專利名稱：一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，屬于軟巖巷道圍巖改性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電化學(xué)改善黏土類軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，適用于地下工程中易于水化膨脹崩解和軟化的黏土類軟巖巷道或硐室圍巖的電化學(xué)改性與加固，為用電化學(xué)改善黏土類軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性提供一種優(yōu)化的電極布置方法。
背景技術(shù)：
在地下工程中，經(jīng)常會遇到富含黏土礦物的軟巖體，其主要的黏土礦物成分有蒙脫石、伊利石、高嶺石和伊-蒙混層等，這類巖體在水的作用下，極易發(fā)生軟化、膨脹和崩解等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅地下工程圍巖的長期穩(wěn)定與安全。傳統(tǒng)的提高軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的技術(shù)方法主要有錨噴、注漿加固，棚架支護(hù)、砌碹或澆注混凝土等，用這些方法加固的黏土類軟巖工程，往往需要多次返修，不僅返修量大、費(fèi)用高，而且嚴(yán)重影響地下工程的正常運(yùn)營和建設(shè)與生產(chǎn)的正常進(jìn)行。電化學(xué)是一種新型的軟巖工程圍巖穩(wěn)定性加固方法，通過電化學(xué)作用可以改變黏土類軟巖的自身礦物成分與孔隙結(jié)構(gòu)，提高其長期穩(wěn)定性，并且具有施工操作簡單、費(fèi)用低廉和效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。中國發(fā)明專利申請公開號ZL200810048489. 4公開了一種軟巖巷道的電化學(xué)加固方法，該技術(shù)公開了兩種電極布置方式一是同一巷道橫斷面中所有的鐵質(zhì)電極與電源的正極或負(fù)極相連接，而與其相鄰的橫斷面中的鐵質(zhì)電極卻與電源的負(fù)極或正極相連接，即沿巷道軸線方向布置陽極電極的斷面與布置陰極電極的斷面間隔排列；二是同一個橫斷面中的鐵質(zhì)電極按陽極-陰極間隔排列，所有的布置電極的橫斷面都以這樣的方式沿巷道軸線以一定的間距布置，并且當(dāng)輸出電流降至不能再降時，將原為正電極的陽極改變?yōu)樨?fù)電極的陰極，而原為負(fù)電極的陰極變?yōu)檎姌O的陽極，繼續(xù)通電，如此反復(fù)，直至圍巖加固結(jié)束。通過對軟巖的電化學(xué)改性試驗(yàn)過程中的電滲、電泳現(xiàn)象的理論分析及對陽極、陰極區(qū)域巖石礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)上述兩種電極布置方式存在明顯不足。一是通電后巖體內(nèi)各處電場的指向均與巷道軸線平行，即各處電流方向平行于巷道表面，圍巖中發(fā)生的電滲、電泳等電化學(xué)現(xiàn)象也在這樣的方向上運(yùn)行。在電滲排水方面，水在巷道圍巖內(nèi)部以平行于巷道表面流動，電極的反復(fù)轉(zhuǎn)換只能導(dǎo)致圍巖中的水來回流動，使巷道圍巖中各個陰、陽極區(qū)域的含水量不斷發(fā)生變化，圍巖要經(jīng)歷失水-吸水-再失水的循環(huán)，這種循環(huán)會弱化巷道圍巖，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。在電泳方面，電極轉(zhuǎn)換使軟巖中礦物顆粒移動方向不斷變化，礦物顆粒難以持續(xù)向某一方向移動，影響圍巖改性效果。二是巷道圍巖受力或破壞的形態(tài)通常是按破壞圈、塑性圈、彈性圈、原巖應(yīng)力區(qū)四個區(qū)域顯現(xiàn)的。即使按很小的厚度將巷道圍巖劃分為許多圈層來分析，每個圈層中既有陽極區(qū)域又有陰極區(qū)域，兩個改性區(qū)域的含水量、孔隙度、力學(xué)強(qiáng)度都不一樣，對軟巖巷道整體的穩(wěn)定性有很大的影響。