（采矿工程专业论文）云锡塘子凹矿区花岗岩巷道变形失稳机理及处置对策研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 膨胀岩工程问题是当今工程地质学和岩石力学领域中最复杂的世界性研究课题之一。 长期以来，虽然国内外从事采矿、水电、隧道工程及岩石力学理论与实践的工作者们，在 膨胀岩膨胀理论及支护与控制方面进行了大量的研究，但迄今为止，尚没有公认的、比较 完善的理论与十分有效的手段来解决这一问题。 作者以云锡公司塘子凹矿区膨胀性花岗岩为研究对象进行系列研究。首先，通过现 场调查及相关资料分析来分析花岗岩巷道的变形破坏特征；其次是针对花岗岩巷道的变形 破坏特征，选择有代表性的花岗岩岩样进行室内实验，包括花岗岩的矿物组成检测、微观 结构分析、花岗岩的膨胀特性及湿化特性实验。然后，针对实验结果对塘子凹矿区花岗岩 巷道膨胀变形失稳机理进行分析最后，针对花岗岩巷道变形失稳机理，提出了相应的处 置措施。 本论文通过对云锡公司塘子凹矿区花岗岩巷道变形失稳机理及处置对镶的分析研究 可知：塘子凹矿区软弱花岗岩属于极易风化的中偏强膨胀性软岩；花岗岩巷道的变形破坏 主要是，花岗岩遇水风化，吸水膨胀变形，导致岩体强度降低加之工程扰动影响的一个综 合过程；注浆堵水、光面爆破控制技术以及喷锚网支护联合处置措施适用于膨胀性花岗岩 巷道的掘进。 关键词：膨胀性花岗岩，失稳机理，注浆，光面爆破，喷锚网支护 l n 堂堡堕塑登鲤l 一 塑塞 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo f s w e l l i n gr o c ki st h em o s tc o m p l e xs u b j e c ti nt h ef i e l do f t o d a y se n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dr o c km e c h a n i c s f o ral o n g t i m e ，m a n yp e o p l e w o r k i n g i nm i n i n g ，h y d r o e l e c t r i c p o w e r ，t u n n e l i n ga n dr o c km e c h a n i c sd i dl o t so f 8 e a r t ho ns w e l l i n gt h e o r ya n ds u p p o r to f s w e l l i n gr o c k ，b u tt i l lt o d a y t h e r e a r e n t p e r f e c tt h e o r ya n de f f e c tm e t h o dt os o l v et h e p r o b l e m 。 t h ea u t h o rh a v ed o n eas e r i e so f r e s e a r c h0 1 1 s w e l l i n gg r a n i t ef r o mt a n g z i a o m l n i n g a r e ao f y u n n a n t i n c o , l t d a tf i r s t ，a n a l y z i n gd e f o r m a t i o nc h 矗m c t 喇s t i c s o f w o r k i n gm a d eu po f g r a n i t e ；s e c o n d ，c h o o s i n gr e p r e s e n t a t i v es a m p l e st od o i i l - h o u s ee x p e r i m e n t s ，w h i c hi n c l u d e c o m p o n e n td e t e c t i o n ，s t r u c t u r a la n a l y s i s 3 w e l l i n ga n dw e tc h a r a 脱e r i s t i e so ft h e s a m p l e s ；t h e na n a l y z i n g i n s t a b i l i t y m e c h a n i s mo f g r a n i t ew o r k i n g sb a s e do nt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s ；a t l a s t ， p u t t i n gf o r w a r dm e a s u r e st os o l v et h e p r o b l e m a c c o r d i n g t ot h e r e s e a r c ho nm e c h a n i s mo f f a i l u r eb yd e f o r m a t i o na n da n a l v z e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s ，a u t h o rg e t st h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s g 龇i t eo f t a n