专利名称：一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法
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^mm 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 IOOOmm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^mm 42mm的圆盘状铁质或铜质阴极电极；II、用绝缘导线将改性区内各钻孔口处固定的阴极电极和各钻孔底端处放置的阳极电极分别串联起来，并将其分别接到直流电源的负极和正极上，其直流电源的输出电压为200 700V，输出电流为150 500A，输出功率为2 6KW ；III、在每个钻孔内放置1根内径为8mm 12mm，壁厚为2mm 5mm的高压注液胶管，然后用水泥砂浆密封钻孔，密封长度为自阳极电极与其导线连接点到钻孔口 ；IV、通过高压注液胶管向阳极电极端压入浓度为1 5mol · Γ1的CaCl2或AlCl3 电解液，接通电源，系统对围岩实施电化学改性，当电流下降到初始电流值的10% 20% 时，结束电化学改性；V、最后通过高压注液胶管向钻孔空间和围岩空隙中注入质量比为水灰有机硅(固含量30% 45% ) = (0. 8 1. 2) 1 (0. 1 0. 3)的防渗水泥浆，防止改性结束后水再次进入改性区对软岩体的反复侵蚀和弱化，以保持改性效果。本发明一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，其优点在于Α、由黏土类软岩改性前后的X-射线衍射图谱分析可知，改性后，软岩中的蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物成分明显减少，有水铝英石、硬石膏等新生成物生成，矿物成分发生明显变化。B、在电渗作用下，围岩中的水及电解液向巷道围岩表面阴极方向流动，有效地防止了改性区外的水渗透进入改性区，使改性区软岩中孔隙表面亲水性降低，水化层减小，抑制了软岩的水化、膨胀、崩解和碎裂等现象发生。
C、电解反应分解的矿物重结晶后，又增强了黏土矿物颗粒之间的连接力，从而固结了黏土矿物，改性区内软岩的力学性质得以提高。D、对软岩进行电化学改性后，电解液向浅部阴极区域流动和聚集，使阴极区域更多的黏土矿物发生了电解反应，部分电解产物及软岩孔隙中带负电的矿物固相微粒因电泳现象向深部阳极区域方向移动，使巷道浅部阴极区域岩石孔隙率增大，有利于在巷道围岩内部为应力释放提供一定的卸压空间，减少了巷道表面的变形量；巷道深部阳极区域围岩经过电化学排水、矿物颗粒积聚固结和矿物的重结晶作用，孔隙率减小，围岩强度提高，能支撑更多的巷道围岩应力，有效抑制巷道变形。这样的改性效果有利于巷道围岩变形与应力控制，从而显著地提高了黏土类软岩巷道围岩的长期稳定性。本发明一种巷道围岩稳定性的电极优化布置方法，其效果在于采用优化的电极布置方式对软岩巷道围岩进行电化学改性，接通直流电源后，其电渗方向从巷道围岩深部指向围岩浅部，除了能取得现有电极布臂方式技术的加固效果之外，还有三个主要效果A、使软岩巷道围岩中两电极间的水分有效地从浅部阴极区域排出，而且比现有电化学加固软岩巷道的电极布置方式排水率更高，能取得很好的排水固结作用，有效地抑制了巷道软岩的水化、膨胀、崩解和碎裂等现象。B、阴极区域位于巷道围岩浅表部，能使浅部岩体孔裂隙增多，有利于巷道浅部围岩的适当让压；阳极区域位于围岩深部，经过电化学排水、矿物微粒积聚固结和矿物的重结晶作用后，孔隙率减小，有助于提高深部围岩强度，从而提高了深部围岩的自承载能力。改性区内软岩体改性后的这种结构有利于巷道围岩变形与应力控制，从而显著地提高了黏土类软岩巷道围岩的长期稳定性。C、通过注液管在阳极电极端注入一定浓度的电解液，在外加直流电场的作用下， 使软岩体内部微观分子结构成分能充分参与电化学反应，使其物理化学性质发生更大的改变，软岩巷道围岩的力学强度进一步增强。在对巷道软岩体改性完成以后，通过注液管注入有机硅浆液，使其与软岩颗粒良好地结合，有效防止改性区外的水渗透进入改性区对软岩强度的弱化作用。采用本方法对黏土类软岩土改性后，其强度可提高50% 300%。
图1为阴、阳极电极布置断面示意图。图2为阴、阳极电极布置平面示意图。图3为布置电极的钻孔纵向剖面示意图。图中1.直流电源，2.电源负极，3.电源正极，4.连接阴极电极的导线，5.连接阳极电极的导线，6.阴极电极，7.阳极电极，8.高压注液胶管，9.钻孔，10.水泥砂浆封孔材料，U.电流表，L.封孔长度。
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的具体实施方案。如图1、图2和图3所示。
实施方式1a)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^mm的钻孔9，钻孔9沿巷道周向的间距、沿巷道轴向的排距和钻孔长度均为拱形巷道半径的0. 5倍，在围岩深部即钻孔底端放置直径为20mm、长度为500mm 的棒状铁质阳极电极7，在围岩表面即钻孔口处固定直径为200mm、厚度为20mm中心孔直径为^mm的圆盘状铁质阴极电极6。b)用绝缘导线4和5将改性区内各钻孔口处固定的阴极电极6和各钻孔底端处放置的阳极电极7分别串联起来，并将其分别接到直流电源1的负极2和正极3上，其直流电源1的输出电压为200V，输出电流为150A，输出功率为2KW;c)在每个钻孔内放置1根内径为8mm，壁厚为2mm的高压注液胶管8，然后用水泥砂浆封孔材料10密封钻孔，密封长度为自阳极电极7与其导线连接点到钻孔口的距离L ；d)通过高压注液胶管8向阳极电极7端注入浓度为Imol -Γ1的CaCl2或AlCl3电解液，接通直流电源1，系统对围岩实施电化学改性，当电流下降到初始电流值的10%时， 结束电化学改性过程；e)最后通过高压注液胶管8向钻孔9中注入质量比为水灰有机硅固含量 30%= 0.8 1 0.1的防渗水泥浆密封钻孔9和围岩，防止改性结束后水再次进入改性区对软岩体的反复侵蚀和弱化，以保持改性效果。