新型聚丙烯纖維混凝土在軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用

郭進(jìn)平，鄭冰,2，祝硯檜，盧皎旭，程相琛

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院， 陜西 西安 710015；2.山陽(yáng)秦鼎礦業(yè)有限責(zé)任公司， 陜西 商洛市 726100；3.中國(guó)冶金地質(zhì)總局 湖南地質(zhì)勘查院， 湖南 長(zhǎng)沙 410001)

0 引言

夏家店金礦主要賦存在寒武系水溝口組黑色巖系，泥盆系大楓溝組砂巖、板巖，星紅鋪組灰?guī)r夾鈣質(zhì)板巖地層，II 號(hào)金礦體主要由硅質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖、角礫巖組成，礦巖整體穩(wěn)定性較差。隨著開(kāi)采深度增加，夏家店金礦的開(kāi)采技術(shù)條件變得更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為工程地質(zhì)條件惡化、地應(yīng)力增大、地壓顯現(xiàn)加強(qiáng)等，同時(shí)伴有采礦作業(yè)環(huán)境惡 化、危險(xiǎn)系數(shù)增大、采礦作業(yè)成本陡然增大等影響，給后續(xù)采礦作業(yè)和軟巖巷道的支護(hù)造成了很大的困難。同時(shí)隨著時(shí)間的推移，圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)由蠕變逐步發(fā)展成地下井巷工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，若不能得到有效解決，將嚴(yán)重制約礦山經(jīng)濟(jì)發(fā)展。針對(duì)較軟巖礦巷道的支護(hù)，袁文伯等[1]根據(jù)巖體應(yīng)變軟化的變形特性建立了彈塑性軟化模型，并推導(dǎo)出適用性更廣泛的塑性區(qū)半徑計(jì)算公式。張愛(ài)玲[2]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中添加聚丙烯纖維后，其強(qiáng)度和其他力學(xué)屬性均要優(yōu)于傳統(tǒng)的混凝土。盡管大量的研究人員證明了添加聚丙乙烯混凝土的性能異常顯著，但是這些僅僅只是從單一學(xué)科角度出發(fā)得到的結(jié)論，并不具備工程應(yīng)用的普適性，本文針對(duì)軟巖巷道支護(hù)困難、采礦作業(yè)條件復(fù)雜等問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際工程調(diào)研，提出采用添加聚丙烯纖維混凝土噴漿支護(hù)方案，通過(guò)添加劑改變噴漿體物理力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到對(duì)軟巖巷道支護(hù)的目的。利用數(shù)學(xué)理論建立軟巖破環(huán)的松動(dòng)半徑和松動(dòng)圈數(shù)學(xué)模型，得到軟巖巷道支護(hù)的具體參數(shù)，再運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)新型混凝土支護(hù)效果進(jìn)行模擬分析，并成功應(yīng)用于夏家店II 號(hào)金礦的軟巖巷道支護(hù)中。結(jié)果表明，該新型聚丙乙烯混凝土噴漿支護(hù)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單純的混凝土噴漿支護(hù)和其他支護(hù)方式的支護(hù)效果。

1 工程概況

夏家店金礦II 號(hào)金礦體呈現(xiàn)傾角50°～60°，總體呈似板狀、厚度20～30 m，節(jié)理裂隙發(fā)育。礦巖體質(zhì)量為IV～V 級(jí)。采礦方法為上向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，礦塊走向長(zhǎng)50 m，階段高度40 m，礦塊寬度和礦體厚度為20～30 m，各礦塊之間不留間柱和頂?shù)字Ｗ畲舐裆?00 m，進(jìn)路巷道尺寸2.5 m×2.7 m，進(jìn)路長(zhǎng)度約15～20 m，采用YT28 鑿巖鉆機(jī)掘進(jìn)式爆破回采礦石，單班掘進(jìn)進(jìn)尺2.0 m，單條進(jìn)路日掘進(jìn)量4.0 m，單條進(jìn)路回采周期約1 周。進(jìn)路回采過(guò)程中，由于受爆破的影響，存在冒頂片幫，嚴(yán)重時(shí)甚至巷道垮塌，造成部分礦石損失，且垮塌進(jìn)路支護(hù)工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、安全性差，威脅作業(yè)人員安全，使礦山難以維持連續(xù)生產(chǎn)。

