質(zhì)，親水能力強(qiáng)，濕化與水化作用強(qiáng)烈。大多數(shù)矽卡巖的吸水率都超過15%，遇水后會快速發(fā)生崩解、軟化，其強(qiáng)度明顯降低，有些矽卡巖還具有強(qiáng)烈的膨脹性。根據(jù)對小官莊、張家洼、程潮、金山店、北銘河五個(gè)鐵礦山的矽卡巖試樣的水理實(shí)驗(yàn)，矽卡巖崩解性和軟化性顯著。所有礦山的試樣入水后，均發(fā)生快速崩解，有的崩解速度僅幾分鐘。其崩解物多呈粉狀或碎屑狀，失水干燥后再遇水，崩解速度更快、更強(qiáng)烈。矽卡巖的軟化性也比較明顯，軟化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。如透輝石化矽卡巖在干燥狀態(tài)其強(qiáng)度可達(dá)80MPa，但遇水后強(qiáng)度值不足40MPa。特別是綠泥石矽卡巖和高嶺土化矽卡巖，入水后其強(qiáng)度迅速降低，遇水即崩解變?yōu)楹翢o強(qiáng)度的散體，軟化系數(shù)最高不超過0.3。

表2 矽卡巖軟化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

膨脹性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大部分矽卡巖的膨脹變形能力較弱，膨脹率一般在20%以下，膨脹力為0.2MPa左右，如表3所示。但有些矽卡巖體膨脹性則極其劇烈，如張家洼鐵礦的紅褐色矽卡巖和金山店鐵礦綠泥石化矽卡巖，膨脹變形均超過40%以上。

矽卡巖的水理破壞現(xiàn)象，在井下極為普遍，受水影響大的巷道底板和兩幫，常發(fā)生底臌和脫幫破壞。

表3 矽卡巖的膨脹特性表

(3)變異性大

矽卡巖體由于多次受到蝕變和構(gòu)造作用，其成分、力學(xué)特性都變得復(fù)雜變異。同一類型的矽卡巖，處于不同區(qū)域，其力學(xué)性質(zhì)則截然有別，如小官莊鐵礦透輝石矽卡巖的穩(wěn)定性就存在明顯差異，東區(qū)該種巖石的強(qiáng)度最高不到40MPa，而西區(qū)則普遍高于80MPa。再如張家洼鐵礦賦存于下盤礦巖接觸帶處的透輝石矽卡巖，一掘即冒，遇水會迅速崩解片冒；而位于礦體中間部位，則能保持較長時(shí)間的穩(wěn)定性，如能及時(shí)支護(hù)，可長期保持穩(wěn)定。另外，不同礦山的同一類型矽卡巖，穩(wěn)定性雖都較差，但其穩(wěn)定程度差異較大，如程潮鐵礦礦化矽卡巖較為穩(wěn)定，其強(qiáng)度可達(dá)80MPa，而西石門鐵礦、小官莊鐵礦、張家洼鐵礦的礦化矽卡巖的強(qiáng)度則不足40MPa，且松散破碎并含多種黏土礦物成分，遇水會迅速軟化。

(4)觸變性

觸變特性是矽卡巖在外界工程環(huán)境的變化下，物理力學(xué)特性易發(fā)生改變的特性。矽卡巖體對環(huán)境變化敏感，當(dāng)巖體暴露后，其力學(xué)特性就會發(fā)生迅速下降，主要表現(xiàn)形式是：①完整性下降。矽卡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，處于原始應(yīng)力狀態(tài)下的巖體，節(jié)理裂隙基本是閉合的，當(dāng)開挖卸荷后，節(jié)理由閉合轉(zhuǎn)化為張裂，整體性會很快喪失，有些則變?yōu)樯Ⅲw。②強(qiáng)度弱化。原封閉在特定環(huán)境中的矽卡巖體，一旦暴露卸載，其力學(xué)強(qiáng)度就會迅速降低，風(fēng)化程度明顯。根據(jù)實(shí)測，剛揭露出透輝石矽卡巖，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)82MPa，但經(jīng)過2個(gè)月后，其強(qiáng)度降低至55MPa以下；而處于巷道表面處的綠泥石和高嶺土化的矽卡巖，其強(qiáng)度已基本喪失。③流變不止。處于矽卡巖體中的工程，尤其是采動(dòng)巷道工程，一旦開挖，其圍巖變形就不會停止。在不支護(hù)的情況下，巷道很快就會產(chǎn)生垮冒。如及時(shí)采用支護(hù)措施，變形速度雖會降低，但變形并不會停止。

