新奥法在矿山软岩平硐掘进中的实践应用

仲徐东，王国吕，王虎，管桦，王雄荣

（四川里伍铜业股份有限公司，四川甘孜626201）

新奥法在矿山软岩平硐掘进中的实践应用

仲徐东，王国吕，王虎，管桦，王雄荣

（四川里伍铜业股份有限公司，四川甘孜626201）

深部巷道围岩的合理支护是现代矿山深部开采时亟需解决的关键性技术。大水沟矿区2815中段开拓巷道，由于埋藏深而地压大，围岩稳定性差。经过机械开挖扰动，巷道围岩应力重新分布，冒顶现象严重。为了控制地压对巷道围岩的影响，确保巷道掘进工作安全进行，矿区通过现场分析研究后采用新奥法，最终顺利通过这一软岩破碎区。对新奥法的基本原理和实际应用进行研究的结果表明，软弱破碎岩体中的巷道掘进，使用新奥法成本低、效率高；随着围岩变形量增加，塑性能释放量增大，支护厚度增加；此后随着蠕变时间增长，巷道围岩变形量不再变化。准确把握围岩变形特性，合理确定支护参数和支护时间，能经济有效地保证巷道围岩的稳定性，具有非常重要的工程价值。

新奥法；围岩；变形；应力；监测

深部巷道的围岩支护是现代矿山深部开采时需解决的问题。巷道掘进通过软弱破碎岩层的方法有很多种，目前应用比较成熟的有撞楔法［1］、注浆法［2］、掩护筒法、刻槽立柱法、穿梁护顶法、喷锚支护法等等。深部巷道围岩原岩应力高，只有在支护时充分利用围岩的自承能力才能取得较好的支护效果，而新奥法是充分利用围岩自身承载能力，视围岩承载为主要支护体系，允许围岩变形，但不过度松弛。支护时主要采取喷锚，辅助以金属网，钢支架，增大承载能力。

自新奥法创立以来，在国内修建西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道和中梁山、二郎山等多条公路隧道中，应用新奥法及其相应的技术，取得了较大的成就。在我国矿山的软岩巷道掘进中也取得了良好的应用效果，如金川镍矿二矿区某双轨巷道施工中，利用新奥法施工成功通过了F16断层带和断层影响带［3］。

1 工程概况

九龙县雅砻江矿业有限责任公司大水沟铜矿位于江浪穹隆的西南翼部位。矿体赋存于志留—泥盆系江浪石英岩片岩组（SD1）中段（SD21）里伍带（SD2－21）沉积变质岩系中，呈似层状、透镜状和叠瓦式形态产出。构造简单，断裂和次级褶皱有所发育，火成岩不发育。其中片状矿物含量＞50%的片状构造发育的岩石，且片状矿物中绢云母含量达30%～50%，黑云母占15%左右。

大水沟矿区2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段岩石主要成分为绢云母片岩，其中夹杂着黑云母片岩，岩体构造简单。云母片岩是由泥岩、页岩、砂岩经区域变质作用而成，黏结性较差。巷道开挖后，围岩直接暴露在空气中，较短时间内就出现冒顶现象，存在极大的安全隐患，阻碍了巷道顺利掘进。爆破掘进带来的扰动造成围岩应力重新分布，巷道顶板应力集中，加速了顶部围岩的垮落，钻眼过程中的用水对岩体的软化、泥化作用也加大了对岩石稳定性的破坏。

2 原理分析

矿区通过48h的现场观测记录，得出巷道顶板微量裂隙水，顶板允许短时间内小面积暴露，风化程度较小。云母片岩的软化性较强，耐崩解性［4］较差，巷道开挖后必须立即封闭围岩，保持岩石原始的湿度，防止其发生改变而导致膨胀或崩解现象发生。如果采用过去的短段掘砌，掘一小段，立即用钢架或木材作临时支护，事后不拆除，那么掘进巷道断面需加大，而永久支护采用钢筋混凝土浇筑，成本高，作业难度大，影响工期，因此必须采取特别的施工方法掘进巷道来通过这一破碎带。

岩石在载荷作用下，首先发生的物理现象是变形，在恒定荷载作用下，随着时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏，岩石变形有弹性变形、塑性变形和黏性变形三种。大水沟矿区2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段软弱破碎围岩直接暴露在空气中，呈塑性变形破坏［5］。如果视围岩为均质，其变形过程是一个不可逆过程，由压密阶段→弹性变形阶段→塑性变形阶段→破坏后阶段，但可以从围岩的塑性变形阶段过渡到围岩和支护层构成的承载环的弹性变形阶段，这并不是围岩形态的自身恢复，而是靠支护层的增加来提高由围岩和支护层构成的承载环的整体屈服峰值强度，所以可以将围岩初期暴露在空气中的变形称为假塑性变形。如果立即喷射混凝土封闭，那么围岩承载环就呈弹性变形破坏。

在弹性变形范围内，可以用弹性平衡理论来解释新奥法原理［6］。巷道拱部边缘某点在开挖前原始应力处于一个平衡状态。在开挖后这一点在临空面失去约束，原始应力要重新分布，如果围岩强度不够大，应力重新分布后不支护，就会产生变形，直至失稳垮塌，所以必须提供支护力才能防止围岩失稳。而分次支护允许围岩产生一定的变形，便于释放塑性能（卸荷作用），以充分发挥围岩的自承能力，这是一种比较经济的支护措施。

K1＋221～K1＋278m段软岩巷道掘进过程中分两次支护的理论依据由云母片岩的变形特性决定，巷道围岩和首次支护组成承载环，其径向应力与巷道变形量呈线性关系，如图1。

