新型聚丙烯纤维混凝土在软岩巷道支护中的应用

郭进平，郑冰,2，祝砚桧，卢皎旭，程相琛

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院， 陕西 西安 710015；2.山阳秦鼎矿业有限责任公司， 陕西 商洛市 726100；3.中国冶金地质总局 湖南地质勘查院， 湖南 长沙 410001)

0 引言

夏家店金矿主要赋存在寒武系水沟口组黑色岩系，泥盆系大枫沟组砂岩、板岩，星红铺组灰岩夹钙质板岩地层，II 号金矿体主要由硅质板岩、泥质板岩、角砾岩组成，矿岩整体稳定性较差。随着开采深度增加，夏家店金矿的开采技术条件变得更加复杂，主要表现为工程地质条件恶化、地应力增大、地压显现加强等，同时伴有采矿作业环境恶 化、危险系数增大、采矿作业成本陡然增大等影响，给后续采矿作业和软岩巷道的支护造成了很大的困难。同时随着时间的推移，围岩的稳定状态由蠕变逐步发展成地下井巷工程结构的失稳破坏，若不能得到有效解决，将严重制约矿山经济发展。针对较软岩矿巷道的支护，袁文伯等[1]根据岩体应变软化的变形特性建立了弹塑性软化模型，并推导出适用性更广泛的塑性区半径计算公式。张爱玲[2]研究发现在混凝土中添加聚丙烯纤维后，其强度和其他力学属性均要优于传统的混凝土。尽管大量的研究人员证明了添加聚丙乙烯混凝土的性能异常显著，但是这些仅仅只是从单一学科角度出发得到的结论，并不具备工程应用的普适性，本文针对软岩巷道支护困难、采矿作业条件复杂等问题，通过实际工程调研，提出采用添加聚丙烯纤维混凝土喷浆支护方案，通过添加剂改变喷浆体物理力学性质，从而达到对软岩巷道支护的目的。利用数学理论建立软岩破环的松动半径和松动圈数学模型，得到软岩巷道支护的具体参数，再运用数值模拟方法对新型混凝土支护效果进行模拟分析，并成功应用于夏家店II 号金矿的软岩巷道支护中。结果表明，该新型聚丙乙烯混凝土喷浆支护效果要远远优于单纯的混凝土喷浆支护和其他支护方式的支护效果。

1 工程概况

夏家店金矿II 号金矿体呈现倾角50°～60°，总体呈似板状、厚度20～30 m，节理裂隙发育。矿岩体质量为IV～V 级。采矿方法为上向进路胶结充填采矿法，矿块走向长50 m，阶段高度40 m，矿块宽度和矿体厚度为20～30 m，各矿块之间不留间柱和顶底柱。最大埋深300 m，进路巷道尺寸2.5 m×2.7 m，进路长度约15～20 m，采用YT28 凿岩钻机掘进式爆破回采矿石，单班掘进进尺2.0 m，单条进路日掘进量4.0 m，单条进路回采周期约1 周。进路回采过程中，由于受爆破的影响，存在冒顶片帮，严重时甚至巷道垮塌，造成部分矿石损失，且垮塌进路支护工作量大、耗时长、安全性差，威胁作业人员安全，使矿山难以维持连续生产。

2 巷道松动圈计算

软岩巷道支护关键在于精确分析软岩活动的范围和大小，即软岩巷道的松动圈，只有确定了软岩松动圈之后才能准确地分析使用哪种支护类型和方式。巷道松动圈大小也是评价巷道围岩稳定性和选择支护方式的主要依据。根据弹塑性软化模型[1]，考虑到岩石在塑性区与破裂区的临界状态及边界条件r=a（巷道半径），得出围岩松动圈计算公式[3]：

式中，R为塑性区半径；a为巷道半径；t为系数；φ为内摩擦角；P0为原岩应力；β为系数；μ为泊松比；Pi为支护抗力；σc为单轴抗压强度；*cσ为残余抗压强度；Rt为破裂区半径。

松动圈计算各参数数值见表1。

表1 松动圈计算各参数值

以上数据代入式（1）解得岩石塑性区半径R=231 cm，破裂区半径Rt=174 cm，根据软岩松动圈分类表[4]，此松动圈在150～200 cm 之间，属于大松动圈，为一般不稳定围岩即软岩，根据松动圈大小对应支护方式为锚喷支护。

