某深部高壓軟巖巷道強(qiáng)化組合支護(hù)實踐

方自生

(蕪湖文武玄武巖礦業(yè)有限公司)

戴家匯銅礦地面標(biāo)高為+140 m，在井下-190 m 中段施工時，有段65 m長的巷道要穿過寬約60 m的F1斷層。該斷層為壓扭復(fù)合斷層，受牽引力作用,斷層沿走向、傾向收縮,膨脹明顯。斷層中充填角礫巖，膠結(jié)物為硅質(zhì)、泥質(zhì)、鐵質(zhì)，高嶺土化嚴(yán)重。總體巖性較差，巖體強(qiáng)度低，裂隙較發(fā)育，完整性不好，易膨脹黏土質(zhì)成分含量高。巷道平均允許暴露時間為8～11 h，巷道掘進(jìn)后松動圈半徑較大，變形持續(xù)時間長。掘進(jìn)過程中實測涌水量為30～400 m3/h。前期按照傳統(tǒng)支護(hù)方法施工20 m巷道后，工作面探水孔出水，水量約30 m3/h，采取2.5 m 厚止?jié){墻封堵，進(jìn)行了2.5個月的注漿治水工作；注漿治水期間巷道兩幫變形開裂，收縮量基本在400～500 mm，維修支護(hù)后主要變形在底鼓，底鼓量為600 mm 左右，中間噴層開裂嚴(yán)重，拱形頂板基本成為平頂。

由于治水效果差，礦山擬變更方案，該迎頭一直停工7個月，期間觀測變形趨緩。后經(jīng)多方論證，變更設(shè)計未能成行，仍按原設(shè)計施工。該段巷道埋深大，距地面330 m，凈斷面為2.6 m×2.5 m(三心拱)，為礦井主要回風(fēng)巷道，服務(wù)年限相對較長，對變形控制要求高，急需解決此類高壓軟巖巷道長期穩(wěn)定性問題。

1 工程地質(zhì)及水文概況

戴家匯銅礦為接觸交代矽卡巖型銅礦，礦體主要賦存于花崗閃長斑巖與圍巖接觸帶矽卡巖中，與石炭系黃龍組、船山組灰?guī)r接觸處。礦體較厚，品位較好。礦石及頂?shù)装鍘r石為塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖以層狀結(jié)構(gòu)為特點。受F1斷裂節(jié)理裂隙及地下水的影響，巖石常有軟弱夾層，易于膨脹，且具有強(qiáng)高嶺土化、綠泥石化巖(礦)石穩(wěn)固性較差，井巷開拓時易產(chǎn)生片幫、冒頂?shù)炔涣棘F(xiàn)象，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

由于本礦床各含水層受F1斷裂帶影響，地層出露不全，礦床主要含水層為碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、溶洞水，其次為構(gòu)造裂隙水，碳酸鹽巖含水層與構(gòu)造裂隙水有水力聯(lián)系。F1斷裂帶聯(lián)系礦體上部各含水組，又是主要的控礦斷層，開采時采場會受到上部各含水組涌水的影響。根據(jù)地質(zhì)資料，預(yù)測-190 m水平正常涌水量為7 000 m3/d，最大涌水量為12 000 m3/d，屬大水礦山，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

2 強(qiáng)化組合支護(hù)技術(shù)體系

強(qiáng)化錨桿及配套支護(hù)手段包括提高鋼筋網(wǎng)、托板等支護(hù)材料的剛度，與錨桿、錨索承載性能匹配，強(qiáng)化組合支護(hù)系統(tǒng)整體強(qiáng)度[1]。除了采用組合支護(hù)外，輔助以高強(qiáng)并具有一定韌性的鋼纖維混凝土噴層，并在靠近巷道表面200～500 mm的破裂圍巖內(nèi)注入水泥漿液，對巷道表面、破裂松動巖體進(jìn)行有效修復(fù)與固結(jié)，改善圍巖完整性，提高圍巖強(qiáng)度；注漿與錨桿統(tǒng)一起來實現(xiàn)錨注一體化，提高巖體變形剛度[2]。

3 支護(hù)方案設(shè)計

穿越F1斷層的-190 m主要回風(fēng)巷道為三心拱，凈斷面為2.6 m×2.5 m，斷面積為6.02 m2，支護(hù)厚度為0.1 m。該類型的拱頂受力薄弱點在大圓弧和小圓弧的接點處，因此，將實際施工斷面形狀設(shè)計為直墻半圓拱，墻高1.2 m，拱高1.3 m，支護(hù)厚度為0.1 m，斷面積為5.77 m2。

頂板采用錨網(wǎng)+錨索+噴鋼纖維聯(lián)合支護(hù)，幫板采用錨網(wǎng)+噴鋼纖維聯(lián)合支護(hù)，底板采用厚度為400 mm雙層鋼筋混凝土澆底；特殊地段(破裂松動巖體)采用自固式注漿錨桿修復(fù)與固結(jié)圍巖。

4 施工過程

4.1 錨桿安設(shè)