三是在電化學(xué)改性實(shí)施過程中沒有加電解液，軟巖體內(nèi)部微觀成分與結(jié)構(gòu)沒有充分參與電化學(xué)反應(yīng)，需要的電化學(xué)改性時間相對較長，且影響處理后改性區(qū)內(nèi)軟巖強(qiáng)度的提高。因此，尋求一種優(yōu)化的電極布置方法對提高軟巖電化學(xué)改性效果具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，其目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中電極布置方式的缺陷。根據(jù)電化學(xué)改性軟巖的機(jī)理和對試驗(yàn)結(jié)果的分析，本發(fā)明提出一種電化學(xué)改善黏土類軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法的技術(shù)方案。本發(fā)明一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，其特征在于是一種電化學(xué)改善黏土類軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，該方法通過鉆孔在黏土類軟巖巷道圍巖深部的鉆孔底端處放置陽極電極，在圍巖表面的鉆孔口處固定陰極電極，向鉆孔內(nèi)注入電解液，接通直流電源后，電化學(xué)改性區(qū)域內(nèi)的電滲方向從巷道圍巖深部指向圍巖表面，向圍巖外部排水；電泳方向從巷道圍巖表面指向圍巖深部，圍巖淺部陰極區(qū)域的礦物微粒向圍巖深部移動，圍巖深部陽極區(qū)域的巖石孔隙率減小，圍巖淺部陰極區(qū)域的巖石孔隙率增大， 控制巷道圍巖變形與應(yīng)力分布，從而顯著地提高了黏土類軟巖巷道圍巖的長期穩(wěn)定性，其具體步驟為I、根據(jù)巷道圍巖特點(diǎn)及其對圍巖穩(wěn)定性的控制要求和現(xiàn)有施工技術(shù)，沿與巷道軸線垂直的斷面上鉆直徑為^mm 42mm的鉆孔，鉆孔沿巷道周向的間距、沿巷道軸向的排距和鉆孔長度均為巷道半徑即寬度或高度的0. 5倍 1倍，在圍巖深部即鉆孔底端放置直徑為20mm 30mm、長度為500mm IOOOmm的棒狀鐵質(zhì)或銅質(zhì)陽極電極，在圍巖表面即鉆孔口固定直徑為200mm 300mm、厚度為20mm 30mm中心孔直徑為^mm 42mm的圓盤狀鐵質(zhì)或銅質(zhì)陰極電極；II、用絕緣導(dǎo)線將改性區(qū)內(nèi)各鉆孔口處固定的陰極電極和各鉆孔底端處放置的陽極電極分別串聯(lián)起來，并將其分別接到直流電源的負(fù)極和正極上，其直流電源的輸出電壓為200 700V，輸出電流為150 500A，輸出功率為2 6KW ；III、在每個鉆孔內(nèi)放置1根內(nèi)徑為8mm 12mm，壁厚為2mm 5mm的高壓注液膠管，然后用水泥砂漿密封鉆孔，密封長度為自陽極電極與其導(dǎo)線連接點(diǎn)到鉆孔口 ；IV、通過高壓注液膠管向陽極電極端壓入濃度為1 5mol · Γ1的CaCl2或AlCl3 電解液，接通電源，系統(tǒng)對圍巖實(shí)施電化學(xué)改性，當(dāng)電流下降到初始電流值的10% 20% 時，結(jié)束電化學(xué)改性；V、最后通過高壓注液膠管向鉆孔空間和圍巖空隙中注入質(zhì)量比為水灰有機(jī)硅(固含量30% 45% ) = (0. 8 1. 2) 1 (0. 1 0. 3)的防滲水泥漿，防止改性結(jié)束后水再次進(jìn)入改性區(qū)對軟巖體的反復(fù)侵蝕和弱化，以保持改性效果。本發(fā)明一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，其優(yōu)點(diǎn)在于Α、由黏土類軟巖改性前后的X-射線衍射圖譜分析可知，改性后，軟巖中的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物成分明顯減少，有水鋁英石、硬石膏等新生成物生成，礦物成分發(fā)生明顯變化。B、在電滲作用下，圍巖中的水及電解液向巷道圍巖表面陰極方向流動，有效地防止了改性區(qū)外的水滲透進(jìn)入改性區(qū)，使改性區(qū)軟巖中孔隙表面親水性降低，水化層減小，抑制了軟巖的水化、膨脹、崩解和碎裂等現(xiàn)象發(fā)生。