g z i a om i n i n ga r e a b e l o n g s t oe a s y w e a t h e r i n ga n dm e d i u ms o f ts w e l l i n gr o c k ； w e a t h e r i n g a n d s w e l l i n gm e e t i n g w i t hw a t e r t o g e t h e r w i t hd i s t u r bw h e n e x c a v a t i n gr e s u l ti nt h er e d u c eo f s t r e n g t h ，w h i c hl e a dt of a i l u r eb yd e f o r m a t i o no f w o r k i n g s ；g r o u t i n gt os t o pw a t e r ，s m o o t hw a l l b l a s t i n ga n ds h o t c r e t ea n db o i t s u p p o r tt o g e t h e rc a i lb e u s e dt os o l v et h e p r o b l e m k e y w o r d s ：s w e l l i n gg r a n i t e ，i n s t a b i l i t ym e c h a n i s m ，g r o u t i n g ，s m o o t hw a l l b l a s t i n g ，s h o t c t e t ea n db o l ts u p p o r t 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我个 人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本 声名的法律结果由本人承担， 学位论文作者签名：荞考家 日期：7 嘶年月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印或其他手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 日期t 口。孚年月1日 昆鼹理工大学硕士学位论文鳍论 1 。1 选题背景 第一章绪论 膨胀岩是指含较多的蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土质矿物成份，亲水 并会产生显著变形的岩体，属于软岩的一种。膨胀岩工程问题是当今工程 地质学和岩石力学领域中最复杂的世界性研究课题之“3 。长期以来，虽然 国内外从事采矿、水电、隧道工程及岩石力学理论与实践的工作者们，在膨 胀岩膨胀理论及支护与控制方面进行了大量的研究，但迄今为止，尚没有公 认的、比较完善的理论与十分有效的手段来解决这一问题“。膨胀岩工程 问题在采矿行业表现的更为突出，据统计仅在煤矿行业，一个年生产能力为 1 2 0 万吨矿井，矿井巷道因膨胀而产生的维护费用高达一亿元以上“1 。在金 属矿藏开采当中同样遇到应膨胀岩而引起矿井巷道难支护、费用高甚至巷道 运输被中段现象，例如：江西铜业公司下属的东乡铜矿、江西赣州凤凰山铜 矿、金川公司有些矿山的主运输巷道等均出现了因膨胀岩而引起的工程问题 ”。另外在云锡公司采选分公司塘子凹矿区( 本论文主要研究对象) 、卡房、 老厂等也遇到了膨胀岩工程问题，矿区中巷道在开挖后，巷道发生了大的变 形现象，有的地段是在巷道建成后经过几年巷道产生大的变形，然而有些地地 段在巷道开挖后立即产生大的变形，由于巷道发生的变形大，使得巷道维护非 常困难，通过现场调查，有些巷道即使临时支护暂时可以维护巷道的稳定， 然而时间一长，特别是经过雨季，巷道浸水后，巷道交形加剧，巷道失稳以 致产生各种破坏现象，如两帮隆起、底板鼓起、顶板悬垂甚至脱落等现象， 从而导致整个巷道断面的变形和对原有支护的破坏，严重阻碍了矿山的正常 生产。目前有些巷道变形过大造成该巷道无法使用，矿上不得不开凿新的巷 道来维护正常的生产，导致生产成本增加了，且一直以来，普遍认为造成花 岗岩巷道产生大变形的原因是花岗岩岩体松散。在地压的作用下引起的。针 对当前膨胀岩变形及控制的研究现状以及云锡矿山所遇到的花岗岩发生大变 形导致不少工程下马等现状。在导师的指导下，通过对该问题进行了详细的 调查和分析研究，提出了本论文所要研究的课题。 1 2 本课题研究现状 l 昆明理工大学硕士学位论文绪论 膨胀岩问题是一个非常复杂难以解决的课题，国内外众多从事岩土工程 的科技工作者对此作了大量的理论与实践研究，取得了许多成果。 1 2 1 膨胀岩膨胀机理方面 各国学者经过几十年的研究和探索，认为工程中岩体发生膨胀变形的主 要原因是岩石中含有膨胀性粘土矿物，其膨胀机理有两种：一种是粘土矿物 遇水发生化学变化引起岩石膨胀，如硬石膏( c a s o 。) ，无水芒硝( n a 。s o 。) 和 钙芒硝n a 。s o 。c a s 0 。) 等，它们因吸水变相和结晶而引起体积的增大。例如 硬石膏吸水”： c a s 0a + 2 h 2 0 一 c a s 0 n 2 h z 0 ( 4 6 a n3 ) ( 3 6 m3 ) ( 7 4 c m3 ) 另一种是含有强亲水粘土矿物的粘土类岩。强亲水矿物主要有蒙脱石、高岭 石和伊利石等，尤以蒙脱石最为显著。