井下不穩(wěn)固地層塌方空區(qū)噴射混凝土充填施工工藝

熊鷹，高坤，何磊

(中國華冶科工集團有限公司,北京 100176)

運輸巷道在礦山生產(chǎn)中承擔著運輸?shù)V石、廢石等重要作用，并且使用時間非常長，在基建階段，運輸巷道又是關(guān)鍵工程，占相當長的施工時間。在施工階段，由于地質(zhì)原因運輸巷道往往要穿過破碎不良地質(zhì)段，施工階段或已施工結(jié)束的巷道經(jīng)常出現(xiàn)頂板冒落甚至塌方的情況[1-3]，為確保施工安全和工程安全，施工中多數(shù)采取鋼拱架支護巷道頂部[4-6]，然后回填充填物料，最后采用噴射混凝土覆蓋鋼拱架，形成聯(lián)合回填支護體。但在充填物料時，施工人員長期處于塌方空區(qū)內(nèi)安全風險較大。

在巴基斯坦杜達鉛鋅礦30m水平運輸巷塌方段鋼拱架支護中，鋼拱架安裝結(jié)束后采取拱架頂部預(yù)留充填管路充填混凝土支護方案，該方案不僅施工速度快，安全也得到了有效保證，且工程質(zhì)量方面無論是實體還是外觀都達到了非常好的效果。

1 工程基本情況

1.1 杜達鉛鋅礦工程地質(zhì)條件

杜達鉛鋅礦位于巴基斯坦俾路支省（Balochistan Province）南部拉斯貝拉（Lasbela）地區(qū)的坎拉杰（Kanraj）谷中，其地理位置為：東經(jīng)66°50′，北緯26°05′。海拔標高約為550m，向南逐漸降低與印度河平原相連，起源于基爾塔爾谷的哈布河流經(jīng)礦區(qū)匯入阿拉伯海。

杜達鉛鋅礦床賦存于產(chǎn)狀近南北向的兩翼不對稱向斜地層中，向斜軸向北北西以30°傾角側(cè)伏，局部為45°，向斜西翼發(fā)育,傾角較陡，約50°～80°。礦化帶投影延展范圍南北方向為1100m，向北尚未封閉；東西寬約200m，分別被DUDDAR斷層和SPINGWAR斷層切斷。礦體埋深在地表以下75m至1000m。中段礦化帶的水平走向長度一般在300～450m之間。

杜達礦區(qū)構(gòu)造極為發(fā)育，有褶皺和相互穿切的斷裂，礦化帶嚴格受構(gòu)造控制。礦體賦存于產(chǎn)狀近南北向的向斜地層中，向斜軸向北傾伏，兩翼不對稱，呈西偏，平均傾角30°，局部為45°，O斷層以北向斜兩翼較為舒緩。礦區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，其主要斷層大致可分為NNE向和NE向兩組。斷層結(jié)構(gòu)面較平整，可見到部分斷層結(jié)構(gòu)面旁有厚約10cm斷層泥。斷層角礫巖帶寬約0.8～1.5m，碎裂巖帶寬約4～8m，在多個斷層均見到灰黑色、黑色炭泥質(zhì)膠結(jié)角礫巖或斷層糜棱巖，其中含較多黃鐵礦結(jié)核或浸染狀黃鐵礦。斷層上盤為JS地層，下盤為JL地層。其上、下盤常發(fā)育有牽引褶曲和羽狀小斷裂。這些斷層構(gòu)造對井巷工程的施工帶來不利影響，導(dǎo)致發(fā)生塌冒的風險較大。

