高應力破碎巷道錨注補強支護技術*

周 亮，劉曉輝，王貽明，胡文達

(1.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京 100083;2.中色非洲礦業(yè)有限公司，基特韋 贊比亞)

1 引言

贊比亞謙比希銅礦隸屬于中國有色金屬集團非洲礦業(yè)有限公司(NFCA)，其主要由西礦體、主礦體、東南礦體及下盤礦體4個礦床組成，目前生產(chǎn)能力達130萬t/a，平均品位1.8%，年產(chǎn)銅金屬約為2.5萬t[1]。其中，主礦體目前已開采至地下800余米，對于700ml～900ml之間的深部資源，主要采用分段嗣后充填采礦法進行回采。回采過程中，由于礦體埋深較大，受高地應力和開采工藝的影響，巷道掘出后其圍巖產(chǎn)生嚴重的應力集中問題，造成下盤脈外分段巷道片幫及垮冒現(xiàn)象頻發(fā)，已嚴重威脅井下人員設備的安全。因此，對分段巷道的二次補強支護成為亟待解決的問題。

2 工程背景

主礦體深部主要采用下向深孔分段嗣后充填采礦法進行回采，采場分段高33m，長20m，寬度根據(jù)礦體厚度變化，一般為6～8m。分段運輸巷道布置于礦體下盤的長石石英巖及泥質(zhì)石英巖中，工程地質(zhì)調(diào)查結果顯示:該巖體完整性較差，穩(wěn)定性分級為中等[2]，分段巷道規(guī)格為4m×4m。根據(jù)開采設計要求，礦石回采結束后，應立即利用進行廢石充填，但在實際生產(chǎn)過程中，由于井下廢石溜井系統(tǒng)不太完善，常常造成充填不及時，加之廢石充填體的接頂效果較差，從而導致空區(qū)暴露時間過長，造成圍巖應力集中，巷道破壞及片幫現(xiàn)象嚴重，如圖1所示。分段巷原采用長為1.8m的管縫錨桿進行支護，間排距為1.5m×2m，從對支護后巖體的破壞調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖石主要是發(fā)生松動破壞，即在支護之后，由于節(jié)理裂隙切割巖體，爆破震動以及自重的影響，在錨桿周圍出現(xiàn)松散破壞，造成絕大部分錨桿出現(xiàn)“懸掛”在巖體表面的現(xiàn)象，如圖2所示。隨著回采活動加劇，巷道松動圈進一步擴大，巷道片幫、垮冒的頻次及規(guī)模都愈發(fā)嚴重，成為井下生產(chǎn)安全的嚴重隱患。

圖1 分段巷應力集中

圖2 片幫嚴重

3 錨注支護機理

經(jīng)過分析論證，提出采用錨注支護技術對分段巷道進行二次加固。即利用高強度螺紋鋼錨桿對巷道進行錨固，同時通過注漿機具，將水泥漿經(jīng)鉆孔壓入、擴散到破碎巖體裂隙內(nèi)，從而提高圍巖整體性。其作用如下[3－5]:

(1)根據(jù)組合拱原理，錨注支護使圍巖形成一個松散的組合拱并允許其有一定的變形，再通過對圍巖的注漿加固獲取足夠的巖體強度來抗抵圍巖的變形，達到巷道圍巖的穩(wěn)定。

(2)注漿加固改善了巖體的力學性態(tài)，提高了巖體的黏結力和內(nèi)摩擦角，增加了巖體的強度和完整性，有效地改善應力分布狀況，使較高應力向深部轉移，緩解了應力集中;同時，也改善了工程巖體的水理環(huán)境和為補強支護創(chuàng)造較好的錨固環(huán)境，使巷道的維護環(huán)境大為改觀。

(3)利用漿液封堵圍巖裂隙，隔絕空氣，防止圍巖風化，且能防止灌漿水對錨固區(qū)的浸入。

4 支護參數(shù)

4.1 錨桿長度

砂漿錨桿采用高強度螺紋鋼，直徑為Φ20mm，鉆孔為 Φ37mm，托盤用 A3碟形鋼板，尺寸大于120mm×120mm×6mm。錨桿長度通常按下式計算[6]:

式中:L1－錨桿外露長度，其值主要取決于錨桿類型及錨固方式，一般L1=0.1m;L2－錨桿錨固段長度，一般端錨時 L3=0.3～0.4m，由拉拔試驗確定，當圍巖松軟時，L3還應加大，本文取0.4m。L3－錨桿的有效長度，可由普氏冒落拱理論確定。根據(jù)普氏冒落拱理論，在松散介質(zhì)中開挖巷道后，其上方會形成一個拋物線形自然平衡拱，該平衡拱曲線上方的地層處于自平衡狀態(tài)，其下方是潛在的破裂范圍。該理論將平衡拱內(nèi)的圍巖作為支護對象，支護荷載只是冒落拱內(nèi)的巖石重量，即有效長度L2應大于冒落拱高度h，其可由式(2)進行計算:

