关于开磷矿业粘土岩工程地质特征与支护的研究

唐洪刚

摘要： 开磷矿业马路坪和用沙坝矿区所施工的部分巷道设计在粘土岩中，经统计，其总长度已超过3300米。目前，大部分已完成施工的巷道出现了不同程度的顶板崩裂、两帮膨胀后遮蔽水沟、底板下凹或上凸等问题。更为严重的是，这些巷道大部分为主运输巷，威胁着过往人员和各类设备的安全。究其原因主要是巷道支护方式与岩体质量类型以及岩体特征不匹配所致。

Abstract： The total length of some tunnelsin clay rock has been over 3300 meters in Maluping and Yongshaping mining areas of Kailin Mineral Company. At present， some problems in different degree begin to appear in most completed tunnels， they are： the boron roof crack， two sides expansion masking the ditch， bottom concave or convex and so on. What's the more serious is that the tunnels with problems are the main traffic lanes， its unsafty will threat workers and equipments safty. The main reason for the appearance of the problems is the mismatching between the support partern of the tunnel and the quality and structure of the rock mass.

关键词： 页岩工程；顶板崩裂；两帮膨胀

Key words： shale engineering；boron roof crack；two sides expansion

中图分类号：P588.22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）19-0112-03

1 已完成施工巷道的崩裂情况

马路坪和用沙坝矿区已完成施工的巷道发生了崩裂变形，其统计长度已超过2200余米，具体情况如下：

①马路坪矿区：主要集中在640米中段和主斜坡道等地，该矿区共有1500余米的巷道发生了崩裂变形。从整体上看，640米中段南巷最严重（见图1、图2、），北巷（见图3）和运输主巷（见图4）次之；巷道两帮相比，水沟一边较另一边严重；顶底相比，顶板较严重；同时640米中段南、北两巷的底板均有不同程度的塌陷或上凸，其中，北巷较南巷严重，而运输主巷基本未见该现象。

②用沙坝矿区990米和920米中段：990米中段主要集中于南巷，共有300余米。崩裂主要发生在左帮（水沟一边），右帮和顶稍好（见图5、图6）。左帮膨胀崩裂后已将部分水沟“盖”住；920米中段有400余米，施工时间较晚，但水沟一边部分地段已发生了崩裂现象。

2 粘土岩的工程地质特征

①矿物成分：主要由粘土矿物组成。包括高磷石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、埃洛石以及伊利石-蒙脱石组合、绿泥石-蒙脱石组合、伊利石-蒙脱石-绿泥石组合等。

②页岩结构：包括微观结构与宏观构造。

1）微观结构：粘土矿物是一种含水的硅酸盐或铝硅酸盐，分为层状和链状两种结构，以前者为主。层状结构的粘土矿物由两种基本结构层组成，即为硅氧四面体层和铝氧八面体或镁氧八面体层，四面体和八面体基本结构层彼此以一定规律结合就形成“结构单元层”，结构单元层中各基本结构层相互结合的比例和叠置方式的不同就形成了不同种类的粘土矿物，即粘土矿物具有层状结构。

2）宏观构造：主要有层理，厚度小于1cm时称为页理（图7），小于1mm者称为纹理。具有水平层理构造的粘土岩，它具有沿页理方向易剥裂成叶片的性质（图8），是由层状粘土矿物水平定向排列而具有易剥裂性质的结果。

③页岩亲水性与膨胀性：粘土矿物中的蒙脱石、伊利石以及伊利石-蒙脱石组合均均具有较强的亲水性，遇水后发生水化反应，体积迅速膨胀。

④粘土的强度：粘土岩是所有岩石中强度最低的种类之一，该矿区新鲜粘土岩（图9）的普氏硬度系数通常f=1.5-3，暴露在室外一個月或室内三个月左右将变成粘土或泥粉。新鲜粘土岩属较软岩，随着暴露时间的增加，其随之变成软岩或极软岩。

