錨注技術在破碎礦柱加固中的應用

秦秀山，陳何，羅先偉，周炳任

（1.北京礦冶研究總院，北京100070；2.廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦，廣西南丹547207）

我國礦產資源整體賦存狀況差，由于受開采條件和技術條件制約，眾多有色金屬礦山均存在大量復雜難采殘留礦體，無法正常回收［1－3］。這些殘留礦石資源回采技術復雜、安全條件差，造成礦產資源的嚴重浪費。

廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦存在大量深部復雜難采殘留礦石無法正常回收［4－5］。為實現殘礦回收，需要在殘留礦石附近的礦柱布置出礦巷道。由于深部開采應力較大，試驗區內的部分礦柱破碎情況嚴重，無法正常掘進出礦巷道，需要對其進行超前加固支護［6］。

錨桿加固和注漿加固這兩種方法在維護巷道圍巖穩定性方面應用都極為普遍，然而它們都有各自的適用范圍，在特殊條件下將不能發揮其加固的有效性［7－9］。

復式錨注加固技術將注漿與錨桿的支護作用有機結合在一起，是維護圍巖穩定性的有效方法［10］。該技術具有注漿加固和錨桿支護的雙重作用，其控制圍巖變形的效果比單獨使用錨桿或者注漿效果要好得多，可以大大提高圍巖的穩定性，擴大注漿和錨固的使用范圍［11］。

開展破碎礦柱超前加固問題的試驗研究，對銅坑礦安全生產具有重要意義。

1 現場注漿試驗

根據現場地質情況調查、注漿加固方案設計、注漿材料性能研究、地表模擬注漿試驗、施工設備以及現場條件，綜合考慮確定適合現場情況的施工計劃、施工方法和管理標準。

1.1 鉆孔設備選擇

采用立柱式潛孔鉆機，配用沖擊器型號為CIR90，該鉆機適合f＝8～16的堅硬巖石，成孔直徑為65～130mm，鉆孔深度為0～30m，使用風壓為0.5～0.7MPa，基本能適應施工要求。

某些特殊地段，巖體極為破碎，無法正常成孔，經常造成卡鉆、塌孔等現象。考慮各種因素，提出采用偏心跟管鉆進成孔工藝。

1.2 注漿設備選擇

選用2TGZ－60／210型雙液調速高壓注漿泵。該泵具有如下幾個獨有特點：

1）注漿泵壓力高，可滿足井下各種不同條件對注漿壓力的要求；

2）柱塞的往復次數有四個速度，可隨意改變排漿量和注漿壓力，能有效擴大漿液的充填半徑，提高注漿效果；

3）輕便靈活，使注漿工藝由繁變簡。

1.3 現場設備布置

現場所需設備及其布置如圖1所示。

圖1 井下試驗現場設備布置圖Fig.1 Equipment arrangement in underground

1.4 注漿孔施工

1）注漿孔采用Φ90mm鉆頭鉆進。當遇巖體極破碎、正常鉆進無法成孔時，采用Φ108mm偏心鉆帶套管鉆進；

2）鉆孔施工時，沿斷面輪廓周邊鉆鑿一圈注漿孔，每個孔孔深均為6m；

3）注漿孔與巷道中心線夾角為30°，根據現場情況，沿設計的巷道輪廓線合理布置；

4）設計注漿試驗一個循環的巷道加固長度為6m。當遇巖體破碎長度較長時，待該循環掘支成巷后，重復上述步驟。

1.5 觀測孔施工

為監測漿液的流動情況以及考察設計參數的合理性，對施工鉆孔進行檢測。

為防止干擾，觀測孔內分別根據孔深下入不同深度塑料管，用于觀察相關位置漿液的到達情況，如圖4所示。

觀測孔布置如圖5所示，圖中N1為注漿孔，G1—G6為觀測孔。

G1—G4孔深依次增大，4個孔與N1孔的距離相同，用于觀察等距條件下不同深度的漿液流動情況。

圖2 注漿孔設計縱剖面圖 ／mmFig.2 Vertical profile of grouting holes design

圖3 注漿孔設計橫斷面圖 ／mmFig.3 Cross－sectional map of grouting holes design

圖4 觀測孔內布置圖Fig.4 Arrangement in observation holes

圖5 觀測孔布置斷面圖Fig.5 Sectional map of observation holes arrangement

G4—G6孔深相同，3個孔距N1孔的距離依次增大。用于觀察等深條件下，漿液擴散半徑隨時間的變化情況。

1.6 井下錨注施工

1）當注漿設備布置好后，在孔內下入2根鋼筋，孔口下注漿管連接件。按設計的漿液配比攪拌好水泥漿和水玻璃漿液做準備。

2）將注漿管推到孔內并擰上孔口螺絲，管路按照設計要求順序連接。先用清水對注漿系統進行測試，確保一定壓力下不爆管、不跑漿。

3）如準備妥當，即可進行高壓注漿。高壓注漿過程中，開始時先使用單液漿，然后用水灰比2∶1的稀漿充填毛細裂隙，使注漿半徑先擴大。

注漿過程中隨時注意觀測孔中的漿液出現情況，并記錄相應時間。

4）當最外圍的觀測孔出現漿液時，改用水灰比為1∶1的濃液注漿，之后按注漿配比加入一定量水玻璃，使水泥加速凝結，達到既能有效加強破碎巖體的強度又能使擴散半徑控制在理想范圍內的目的。

