專利名稱：一種抵抗動載的巖柱加固方法
技術領域：
本發明涉及一種抵抗動載的巖柱加固方法，特別是用于爆破等動載環境下巖柱抵抗動力損傷和表面剝蝕的加固方法。屬于采礦技術領域。
背景技術：
在地下大型硐室工程、采礦工程中，為保證開挖空間周圍巖石的安全穩定，常常在開挖空間預留各式各樣的巖(礦)柱支撐上部巖層。這些巖(礦)柱通常在設計初期能夠很好地滿足支撐需要，但隨著使用年限增加，巖柱中的裂紋不斷擴展，出現開裂、表面剝落現象。特別是當巖柱處于爆破、循環活載環境時，這種剝落更加迅速和嚴重。究其原因，巖體是一種內部布滿微裂紋、微空隙的缺陷介質，抗拉強度只有抗壓強度的1/10-1/8，而且對動載應力波十分敏感。當受到爆破、地震及機械振動等動載作用時，動載應力波將促使巖柱內部缺陷繼續擴展，導致巖柱內部損傷不斷增大；同時動載應力波將在巖柱的表面反射產生拉伸應力，導致巖柱外表出現剝蝕。在內部損傷和外表剝蝕的共同作用下，巖柱承載能力不斷下降，嚴重影響其支撐效果。而現有巖柱設計都是基于彈性靜力學強度理論設計，缺少對動載荷動力效應的合理考慮，也沒有相應的防護與加固措施。如“一種殘采礦山礦柱加固方法”(中國國家發明專利，申請號201010263789. 1，公開號CN101943008A)中用混凝土或鋼筋混凝土對礦山殘柱進行加固，這是一種典型的基于靜力學理論的加固方法，鋼筋混凝土屬于剛性材料，主要起到強度補強作用；而且由于大量使用鋼筋，成本較高。另外，在一些礦山工程實踐中，有在巖(礦)柱周圍投放充填體來支撐巖層的做法，(如曹國榮，“合理利用礦山井下充填加強地表開采保護”，《黃金科學技術》，2005，13 (6) 27-34 ;秦帥，余一松，樊忠華，單強，“充填體與預留原巖礦柱相互作用機理研究”，《采礦技術》，2011，11 (4) :28-31)，這種做法也是通過側限圍護來增加巖(礦)柱的支撐強度，這種方法中充填體通常填滿巖(礦)柱周圍的所有空間，它在增強巖(礦)柱強度的同時，實際上改變了巖(礦)柱原有的空間狀態，這對于需要利用巖柱周圍空間的情況是不適用的。可見，目前的巖柱加固主要基于靜力學強度理論，加固部分對巖柱主要起到圍護補強作用，尚沒有專門針對動載作用的巖柱防護和加固方法。含纖維成份的噴射混凝土具有韌性強、可抵制動載等特點，非常適合于動載環境下的巖柱加固。
發明內容
本發明目的是基于動載下巖柱的動力學響應和破壞機理提出一種可抵抗動載的巖柱加固方法。該方法施工工藝簡單，加固結構能有效吸收動載能量、避免巖柱表面的動力剝蝕，同時可以增大巖柱圍壓，遏止巖柱內部損傷演化，最終起到增強巖柱承載能力、延長巖柱服務年限的作用。為實現上述目的，本發明一種抵抗動載的巖柱加固方法，包括下述步驟第一步配料
取水泥、砂子、石頭、水、纖維混合攪拌，得到纖維攪拌混凝土 ；所述纖維直徑為
0.3-1. Omm,長10_50mm ;所述纖維攪拌混凝土中纖維體積率0. 5-1. 5,水灰比0. 35-0. 5 ；第二步噴層施工將第一步所得纖維攪拌混凝土，垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱、固化；噴層厚度為20-150mm或巖柱橫斷面表觀尺寸的0. 01-0. I。本發明一種抵抗動載的巖柱加固方法中，所述水泥與砂石的重量比為 I (3.0-4. 5)，所述砂石選用粒徑為2-10mm的粗砂或碎石。本發明一種抵抗動載的巖柱加固方法中，所述巖柱橫截面形狀為圓形、矩形、正多邊形、橢圓形中的一種。本發明一種抵抗動載的巖柱加固方法中，所述纖維選自鋼纖維、植物纖維、聚酯纖維中的一種。本發明一種抵抗動載的巖柱加固方法中，噴層施工前，用高壓水或高壓氣流清除巖柱外表的松散體或附著物，為噴層創造良好粘結條件。