软弱岩层地段井巷工程施工的探讨

    李洪林

    摘要：软弱岩层的自然特性及组成的主要成分是导致软岩井巷工程破坏的主要原因。给出了设计的注意事项和支护的原则，并指出的关键是防水和及时控制围岩的变形量。新奥法的指导思想应成为井巷工程在软弱岩层地段施工的精髓。

    关键词：软弱岩层井巷工程；破坏；支护；变形；新奥法

    翠宏山矿业有限公司是西林钢铁集团控股的大型才选联合企业，设计生产规模年采选原矿200万吨，采用主副井加辅助斜坡道联合开拓，中央对角式通风方式。矿区上有库尔滨河流过，该矿区的水文地质和工程地质都属于复杂型，翠宏山铁多金属矿在井巷掘砌施工过程中，经常遇到片帮、冒顶、涌水现象，曾一度影响了工期的顺利进行，其中北风井和入风井因井底涌泥和涌水量过大而被迫停工。目前，国内的采矿业形势很好，但压力也很大；一是技术人员奇缺，二是采矿施工难度空前加大。中煤集团、温建集团（基建井巷工程承包单位）虽然都拥有一流的矿山建设技术人员和能吃苦敢打硬仗的施工队伍，但下属项目部在施工过程中还是遇到这样或那样的困难，尤其是在软弱岩层中的井巷工程施工。本文是笔者在软弱岩层地段井巷工程的掘进与支护中总结的一些实践经验。

    1软弱岩层的自然特性

    软弱岩层的自然特性基本上可归纳为软弱、松散、膨胀、风化和高地应力等。影响其硬度的主要物质有：松软的砂质土壤、高岭土层；全部风化的页岩、褐煤、松软的锰矿、贝壳石灰岩、滑石片岩、火山凝灰岩，还有风化剧烈的橄榄岩、蛇纹岩、铝矾土、菱镁矿等。软弱岩层在工程施工过程表现的主要属性是：随着井巷工程的开挖，围岩应力开始发生变化，产生显著的塑性变形，由于其本身胶结程度较差，结构松散，组分又多含黏土质矿物，亲水性强，遇水泥化潮解，很容易产生体积膨胀，致使强度降低，具有较大的可塑性。软弱岩层的受力变形速率随应力增长的现象表现出明显的流变性；有的软弱岩层在物理、化学、工程力的作用下产生鳞片状崩解（类似岩爆现象），因此对外界环境影响较敏感，抗扰动能力极差。

    2软弱岩层井巷工程破坏的主要原因分析

    为了解决软弱岩层中的井巷工程施工难题，首先需要熟悉软弱岩层井巷工程破坏的主要原因，笔者认为原因有以下几个方面：

    蠕变变形。软弱岩层开挖具有明显的蠕变变形，而且时间效应极为明显突出。开挖初期表现为来压快，变形大。如果不及时加以控制，将会导致围岩松驰、裂缝，继而岩面出现片帮破坏，甚至出现整个巷道断面的破坏报废。即使此时及时采取了支护措施，但是支护方式不妥当，也会导致同样的结果。其支护方式必须适应其蠕变的特点，避免刚性支护，而尽量采用既有一定强度又允许在一定范围变形的柔性支护才是正确处理的方法，这样方可保证井巷工程在使用期的安全与稳定。

    井巷断面形状不合理。在井巷设计时必须充分考虑其工程地质资料，特别是大断面巷道如隧道施工。适用于软岩巷道的断面形状主要为拱形、半圆形、马蹄形、椭圆形。综观这些形状，其共同特点就在尽量要求巷道的断面轮廓线圆滑平整，在施工过程尽量避免有折线钝角出现，以免不能形成较好的封闭承载拱或承载弧，使局部产生应力集中、弯矩，在拉应力作用下失稳。

    非对称性高应力。在软弱岩层中拙进巷道，巷道的顶板和两帮将承受应力重新分布时产生的巨大顶压和侧压，致使拱墙冒落与片帮或者产生底臌。由于巷道的受力方向不均匀，具有明显的方向性，所以在具体施工过程中，这些因素往往成为导致局部破坏，甚至大面积冒落的主要原因。