C、電解反應(yīng)分解的礦物重結(jié)晶后，又增強(qiáng)了黏土礦物顆粒之間的連接力，從而固結(jié)了黏土礦物，改性區(qū)內(nèi)軟巖的力學(xué)性質(zhì)得以提高。D、對軟巖進(jìn)行電化學(xué)改性后，電解液向淺部陰極區(qū)域流動和聚集，使陰極區(qū)域更多的黏土礦物發(fā)生了電解反應(yīng)，部分電解產(chǎn)物及軟巖孔隙中帶負(fù)電的礦物固相微粒因電泳現(xiàn)象向深部陽極區(qū)域方向移動，使巷道淺部陰極區(qū)域巖石孔隙率增大，有利于在巷道圍巖內(nèi)部為應(yīng)力釋放提供一定的卸壓空間，減少了巷道表面的變形量；巷道深部陽極區(qū)域圍巖經(jīng)過電化學(xué)排水、礦物顆粒積聚固結(jié)和礦物的重結(jié)晶作用，孔隙率減小，圍巖強(qiáng)度提高，能支撐更多的巷道圍巖應(yīng)力，有效抑制巷道變形。這樣的改性效果有利于巷道圍巖變形與應(yīng)力控制，從而顯著地提高了黏土類軟巖巷道圍巖的長期穩(wěn)定性。本發(fā)明一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，其效果在于采用優(yōu)化的電極布置方式對軟巖巷道圍巖進(jìn)行電化學(xué)改性，接通直流電源后，其電滲方向從巷道圍巖深部指向圍巖淺部，除了能取得現(xiàn)有電極布臂方式技術(shù)的加固效果之外，還有三個主要效果A、使軟巖巷道圍巖中兩電極間的水分有效地從淺部陰極區(qū)域排出，而且比現(xiàn)有電化學(xué)加固軟巖巷道的電極布置方式排水率更高，能取得很好的排水固結(jié)作用，有效地抑制了巷道軟巖的水化、膨脹、崩解和碎裂等現(xiàn)象。B、陰極區(qū)域位于巷道圍巖淺表部，能使淺部巖體孔裂隙增多，有利于巷道淺部圍巖的適當(dāng)讓壓；陽極區(qū)域位于圍巖深部，經(jīng)過電化學(xué)排水、礦物微粒積聚固結(jié)和礦物的重結(jié)晶作用后，孔隙率減小，有助于提高深部圍巖強(qiáng)度，從而提高了深部圍巖的自承載能力。改性區(qū)內(nèi)軟巖體改性后的這種結(jié)構(gòu)有利于巷道圍巖變形與應(yīng)力控制，從而顯著地提高了黏土類軟巖巷道圍巖的長期穩(wěn)定性。C、通過注液管在陽極電極端注入一定濃度的電解液，在外加直流電場的作用下， 使軟巖體內(nèi)部微觀分子結(jié)構(gòu)成分能充分參與電化學(xué)反應(yīng)，使其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生更大的改變，軟巖巷道圍巖的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。在對巷道軟巖體改性完成以后，通過注液管注入有機(jī)硅漿液，使其與軟巖顆粒良好地結(jié)合，有效防止改性區(qū)外的水滲透進(jìn)入改性區(qū)對軟巖強(qiáng)度的弱化作用。采用本方法對黏土類軟巖土改性后，其強(qiáng)度可提高50% 300%。


圖1為陰、陽極電極布置斷面示意圖。圖2為陰、陽極電極布置平面示意圖。圖3為布置電極的鉆孔縱向剖面示意圖。圖中1.直流電源，2.電源負(fù)極，3.電源正極，4.連接陰極電極的導(dǎo)線，5.連接陽極電極的導(dǎo)線，6.陰極電極，7.陽極電極，8.高壓注液膠管，9.鉆孔，10.水泥砂漿封孔材料，U.電流表，L.封孔長度。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方案。如圖1、圖2和圖3所示。