图1 巷道应力与形变关系Fig.1 Relationship between stress and deformation in roadway

1）巷道围岩受径向应力F随着巷道变形量u的增加先逐步减小，因为大水沟矿区2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段围岩主要成分为绢云母片岩，其作为Ⅳ类岩石［7］进入塑性状态是不可避免的，经过第一次薄层混凝土锚网支护后，要让围岩达到自身最大塑性承载能力，同时，围岩的塑性能（如膨胀变形能）释放出来。当塑性能释放完全时，围岩受径向应力最小，即点A，此后随着变形量u的增加，巷道受径向应力逐步增大，直至围岩破坏，如曲线1。

2）在巷道变形量u到达临界点之前必须进行第二次支护，就是围岩和第一次支护层组成的承载环的位移接近脱落点时［8］。如果第二次支护时间过早，围岩塑性能释放不完全，未充分利用其自身承载能力，支护效果差，成本高，如曲线2；如果在围岩即将达到变形临界点时进行第二次支护，围岩塑性能释放完全，利用其自身承载能力最大，支护效果最好，最经济，如曲线3。

3）当第二次支护后，围岩与两次支护层共同构成承载环，围岩受力达到平衡状态，随着时间的增长，巷道变形量将不再增加，如曲线4。

3 施工过程

大水沟矿区在本段巷道掘进过程中的支护工作分两次进行，第一次是喷外拱，打锚杆，开挖的岩面一经暴露就喷射混凝土进行覆盖封闭，隔绝水、湿气和风化对岩体的不利作用，防止岩体强度降低，还可以克服接下来打的锚杆因岩面附近活石泥化、风化冒落而失效，使围岩形成一个整体；第二次是喷内拱（或加支钢架），稳定平衡巷道支护环。具体施工流程如图2。

图2 掘进支护施工流程Fig.2 Construction process of drivaging and supporting

为了减少围岩应力的扰动和应力集中，在施工过程中采取短掘短支（每一循环掘进1m），采用全断面掘进巷道和光面爆破。巷道一经开挖爆破，立即对边帮和顶板清理浮石，在短时间内向巷道顶、壁喷一层3cm的混凝土，此时为第一次混凝土支护。待混凝土初凝后，钻眼打树脂锚杆，挂金属网，参数如表1。这样就充分利用了混凝土喷层的可缩性，使围岩内部形成挤压承载环，围岩和支护共同作用［9］。

表1 支护材料参数Table 1 Parameters of support material

喷射的混凝土要按照试验报告的砂浆配合比［10］进行配料，采用经过严格检测合格的425＃水泥，水泥︰水︰砂的配合比为268︰295︰1 625。

新奥法的支护原则不仅是把围岩看作承载物体，更是承载结构［11］。围岩承载部分和支护体组成巷道的统一体，是一个力学体系，所以在施工过程中要加强巷道变形与地压测量工作。在第一次支护后开始对巷道周边位移、锚杆、喷层等进行应力测量（以位移测量为重点），以测量数据作为判断围岩稳定性的依据。监控测量的测点布置如图3。

图3 巷道变形监测点布置Fig.3 Arrangement of roadway deformation monitoring points

大水沟矿区2815中段平巷K1＋221～K1＋278m段围岩整体呈缓倾斜，倾角15°～20°，巷道围岩主要是顶板变形破坏，所以重点对巷道顶板进行变形监测。在顶板下沉变形接近临界点时进行第二次喷射混凝土支护，厚度12cm。最终随着时间增加，巷道顶板稳定，不再变形。

4 结论

1）喷锚支护过程中利用锚杆的挤压作用，使围岩应力重新分布，构成承载环，减少了围岩的应力集中。

2）喷锚支护结合了锚杆支护和喷射混凝土支护，更简单有效地支护了应力集中的破碎部分，取得了较好的支护效果。

3）在施工过程中要加强巷道围岩变形测量，以便及时调整支护参数（喷层厚度、锚杆网度、锚杆长度等）。

4）新奥法在矿山软岩破碎巷道掘进中的应用，安全可靠，节约成本，效率高，能保证掘进工程顺利完成。

［1］王永锋，李新惠.撞楔法支护在巷道掘进过断层破碎带中的应用［J］.山西建筑，2011，37（7）：79－80.

［2］武鹏飞，田取珍 .构造破碎带巷道注浆加固技术［J］.采矿技术，2010，10（2）：24－25.

［3］岳 斌，王永才 .金川二矿区深部工程地质研究与岩体质量评价［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（增刊2）：2615－2619.

［4］张国华，李凤仪，于会军，等.2010年矿井围岩控制与灾害防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010.

［5］钟敏，余伟健，明世祥.松软岩土巷道塑性破坏效应分析［J］.矿业研究与开发，2005，25（4）：20－22.

［6］Broere W.NATM tunnel design principle in the construction of major and Construction Technology［D］.Delft，Nether－lands：Delft University of Technology，1998.

［7］Omer Aydan，Resat Ulusay，Naohiko Tokashiki.A New Rock Mass Quality Rating System：Rock Mass Quality Rating（RMQR）and Its Application to the Estimation of Geomechanical Characteristics of Rock Masses［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2014，47（4）：1255－1276.

［8］曹光辉 .不同应力释放率对隧道位移及应力影响的数值模拟［D］.兰州：兰州交通大学，2012.

［9］蔡美峰，何满潮，刘东燕 .岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002.

［10］王琪.喷射混凝土配合比设计及其质量控制［J］.北方交通，2010（2）：98－101.

［11］李树清，王卫军，潘长良.深部巷道围岩承载结构的数值分析［J］.岩土工程学报，2006，28（3）：377－381.

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

仲徐东（1989－），男，助理工程师，采矿工程专业，主要从事岩土力学工程和采矿技术方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.013