1.2 礦體上下盤賦存條件

根據(jù)礦床賦存特征，礦化區(qū)分為以下三個礦段，即：層狀礦段，網(wǎng)脈狀礦段和層狀網(wǎng)脈狀混合礦段。層狀礦段又分為黃鐵礦帶和鋅礦帶，鋅礦帶位于黃礦鐵帶下方，中間夾有8～10m厚的石灰?guī)r和互層泥巖。黃鐵礦帶80%為黃鐵礦和白鐵礦，由兩層水平厚度為5～10m的高品位層組成，兩層之間夾有厚度小于3m的不含礦脫鈣泥巖。脫鈣泥巖的穩(wěn)固性很差。鋅礦帶平均厚度10～12m，其頂板為8m厚的石灰?guī)r和互層泥巖，其基底為5～10m厚的黃鐵礦化碳質(zhì)不含鈣黑色頁巖。層狀礦帶的頂板包含厚度不等的泥巖和泥質(zhì)石灰?guī)r，即plat3 member。頂板圍巖RQD值40%～90%，Q=2～24。典型的頂板條件為好（即Q=24）。黃鐵礦帶頂板局部為泥巖的地段，穩(wěn)固性較差。礦床向北，網(wǎng)脈礦段取代了層狀礦段。網(wǎng)脈礦段向北側(cè)伏，一直延伸到SPINGWAR和DUDDAR斷層交匯處尖滅,其RQD值為40%～100%，Q=1.3～30，典型的Q值為25，網(wǎng)脈礦的穩(wěn)固性一般為好到很好，但是這種情況隨是否有斷層或者局部是否有脫鈣互層泥巖而變化很大。其頂板為泥巖和泥灰?guī)r。礦體的直接下盤圍巖為Bambh Member(AB)，其主要有灰?guī)r和粉砂巖組成。該巖層的穩(wěn)固性一般比較好。該巖層向下為Loralai Formation，其RQD值為40%～100%，Q=4～19.5，其穩(wěn)固性為一般到好。

根據(jù)DATAMINE 地質(zhì)模型，按照礦體鋅當量品位 6%的邊界品位，圈定礦體之后發(fā)現(xiàn)礦體在沿走向和傾向上都不連續(xù)，而且礦體的形狀變化較大。根據(jù)地質(zhì)模型統(tǒng)計的礦體幾何參數(shù)如下：重晶石礦體厚度變化不大，平均礦體厚度為5.87m，傾角0°～71°，一般在50°以上，平均傾角52.8°，礦體平均走向長度為55m；黃鐵礦體厚度7～15m，平均厚度10.9m，傾角0°～58°，平均傾角34°，礦體平均走向長度為64m；鋅礦體厚度6～30m，平均厚度13.82m，傾角 0°～77°，平均傾角 55°，礦體平均走向長度為63.33m，其中 100m水平以上礦體平均厚度 9.14m，平均傾角 63°；網(wǎng)脈礦體厚度 7～90m，平均厚度 59m，礦體傾角 69°～87°，平均傾角 78°，平均走向長度為60.82m。層狀脈和網(wǎng)狀脈礦石密度分別為 3.50t/m3、3.35t/m3，松散系數(shù)1.65。圍巖密度 2.70t/m3。

1.3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

杜達鉛鋅礦屬干旱少雨地區(qū)，地表水體不發(fā)育，僅有克拉里河以東西方向橫穿礦區(qū)北部。該河為常年性河流，大部分時間水流量較小，約 10～20L/s。雨季時則由涓涓小溪匯成寬 100～150m 的大河，平均水深 2～3m。凹槽洼地水深可達 10m 以上。

礦區(qū)地表有克拉里河從礦區(qū)北部流過，該河為常年性河流，暴雨時河水短時間內(nèi)上漲，區(qū)內(nèi)大氣降水年最大量247mm。礦區(qū)的構(gòu)造斷層發(fā)育，根據(jù)斷層性質(zhì)判斷，其南北向的斷層多為壓性或壓扭性斷裂，理論上講，屬于隔水或阻水的，其東西向斷層多為張性的，一般為導(dǎo)水或含水的。從礦區(qū)地下水承壓狀態(tài)和壓力水頭分布分析，在空間上存在多個地下水單元，據(jù)分析這種地下水單元分區(qū)應(yīng)呈南北向分布，即由于南北向斷層的隔水性決定的。