这几类矿物由于其晶体结构特殊，能 将水分子吸附在晶层表面和晶层内。未侵水粘土矿物的晶层间距为2 9 a ，侵水 后则变为3 3 a ，引起体积增大近1 4 。 1 2 2 膨j j 长岩矿物的检测技术 随着测试仪器研究的开发和分析技术的提高，膨胀岩中膨胀性矿物的测 定以及组成结构的研究都得到了较大的发展。早在2 0 世纪5 0 年代“”，就 开始了膨胀岩膨胀性的研究，1 9 5 0 年，n o r r is h 发表了膨胀岩中蒙脱石矿物膨 胀性的研究成果，日本学者须藤俊男也作了相类似的实验。近年来我国大型 水利工程研究中非常注意粘土矿物成分的研究，主要运用x 射线衍射法、差 热分析法、染料吸附法，化学分析法、电子显微镜鉴定法。例如在我国的南 水北调中线工程膨胀岩的矿物成分通过x 射线衍射法、差热分析法和电子显 微镜鉴定，通过以上三种方法的鉴定出膨胀岩中的所含成分和各种矿物中的 所占的比例及其组合形式，三种方法相结合的效果很好。目前差热分析。x 光衍射分析，红外线吸收光谱分析，电子光学方法等先进分析手段己经用于 各种膨胀性粘土矿物定性及定量分析，为膨胀岩中微观结构研究提供了基础。 1 2 3 膨胀岩室内实验 实验室试验( 确定膨胀参数、导出膨胀本构) 是膨胀性围岩中进行结构设 计和分析的基础。1 9 5 4 年h o l t z 和g i b b s “胡首先研究了膨胀粘土的工程性质， 他们做了一系列膨胀岩实验研究，如自由膨胀实验和有侧向约束条件下的膨 2 昆明理工大学硕士学位论文 绪论 胀实验。1 9 7 0 年，h u d e r - a m b e r g “副采用常规固结仪对泥灰岩进行了单轴膨胀 应变实验，得到了轴向膨胀应变与轴向膨胀压力的对数呈线性关系。 h u d e r a m b e r g 的这一实验得到了世界范围的公认，近2 0 年来，人们一直沿用 这一实验方法和结果。针对影响膨胀特性的参数“钔“，包括初始含水量、孔 隙率、干密度、胶结情况等，实验主要可归为以下三类： ( 1 ) 膨胀压力实验：目的在于测量试件浸入水中时，侧向约束条件下，保持 试件高度不变的最大轴向压力； ( 2 ) 膨胀应变实验：测量岩石试件浸入水中时非约束最大自由轴向膨胀应变； ( 3 ) 膨胀应力与轴向应变的关系。 1 9 7 0 年，k o m o t n i k 和e e i t l e f l “”将固结仪的环刀改用0 0 3 c m 不锈钢片制 成的柔性环刀。在外侧缠绕3 根应变电阻丝，测出了径向膨胀应变。1 9 8 4 年， f r a n k l i n 1 在膨胀仪的柔性环刀外侧贴电阻片，测出了径向膨胀应变和应 力。1 9 8 5 年，我国学者孙钧和李成江“刚也做了这类试验，取得了较好的试验 结果。1 9 9 0 年，d a y is o n n 们在常规膨胀仪实验的基础上，发展了连续荷载膨 胀试验方法，使所测得的膨胀和固结参数更为准确，并描述了单向和双向等 压条件下，同时测量三个正交方向上应变的新方法，得出在一主方向上施加 压力，不仅限制该方向的膨胀，而且也限制了垂直该方向上膨胀应变的结论。 1 9 9 3 年，杨庆、吴顺川等在改装的土三轴剪切仪上进行了三轴膨胀试验研究， 综合考虑了吸水量及应力对膨胀的影响，测定了膨胀岩膨胀应变与三轴应力、 吸水量等之间的关系“m 1 。 为了系统地处理膨胀岩问题，于1 9 8 0 年成立了i s r m 膨胀岩委员会，并在 1 9 8 9 年颁布了“膨胀岩室内试验i s r m 建议方法草案”，对测量最大轴向膨胀应 变、轴向和径向自由膨胀应变。以及测量轴向膨胀应力与轴向膨胀应变关系 的方法做了阐述，力图使之规范化，并提出应该继续开展实验室实验研究， 特别是三维实验研究的观点“”。 1 2 4 软岩巷道变形的支护理论方面 膨胀岩体是软岩的一种，目前国内外对软岩巷道开挖、支护进行了大量 的研究，总结出许多支护理论和方法，先结合软岩巷道的支护理论对膨胀岩 的开挖、支护进行系统阐述。 ( 1 ) 新奥法沁2 3 新奥法的主要创始人是利奥皮德米勒、拉布希维兹及帕赫3 位教授。1 9 8 0 昆明理工大学硕士学位论文绪论 年奥地利土木工程学会地下空间学会将其定义为“在岩体或土体中设置的使 地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计旌工方法”。 这个定义扼要的揭示了新奥法的核心问题一调动围岩的承载能力，促使围岩 本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚 固的支承环。施工时，应该遵循下列原则： ( a ) 应该考虑充分利用岩体自身的力学特性： ( b ) 应在适宜时机构筑适宜的支护结构，避免围岩中出现不利应力应变状态： ( c ) 为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支撑环，须构筑一个闭合结构； ( d ) 由现场变形量观测，监测围岩的稳定动态，并根据允许的变形量，选择最 适宜的支护结构和支护参数。 ( 2 ) 松动圈理论m 川州3 在原岩中开挖巷道，破坏了围岩的三向应力状态，从而使应力重新分布 ( 径向应力减小，周边径向应力为零，切向应力增大，产生了应力集中) ，直 至达到另一新的三向应力平衡状态。围岩受力状态的改变，使岩石强度下降： 当集中的应力值大于围岩强度时，岩石将会破裂，从周边向深处扩展，形成 一破裂区。由应力作用而产生的破裂区称为围岩松动圈。