⑤粘土岩的完整性：由于页里间结合力较差，再加上后期构造的破坏，新鲜页岩的完整性通常属较完整-较破碎，随着暴露时间增加，其完整性也随之变成破碎-极破碎。

⑥粘土岩的质量：通过对粘土岩的的强度和完整性的评价，完全可以判定新鲜粘土岩的的质量类型属Ⅲ类，随着暴露时间的增加，其质量类型也随之变成Ⅳ类或Ⅴ类。

综上所述，粘土岩原始具有层（或页理）状结构，且具有沿层理（或页理）面剥裂、强度较低、遇水膨胀等特性，决定了其工程地质条件的复杂性。

3 粘土岩的支护

3.1 已完成施工的巷道发生崩裂的原因

马路坪和用沙坝矿区发生崩裂的巷道，岩体呈紫红色或灰绿色、泥质结构、团块状构造，其成分绝大部分为粘土矿物，仅有少量岩屑。岩体页理、细小裂隙和节理较发育（见图9），其完整性属较完整-较破碎；经定性测量其普氏硬度系数f=1.5-3左右，属较软岩。据以上两个指标可判定两矿区新鲜粘土岩的质量属Ⅲ类。巷道跨度均在5米以内，原设计的锚网、锚索加喷砼支护方式是合理的。但忽略了页岩遇水膨胀和页理面易剥落等特点，具体如下：

①岩体页理发育，页理间结合力较差，在载荷失去后，页理间结合力随之降低；暴露在空气中，由于水（或水蒸汽）的介入使得页理间的结合力进一步降低；在重力作用下，岩石沿页里面层层剥裂（见图8）离开母岩，当其重量超过钢筋网或锚索的承受能力时巷道顶部便发生崩裂（图1、图2、图3、图4）。

②粘土矿物成分中90%以上的为粘土矿物，他们中蒙脱石、伊利石以及伊利石-蒙脱石组合遇水（或水蒸气）膨胀，随着体积的增加，其强度和完整性隨之降低，巷道便出现变形、崩裂，甚至垮塌。

③地应力促使页岩局部发生塑性流动：其中钾矿区640米中断最大埋深约600米左右，而乙矿区990和920米中段均在400-500米左右，均属中等地应力区，由此可推断有引起页岩发生塑性流动的可能，但不是巷道发生大面积崩裂的主要原因。

总之，马路坪和用沙坝矿区粘土岩段巷道发生大面积崩裂的主要原因为粘土岩遇水膨胀和应力释放后在重力作用下沿页理面剥落所致。而地应力所引起页岩发生塑性流动为次要原因。就两帮和顶而言，两帮以页岩遇水膨胀为主；顶以沿页理面剥落为主。

3.2 页岩巷道的支护

①支护方式的选择。粘土岩的支护在工程地质领域属世界公认的难题。支护时不仅要考虑其新鲜岩体的质量类型，而且还应考虑工程所在地的水文地质条件，巷道跨度、埋深与使用年限等因素。为此，粘土岩的支护通常采取刚性支护、柔性支护与防渗漏的排水相结合的方式。刚性支护能防止顶部岩石的剥落，柔性支护能减轻两帮遇水膨胀后给两帮施加的侧压力，防渗漏的排水方式可避免水与粘土岩直接接触。

②采用“预留缓冲空间”的钢拱架或现浇钢筋混泥土支护（图片10）：

1）钢轨架或现浇混凝土顶部应填满硬质物，防止岩石沿页理面剥落。

2）钢轨架或现浇混凝土两帮中下部预留一定的“缓冲空间”或者在缓冲空间内填满柔性物质，岩石吸水膨胀后有缓冲的余地，不至于立即将强大的侧向应力施加给钢拱架或钢筋混凝土的两侧。否则，钢拱架或钢筋混凝土均会产生侧向变形（图11）。

3）水沟可用管道代替或采用防渗漏处理的现浇混凝土水沟。

③采用“U”型钢轨架支护（图12）

“U”型钢轨架的原理与上一种方法类似。它在煤田的粘土岩支护中应用非常广泛，与普通钢轨架支护最大的区别在于用一段弧形钢轨代替了直钢轨，同时底板必须浇筑混凝土。

3.3 对矿区内粘土岩支护的建议

①巷道跨度在5米以内的临时巷道（服务年限5年以内）仍可以采用锚网、锚索加喷砼的支护方式。

②巷道跨度在5米以内或5米以上的永久性巷道采用“预留缓冲空间”或“U”型钢拱架支护

4 结语

施工实践证明，通过在该矿区其他中段采用“预留缓冲空间”或“U”型钢拱架支护，不仅大大提高了施工效率，而且巷道并未发生较大规模的崩裂。针对粘土岩来说，以上两种支护方式与其岩体质量类型和特征是匹配的。

参考文献：

[1]刘兆莹.滇东磷矿床中粘土矿物的研究[J].矿物岩石，1993（01）.

[2]高爽，乐世伟.贵州瓮安县登科陡山沱组磷块岩特征与沉积环境分析[J].世界有色金属，2016（20）.

[3]刘畅，杨辉艳.黔中地区古构造环境对洋水矿区磷矿层的控制作用[J].中国煤炭地质，2016（11）.