2 巷道松動(dòng)圈計(jì)算

軟巖巷道支護(hù)關(guān)鍵在于精確分析軟巖活動(dòng)的范圍和大小，即軟巖巷道的松動(dòng)圈，只有確定了軟巖松動(dòng)圈之后才能準(zhǔn)確地分析使用哪種支護(hù)類型和方式。巷道松動(dòng)圈大小也是評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性和選擇支護(hù)方式的主要依據(jù)。根據(jù)彈塑性軟化模型[1]，考慮到巖石在塑性區(qū)與破裂區(qū)的臨界狀態(tài)及邊界條件r=a（巷道半徑），得出圍巖松動(dòng)圈計(jì)算公式[3]：

式中，R為塑性區(qū)半徑；a為巷道半徑；t為系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；P0為原巖應(yīng)力；β為系數(shù)；μ為泊松比；Pi為支護(hù)抗力；σc為單軸抗壓強(qiáng)度；*cσ為殘余抗壓強(qiáng)度；Rt為破裂區(qū)半徑。

松動(dòng)圈計(jì)算各參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 松動(dòng)圈計(jì)算各參數(shù)值

以上數(shù)據(jù)代入式（1）解得巖石塑性區(qū)半徑R=231 cm，破裂區(qū)半徑Rt=174 cm，根據(jù)軟巖松動(dòng)圈分類表[4]，此松動(dòng)圈在150～200 cm 之間，屬于大松動(dòng)圈，為一般不穩(wěn)定圍巖即軟巖，根據(jù)松動(dòng)圈大小對(duì)應(yīng)支護(hù)方式為錨噴支護(hù)。

3 支護(hù)方式選擇及施工

3.1 夏家店金礦支護(hù)方案

針對(duì)進(jìn)路充填采礦方法，需要一種安全高效、成本低廉且施工方便、操作可行的支護(hù)方法。3 種常用支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。根據(jù)夏家店金礦礦體工程地質(zhì)特征及以往工程實(shí)例，選擇噴漿支護(hù)方案。

表2 不同支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)

噴射混凝土支護(hù)方式屬于主動(dòng)支護(hù)方式的一種，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可及時(shí)封閉圍巖以保證其完整性，混凝土與圍巖緊密黏結(jié)，共同形成承壓拱，及時(shí)給圍巖提供正向抵抗力，避免圍巖進(jìn)一步脫落。

3.2 新型噴射混凝土支護(hù)技術(shù)

經(jīng)夏家店金礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，回采進(jìn)路采用噴射混凝土支護(hù)方式取得了一定的效果，但是受爆破振動(dòng)及充填時(shí)水的混入引起圍巖塑性變形，噴射混凝土層出現(xiàn)裂縫，甚至局部掉塊，如圖1 所示。

圖1 混凝土噴漿裂縫及局部掉塊

為解決此問(wèn)題，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，將聚丙烯纖維添加在噴射混凝土中，能改善噴漿的物理力學(xué)性能[2]。聚丙烯工程纖維是以聚丙烯為基礎(chǔ)的合成纖維，具有耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、加工性好、蠕變收縮小、價(jià)格低等特點(diǎn)。根據(jù)付華[5]、李光偉等[6]的研究，發(fā)現(xiàn)加入適量的聚丙烯纖維的混凝土，抗壓強(qiáng)度提升10%～20%，抗沖擊性能可提高30%～40%，收縮率可降低7%～18%，防滲性可提高50%～70%[4?8]。

普通混凝土噴漿凝固過(guò)程中，由于混凝土的化學(xué)收縮性，在其內(nèi)部產(chǎn)生很多極細(xì)的微裂隙，而這些微裂隙在爆破振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中而擴(kuò)大成裂隙，同時(shí)還會(huì)存在一定的滲透性；充填水可誘發(fā)圍巖的塑性變形進(jìn)而造成進(jìn)路巷道進(jìn)一步失穩(wěn)破壞。在混凝土內(nèi)摻入混凝土專用聚丙烯纖維，攪拌后能在混凝土內(nèi)部均勻分布，當(dāng)噴漿體凝固收縮時(shí)，由于纖維在噴漿體內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的反向拉力而相互抵消部分能量，可有效減少噴漿體收縮時(shí)產(chǎn)生微小裂縫，提高噴漿體的抗裂和抗剪切能力，同時(shí)可提高噴射混凝土的抗?jié)B能力，以減少水的影響。采用新型混凝土噴漿支護(hù)后的巷道如圖2 所示。