松动圈理论是中国 矿业大学董方庭教授领导的课题组在经过实验和现场实测的基础上提出的支 护理论，在通过分析十几个矿区的实测资料，发现巷道围岩普遍存在着一个 由于开挖巷道后应力重新分布所产生的松动圈一围岩松动圈，并在实验室模 拟条件下，得出了相似的结论。认为凡是不需要支护的裸体巷道，其围岩的 松动圈都接近于零。此时巷道围岩的弹塑性虽然存在，但是并不需要支护， 松动圈越大，收敛交形越大，巷道就越难支护因此，松动圈理论认为，支 护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中所产生的有害变形。松动圈的存在 是巷道围岩的固有特性，它的范围大小可以用声波仪和位移计进行测定，稳 定后的围岩松动圈厚度是围岩应力和围岩强度的复杂函数，它是一个综合指 标，反映了支护的难易程度。用松动圈厚度判定软岩工程有两个突出的特点， 松动圈厚度可以现场实测，容易取得而且可靠性高，全面反映了原岩应力， 包括采动应力，岩体性质，包括强度，裂缝，软弱夹层等，以及施工和水的 影响，在工程中不需要对这些指标进行观测和量化，现场应用方便。松动圈 支护理论的主要内容有以下几点 ( 8 ) 当围岩应力超过围岩强度时，围岩将产生弧形破裂带，称为围岩松动圈， 其形状有圆形，椭圆形和异形三种。 4 昆明理工大学硕士学位论文绪论 ( b ) 围岩松动圈的形成有时间性，如果发生片帮冒顶或鼓底，它将以新的裸露 面为零开始发展。在此基础上，董方庭教授将围岩分成六类，见表5 - 3 所示 ( 3 ) 组合支承拱理论“6 “2 7 “2 副 这一理论是锚杆支护的基础，其实质是认识到岩石破碎后必然存在残余 强度这一事实，充分认识到围岩是一种天然的承载结构，使巷道支护与围岩 共同作用形成能承载的支承拱，如对于层状岩体则形成组合梁。这一理论在 锚杆支护中得到了充分体现，该理论认为在巷道开挖后，要想办法使其形成 支承环，对于软岩岩或者破裂巷道比较容易形成，而对于较坚硬的岩体中开 挖巷道则需要采取定的措施，如：切缝和排孔等，其目的使围岩弱化，使其 在局部出现应变的集中，应力的峰值向围岩深部转移，保护了卸载环，围岩 强度和完整性，从而形成岩石的支撑环。组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的 破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果 沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥 体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱( 亦称组合拱 或压缩拱) ，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱 内的岩石径向及切向均受压。处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支 撑能力也相应加大。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较 高的强度。其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。组合拱理 论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用原理，在岩石或煤层拱形巷道中可以 作为锚杆支护参数的设计依据。 ( 4 ) 二次支护理论哑刚” 二次支护理论是在软岩巷道支护的实践中形成的，它的实质仍然同组合 支承拱理论。软弱围岩的变形曲线有急增段，缓增段和平稳段三个明显的阶 段，因此急增段仅薄喷混凝土，保持围岩的完整性，缓增段进行一次支护， 到稳定段再进行二次支护，包括封底，使支护措旋完全与围岩变形相匹配， 有效的方式是薄喷一初喷一菱形网一锚杆一二次喷或者锚喷网架，锚喷网 砌等联合支护。二次支护理论的目的就是使其加固，而形成加固承载环，该 理论的关键就是要根据围岩变形测量的结果，确定二次支护的时间、方法和 支护刚度，以达到最佳的支护效果。在新奥法中也存在二次支护，它是指岩 石锚杆和金属网做一次支护形成支承环，中间有隔层，然后二次支护用混凝 土，喷浆等形成隧道的壁管，以闭合反转形成岩体的承载环，而膨胀岩的二 次支护与之不同，它充分认识到一次支护是二次支护的组成部分，它通过多 昆明理工大学硕士学位论文 绪论 次喷射形成一个整体。 ( 5 ) 其它支护理论”6 “3 除了上面提到的各种支护理论，还有以下的一些措施可供考虑。合理选 择层位，在巷道开挖前尽量选择围岩自稳性能好，围岩应力小以及外载荷影 响少的静压巷道：及时疏排水，水对围岩的稳定影响极大，事先采用钻孔疏排 和下水平的疏排水措施，可以避免施工中的麻烦，对下山掘进尤为重要：围岩 表面喷层，用水泥净浆封闭围岩，提高其表面强度，减少围岩的环境效应， 能够尽快使围岩由二维状态改为三维状态，能够大幅度提高围岩的自承能力： 利用全长锚固的各种锚杆，提高围岩周边的c ，中值，形成承载的加固圈：改 变围岩的应力分布，如采用爆破等方法，可使围岩的径向应力变为环向应力， 为减少支护体的承载创造有利的条件：预留巷道的变形空间，为围岩加固创造 有利的条件等等。 1 2 5 喷锚支护研究现状m m 3 m 州 按照现代岩石力学观点，岩石工程支护可分为两大类，即岩石支护和岩 石加固技术。岩石支护是以人工结构物承受围岩变形压力、岩体不连续面切 割的岩块或破碎带岩石自重载荷的岩层控制方法。