杜達礦床被很多大小斷層所切割，風化層深度一般為15～20m。由于受斷層的影響，其開采技術(shù)條件變化較大。鉆探顯示個別地帶有較高的承壓水，可以認為大的斷層均為含水層。一些斷裂構(gòu)造帶可成為含水構(gòu)造帶，形成條帶狀富水區(qū)。水文地質(zhì)測繪結(jié)果表明，本礦區(qū)內(nèi)Fspingwar和Duddar Thrust 斷層屬于富水條件較好的斷裂構(gòu)造。Fspingwar斜貫礦區(qū)，規(guī)模較大，其上、下盤分別為JS、JL鈣質(zhì)細砂巖、石英砂巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，均為堅硬、性脆的巖石，故在斷層活動時形成了較寬的碎裂巖帶和角礫巖帶，裂隙發(fā)育，有利于地下水賦存和活動。裂隙水對穿越構(gòu)造帶的井巷工程帶來不利的影響，將進一步加劇井巷塌冒區(qū)的發(fā)展。

1.4 巷道冒落區(qū)治理工程概況

杜達鉛鋅礦采用豎井+斜井聯(lián)合開拓。以 100m 水平為分界線，采用上下兩個采區(qū)同時開采，上部采區(qū)包括400m、300m、200m 和 100m 中段，下部采區(qū)包括 0m、-100m、-200m 和-300m 中段。下部采區(qū)0m中段包含86m、72m、58m、44m、30m、15m共6個水平沿脈運輸巷一般布置在離礦體50～60m的下盤巖層內(nèi)，以灰?guī)r和泥灰?guī)r為主，巖層走向與巷道方向基本相同，巖層一般較陡，傾角60°-75°。灰?guī)r硬度較高，f系數(shù)一般為8-12。巖層內(nèi)節(jié)理、裂隙均較發(fā)育，一般被不同程度的泥質(zhì)或方解石充填。裂隙內(nèi)含不同程度的裂隙水，巖層遇水易沿層理面或裂隙面滑落，加大冒頂、片幫風險。現(xiàn)58m、44m、30m、15m水平沿脈運輸巷已施工完成，施工中全部采用錨網(wǎng)噴支護，錨桿長度為2000mm，φ18螺紋鋼，采用水泥藥卷錨固，排間距800×800mm，網(wǎng)片網(wǎng)度為100×100mm，尺寸規(guī)格1000×2000mm，網(wǎng)片鋼筋直徑φ=6mm，噴射混凝土支護厚度100mm，強度C25。因構(gòu)造帶及巖層裂隙水影響，30m水平沿脈運輸巷部分段在掘進成巷后頂板發(fā)生冒落，冒落段長度10～12m、高度6～8m。該巷道為30m分段回采主要運輸通道，需進行治理恢復(fù)。

2 施工方案設(shè)計

杜達鉛鋅礦30m水平運輸巷塌方段支護設(shè)計采用鋼拱架配合噴漿機充填混凝土支護。鋼拱架安裝結(jié)束拱架頂部預(yù)留充填管和觀察管，封閉拱架后利用噴漿機連接充填管路對塌方空區(qū)進行混凝土充填，直至塌方空區(qū)頂部觀察管流出混凝土后充填結(jié)束，充填示意圖如圖 1 所示。

圖1 充填示意圖

3 施工工藝流程

首先對塌方段巷道中腰線進行標定[7]，根據(jù)巷道中腰線進行鋼拱架安裝，拱架安裝完畢后在塌方空區(qū)頂部預(yù)留2根混凝土充填管（1根兼做觀察管及排氣管），同時在塌方空區(qū)兩端中部預(yù)留2兩根觀察管，隨后封閉拱架。在塌方空區(qū)3m外安裝噴漿機，連接充填管路，利用混凝土運輸車將混凝土料運送至噴漿機，對塌方空區(qū)進行混凝土充填，空區(qū)兩端觀察管流出混凝土后及時進行封堵，繼續(xù)充填直至塌方空區(qū)頂部觀察管流出混凝土后充填結(jié)束，施工工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 施工工藝流程圖

4 施工工藝要點

4.1 鋼拱架安裝

測量技術(shù)人員在鋼拱架安裝施工前對巷道中腰線進行復(fù)核，保證控制線準確、可靠。鋼拱架安裝前對每架拱架進行規(guī)格、表面平整度檢查，確保符合要求，拱架上標記錨桿眼的位置及角度，滿足設(shè)備安裝時的使用要求。現(xiàn)場使用的原材料必須有材質(zhì)證明或是復(fù)檢報告，各種成品、半成品必須有合格證，無證材料嚴禁進場。