圖2 添加聚丙烯纖維后噴漿效果

3.3 噴漿支護(hù)數(shù)值模擬

夏家店金礦的部分工程地質(zhì)資料如下：夏家店金礦Ⅱ號(hào)礦體巷道的開(kāi)挖直徑見(jiàn)表3，巖性為硅質(zhì)板巖和泥質(zhì)板巖，礦體巖石質(zhì)量為IV～V 級(jí)。開(kāi)挖后巷道初始地應(yīng)力見(jiàn)表3，巖體飽和抗壓強(qiáng)度為2.04 MPa，干抗壓強(qiáng)度為9.32 MPa，變形模量為0.63 GPa，泊松比為0.34，天然容重為2.37 kN/m3，巖體凝聚力c=0.28 MPa，內(nèi)摩擦角φ=30°。支護(hù)為新型混凝土噴漿支護(hù)，噴漿體的抗壓強(qiáng)度為35.00 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.27 MPa，與噴漿體的黏結(jié)強(qiáng)度為1.8 MPa；噴漿體與圍巖摩擦系數(shù)為1.2，彈性模量為30.0 MPa，泊松比為0.167，容重為23.5 kN/m3。

表3 夏家店金礦Ⅱ號(hào)礦進(jìn)路開(kāi)挖直徑和初始三維地應(yīng)力

擬用平面彈塑性有限元法分析軟巖巷道新型混凝土的支護(hù)效果。并計(jì)算假定回采進(jìn)路開(kāi)挖地應(yīng)力釋放70%后，初期支護(hù)和圍巖是否能承受剩余卸荷。需要注意的是此次只是設(shè)計(jì)采礦巷道的平面應(yīng)力應(yīng)變分析。

根據(jù)夏家店實(shí)際回采巷道斷面尺寸繪制回采巷道，如圖3 所示。之后在Phase2 中調(diào)用圖4 所示界面，通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)模擬對(duì)象ROCK01、ROCK02 等進(jìn)行部分屬性賦值。

圖3 夏家店金礦回采巷道斷面

圖4 基于Phase2 對(duì)軟巖巷道的巖石巖性賦值

待上述建模完成后，再定義其本構(gòu)模型并計(jì)算主應(yīng)力和剪應(yīng)力以期獲得更加接近真實(shí)情況的該選擇σx和σz，同樣的剪應(yīng)力也應(yīng)該選擇τzx。其中主應(yīng)力和剪應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 回采巷道主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從表4 可以清晰地得出，該回采巷道的主應(yīng)力σ1為25.13 MPa、主應(yīng)力σ3為8.37 MPa、夾角大小為?9.76°。之后將上述巖性參數(shù)輸入模型，即可對(duì)該回采巷道在開(kāi)挖過(guò)程中采用新型聚丙乙烯混凝土支護(hù)下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

對(duì)巷道采用新型聚丙烯混凝土支護(hù)方案的分析主要集中在支護(hù)后的巷道在水平方向和數(shù)值方向的變形情況、巷道塑性區(qū)的變化情況以及開(kāi)挖之后巷道的應(yīng)力應(yīng)變變化情況分析，從而整體判斷該支護(hù)方案的效果，如圖5 所示。從圖5 中可以看出，在使用新型混凝土噴漿支護(hù)之后巷道的西北和東南方向受到的壓力相比其他方向單一且較大，但均在允許的范圍之內(nèi)，為了后續(xù)作業(yè)的安全，在接下來(lái)的支護(hù)作業(yè)中應(yīng)該考慮在薄弱的地方適當(dāng)增加噴砼的厚度以保證生產(chǎn)作業(yè)正常進(jìn)行。