實(shí)施方式1a)根據(jù)巷道圍巖特點(diǎn)及其對圍巖穩(wěn)定性的控制要求和現(xiàn)有施工技術(shù)，沿與巷道軸線垂直的斷面上鉆直徑為^mm的鉆孔9，鉆孔9沿巷道周向的間距、沿巷道軸向的排距和鉆孔長度均為拱形巷道半徑的0. 5倍，在圍巖深部即鉆孔底端放置直徑為20mm、長度為500mm 的棒狀鐵質(zhì)陽極電極7，在圍巖表面即鉆孔口處固定直徑為200mm、厚度為20mm中心孔直徑為^mm的圓盤狀鐵質(zhì)陰極電極6。b)用絕緣導(dǎo)線4和5將改性區(qū)內(nèi)各鉆孔口處固定的陰極電極6和各鉆孔底端處放置的陽極電極7分別串聯(lián)起來，并將其分別接到直流電源1的負(fù)極2和正極3上，其直流電源1的輸出電壓為200V，輸出電流為150A，輸出功率為2KW;c)在每個鉆孔內(nèi)放置1根內(nèi)徑為8mm，壁厚為2mm的高壓注液膠管8，然后用水泥砂漿封孔材料10密封鉆孔，密封長度為自陽極電極7與其導(dǎo)線連接點(diǎn)到鉆孔口的距離L ；d)通過高壓注液膠管8向陽極電極7端注入濃度為Imol -Γ1的CaCl2或AlCl3電解液，接通直流電源1，系統(tǒng)對圍巖實(shí)施電化學(xué)改性，當(dāng)電流下降到初始電流值的10%時， 結(jié)束電化學(xué)改性過程；e)最后通過高壓注液膠管8向鉆孔9中注入質(zhì)量比為水灰有機(jī)硅固含量 30%= 0.8 1 0.1的防滲水泥漿密封鉆孔9和圍巖，防止改性結(jié)束后水再次進(jìn)入改性區(qū)對軟巖體的反復(fù)侵蝕和弱化，以保持改性效果。實(shí)施方式2a)根據(jù)巷道圍巖特點(diǎn)及其對圍巖穩(wěn)定性的控制要求和現(xiàn)有施工技術(shù)，沿與巷道軸線垂直的斷面上鉆直徑為42mm的鉆孔9，鉆孔9沿巷道周向的間距、沿巷道軸向的排距和鉆孔長度均為巷道寬度0. 8倍，在圍巖深部即鉆孔底端放置直徑為30mm、長度為IOOOmm的棒狀銅質(zhì)陽極電極7，在圍巖表面即鉆孔口處固定直徑為300mm、厚度為30mm中心孔直徑為 42mm的圓盤狀銅質(zhì)陰極電極6 ；b)用絕緣導(dǎo)線4和5將改性區(qū)內(nèi)各鉆孔口處固定的陰極電極6和各鉆孔底端處放置的陽極電極7分別串聯(lián)起來，并將其分別接到直流電源1的負(fù)極2和正極3上，其直流電源1的輸出電壓為700V，輸出電流為500A，輸出功率為6KW;c)在每個鉆孔內(nèi)放置1根內(nèi)徑為12mm，壁厚為5mm的高壓注液膠管8，然后用水泥砂漿封孔材料10密封鉆孔，密封長度為自陽極電極7與其導(dǎo)線連接點(diǎn)到鉆孔口的距離L ；d)通過高壓注液膠管8向陽極電極7端注入濃度為5mol - Γ1的CaCl2或AlCl3電解液，接通直流電源1，系統(tǒng)對圍巖實(shí)施電化學(xué)改性，當(dāng)電流下降到初始電流值的20%時， 結(jié)束電化學(xué)改性過程；e)最后通過高壓注液膠管8向鉆孔9中注入質(zhì)量比為水灰有機(jī)硅固含量 45%= 1.2 1 0.3的防滲水泥漿密封鉆孔9和圍巖，防止改性結(jié)束后水再次進(jìn)入改性區(qū)對軟巖體的反復(fù)侵蝕和弱化，以保持改性效果。實(shí)施方式3a)根據(jù)巷道圍巖特點(diǎn)及其對圍巖穩(wěn)定性的控制要求和現(xiàn)有施工技術(shù)，沿與巷道軸線垂直的斷面上鉆直徑為36mm的鉆孔9，鉆孔9沿巷道周向的間距、沿巷道軸向的排距和鉆孔長度均為巷道高度的1倍，在圍巖深部即鉆孔底端放置直徑為25mm、長度為800mm的棒狀銅質(zhì)陽極電極7，在圍巖表面即鉆孔口處固定直徑為250mm、厚度為25mm中心孔直徑為36mm的圓盤狀鐵質(zhì)陰極電極6 ；b)用絕緣導(dǎo)線4和5將改性區(qū)內(nèi)各鉆孔口處固定的陰極電極6和各鉆孔底端處放置的陽極電極7分別串聯(lián)起來，并將其分別接到直流電源1的負(fù)極2和正極3上，其直流電源1的輸出電壓為300V，輸出電流為200A，輸出功率為3KW;c)在每個鉆孔內(nèi)放置1根內(nèi)徑為10mm，壁厚3mm的高壓注液膠管8，然后用水泥砂漿封孔材料10密封鉆孔，密封長度為自陽極電極7與其導(dǎo)線連接點(diǎn)到鉆孔口的距離L ；d)通過高壓注液膠管8向陽極電極7端注入濃度為3mol - Γ1的CaCl2或AlCl3電解液，接通直流電源1，系統(tǒng)對圍巖實(shí)施電化學(xué)改性，當(dāng)電流下降到初始電流值的15%時， 結(jié)束電化學(xué)改性過程；e)最后通過高壓注液膠管8向鉆孔9中注入質(zhì)量比為水灰有機(jī)硅固含量 40%= 1 1 0.2的防滲水泥漿密封鉆孔9和圍巖，防止改性結(jié)束后水再次進(jìn)入改性區(qū)對軟巖體的反復(fù)侵蝕和弱化，以保持改性效果。
