[发明专利]一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法

说明书

技术领域

本发明一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，属于软岩巷道围岩改性技术领域，具体涉及一种电化学改善黏土类软岩巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，适用于地下工程中易于水化膨胀崩解和软化的黏土类软岩巷道或硐室围岩的电化学改性与加固，为用电化学改善黏土类软岩巷道围岩稳定性提供一种优化的电极布置方法。

背景技术

在地下工程中，经常会遇到富含黏土矿物的软岩体，其主要的黏土矿物成分有蒙脱石、伊利石、高岭石和伊-蒙混层等，这类岩体在水的作用下，极易发生软化、膨胀和崩解等现象，严重威胁地下工程围岩的长期稳定与安全。

传统的提高软岩巷道围岩稳定性的技术方法主要有锚喷、注浆加固，棚架支护、砌碹或浇注混凝土等，用这些方法加固的黏土类软岩工程，往往需要多次返修，不仅返修量大、费用高，而且严重影响地下工程的正常运营和建设与生产的正常进行。

电化学是一种新型的软岩工程围岩稳定性加固方法，通过电化学作用可以改变黏土类软岩的自身矿物成分与孔隙结构，提高其长期稳定性，并且具有施工操作简单、费用低廉和效果显著等优点。

中国发明专利申请公开号ZL200810048489.4公开了一种软岩巷道的电化学加固方法，该技术公开了两种电极布置方式：一是同一巷道横断面中所有的铁质电极与电源的正极或负极相连接，而与其相邻的横断面中的铁质电极却与电源的负极或正极相连接，即沿巷道轴线方向布置阳极电极的断面与布置阴极电极的断面间隔排列；二是同一个横断面中的铁质电极按阳极-阴极间隔排列，所有的布置电极的横断面都以这样的方式沿巷道轴线以一定的间距布置，并且当输出电流降至不能再降时，将原为正电极的阳极改变为负电极的阴极，而原为负电极的阴极变为正电极的阳极，继续通电，如此反复，直至围岩加固结束。通过对软岩的电化学改性试验过程中的电渗、电泳现象的理论分析及对阳极、阴极区域岩石矿物成分和孔隙结构的分析，发现上述两种电极布置方式存在明显不足。一是通电后岩体内各处电场的指向均与巷道轴线平行，即各处电流方向平行于巷道表面，围岩中发生的电渗、电泳等电化学现象也在这样的方向上运行。在电渗排水方面，水在巷道围岩内部以平行于巷道表面流动，电极的反复转换只能导致围岩中的水来回流动，使巷道围岩中各个阴、阳极区域的含水量不断发生变化，围岩要经历失水-吸水-再失水的循环，这种循环会弱化巷道围岩，不利于巷道围岩的稳定。在电泳方面，电极转换使软岩中矿物颗粒移动方向不断变化，矿物颗粒难以持续向某一方向移动，影响围岩改性效果。二是巷道围岩受力或破坏的形态通常是按破坏圈、塑性圈、弹性圈、原岩应力区四个区域显现的。即使按很小的厚度将巷道围岩划分为许多圈层来分析，每个圈层中既有阳极区域又有阴极区域，两个改性区域的含水量、孔隙度、力学强度都不一样，对软岩巷道整体的稳定性有很大的影响。三是在电化学改性实施过程中没有加电解液，软岩体内部微观成分与结构没有充分参与电化学反应，需要的电化学改性时间相对较长，且影响处理后改性区内软岩强度的提高。因此，寻求一种优化的电极布置方法对提高软岩电化学改性效果具有重要的科学意义和工程应用价值。

发明内容

本发明一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，其目的是克服现有技术中电极布置方式的缺陷。根据电化学改性软岩的机理和对试验结果的分析，本发明提出一种电化学改善黏土类软岩巷道围岩稳定性的电极优化布置方法的技术方案。

本发明一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，其特征在于是一种电化学改善黏土类软岩巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，该方法通过钻孔在黏土类软岩巷道围岩深部的钻孔底端处放置阳极电极，在围岩表面的钻孔口处固定阴极电极，向钻孔内注入电解液，接通直流电源后，电化学改性区域内的电渗方向从巷道围岩深部指向围岩表面，向围岩外部排水；电泳方向从巷道围岩表面指向围岩深部，围岩浅部阴极区域的矿物微粒向围岩深部移动，围岩深部阳极区域的岩石孔隙率减小，围岩浅部阴极区域的岩石孔隙率增大，控制巷道围岩变形与应力分布，从而显著地提高了黏土类软岩巷道围岩的长期稳定性，其具体步骤为：

I、根据巷道围岩特点及其对围岩稳定性的控制要求和现有施工技术，沿与巷道轴线垂直的断面上钻直径为28mm～42mm的钻孔，钻孔沿巷道周向的间距、沿巷道轴向的排距和钻孔长度均为巷道半径即宽度或高度的0.5倍～1倍，在围岩深部即钻孔底端放置直径为20mm～30mm、长度为500mm～1000mm的棒状铁质或铜质阳极电极，在围岩表面即钻孔口固定直径为200mm～300mm、厚度为20mm～30mm中心孔直径为28mm～42mm的圆盘状铁质或铜质阴极电极；