3 加固與支護(hù)對策

由矽卡巖力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究表明，該巖體是一種水理性和觸變性極強(qiáng)的軟巖體，大多數(shù)工程的失穩(wěn)破壞，都是由其特性引起的。因此，采用速效和全封閉性支護(hù)與加固措施，控制其強(qiáng)度弱化，應(yīng)是此類圍巖工程的支護(hù)設(shè)計(jì)原則。

(1)及時(shí)速效支護(hù)

當(dāng)該類巖體被揭露后，應(yīng)及時(shí)采用速效和剛性較強(qiáng)的支護(hù)手段對其封閉加固，盡早控制其變形卸載。目前，最有效的支護(hù)形式是錨噴網(wǎng)支護(hù)，即先噴射薄層混凝土加以封閉，再采用快凝樹脂錨桿或縫管摩擦式錨桿等具有速效特性的墊板錨桿，最后形成剛性較強(qiáng)的錨噴網(wǎng)支護(hù)層。小官莊鐵礦在進(jìn)行矽卡巖巷道的掘進(jìn)中，采用一掘一噴的施工工藝，即巷道爆破出渣后，立即噴射混凝土封閉，接著再施加錨網(wǎng)噴支護(hù)。金山店鐵礦采用噴射混凝土和超前鋼支架的聯(lián)合支護(hù)方法，及時(shí)對新掘巷道進(jìn)行支護(hù)，保證了采礦需要。張家洼鐵礦則采用緊跟掌子面施加快凝樹脂墊板錨桿加壓預(yù)制片網(wǎng)，再噴射混凝土封閉的及時(shí)支護(hù)形式，基本杜絕了掘進(jìn)中的垮冒破壞，由于采取及時(shí)的支護(hù)措施，矽卡巖巷道的穩(wěn)定性顯著提高。

(2)表面強(qiáng)化支護(hù)

矽卡巖強(qiáng)度低，節(jié)理發(fā)育，巷道松動(dòng)范圍大，圍巖承載能力弱，如不強(qiáng)化支護(hù)，圍巖極易由塑性變形轉(zhuǎn)化為散體破壞。因此，應(yīng)采用剛性強(qiáng)、能夠主動(dòng)施加圍壓的支護(hù)，來抑制巷道地壓的轉(zhuǎn)化，提高圍巖的自我承載強(qiáng)度，減緩巷道的變形速度。為提高表層整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，金山店鐵礦采用密集鋼支架和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)。張家洼鐵礦和小官莊鐵礦采用端錨預(yù)應(yīng)力大墊板錨桿，加連續(xù)的鋼筋網(wǎng)和雙筋條帶，經(jīng)初噴和終噴兩次噴射混凝土，在巷道表面形成封閉和牢固的承載殼體。并在此支護(hù)的基礎(chǔ)上，再采用3.2m的中長錨桿和大直徑雙筋條帶吊掛補(bǔ)強(qiáng)。