实施方式2a)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42mm的钻孔9，钻孔9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宽度0. 8倍，在围岩深部即钻孔底端放置直径为30mm、长度为IOOOmm的棒状铜质阳极电极7，在围岩表面即钻孔口处固定直径为300mm、厚度为30mm中心孔直径为 42mm的圆盘状铜质阴极电极6 ；b)用绝缘导线4和5将改性区内各钻孔口处固定的阴极电极6和各钻孔底端处放置的阳极电极7分别串联起来，并将其分别接到直流电源1的负极2和正极3上，其直流电源1的输出电压为700V，输出电流为500A，输出功率为6KW;c)在每个钻孔内放置1根内径为12mm，壁厚为5mm的高压注液胶管8，然后用水泥砂浆封孔材料10密封钻孔，密封长度为自阳极电极7与其导线连接点到钻孔口的距离L ；d)通过高压注液胶管8向阳极电极7端注入浓度为5mol - Γ1的CaCl2或AlCl3电解液，接通直流电源1，系统对围岩实施电化学改性，当电流下降到初始电流值的20%时， 结束电化学改性过程；e)最后通过高压注液胶管8向钻孔9中注入质量比为水灰有机硅固含量 45%= 1.2 1 0.3的防渗水泥浆密封钻孔9和围岩，防止改性结束后水再次进入改性区对软岩体的反复侵蚀和弱化，以保持改性效果。实施方式3a)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36mm的钻孔9，钻孔9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高度的1倍，在围岩深部即钻孔底端放置直径为25mm、长度为800mm的棒状铜质阳极电极7，在围岩表面即钻孔口处固定直径为250mm、厚度为25mm中心孔直径为36mm的圆盘状铁质阴极电极6 ；b)用绝缘导线4和5将改性区内各钻孔口处固定的阴极电极6和各钻孔底端处放置的阳极电极7分别串联起来，并将其分别接到直流电源1的负极2和正极3上，其直流电源1的输出电压为300V，输出电流为200A，输出功率为3KW;c)在每个钻孔内放置1根内径为10mm，壁厚3mm的高压注液胶管8，然后用水泥砂浆封孔材料10密封钻孔，密封长度为自阳极电极7与其导线连接点到钻孔口的距离L ；d)通过高压注液胶管8向阳极电极7端注入浓度为3mol - Γ1的CaCl2或AlCl3电解液，接通直流电源1，系统对围岩实施电化学改性，当电流下降到初始电流值的15%时， 结束电化学改性过程；e)最后通过高压注液胶管8向钻孔9中注入质量比为水灰有机硅固含量 40%= 1 1 0.2的防渗水泥浆密封钻孔9和围岩，防止改性结束后水再次进入改性区对软岩体的反复侵蚀和弱化，以保持改性效果。
权利要求
1. 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，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^mm 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 IOOOmm的棒状铁质或铜质阳极电极，在围岩表面即钻孔口处固定直径为200mm 300mm、厚度为20mm 30mm中心孔直径为^mm 42mm的圆盘状铁质或铜质阴极电极；II、用绝缘导线将改性区内各钻孔口处固定的阴极电极和各钻孔底端处放置的阳极电极分别串联起来，并将其分别接到直流电源的负极和正极上，其直流电源的输出电压为 200 700V，输出电流为150 500A，输出功率为2 6KW ；III、在每个钻孔内放置1根内径为8mm 12mm，壁厚为2mm 5mm的高压注液胶管，然后用水泥砂浆密封钻孔，密封长度为自阳极电极与其导线连接点到孔口 ；IV、通过高压注液胶管向阳极电极端压入浓度为1 5mol· Γ1的CaCl2或AlCl3电解液，接通直流电源，系统对围岩实施电化学改性。当电流下降到初始电流值的10% 20% 时，结束电化学改性；V、最后通过高压注液胶管向钻孔空间和围岩空隙中注入质量比为水灰有机硅 (固含量30% 45% ) = (0. 8 1. 2) 1 (0. 1 0. 3)的防渗水泥浆，防止改性结束后水再次进入改性区对软岩体的反复侵蚀和弱化，以保持改性效果。
全文摘要
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，具体涉及了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，其具体布置方式是通过钻孔在黏土类软岩巷道围岩深部即钻孔底端处放置阳极电极，在围岩表面即钻孔口处固定阴极电极。通过高压胶管向阳极端注入浓度为1～5mol·l-1的CaCl2或AlCl3电解液，接通直流电源后，电渗方向从围岩深部流向浅部表面，使改性区岩体内的水从围岩深部向浅部电渗排出，具有更快的排水速度、更高的排水率和更好的排水固结效果。有利于巷道围岩变形与应力控制，从而显著地提高了黏土类软岩巷道围岩的长期稳定性。
文档编号E02D3/11GK102562090SQ20111046270
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者刘宁, 康天合, 王政华, 郭卫卫, 陈金明 申请人:太原理工大学