它可以采用支撑方式，也 可以采用吊挂方式、例如常见的混凝土衬砌等，以及无预应力的锚杆等，由 于支护系统要等到岩石变形至支护构件与岩石接触后才起作用，所以也称为 被动支护。岩石加同是通过人工手段调动和利用岩石支撑的岩层控制方法。 最常用的办法是安装预应力锚秆和锚索，由于在安装的同时对岩体施加了作 用力，又称为这种加固方式为主动支护。喷锚支护技术是2 0 世纪5 0 年代发展 起来的一项先进的支护技术，它是“新奥地利隧道施工法”中的核心技术， 在力学上可等价于对巷道围岩施加一定量的径向约束力。自1 8 7 2 年英国北威 尔士露天页岩矿首次应用锚秆加固边坡和1 9 1 2 年谢列兹矿最先采用锚杆支护 井下巷道以来，锚杆及喷锚支护技术已经在岩士工程中广泛使用。喷锚支护 技术是一种简单的柔性支护，具有成本较低、运输施工简单、控制围岩变形 效果较好等特点。近3 0 年来，随着新技术的发展和新材料、新机具的研制成 功，喷锚支护技术已在世界各国得到了大力推广，根据统计，已有5 0 多个国 家推广使用这种技术。喷锚支护在技术和材料上出现了如下的发展： 1 湿式喷射混凝土机的研制，将极大地改善施工作业环境和提高劳动生产 率，降低回弹率。 2 钢纤维喷射混凝土的研制与应用。在混凝土中掺入一定量的钢纤维，以 昆明理t 大学硕士学位论文 绪论 改善混凝土的力学性能。钢纤维加入混凝土后，对混凝土起着约束作用，抑 制并延缓了裂缝的出现和开展，减少了裂缝尖端的应力集中，因而强化了混 凝土的性能： 3 新型锚秆的不断涌现。8 0 年代，我国冶金、煤炭及铁道等部门，对锚杆 技术的研究取得了可喜的成果，近年的新型锚杆主要有自钻式锚杆、高强度 锚杆等，特别是预应力锚杆技术的应用，极大地发展了锚杆技术的实践和应 用； 4 新型施工机具的出现。随着喷锚_ 支护技术的不断发展，各种类型的施工 机具也相继问世，如各种不同结构形式的混凝上喷射枫、喷射混凝土机械手、 锚杆机、钢纤维括料机及其加工设备。 毋庸置疑，喷锚支护技术在巷道支护中将以其独特的效应、简便的工艺 和经济的造价而显示出重要的作用。为进一步满足巷道支护的需要，应着重 开展以下几个方面的工作： 开展永久性喷锚支护锚杆本身的可靠性和稳定性研究，实质是锚杆的力 学稳定性和化学稳定性。力学稳定性主要研究预应力锚杆的应力损失规律， 并提出控制措施；化学稳定性主要研究锚杆的腐蚀性和防腐措施。 1 2 6 注浆技术研究现状m l m m 。9 1 注浆技术是一项实用性很强、应用范围很广的工程技术，它是用液压、 气压或电化学的方法，把某些能很好地与岩土体固结的浆液注入到岩土体的 孔隙、裂隙中去，使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体， 从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。注浆技术的发展已有百年历史。 法国人开辟了注浆施工的先河；英国于1 8 6 4 年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥 注浆对井筒进行注浆堵水，成功地解决了井筒漏水问题，发明了硅酸盐水泥， 从此水泥开始成为注浆的主要材料；此后又有化学注浆、水玻璃注浆材料和 双液荜系统注浆法和水玻璃氯化钙注浆法的出现。特别是到了2 0 世纪4 0 年代， 注浆技术的研究和应用进入了一个鼎盛时期，各种水泥浆材、化学浆材相继 问世，注浆技术的应用范围及规模也越来越大。我国注浆技术的研究和应用 较晚，2 0 世纪5 0 年代初才开始起步，但经半个世纪的发展，我国已在注浆技 术方面取得了较大进展，特别是在水泥注浆材料的研制方面已处于世界先进 行列，注浆应用的领域也逐渐扩大，已遍及矿业、水利、建筑和铁路等多个 领域。 近几十年来，国内外学者对渗透注浆按进行了广泛而深入的研究，发展 昆明理工大学硕士学位论文绪论 了一系列注浆渗透理论，如马格理论( 球形扩散理论) 、球形扩散理论、卡罗 尔理论、刘嘉才的单平板裂隙注浆渗透模型、b a k e r 公式、g l o m b a d 公式等。 1 3 本论文研究的主要内容 经调查分析，塘子凹矿区花岗岩巷道围岩变形属典型的膨胀岩巷道变 形，为进一步揭示膨胀岩巷道的变形特性，解决巷道掘进面临的掘进难、维 护难这一实质性问题。本论文主要进行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 花岗岩膨胀变形的实验研究 研究内容主要包括； 1 )花岗岩的矿物组成微观结构研究； 2 )花岗岩膨胀特性室内实验研究； ( 2 ) 花岗岩巷道变形失稳机理及控制方法研 本部分内容主要是结合已有的研究成果对花岗岩巷道的变形破坏机理进 行研究并提出相应的变形控制方法。 ( 3 ) 处置对策技术研究 结合现场试验，研究具体解决膨胀性花岗岩的主要措施。 昆明理工大学硕士学位论文塘于凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 第二章塘子凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 2 1 概述 云南个旧锡矿是世界上已知的大型锡矿之一，有悠久的开采历史，包括 老厂、马拉格、松树脚、卡房等几大矿田，塘子凹矿段位于老厂矿田的西北 部，是老厂矿田的一部分，矿段面积约4 7 平方公里。从1 9 8 5 年开始开拓 1 9 5 0 中段已来，已有十几年的开采历史。