3 支护方式选择及施工

3.1 夏家店金矿支护方案

针对进路充填采矿方法，需要一种安全高效、成本低廉且施工方便、操作可行的支护方法。3 种常用支护方式的优缺点见表2。根据夏家店金矿矿体工程地质特征及以往工程实例，选择喷浆支护方案。

表2 不同支护方式的优缺点

喷射混凝土支护方式属于主动支护方式的一种，其最大的优点在于可及时封闭围岩以保证其完整性，混凝土与围岩紧密黏结，共同形成承压拱，及时给围岩提供正向抵抗力，避免围岩进一步脱落。

3.2 新型喷射混凝土支护技术

经夏家店金矿现场试验，回采进路采用喷射混凝土支护方式取得了一定的效果，但是受爆破振动及充填时水的混入引起围岩塑性变形，喷射混凝土层出现裂缝，甚至局部掉块，如图1 所示。

图1 混凝土喷浆裂缝及局部掉块

为解决此问题，经查阅相关文献，将聚丙烯纤维添加在喷射混凝土中，能改善喷浆的物理力学性能[2]。聚丙烯工程纤维是以聚丙烯为基础的合成纤维，具有耐腐蚀性强、强度高、加工性好、蠕变收缩小、价格低等特点。根据付华[5]、李光伟等[6]的研究，发现加入适量的聚丙烯纤维的混凝土，抗压强度提升10%～20%，抗冲击性能可提高30%～40%，收缩率可降低7%～18%，防渗性可提高50%～70%[4−8]。

普通混凝土喷浆凝固过程中，由于混凝土的化学收缩性，在其内部产生很多极细的微裂隙，而这些微裂隙在爆破振动时产生应力集中而扩大成裂隙，同时还会存在一定的渗透性；充填水可诱发围岩的塑性变形进而造成进路巷道进一步失稳破坏。在混凝土内掺入混凝土专用聚丙烯纤维，搅拌后能在混凝土内部均匀分布，当喷浆体凝固收缩时，由于纤维在喷浆体内产生相应的反向拉力而相互抵消部分能量，可有效减少喷浆体收缩时产生微小裂缝，提高喷浆体的抗裂和抗剪切能力，同时可提高喷射混凝土的抗渗能力，以减少水的影响。采用新型混凝土喷浆支护后的巷道如图2 所示。

图2 添加聚丙烯纤维后喷浆效果

3.3 喷浆支护数值模拟

夏家店金矿的部分工程地质资料如下：夏家店金矿Ⅱ号矿体巷道的开挖直径见表3，岩性为硅质板岩和泥质板岩，矿体岩石质量为IV～V 级。开挖后巷道初始地应力见表3，岩体饱和抗压强度为2.04 MPa，干抗压强度为9.32 MPa，变形模量为0.63 GPa，泊松比为0.34，天然容重为2.37 kN/m3，岩体凝聚力c=0.28 MPa，内摩擦角φ=30°。支护为新型混凝土喷浆支护，喷浆体的抗压强度为35.00 MPa，抗拉强度设计值为1.27 MPa，与喷浆体的黏结强度为1.8 MPa；喷浆体与围岩摩擦系数为1.2，弹性模量为30.0 MPa，泊松比为0.167，容重为23.5 kN/m3。

表3 夏家店金矿Ⅱ号矿进路开挖直径和初始三维地应力

拟用平面弹塑性有限元法分析软岩巷道新型混凝土的支护效果。并计算假定回采进路开挖地应力释放70%后，初期支护和围岩是否能承受剩余卸荷。需要注意的是此次只是设计采矿巷道的平面应力应变分析。

根据夏家店实际回采巷道断面尺寸绘制回采巷道，如图3 所示。之后在Phase2 中调用图4 所示界面，通过人机交互的方式对模拟对象ROCK01、ROCK02 等进行部分属性赋值。

图3 夏家店金矿回采巷道断面

图4 基于Phase2 对软岩巷道的岩石岩性赋值

待上述建模完成后，再定义其本构模型并计算主应力和剪应力以期获得更加接近真实情况的该选择σx和σz，同样的剪应力也应该选择τzx。其中主应力和剪应力的计算结果见表4。