    不重视水的处理。在井巷工程掘进过程中，不但有钻机穿孔的冷却用水，有时还难免有大量的裂隙水或地下水。前面笔者已经指出了软弱岩层的主要物质。不难看出软弱岩层一般亲水性都较强，遇水泥化、膨胀或崩解是很正常的，这样就会导致较为强烈的变形，特别是巷道底部受各种没有及时排出的积压水浸泡，往往会产生更大的底臌，导致大面积的井巷工程失稳破坏。

    3软弱岩层井巷工程掘进需要注意的几个问题

    根据软弱岩层井巷工程破坏的原因，正确的进行掘进需要注意以下一些问题。

    采取多打眼少装药，最好采用光面爆破，减少开挖时对围岩的扰动和过大方量的欠挖、超挖，使井巷轮廓尽可能的圆滑平整，对于大断面的井巷工程施工尽量采用一次性开挖的方法；

    要确保巷道地板的坡度，一般控制在3％－5％左右的坡度，尽量不使巷道地板积水，减少水对地板的浸泡；

    对于地下水较为丰富的地段，要采用长钎杆超前穿孔疏水，尽量保持掘进过程掌子面的干燥。

    软弱岩层井巷工程的支护在软弱岩层地段的施工中同样重要，从根本上解决了软弱岩层地段的掘进问题后，如何保证井巷工程的安全使用理所当然的就成了另一重要环节。软弱岩层支护的关键在于防水和控制围岩的变形。由于软弱岩层多由于粘土质组成，亲水性很强，遇水软化。当水进入软岩的孔、裂缝中，水与软岩大面积接触，水分子与这些亲水物质形成水合物，使其分子间的间隙增大，从而引起软弱岩层体积的膨胀而崩解，特别是软弱岩层内含较多的蒙脱石、伊利石等组分时，软弱岩层崩解速度加快，有时还会引起底臌，此时支护就显得尤为重要。

    支护按使用时间分为临时性支护和永久性支护，按力学性质分为刚性支护和柔性支护。一般临时性支护为柔性支护，对于软岩地段的支护施工，原则上要采取先柔后刚，柔刚结合；先临时后永久。临时支护一般是在井巷工程掘挖结束后进行的临时性保护措施，分木支护和喷砼支护两种，其目的是为了防止应力变化导致的变形无限制的扩大，是允许支护结束后有一定变形而支护物不受破坏的支护方法。永久性支护则是围岩变形相对稳定后进行的，有混凝土支护、喷砼支护、锚喷支护等。主要是要具有足够的强度来维持巷道的长时间使用。永久性支护（对于临时支护而言就是二次支护）与临时性支护之间的过渡时间的把握很重要，要根据实际情况和施工组织者的现场经验把握。无论采取何种支护方法，但必须把握的支护的原则应该是：

    要适应软岩变形量大的特点，要先柔后刚，刚柔结合。随着掘进面及时进行，根据围岩的软硬程度灵活掌握木支护、喷锚或喷锚网支护，要竭力避免支护结构上或者工艺上的薄弱环节，以免为成为隐患的突破口；

    采用围岩加固的办法，即根据围岩本身具有一定强度的特点，利用锚杆支护或者锚杆挂网喷砼支护等方法，对于这种方法应注意的是锚杆楔入的方向、锚杆的长度等；

    根据围岩变形量、压力、地质构造及扰动范围等情况，采取加固与支护并举的联合支护方式。

    4结语

    井巷工程在软岩地段的施工还存在一定的技术困难，仅靠一些先进的理论和机械是不能完全解决问题的，更需要我们将理论与实践经验有机地结合起来。在此，特别需要强调的是对软岩地段井巷工程的规格设计，必须留有150－250mm的预留变形量，从而保证支护完成后巷道实际可利用的净面积。新奥法指的是在软弱岩层中修建隧道时，开挖后立即喷射水泥混凝土作为临时支撑(必要时加锚杆)以稳定围岩，然后再进行衬砌的施工方法。纵观软岩地段井巷工程施工的工艺发展过程，新奥法作为新的指导思想已经被越来越多的人接受，如何运用和发展新奥法也必将成为摆在技术人员面前的新课题。

    参考文献

    [1]中国岩土锚固工程协会.岩土锚固新技术.北京：人民交通出版社，1998

    [2]高磊.矿山岩石力学.北京：机械工业出版社，1987

    [3]吴理云.井巷硐室工程.北京：冶金工业出版社，1985

    [4]黑龙江省第六地质勘察院.翠宏山铁多金属矿床Ⅰ号富磁铁矿体勘探报告.2008.10