矿体主要赋存在中三叠系碳酸盐岩 与花岗岩的接触带内，根据黑云母k - a r 同位素年龄测定花岗岩年龄为6 4 8 0 百万年，及花岗岩侵入层位的分析，花岗岩属燕山旋回晚期的产物。塘子凹 矿床属岩浆期后热液中温矿床，花岗岩为主要的锡石多金属的成矿母岩，花 岗岩的空间形态严格控制了矿体的赋存状态，目前开采的大型矿体3 2 # 、 3 2 3 # 、3 3 # 、3 3 1 抖及3 1 1 # 矿体均位于花岗岩的凹槽和凹兜中。 2 。2 塘子凹矿段花岗岩分布特征 塘子凹花岗岩等深线图 2 - 1 塘子凹花岗岩等深线圈 9 昆明理工大学硕士学位论文塘子凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 塘子凹矿段花岗岩属壳源重熔型花岗岩，是老卡岩体的北端。花岗岩沿 五子山复背斜核部侵入于中三叠系碳酸盐岩中，空间形态南高北低，隐伏在 地表以下4 0 0 一1 0 0 0 米，岩体表面凹凸不平，相对高差1 0 0 多米，主要分布塘 子凹突起、兰蛇洞突起、菊花山突起、拱王山突起、背阴山突起、1 0 2 l 突起、 0 5 突起、4 0 3 3 突起等，突起相间部位为凹槽、凹兜及盆槽等。花岗岩突起受 构造及地层的影响，空间形态复杂，常见有超覆形成岩舌和洼陷，见图2 一l 塘子凹花岗岩等深线图。 2 3 工程破坏特征 2 3 1 花岗岩巷道变形特征心引h 叫 为了了解花岗岩巷道变形特征，对1 7 2 5 中段花岗岩巷道围岩，在开挖过 程中进行了为期半个月的变形监测，监测结果见图2 2 2 4 。 2 4 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0 1 名1 4 0 3 1 2 0 鬻1 嚣 6 0 4 0 2 0 0 图2 - 21 号测点巷道变形收敛曲线 0 圈2 - 32 号测点巷道变形收敛曲线 1 0 l耄蛳雠伽懈伽伽柏加o l v 嘲蕴e 揪 昆明理工大学硕士学位论文塘子凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 营1 0 0 二8 0 霰6 0 4 0 2 0 0 围2 43 号测点巷道变形收敛曲线 从上述观测图形来看，花岗岩巷道围岩变形有以下特点： ( 1 ) 巷道围岩初期变形速度快、且变化率大； ( 2 ) 巷道围岩发生变形在顶板、两帮均表现不一； ( 3 ) 与其它地下工程不同，变形曲线收敛的趋势不明显； 2 3 2 花岗岩巷道破坏特征 本人对塘子凹矿区某些巷道的破坏进行了现场调查，根据现场调查结果 发现。在花岗岩中掘进、支护巷道非常困难。巷道破坏特点是：两帮鼓胀挤出， 顶沉底鼓，巷道全断面收缩。巷道喷层开裂首先出现在两帮，随着两帮变形 的加大，喷层后的围岩被挤压破裂成岩块并沿着喷网层的裂缝流出，支护 层后形成空腔。具体破坏特征如下l ( 1 ) 变形破坏的宏观显现。一般开始墙脚和两帮，初始表现为喷层开裂，孔 缩，筋网鼓裂等。继而因岩体性质有所变化，围岩有的成细块，从喷锚断裂 处或墙脚处流出，可以使不少范围的喷锚层以空壳形式存在而失效，有的剪 切破裂成较大块和喷两一起外移。 ( 2 ) 通常顶板随两帮收敛而下沉，继而随两帮片帮破坏而冒落。有时，因两帮 岩石相对稳定，顶板可先期破坏、冒落。并自拱基处产生错动裂缝开始。 ( 3 ) 巷道喷层开裂首先出现在两帮，随着两帮变形的加大，喷网层后的围岩被 挤压破裂成仅仅几毫米的岩块，并沿着喷网层的裂隙流出，支护层后形成空 腔，或是锚喷网与两帮围岩一起发生整体移动。支护失效时，两帮的收敛位 移量最大可达9 0 0 m m 以上，巷道顶部破坏首先在拱基处出现错动裂缝，钢筋 弯曲变形，随着下沉量的增加，顶板喷锚层呈现网兜状下沉，一旦锚杆与网 昆明理工大学硕士学位论文 塘子凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 筋脱离或受到冲击震动，顶板则发生垮冒。在顶板发生下沉的同时，底板也 发生明显膨胀，全断面收缩主要是巷道四周围岩均发生较大的变形，整个断 面均匀收缩，收缩率可达到6 0 以上。照片1 6 是在现场拍摄到的花岗岩巷 道的破坏情况。 照片1 照片2 1 2 昆明理工大学硕士学位论文塘子凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 照片3 照片4 1 3 昆明理工大学硕士学位论文塘子凹矿区花岗岩地质特征及工程破坏特征 照片5 照片6 1 4 昆明理工大学硕士学位论文云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 第三章云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 3 1 概述 大量的现场资料表明：造成花岗岩巷道变形失稳的最主要的原因是构成 巷道围岩的花岗岩属于膨胀性花岗岩。为了论证塘子凹矿区的膨胀性花岗岩 是否属于膨胀岩，从而揭示出花岗岩巷道的变形失稳的机理，本章主要进行 了以下几个方面的研究工作：判断工程岩体是否属于膨胀岩，必须对组成 该岩石的矿物进行检测，通过检测分析是否含有膨胀性粘土矿物。膨胀岩中 的粘土矿物是引起膨胀岩遇水产生膨胀变形的内在因素，起着决定性作用。 鉴于此，本论文首先通过现代测试技术对花岗岩的矿物组成进行分析研究； 利用偏光显微镜对花岗岩的微观结构进行分析研究；通过室内实验对花岗 岩的膨胀、湿化特性键e 行实验研究，探讨花岗岩的吸水膨胀规律； 3 2 花岗岩矿物组成及微观结构研究 花岗岩中的粘土矿物是决定其发生膨胀变形的内在因素，也是判断岩体 是否属于膨胀岩的重要指标之一。