(3)剝皮減壓卸載

采場內(nèi)的聯(lián)絡(luò)巷道，服務(wù)年限一般應(yīng)大于2～3年。但一些處于高應(yīng)力區(qū)段的矽卡巖巷道，盡管采用了較強(qiáng)的錨噴網(wǎng)支護(hù)，安全穩(wěn)定時(shí)間也僅8～12個(gè)月。在其服務(wù)年限內(nèi)，需重復(fù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，使巷道斷面越來越小，巷道的服務(wù)功能無法完全實(shí)現(xiàn)。為此，許多矽卡巖型礦山采取了多次卸載放壓的維護(hù)方法，即巷道變形量達(dá)到一定程度時(shí)，將巷道周邊完全松動(dòng)的圍巖剝除掉，重新支護(hù)，服務(wù)期較長的巷道往往要?jiǎng)兤ぶёo(hù)多次。

但該種剝皮減載維護(hù)方法，一般應(yīng)用于初期采用錨噴網(wǎng)支護(hù)的巷道。由于這些巷道，在錨噴網(wǎng)的包裹限制下，碎裂松動(dòng)的圍巖體雖承載能力較小，但仍具有一定的圍壓效應(yīng)。這種圍壓作用，限制了深部圍巖的過量變形與松動(dòng)，并在碎裂松動(dòng)圈以外，形成一定厚度的擠壓承載圈，該承載圈使巷道保持了穩(wěn)定平衡。所以，當(dāng)碎裂圍巖剝除后，巷道仍能保持一定的自穩(wěn)性。

(4)綜合防水

水是引起矽卡巖強(qiáng)度弱化的直接因素之一，也是使矽卡巖巷道加速變形破壞的重要原因。但完全避免水的作用，對于地下工程巖體是十分困難的，尤其是采礦工程，許多開采工序必須用水，如巷道掘進(jìn)和深孔鑿巖。為了降低水的危害，魯中冶金礦業(yè)集團(tuán)公司所屬礦山，嚴(yán)格控制巷道掘進(jìn)鉆孔用水量，底板積水及時(shí)排泄。錨桿鉆孔采用12mm的小直徑進(jìn)水管，深孔鑿巖施工廢水通過管道外排。金山店鐵礦采場排水，采用了無滲透排水溝和管道，施工過程中巷道基本不積水。在采取積極排水的同時(shí)，各礦山加強(qiáng)巷道的通風(fēng)，盡量保持巷道內(nèi)濕度的穩(wěn)定和巷道的干燥。由于采取多種防水措施，矽卡巖巷道圍巖的強(qiáng)度弱化得到有效控制。

4 結(jié)論

通過對國內(nèi)幾個(gè)矽卡巖型鐵礦山礦體賦存條件和巖性的研究，揭示了這類軟破巖體的工程力學(xué)特性和變形破壞機(jī)理。根據(jù)矽卡巖體強(qiáng)度低、水理性強(qiáng)、巷道自穩(wěn)時(shí)間短的特性，提出了與其巖性相匹配的支護(hù)方法和防水措施，并在魯中冶金礦業(yè)集團(tuán)公司和武鋼礦業(yè)集團(tuán)公司所屬的幾個(gè)大型地下礦山進(jìn)行了應(yīng)用，成功地解決了這些礦山矽卡巖巷道掘不進(jìn)、支不住的難題。支護(hù)應(yīng)用實(shí)踐表明，對于矽卡巖巷道，恢復(fù)圍壓環(huán)境、提高圍巖自承載能力是支護(hù)的理論依據(jù)，及時(shí)、強(qiáng)化支護(hù)和綜合防水是支護(hù)成功的技術(shù)關(guān)鍵。

[1] 王其勝,李夕兵,李地元.深井軟巖巷道圍巖破壞原因及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].中國礦業(yè),2007,16(11):72-75.

[2] 趙麗明,潘啟新,王宏偉,董艷軍.煤礦軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].中國礦業(yè),2008,17(4):79-82.

[3] 劉同有.采礦動(dòng)態(tài)環(huán)境中工程穩(wěn)定的實(shí)踐與探索[J].中國礦業(yè), 2000,9(5):52-56.

[4] 吳和平. 高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞機(jī)理與控制對策研究 [J].金屬礦山,2007.