頂、幫錨桿均邊掘邊錨,先打頂錨，再打幫錨。頂錨桿孔深1 630 mm,采用YT-28型氣腿式鉆機(jī)，φ30 mm金剛石復(fù)合片鉆頭。采用φ18 mm×1 500 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為600 mm×600 mm；頂錨桿角度不小于75°，遇裂隙時盡量要與裂隙面垂直布置，錨桿外露長度為30～50 mm；錨固力頂錨不小于64 kN。

幫錨桿孔深1 260～1 280 mm，采用YT-28型氣腿式鉆機(jī)，φ28 mm金剛石復(fù)合片鉆頭。采用φ16 mm×1 200 mm螺紋鋼錨桿，至頂板向下300 mm處按間排距600 mm×600 mm平行布置，切眼至頂板向下200 mm處按間排距600 mm×600 mm 平行布置；幫錨桿要垂直巷幫布置，托板要垂直于頂?shù)装澹^桿外露長度為30～50 mm；錨固力不小于50 kN。

頂、幫錨桿均使用樹脂錨固劑，每孔使用一卷，啟動攪拌器，錨桿邊旋轉(zhuǎn)邊勻速推到孔底，攪拌15～20 s，等待90～180 s卸下攪拌器，上托板，擰緊螺母。錨桿間排距誤差不得超過±0.1 m。

頂板不穩(wěn)定段及巷道兩幫擠壓變形過大等特殊情況需調(diào)整支護(hù)形式和制定相關(guān)安全措施。

4.2 金屬網(wǎng)鋪設(shè)

每班工作面(斷面達(dá)不到設(shè)計要求的進(jìn)行擴(kuò)幫挑頂)放完炮進(jìn)行敲幫問頂，處理浮石,及時清理工作面。先定中間頂部一根錨桿的孔位,用YT-28型氣腿式鉆機(jī)打孔，將金屬網(wǎng)及錨桿同時安裝到位，上好托盤并用錨桿機(jī)擰緊螺母(扭矩不低于90 N·m),直到擰不動為止,使托盤緊貼巖面,起到臨時支護(hù)的作用。采用網(wǎng)格為50 mm的礦用方形金屬網(wǎng)，規(guī)格為2.5 m×1.2 m。頂網(wǎng)長邊垂直巷道中線鋪設(shè),幫網(wǎng)長邊沿巷道走向鋪設(shè)，網(wǎng)片搭接不少于10 cm，并用16#雙股鉛絲每隔15 cm將網(wǎng)相連，且擰緊不少于3圈。

4.3 錨索支護(hù)

錨索眼深5.5 m，使用YT-29型氣腿鑿巖機(jī)，打眼前先送水后開鉆，推進(jìn)時用力均勻。采用φ15.24 mm×5 000 mm鋼絞線錨索，頂板正常段錨索至巷中按間排距1 600 mm×2 000 mm布置；遇地質(zhì)構(gòu)造頂板不穩(wěn)定時，采用全錨索支護(hù)，錨索間排距為800 mm×1 000 mm；遇地質(zhì)構(gòu)造帶，采用槽鋼錨索支護(hù)，錨索間排距為600 mm×600 mm；特殊地段應(yīng)制定相應(yīng)措施解決。每孔使用2卷S2360錨固劑；錨索外露長度從索具算起不大于350 mm；采用OVM15型單體錨具，錨索承載能力應(yīng)在230 kN以上，張拉預(yù)應(yīng)力為95 kN。

4.4 噴漿施工

在錨桿(索)掛網(wǎng)作業(yè)完成后，進(jìn)行噴漿作業(yè)。噴射混凝土材料在井口用攪拌機(jī)拌合，通過礦車運輸?shù)焦ぷ髅妫扇斯ど狭线M(jìn)行噴漿作業(yè)。混凝土按照1∶2∶2(水泥∶黃沙∶石子)配置，并通過試塊強(qiáng)度驗證；速凝劑的摻入量嚴(yán)格按照配合比控制，材質(zhì)符合有關(guān)規(guī)定；采用HPC-V型潮式噴射機(jī)濕式噴射。

噴射作業(yè)前，撬凈工作面浮石，潤濕受噴面，處理受噴面的滴水和淋水，埋設(shè)控制噴射混凝土厚度的標(biāo)志點。作業(yè)人員配戴密封防護(hù)眼鏡。嚴(yán)格控制好速凝劑的摻量，使噴層表面平整、濕潤、光澤，無干斑或滑移流淌現(xiàn)象。調(diào)整好風(fēng)壓，噴頭距工作面0.8～1.2 m為宜，并隨時調(diào)整噴射角度，有效控制回彈率。回彈物不得重新用作噴射混凝土材料，以免影響噴射混凝土質(zhì)量。噴層厚100 mm，采用分層噴射作業(yè)，墻部厚50～80 mm，拱部厚30～60 mm；下一層噴射應(yīng)在前一層混凝土終凝后進(jìn)行，當(dāng)間隔超過2 h，先噴水濕潤混凝土表面。隨時檢測噴層厚度，確保混凝土達(dá)到設(shè)計厚度，厚度不達(dá)標(biāo)的進(jìn)行二次復(fù)噴。補(bǔ)噴或復(fù)噴混凝土之前用高壓風(fēng)清理混凝土表面的浮塵。噴射混凝土在終凝1～2 h后灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)水同攪拌用水，養(yǎng)護(hù)時間不小于7 d。