目前，矿物检测分析方法比较多，有x 射线 衍射分析法、差热分析法、离子交换法等”“。迄今为止x 射线分析方法是定 性及定量确定粘土矿物的最有效、最简便方法之一。所以，本人综合考虑各 方面因素，采用x 射线衍射法并辅以偏光镜技术，对花岗岩中的粘土矿物组成 及微观结构进行分析研究。 3 ，2 1 花岗岩矿物x 射线检测及实验结果分析 为了详细了解膨胀性花岗岩中的粘土矿物含量特点，经现场调查分析， 分别在1 9 2 5 中段北4 ) f j 、1 9 0 0 中段北东沿主巷、1 9 0 0 中段3 支1 川、1 8 5 0 中段西 巷6 支南沿、1 8 0 0 中段北巷和l7 2 5 中段共六个不同地段取样委托给云南地质勘 察局实验中心进行x 射线衍射分析鉴定。通过x 衍射鉴定分析发现，花岗岩中 含有膨胀性粘土矿物，其具体含量见表3 1 ，且从表中可以看出，不同地段， 花岗岩中膨胀性粘土矿物的含量不一。 昆明理工大学硕士学位论文云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 表3 - 1 花岗岩中膨胀性粘土矿物检测结果 蒙脱石高岭石绿泥石累脱石 总的膨胀性粘土 取样地点 ( )( )( 筠)( )矿物含量( ) 1 9 2 5 中段北4 i i l3 2 71 3 2 71 2 2 0 3 8 1 9 0 0 中段北东沿主巷 l5 2 55 1 28 1 4 2 8 1 9 0 0 中段3 支1j i i 1 8 2 65 1 2 6 1 0) 2 9 1 8 5 0 中段西巷6 支南沿 2 0 3 01 2 2 45 1 25 】2 4 2 1 8 0 0 中段北巷 1 0 1 75 1 25 一1 21 0 1 7 3 0 17 2 5 中段东沿5 1 28 2 25 1 25 1 2 2 3 篇e 吧 巾r 岍山f 由讲曼= 型2 三婴竺e 曼曼晶石础母而船器吊吊帛鬲帛霸而嗡幕不吊吊早手掣尹手尹5 f 芋笋字 屡3 - 1 花岗岩的x 射线衍射光谱图 3 2 2 花岗岩的微观结构实验分析2 ”“1 岩石的微观结构是一种地质历史产物，残留着各种地质作用的痕迹，因 而它具有非常复杂的结构特征。在长期的工程实践中人们发现岩体的宏观工 程特性很大程度上受到微细结构的系统状态或整体行为的控制，复杂的物理 力学特性是其微细结构特性的集中体现，任何一种基于适度均匀化处理的连 续介质模式都很难准确地表述其结构的复杂性，难以逾越岩体微细结构的多 样性和不确定性这一巨大的障碍。岩石损伤力学特性研究是当前岩石力学领 域中广泛关注的前沿课题之一，许多学者开始重视岩石力学的细观结构，一 致认为岩石的细观结构对其性质具有重要的影响。因此，在研究花岗岩中粘 土矿物的同时必须对其微细结构进行分析研究，通过对花岗岩的微细结构研 昆明理工大学硕士学位论文云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 究不但可以知道当前膨胀性花岗岩的微观结构，有条件的情况下还可以分析 地质历史对它的影响。 通过偏光镜，可以直观地看出膨胀性花岗岩微观组织结构( 见照片7 - 9 ) 。 实验选择具有膨胀性的花岗岩岩样，放大4 0 倍进行观察。观察发现，矿物的粒 度在0 8 2 m m 左右，在地质环境的作用下，花岗岩的结构发生了很大变化， 约有l 3 的矿物发生碎裂，构成碎裂结构，局部可见碎斑，从照片中还可看出 硬度非常高的石英也由于地应力作用结构被破坏，且部分造岩矿物，如长石 等已蚀变成粘土矿物。 照片7 照片8 昆明理工大学硕士学位论文云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 照片9 3 3 花岗岩的膨胀特性实验研究4 5 6 1 4 7 1 3 3 1 自由膨胀率的测定 为了判明矿区花岗岩在水作用下的性态，首先对其进行了自由膨胀率的 试验。自由膨胀率的物理意义是：经过人工制各的烘干的岩土颗粒在水中增加 的体积与原来体积之比的百分数。它表征了岩土颗粒在周围无其他约束条件 下的吸水膨胀性能。为判别是否是膨胀性岩土提供了试验数据。 3 3 1 1 试验采用的仪器及规接 本试验所需的主要仪器：1 ) 烘箱( 电热鼓风0 箱) ：最高温度为3 0 0 ， 控制器敏感度土l ：2 ) 玻璃量筒：容量为1 0 0 毫升，最小刻度为1 毫升( 量 筒容积和刻度必须标定) l3 ) 玻璃量杯：容积为1 0 毫升，最小刻度为1 毫升。 其它仪器：玻璃棒、烧杯、天平( 感量0 0 l 克) 、漏斗( 上口直径7 0 毫米， 下口直径5 毫米) 等。 3 3 1 2 取样及试件的制备 经现场调查分析，在巷道开挖后。巷道发生大变形的地段取具有代表性 的花岗岩样品进行试验，共6 袋岩样。分别在各袋中取l o k g 混合进行破碎。 然后分别用孔径为5 m m 、2 m m 、l m m 和0 5 的细筛筛选出粒径为：2 d 5 m m ，1 d 2 m m ，o 5 d 1 m m 和d 0 5 m m 四种粒径的试样在烘箱中烘1 2 个小时， 8 昆明理工大学硕士学位论文 云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 在1 0 0 1 0 5 温度下烘至恒重后放进干燥缸内冷却至室温，待后试验备用。 3 3 1 3 试验结果及分析 本试验的目的是为了计算膨胀性花岗岩的自由膨胀率，这个指标一定程 度上反映了岩石遇水膨胀的性能。