本發明由于采用上述工藝方法，在巖柱表面施作一層纖維混凝土噴層加固，主要特點在于1、通過噴層吸收動載能量，消弱巖柱表面的動載拉應力，防止巖柱發生表面剝蝕；2、通過噴層的圍護效應，給巖柱提供圍壓，增強其承載能力。其機理簡述于下參見附圖1，當動載作用于巖柱時，應力波在其表面形成拉伸應力波，如果沒有強韌性纖維噴層，拉伸應力波將直接作用于巖柱，并引起表面剝落；但當巖柱表面存在噴層時，應力波將被噴層吸收，由于噴層中具有纖維成份，韌性和抗拉強度都很高，不至于被輕易拉壞，因而起到了吸收動載能量和抵抗動力剝蝕的雙重作用。同時，如圖2所示，巖柱在外載作用下發生軸向壓縮、側向膨脹，具有強韌性和高抗拉強度的纖維混凝土又起到了變形約束效果，即對巖柱起到圍護增強作用。本發明施工時，利用高壓氣泵將攪拌好的纖維混凝土噴射至原結構構件表面，無須支外模施作鋼筋等結構，施工工藝簡單；用高壓水或高壓氣流清除巖柱外表的松散體或附著物，為噴層創造良好粘結條件，噴射后的混凝土與原結構構件結合性好，可保證它們協同受力，具有適應性強、不改變原結構構件形態等優點。在噴射混凝土中加入各類纖維成份后，更增加其韌性和吸能特性，可有效抵制各類動載作用， 有效遏止巖柱的內部損傷和表面剝蝕。綜上所述，本發明施工工藝簡單、制備的巖柱加固結構能有效吸收動載能量，是一種能在動載環境下降低巖柱內部損傷，避免巖柱表面的動力剝蝕，同時通過增大巖柱圍壓， 遏止內部損傷演化，最終起到增強巖柱承載能力、延長巖柱服務年限的作用。適于使用在動載環境下的硐室工程、采礦工程中巖柱的加固。
附圖I為動載下巖柱噴層加固與作用機理不意圖；附圖2噴層微裂縫中纖維抗拉作用示意圖；附圖3不同加固方法下大理巖巖柱表面質點速度；附圖4不同厚度鋼纖維噴層下的花崗巖柱強度特征；附圖1、2 中I-巖柱2-噴層3-纖維
4-拉伸應力波5-纖維持力 6-巖柱膨脹變形張力附圖3中曲線7為爆破作用下，無加固措施巖柱表面測點的質點速度；曲線8為爆破作用下，用鋼筋混凝土加固措施巖柱表面測點的質點速度；曲線9為爆破作用下，用本發明方法加固措施巖柱表面測點的質點速度；附圖4中曲線10、11、12、13分別對應纖維長10mm、25mm、40mm、50mm的纖維混凝土加固后的
巖柱結果動態沖擊強度。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的實施方式作進一步說明實例I 對同一采礦場的3個直徑為4m，高8m的大理巖巖(礦)柱，一個不做任何加固，一個用鋼筋混凝土加固，一個用本發明提出的噴射纖維混凝土加固，當上部采場爆破作業時， 監測3個礦柱表面質點速度和破壞情況，比較不同方法的加固效果。在鋼筋混凝土加固中，用02. 5的鋼筋以400mmX400mm的網狀間距焊牢后用素混凝土抹面，厚度30mm。混凝土中水泥為普通水泥，強度等級32. 5MPa ;水泥砂石=1:4; 砂石粒徑控制在3-10mm范圍；水灰比0. 4。在用本發明方法施工中，將纖維攪拌混凝土垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱，厚度30mm。鋼纖維混凝土中水泥為普通水泥，強度等級32. 5MPa ;水泥砂石=1:4; 砂石粒徑控制在3-10mm范圍；纖維選用粗1mm、長10_25mm的鋼纖維；纖維體積率0. 8 ；/jC 灰比0. 4。圖3為三種情況下的監測結果，可以看到，爆破作用下，無加固措施巖柱表面測點的質點速度(圖3中曲線7)和用鋼筋混凝土加固巖柱的表面測點的質點速度(圖3中曲線8)達到峰值后保持不變，表明巖柱表面發生了剝落。而用本發明方法加固的巖柱，其表面質點速度(圖3中曲線9)增大后又很快恢復到平衡位置，即吸收了動載能量且沒有發生破壞。