4.5 底板控制

底板采用400 mm厚雙層鋼筋混凝土澆筑，混凝土標(biāo)號不低于C25；鋼筋采用φ20 mm HRB400螺紋鋼筋，特殊地段(破裂松動巖體)采用自固式注漿錨桿加固底板，形成反拱結(jié)構(gòu)，反拱半徑為3 300 mm，反拱最大深度為400 mm。

4.6 注漿工作

上述工作完成后，特殊地質(zhì)帶采用自固式注漿錨桿進(jìn)行修復(fù)與加固。采用YT-29型鉆機(jī)鉆孔，孔深1.5～3 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm，采用2TGZ-60/210型雙液調(diào)速注漿泵注漿。預(yù)埋固結(jié)孔口管，各鉆孔注漿前做壓水實驗，壓力達(dá)到1 MPa并持續(xù)0.5～3 h后進(jìn)行注漿，終壓最低控制在3 MPa。采用3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1配比水泥漿液，吸漿量少且注漿壓力高時，采用混合黏土漿液或化學(xué)漿液。強(qiáng)化組合支護(hù)示意見圖1。

圖1 強(qiáng)化組合支護(hù)示意(單位：mm)

4.7 施工中的注意事項

(1)巷道交叉口均采用錨桿、金屬網(wǎng)、錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，大型牛鼻子處采用錨索+槽鋼鋼帶2～3排進(jìn)行鎖口，排距為1 m。

(2)根據(jù)頂板情況，在破碎頂板或壓力大時，適當(dāng)加密錨索，加密補(bǔ)打幫錨桿。

(3)交叉點網(wǎng)要連接合理，幫錨桿要垂直巖壁，抹角處控頂距超過30 cm時要補(bǔ)打錨桿。

5 變形監(jiān)測

5.1 觀測儀器及方法

巷道每向前施工30 m安設(shè)一臺LBY-3型頂板沉降觀測儀，不少于3臺；使用錨桿(索)拉力計分別拉拔50根錨桿、20根錨索。

5.2 傳統(tǒng)支護(hù)巷道位移觀測

傳統(tǒng)支護(hù)巷道圍巖的變形曲線見圖2。

圖2 傳統(tǒng)支護(hù)圍巖移近變化曲線

探水孔出水前施工20 m巷道，7 d后鋼筋混凝土巷道出現(xiàn)明顯裂紋、掉塊、起層、變形；在以后的1.5個月內(nèi)，頂板下沉速度和兩幫相對移近速度表現(xiàn)十分明顯，傳統(tǒng)支護(hù)幾乎全部破壞、失穩(wěn)；半年后，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于深部圍巖具有蠕變特性，巷道仍保持一定的變形速度；經(jīng)多次測量統(tǒng)計，巷道頂?shù)鬃畲笠平繛?70 mm，兩幫最大移近量為470 mm。

5.3 強(qiáng)化組合支護(hù)巷道位移觀測

依照強(qiáng)化組合支護(hù)技術(shù)方案，對已破壞的巷道進(jìn)行修復(fù)，巷道圍巖變形見圖3。

圖3 強(qiáng)化組合支護(hù)圍巖移近變化曲線

在開始半個月內(nèi)，巷道頂?shù)装逑鄬σ平坷塾嫗?2 mm，兩幫相對移近量累計為54 mm，均處于可控制范圍內(nèi)；通過后期4個月的連續(xù)跟蹤觀察，頂?shù)装濉蓭拖鄬σ平呌诜€(wěn)定，兩幫及頂?shù)装逑鄬σ平繋缀蹯o止不變。巷道變形得到有效控制，整體支護(hù)狀況良好，尤其在采用錨索強(qiáng)化支護(hù)的地段。該條巷道目前已使用7 a，至今沒有出現(xiàn)裂紋、掉塊、起層、變形等現(xiàn)象。

5.4 錨桿(索)拉力觀察

50根錨桿的拉力均大于66 kN(設(shè)計拉力為64 kN)；19根錨索的拉力均大于235 kN(設(shè)計拉力為230 kN)，只有1根錨索拉力為175 kN,總體達(dá)到了預(yù)期要求。

6 結(jié) 語

(1)在深部高壓軟巖條圍件下，傳統(tǒng)支護(hù)體系承載能力不足以抗衡高地壓軟巖強(qiáng)烈的地壓突出，致使巷道嚴(yán)重變形，維護(hù)困難。

(2)采用強(qiáng)化組合支護(hù)方案，對巷道變形控制效果較好，巷道經(jīng)受了圍巖蠕變、巖體風(fēng)化影響的考驗，技術(shù)上安全可靠，經(jīng)濟(jì)上合理。

(3)強(qiáng)化錨桿及配套支護(hù)手段提高巷道淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，破裂圍巖注漿加固提高強(qiáng)度[2]，較好解決了高地壓軟巖巷道的大變形失穩(wěn)問題，對同類巷道的支護(hù)設(shè)計具有借鑒作用。