自由膨胀率的计算公式如下： 只：生玉1 0 0 。 ( 3 一1 ) f 。一一自由膨胀率； v 一一膨胀后的体积： v 。一一试样的原体积。 试验结果见表3 - 2 ，试验结果显示同种粒径的两个试验误差均小于5 。 试验测出试样粒径 0 5 毫米的岩石试样平均膨胀率达4 0 ，自由膨胀率 最大。试样粒径1 2 毫米的试样膨胀率最小平均只有1 5 ，由此可见，试样 粒径的大小对岩石的膨胀影响很大。为了便于分析，把各种粒径下的膨胀率 与粒径大小绘成曲线图( 见图3 2 ) ，由图可以看出，岩石膨胀率的大小随 着组成岩样颗粒的增加而减小，岩石颗粒在1 n m 以下的岩石膨胀率的变化率 比大于2 m m 岩石粒径大。其原因主要是：1 ) 组成岩石颗粒的粒径小，其比表 面积大，能与水充分接触发生反应。2 ) 粒径大的岩石试样其中间的空隙较大 岩石和水接触反应发生膨胀后，其中有一部分的膨胀量被用来充填其中的空 隙，另一部分的膨胀量用来反映试样的体积变化一自由膨胀率。最后，粒径 小的岩石试样其颗粒小，颗粒之间接触紧密，颗粒间孔隙小，因此膨胀率较 大。 通过不同粒径组成的岩石试样的膨胀率的大小存在很大差异可以用来解 释不同地段花岗岩膨胀变形不同的特点。前面分析了花岗岩的微细结构，地 质环境的改变，花岗岩组成结构发生了变化，尤其是在地质营力的作用下， 岩石的结构产生破碎。由于岩石所出的环境不同，因此有些地段破碎程度高。 有些地段破碎程度低，最后造成岩石的颗粒粒径随着变化较大，因此岩石的 膨胀在不同地段就存在很大差异。 1 9 昆明理工大学硕士学位论文 云锡公司塘子凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 表3 - 2 自由膨胀率实验记录 岩石粒径干试样重量简编初始体积最终体积 自由膨胀率( ) 平均 ( m i l l ) ( 克)号( 毫升)( 毫升) f s 值 1 4 0 21 #1 01 0 8 8 0 2 5 7 1 4 0 12 #1 01 0 66 o 1 3 5 03 # 1 0 1 1 61 6 o 1 21 5 1 4 0 04 #l o 1 1 41 4 5 1 4 1 05 #1 01 2 72 7 5 0 5 1 2 8 1 4 0 56 # 1 0 1 2 82 8 o 1 4 0 17 #1 0 1 3 83 8 0 0 5 4 0 1 4 0 08 #1 01 4 24 2 o 4 5 4 0 3 5 3 0 害2 5 甜 耋2 0 1 5 1 0 5 0 2345 粒径( ) 图3 - 2 膨胀率与粒径的关系 3 3 2 膨胀力的测定 膨胀力是指岩样在浸水时所产生的最大内应力，当有结构限制而不允许 其发生膨胀时，这个力将转化为加在该结构上的力。试验方法尚未规范化， 采用的方法不同，所测得的结果也存在一定的差异。如测量膨胀压力的试险， ( 1 ) 当膨胀岩自由膨胀完成后，施以使体积恢复到原来体积所需的压力即所谓 的膨胀加压法从其过程上看，并对照土的固结试验方法，可以说，这是一种 固结试验，而固结和膨胀恰恰是相反的两个过程，这种方法测得的膨胀压力 克服了试件扰动的效应，故测量结果偏大，是不完善的。( 2 ) 当试件浸水时， 使试件不发生膨胀和压缩所需的力，采用容器对试件进行约束，容器对试件 的约束反力即定义为膨胀压力，这一试验结果受容器的刚度的影响很大。因 2 n 昆明理工大学硕士学位论文 云锡公司塘予凹矿区花岗岩膨胀变形实验研究 为很小的体积膨胀就可释放很大的膨胀压力。( 3 ) 对试件施加试件所处埋藏深 度的压力后漫水，使试件不发生体积膨胀的力即为膨胀力。一般采用逐级加 载办法，采用这种方法，侧壁摩擦对结果有影响，特别是对刚度较大的膨胀 岩，其影响更大。( 4 ) 试件浸水后，防止其产生体积膨胀所需的力即为膨胀力， 采用逐级加载办法，目前采用这种方法较多，通常称为平衡加压法，但这种 方法仍忽视了侧壁摩擦的影响以上这四种方法所测得的膨胀压力大小顺序 为：。可见，所采用的方法不同，测得的膨胀压力也不相同，由于实验条件有 限，本次膨胀力实验方法采用较为简单且可行的实验方法一平衡加压法。 2 3 2 1实验所用的仪器 击实器( 如图3 3 所示) 、环刀( 环刀的面积为6 0 c m2 ，高度为2 c i n ) 、 刮土刀、天平( 感度为0 0 l 克) 、电热鼓风箱、烧杯、固结仪( 轻便固结 仪如图3 - 4 所示) 等。 =ej 兰1 击实 曲；：瓣 4 ，环刀 5 水槽 圣竺毋告 圈3 - 3 击实装置 3 3 2 2 岩石试样的制备 图3 - 4 轻便固结仪 由于在正式做岩石膨胀力试验之前的几次试验的实践和经验证明：含水 量为零的岩石试样，由于其本身的粒径很小再加上没有水的粘合几乎没有可 能用环刀制取完好的岩石试样进行试验。因此考虑到试样的成功制作和试验 的顺利进。将已经烘干的岩石粉末分成五份，并在每一份中加入不同的水， 使试样的含水量有所不同。 试样选用做自由膨胀率时已经分级的颗粒粒径在0 5 毫米以下的试样进 行试验。取试样3 0 0 0 克左右，并放进电热鼓风箱中进行烘干，将温度控制在 垦塑堡三查堂婴主兰堡堡塞墨塑竺望垄王磐! 垦垄塑室些些壅翌壅墅塑塞 1 0 0 一1 0 5 之间，连续不问断的烘烤8 小时直至试样达到恒重。将试样取 出并冷却到室温，分成五份加入不同的水，调制成湿度不同的岩石试样。 调制时将五份试样称重，并根据每种试样的重量计算出相应湿度所需的 水，然后根