權(quán)利要求
1. 一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，其特征在于是一種電化學(xué)改善黏土類軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，該方法通過鉆孔在黏土類軟巖巷道圍巖深部的鉆孔底端處放置陽極電極，在圍巖表面的鉆孔口處固定陰極電極，向鉆孔內(nèi)注入電解液，接通直流電源后，電化學(xué)改性區(qū)域內(nèi)的電滲方向從巷道圍巖深部指向圍巖表面，向圍巖外部排水；電泳方向從巷道圍巖表面指向圍巖深部，圍巖淺部陰極區(qū)域的礦物微粒向圍巖深部移動，圍巖深部陽極區(qū)域的巖石孔隙率減小，圍巖淺部陰極區(qū)域的巖石孔隙率增大，控制巷道圍巖變形與應(yīng)力，從而顯著地提高了黏土類軟巖巷道圍巖的長期穩(wěn)定性，其具體步驟為I、根據(jù)巷道圍巖特點(diǎn)及其對圍巖穩(wěn)定性的控制要求和現(xiàn)有施工技術(shù)，沿與巷道軸線垂直的斷面上鉆直徑為^mm 42mm的鉆孔，鉆孔沿巷道周向的間距、沿巷道軸向的排距和鉆孔長度均為巷道半徑即寬度或高度的0. 5倍 1倍，在圍巖深部即鉆孔底端放置直徑為 20mm 30mm、長度為500mm IOOOmm的棒狀鐵質(zhì)或銅質(zhì)陽極電極，在圍巖表面即鉆孔口處固定直徑為200mm 300mm、厚度為20mm 30mm中心孔直徑為^mm 42mm的圓盤狀鐵質(zhì)或銅質(zhì)陰極電極；II、用絕緣導(dǎo)線將改性區(qū)內(nèi)各鉆孔口處固定的陰極電極和各鉆孔底端處放置的陽極電極分別串聯(lián)起來，并將其分別接到直流電源的負(fù)極和正極上，其直流電源的輸出電壓為 200 700V，輸出電流為150 500A，輸出功率為2 6KW ；III、在每個鉆孔內(nèi)放置1根內(nèi)徑為8mm 12mm，壁厚為2mm 5mm的高壓注液膠管，然后用水泥砂漿密封鉆孔，密封長度為自陽極電極與其導(dǎo)線連接點(diǎn)到孔口 ；IV、通過高壓注液膠管向陽極電極端壓入濃度為1 5mol· Γ1的CaCl2或AlCl3電解液，接通直流電源，系統(tǒng)對圍巖實(shí)施電化學(xué)改性。當(dāng)電流下降到初始電流值的10% 20% 時，結(jié)束電化學(xué)改性；V、最后通過高壓注液膠管向鉆孔空間和圍巖空隙中注入質(zhì)量比為水灰有機(jī)硅 (固含量30% 45% ) = (0. 8 1. 2) 1 (0. 1 0. 3)的防滲水泥漿，防止改性結(jié)束后水再次進(jìn)入改性區(qū)對軟巖體的反復(fù)侵蝕和弱化，以保持改性效果。
全文摘要
一種巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，屬于軟巖巷道圍巖改性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種電化學(xué)改善黏土類軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的電極優(yōu)化布置方法，其具體布置方式是通過鉆孔在黏土類軟巖巷道圍巖深部即鉆孔底端處放置陽極電極，在圍巖表面即鉆孔口處固定陰極電極。通過高壓膠管向陽極端注入濃度為1～5mol·l-1的CaCl2或AlCl3電解液，接通直流電源后，電滲方向從圍巖深部流向淺部表面，使改性區(qū)巖體內(nèi)的水從圍巖深部向淺部電滲排出，具有更快的排水速度、更高的排水率和更好的排水固結(jié)效果。有利于巷道圍巖變形與應(yīng)力控制，從而顯著地提高了黏土類軟巖巷道圍巖的長期穩(wěn)定性。
文檔編號E02D3/11GK102562090SQ20111046270
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉寧, 康天合, 王政華, 郭衛(wèi)衛(wèi), 陳金明 申請人:太原理工大學(xué)