如圖1所示，令巷道寬為2b1，高為h0，冒落形成的壓力拱跨度為2b2，拱高為h，根據(jù)普氏壓力拱理論，則有

式中:φk－巖石內(nèi)摩擦角，°;f－圍巖堅固性系數(shù)，其值由式(3)進行計算。根據(jù)工程揭露情況，分段巷主要布置于下盤泥質(zhì)石英巖中，根據(jù)大量試驗統(tǒng)計結果及現(xiàn)場實際情況，有fk=3，2b1=4m，h0=4m，φk=19.2°。則計算巷道潛在的冒落拱 h 為1.61m，即 L2=1.61m ，由式(1)計算得 L=2.11m，因此設計砂漿錨桿長度為2.1m。

4.2 注漿參數(shù)

①注漿壓力

注漿壓力是漿液在圍巖中擴散的動力，直接影響了注漿加固的效果[7]。注漿壓力的大小受圍巖性質(zhì)、滲透條件、漿液的流動力學性質(zhì)、滲透范圍和注漿方式等因素的影響和制約。注漿壓力過小，漿液難以向圍巖中擴散，達不到預期的效果;如果注漿壓力過大，有可能致裂圍巖，尤其是在強度較低的圍巖中注漿時，要防止注漿破壞圍巖。參照以往類似工程，注漿終壓確定為1～1.5MPa。

②漿液擴散半徑的估算

漿液的擴散半徑是確定注漿孔布置和孔深的重要依據(jù)。影響擴散半徑大小的因素很多，但主要取決于注漿壓力、圍巖力學性質(zhì)、裂隙密度及開度、漿液的流動力學參數(shù)及初凝時間等[8]。參照類似工程，取漿液擴散半徑為1.5m。

③注漿量估算

由于圍巖的裂隙發(fā)育程度、圍巖松動程度和巖體結構的差異，單位體積圍巖的注漿量差別也比較大。從保證巷道圍巖裂隙被充填密實的角度出發(fā)，原則上注到不吃漿為止[9，10]。但為了節(jié)省經(jīng)濟開支和確保注漿加固的效果，注漿量的初步估算可用公式:

式中:Q－平均彈孔注漿量，kg;A－漿液的損耗系數(shù)，取1.02;R－漿液有效擴散半徑，取1.5m;H－注漿段長度，取2.0m;n－孔隙率，取1.0%;B－漿液充填系數(shù)，取0.9;k－平均重復注漿系數(shù)，取1.2;M－漿液密度，取1200kg/m3。由以上計算得單孔注漿量Q約為130kg。

4.3 支護方案及施工工藝

根據(jù)以上計算結果，設計如下支護方案:砂漿錨桿長度為2.1m，排距為3m，每排4根錨桿，單孔注漿量為130kg，注漿壓力為3MPa。鉆孔采用Boomer281鑿巖臺車進行打眼，且鉆孔宜垂直裂隙面，間距應小于每孔的擴散半徑。施工前，現(xiàn)場要敲幫問頂，排出巷道幫壁上的浮石后再打眼施工。

注漿采用該礦自行改造的支護服務車，其配備有GSV40B變量灌漿泵，可同時進行砂漿的攪拌及注漿，注漿壓力為1.0～2.0MPa，如圖4所示。注漿液由標號為325的普通硅酸鹽水泥、水及細砂混合組成，水灰比為0.4 ～0.45，灰砂比為1∶1 ～1∶1.5。注漿壓力保持在1～1.2MPa，最大不超過1.5MPa。注漿過程中應密切關注泵的壓力和吸漿量的變化，保證漿液不吸空，壓力較高時可暫停一會兒再注。當注漿孔不進漿時，停止注漿，注完漿后，注漿泵、管路及閥門等要徹底沖洗干凈。封孔采用軟木塞套在錨桿上，然后纏上廢舊編織袋，將其與錨桿一起伸入注漿孔內(nèi)，在孔口用工具將軟木塞楔牢，并加上錨桿托盤，如圖4所示。對于局部頂板穩(wěn)定性極差的區(qū)域，采用長為4.5m的注漿錨索進行支護，進一步確保巷道的穩(wěn)定性。

圖4 “一體化”注漿服務車

圖5 注漿錨桿

5 支護效果

通過對巷道圍巖進行注漿加固，巖體的完整性得到改善，強度大幅提高，由此給錨桿提供了堅實的著力基礎，充分發(fā)揮了其錨固作用，支護效果如圖6所示。現(xiàn)場調(diào)查顯示:錨注加固技術有效抑制了分段巷道的片幫現(xiàn)象，巷道穩(wěn)定性得到了明顯改善。

圖6 支護效果

6 結論

(1)利用錨注支護方法加固分段巷道圍巖，系統(tǒng)簡單，施工方便，技術上可行，經(jīng)濟上合理。

(2)注漿材料的選取極為關鍵，應嚴格控制各組分的配比要求，保證漿液的粘稠性。同時，注漿壓力的選擇也至關重要，壓力過低不利于注漿效果，過高則會導致松散巖體更加破碎。合理的施工工藝能夠確保巷道加固效果。

(3)錨注支護技術大幅提高了圍巖強度，控制了破碎巷道的片幫問題，是改善高應力破碎巷道穩(wěn)定性的有效途徑，具有廣闊的推廣應用前景。

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