圖5 回采巷道應(yīng)力應(yīng)變空間分布

塑性區(qū)的形成和發(fā)展是導(dǎo)致巖石變形和破壞的主要原因之一，因此對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的分析和研究是探究巷道支護(hù)方案必須考慮的，夏家店金礦回采巷道開(kāi)挖塑性區(qū)分布如圖6 所示。從圖6 中可以看出，采用新型聚丙烯混凝土支護(hù)的巷道塑性區(qū)分布比較均勻，并未出現(xiàn)在某一方向上較大的塑性區(qū)，除此之外從圖7 和圖8 中可以看出，夏家店金礦回采巷道采用新型混凝土支護(hù)后在X?X和Y?Y方向的位移趨勢(shì)較小，再次說(shuō)明采用該種新型混凝土支護(hù)的效果優(yōu)于其他支護(hù)方式。綜上，這種采用新型聚丙烯混凝土的支護(hù)方案的優(yōu)越性比較明顯，可以在軟巖巷道支護(hù)中推廣使用。

圖6 回采巷道開(kāi)挖塑性區(qū)

圖7 回采巷道開(kāi)挖后水平變形

圖8 回采巷道開(kāi)挖后豎直變形

3.4 新型噴射聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用

為提高噴漿效果質(zhì)量，在混凝土噴漿料里加入適當(dāng)?shù)木郾├w維添加劑，可提高噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、抗沖擊性，減少收縮率，提高防水性，且能快速凝固，在夏家店金礦軟巖巷道支護(hù)成功應(yīng)用。

3.4.1 材料配比

混凝土噴漿材料有機(jī)制砂石、水、水泥、速凝劑、聚丙烯纖維、羥丙基甲基纖維素，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，確定材料為普通機(jī)制水洗砂石混合料，經(jīng)篩分其含量見(jiàn)表5。

表5 新型混凝土砂石比例

根據(jù)砂石含水率調(diào)節(jié)用水量，水用量為砂石用量的8%～9.6%；水泥約占砂石總量的25%；速凝劑占水泥用量的20%；聚丙烯纖維為工程用束狀單絲，長(zhǎng)度約20 mm，摻量為1.6 kg/m3；羥丙基甲基纖維素：規(guī)格CH?150000，摻量為1.5 kg/m3，噴射混凝土材料配比見(jiàn)表6。

表6 噴射混凝土各材料配比

3.4.2 施工工藝

采用型號(hào)PZ-5 的噴射混凝土設(shè)備，配高壓風(fēng)和高壓水。將所需物料按照上述比例進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁b入噴漿機(jī)料斗，采用高壓風(fēng)使混合料在軟管內(nèi)呈懸浮狀態(tài)，壓送到噴槍，在噴頭處加入高壓水混合，以較高速度噴射到巖面上。采用多次重復(fù)噴漿，使噴層厚度達(dá)6～8 cm。

4 結(jié)論

（1）在同等條件下，與原普通噴漿支護(hù)相比，加入聚丙烯纖維噴射混凝土在其凝固后，明顯比以前支護(hù)效果更好，更易黏結(jié)而且節(jié)省物料，同時(shí)受爆破振動(dòng)產(chǎn)生的裂縫和掉塊比之前減少50%～70%，充填水對(duì)周邊進(jìn)路影響減少了70%～90%。

（2）加入聚丙烯纖維的噴漿支護(hù)在軟巖進(jìn)路巷道施工周期內(nèi)，能保證進(jìn)路回采安全，解決冒頂片幫及充填滲水引起的圍巖塑性變形等問(wèn)題，為礦體回采連續(xù)安全生產(chǎn)提供了保障，在夏家店金礦充填進(jìn)路軟巖支護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。

（3）在噴射混凝土材料中添加聚丙烯纖維和羥丙基甲基纖維素，具有操作簡(jiǎn)單，易施工，支護(hù)成本低，支護(hù)效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于采場(chǎng)充填進(jìn)路支護(hù)選擇，但是該法不適用于軟巖巷道長(zhǎng)期支護(hù)的選擇，需要長(zhǎng)期支護(hù)時(shí)應(yīng)該選擇聯(lián)合支護(hù)方式。