以上對比顯示了本發明方法在抵抗動載上的顯著力學效果，同時，本發明方法還省去了鋼筋混凝土加固方法中鋪設鋼筋網這一工序，施工簡單易行。實例2 花崗巖柱在纖維噴射混凝土加固后的動態沖擊特性。對一組OlOOmmXlOOmm的花崗巖柱，分別在表面施加厚度0mm、5mm、10mm的纖維混凝土(兩種噴層厚度相當于巖柱橫斷面表觀尺寸的0. 05和0. I)。纖維混凝土中水泥為普通水泥，強度等級32. 5MPa ;水泥砂石=I 3 ;砂石選用粒徑小于3mm的細砂；纖維選用粗0. 3mm、長10mm、25mm、40mm、50mm的植物纖維；纖維體積率0. 5 ;水灰比0. 35。對用不同纖維混凝土處理后的巖柱進行動態沖擊實驗，圖4為所得的巖柱動態強度結果，曲線10、
11、12、13分別對應纖維長10mm、25mm、40mm、50mm的纖維混凝土加固后的巖柱結果。可以看出，花崗巖柱經過纖維混凝土加固后的動態強度比沒有加固時大大提高， 在噴層厚度為5mm(相當于巖柱半徑的0.05)時，動載強度提高了(30-40) %，；噴層厚度為IOmm(相當于巖柱半徑的0. I)時，動載強度提高了(50-60)%;纖維長度對加固效果有一定影響，但沒有噴層厚度影響明顯。以上內容是結合實施方式對本發明所作的詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下做出若干等同替代或變型，而且性能或用途相同，則應當視為屬于本發明所提交的權利要求書確定的保護范圍。
權利要求
1.一種抵抗動載的巖柱加固方法，包括下述步驟第一步配料取水泥、砂子、石頭、水、纖維混合攪拌，得到纖維攪拌混凝土；所述纖維直徑為 0. 3-1. Omm,長10_50mm ;所述纖維攪拌混凝土中纖維體積率0. 5-1. 5,水灰比0. 35-0. 5 ；第二步噴層施工將第一步所得纖維攪拌混凝土，垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱并固化；噴層厚度為20-150mm或巖柱橫斷面表觀尺寸的0. 01-0. I。
2.根據權利要求I所述的一種抵抗動載的巖柱加固方法，其特征在于所述水泥與砂石的重量比為I : (3.0-4. 5)，所述砂石選用粒徑為2-10mm的粗砂或碎石。
3.根據權利要求2所述的一種抵抗動載的巖柱加固方法,其特征在于所述巖柱橫截面形狀為圓形、矩形、正多邊形、橢圓形中的一種。
4.根據權利要求3所述的一種抵抗動載的巖柱加固方法,其特征在于所述纖維選自鋼纖維、植物纖維、聚酯纖維中的一種。
5.根據權利要求4所述的一種抵抗動載的巖柱加固方法,其特征在于噴層施工前,用高壓水或高壓氣流清除巖柱外表的松散體或附著物。
全文摘要
一種抵抗動載的巖柱加固方法，包括下述步驟，首先取水泥、砂子、石頭、水、纖維混合攪拌，得到纖維攪拌混凝土；然后，將纖維攪拌混凝土，垂直于巖柱表面均勻噴射附著至巖柱并固化。噴層可以充分吸收爆破、地震、機械振動等的動載能量，使巖柱免受動載損傷；且噴層中的纖維成份使噴層具有較大的抗拉強度，抵抗動載應力波在巖柱表面形成的拉伸應力和巖柱膨脹變形造成的橫向張力，在強度上起到圍護加固作用。本發明施工工藝簡單、制備的巖柱加固結構能有效吸收動載能量，是一種能在動載環境下降低巖柱內部損傷，避免巖柱表面的動力剝蝕，同時通過增大巖柱圍壓，遏止內部損傷演化。適于使用在動載環境下的硐室工程、采礦工程中巖柱的加固。
文檔編號C04B28/00GK102603240SQ20121008004
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者周子龍, 李國楠, 李夕兵, 江益輝, 鄒洋 申請人:中南大學