表4 回采巷道主应力计算结果

从表4 可以清晰地得出，该回采巷道的主应力σ1为25.13 MPa、主应力σ3为8.37 MPa、夹角大小为−9.76°。之后将上述岩性参数输入模型，即可对该回采巷道在开挖过程中采用新型聚丙乙烯混凝土支护下围岩的应力应变进行分析。

对巷道采用新型聚丙烯混凝土支护方案的分析主要集中在支护后的巷道在水平方向和数值方向的变形情况、巷道塑性区的变化情况以及开挖之后巷道的应力应变变化情况分析，从而整体判断该支护方案的效果，如图5 所示。从图5 中可以看出，在使用新型混凝土喷浆支护之后巷道的西北和东南方向受到的压力相比其他方向单一且较大，但均在允许的范围之内，为了后续作业的安全，在接下来的支护作业中应该考虑在薄弱的地方适当增加喷砼的厚度以保证生产作业正常进行。

图5 回采巷道应力应变空间分布

塑性区的形成和发展是导致岩石变形和破坏的主要原因之一，因此对巷道围岩塑性区的分析和研究是探究巷道支护方案必须考虑的，夏家店金矿回采巷道开挖塑性区分布如图6 所示。从图6 中可以看出，采用新型聚丙烯混凝土支护的巷道塑性区分布比较均匀，并未出现在某一方向上较大的塑性区，除此之外从图7 和图8 中可以看出，夏家店金矿回采巷道采用新型混凝土支护后在X−X和Y−Y方向的位移趋势较小，再次说明采用该种新型混凝土支护的效果优于其他支护方式。综上，这种采用新型聚丙烯混凝土的支护方案的优越性比较明显，可以在软岩巷道支护中推广使用。

图6 回采巷道开挖塑性区

图7 回采巷道开挖后水平变形

图8 回采巷道开挖后竖直变形

3.4 新型喷射聚丙烯纤维混凝土应用

为提高喷浆效果质量，在混凝土喷浆料里加入适当的聚丙烯纤维添加剂，可提高喷射混凝土抗压强度、抗冲击性，减少收缩率，提高防水性，且能快速凝固，在夏家店金矿软岩巷道支护成功应用。

3.4.1 材料配比

混凝土喷浆材料有机制砂石、水、水泥、速凝剂、聚丙烯纤维、羟丙基甲基纤维素，经过工程实践，确定材料为普通机制水洗砂石混合料，经筛分其含量见表5。

表5 新型混凝土砂石比例

根据砂石含水率调节用水量，水用量为砂石用量的8%～9.6%；水泥约占砂石总量的25%；速凝剂占水泥用量的20%；聚丙烯纤维为工程用束状单丝，长度约20 mm，掺量为1.6 kg/m3；羟丙基甲基纤维素：规格CH−150000，掺量为1.5 kg/m3，喷射混凝土材料配比见表6。

表6 喷射混凝土各材料配比

3.4.2 施工工艺

采用型号PZ-5 的喷射混凝土设备，配高压风和高压水。将所需物料按照上述比例进行充分搅拌，装入喷浆机料斗，采用高压风使混合料在软管内呈悬浮状态，压送到喷枪，在喷头处加入高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。采用多次重复喷浆，使喷层厚度达6～8 cm。

4 结论

（1）在同等条件下，与原普通喷浆支护相比，加入聚丙烯纤维喷射混凝土在其凝固后，明显比以前支护效果更好，更易黏结而且节省物料，同时受爆破振动产生的裂缝和掉块比之前减少50%～70%，充填水对周边进路影响减少了70%～90%。

（2）加入聚丙烯纤维的喷浆支护在软岩进路巷道施工周期内，能保证进路回采安全，解决冒顶片帮及充填渗水引起的围岩塑性变形等问题，为矿体回采连续安全生产提供了保障，在夏家店金矿充填进路软岩支护中得到了广泛应用。

（3）在喷射混凝土材料中添加聚丙烯纤维和羟丙基甲基纤维素，具有操作简单，易施工，支护成本低，支护效率高等优点，特别适用于采场充填进路支护选择，但是该法不适用于软岩巷道长期支护的选择，需要长期支护时应该选择联合支护方式。