5）當壓力表在低檔注漿下達到3MPa并能穩定一段時間后，即可停止注漿。

2 錨注加固效果評價

測試技術是驗證巖土工程設計合理性和保證施工質量的重要手段。采用聲波測試技術對巖體進行波速測定，通過同一位置巖體波速的變化情況分析錨注加固的效果。

測試所用儀器主要有SY—1聲波測試儀、測試探頭及信號連接線等。通過雙孔孔中測定法進行巖體聲波測試。測試范圍為注漿區段的掌子面，對該巖體在注漿施工前后分別進行了原位巖體波速測試。

1）聲波測試結果分析

現場聲波測試結果如表1所示。

表1 巖體聲波測試結果Table 1 Rock sonic test results

由表1可繪柱狀圖，如圖6。

注漿前巖體波速較小，說明聲波在該巖體中衰減速度較快；而注漿后巖體波速明顯增大，說明其巖體完整性變好。

2）巖體完整程度分析

巖體完整程度的定量指標，采用巖體完整性指數Kv表示。

圖6 注漿前后巖體波速變化Fig.6 Rock wave velocities before and after grouting

Kv值按下式計算：

式中：Vpm——巖體彈性縱波速度，km／s；Vpr——巖石彈性縱波速度，km／s。

巖體完整性指數Kv與定性劃分的巖體完整性程度的對應關系見表2。

表2 Kv與巖體完整程度的對應關系Table 2 Corresponding relationship between Kvand rock mass integrity

本次巖體完整指數，采用與測試巖體對應的地質巖芯的縱波波速測試結果進行計算。計算結果和評價指標見表3。

表3 巖體完整程度評價表Table 3 Assessment form of rock mass integrity

3）測試數據分析

（1）注漿前巖體波速較小，說明聲波在該巖體中衰減速度較快；而注漿后巖體波速明顯增大，說明該巖體完整性變好。

（2）注漿前巖體完整性指數較低，屬于較破碎狀態；而注漿后巖體完整性指數增大、完整性程度變好，屬于完整狀態。

3 結論

1）采用高壓錨注加固支護，能夠提高圍巖的整體性，改善其受力狀態，從而提高圍巖的自承能力和穩定性。

2）每個注漿孔都可獲得3m左右的有效擴散，巷道周圍的錨注孔連起來，則在巷道周圍形成了一個連為整體的灌注樁群，它可以有效地保護巷道的周邊穩定。

3）通過試驗，確定了合理的施工技術參數、錨注加固工藝、加固效果檢測和安全措施等，這對整個工程的施工效果有非常重要的影響。

4）利用SY－1型聲波測試儀等采用超聲波速對比法進行了現場加固效果評價，結果表明對破碎礦柱的高壓錨注加固取得了較好的效果。

綜合分析可知，錨注技術對銅坑礦破碎礦柱的加固具有顯著的效果。

［1］ 吳 徽，王中奎.注漿技術應用及發展［J］.遼寧交通科技，2004（10）：82－84.

［2］ 王杰，杜嘉鴻，陳守庸.注漿技術的發展與展望［J］.沈陽建筑工程學院院報，1997，13（1）：59－64.

［3］ 高大釗.巖土工程的回顧與前瞻［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］ 秦德先，范柱國.銅坑礦92號礦體及其頂板圍巖工程地質調查研究報告［R］.2004.

［5］ 韋方景，陳 何.銅坑礦細脈帶特大事故隱患區環境監測與控制技術［J］.有色金屬（礦山部分），2009，61（4）：62－65.

［6］ 王湖鑫，陳 何，孫忠銘.地下殘礦回收方法研究［J］.礦冶，2008，17（2）：24－26.

［7］ 秦秀山，梁飛林.金竹山礦區軟巖掘進中注漿技術的應用［J］.有色金屬（礦山部分），2010，62（6）：6－8.

［8］ 陳 何，韋方景.銅坑礦細脈帶特大事故隱患區火區治理技術與工程實施［J］.中國礦業，2009（11）：52－55.

［9］ 孫兆明.不穩固巖層中的巷道掘進與支護實踐［J］.有色金屬（礦山部分），2009，61（4）：17－18.

［10］ 王萬秋，梁志榮，史世杰，等.大巷嚴重破壞段圍巖加固技術研究［J］.能源技術與管理，2006（1）：27－28.

［11］ 熊厚金.國際巖土錨固與灌漿新進展［M］.北京：中國建筑工業出版社，1996.