依據(jù)巷道中腰線進行鋼拱架架設(shè)，清理巷道至硬底達到設(shè)計標高，鋪設(shè)拱架底部槽鋼，按照拱架間距500mm安裝拱架腿，調(diào)整拱架凈斷面尺寸使其滿足巷道支護設(shè)計要求，焊接拱架腿和槽鋼使拱架鋼形成一個整體。架腿橫向施工錨桿煒彎焊接固定，每根架腿施工4根間距700mm，架腿中部和上部焊接槽鋼加固，安裝拱架頂采用螺栓與架腿連接。拱架縱向采用螺紋鋼焊接間距500mm。拱架水平允許偏差≤40mm，拱架間距允許偏差±50mm，架腿斜度允許偏差≤1°。

4.2 鋼拱架封閉和充填管路安裝

鋼拱架頂部安裝充填管路，管路采用3寸鋼管，共安裝4根，分別為2根充填管（1根兼做觀察管及排氣管）和2根觀察管，觀察管安裝在塌方空區(qū)兩端中部，充填管安裝在塌方空區(qū)頂部，管路頂端位置依據(jù)巷道塌方高度而定，保證充填能夠接頂，管路頂部煒彎防止落石堵塞管路，下部外露500mm連接噴漿管。拱架頂部封閉采用鋼模板，兩墻采用雙層鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土鋪蓋防止充填時漏漿。

4.3 拱架頂部混凝土充填

利用混凝土運輸車運送混凝土料至塌方段，塌方空區(qū)3m外安裝噴漿機，噴漿管連接拱架下部外露充填管路，進行頂部混凝土充填，充填時分層充填防止一次充填壓力過大導(dǎo)致拱架變形，首層充填厚度為1000mm，待混凝土強度達到設(shè)計要求后繼續(xù)進行充填[8-9]，當塌方空區(qū)兩端中部觀察管流出混凝土時表示混凝土料已均勻充填至塌方空區(qū)端部，對兩端觀察管進行封堵后繼續(xù)充填，直至頂部觀察管路混凝土流出表示充填已接頂，結(jié)束充填并對頂部管路做好封堵。

圖3 管路安裝

圖4 拱架封閉

5 應(yīng)用效果分析

采用噴漿機充填噴射混凝土施工方法與人工充填物普通法相比較，有如下特點：機械化程度非常高，達到了快速施工，安全得到了有效保證，工程質(zhì)量達到了內(nèi)實外美，而且大大降低了施工成本，減少勞動強度，具有明顯的經(jīng)濟效益。

依巴基斯坦杜達鉛鋅礦30m水平運輸巷塌方段鋼拱架支護為例，分別對人工充填物普通法和噴漿機充填噴射混凝土施工方法進行直接經(jīng)濟效益計算。運輸巷塌方段長度10m、鋼拱架頂部空區(qū)高度8m、寬度3.4m。

采用人工充填物普通法支護施工。需用工期10天，其中鋼拱架安裝4天，人工充填6天。每天用6人，需用60個日工，每個日工900元。需用人工費：60×900=54000元。鋼拱架材料、加工制作及安裝費預(yù)計32000元。充填體積272m3、充填物1300元/m3，充填材料費用為272×1300=353600元。采用人工充填物普通法支護施工費用共計：54000+32000+353600=439600元。

采用噴漿機充填噴射混凝土施工方法。需用工期7天，其中鋼拱架安裝4天，混凝土充填3天。每天用6人，需用42個日工，每個日工900元，需用人工費：42×900=37800元。鋼拱架材料、加工制作及安裝費預(yù)計32000元。充填體積272m3、混凝土400元/m3，充填材料費用為272×400=108800元。噴漿機、鏟運機，每臺班530元，共3個臺班，機械費用為3×530=1590元。采用噴漿機充填噴射混凝土施工方法所需費用共計：37800+32000+108800+1590=180190元。

由此可得使用噴漿機充填噴射混凝土施工方法比人工充填物普通法節(jié)約成本：439600-180190=259410元。

6 結(jié)語

針對巴基斯坦杜達鉛鋅礦30m水平運輸巷遇破碎不良地質(zhì)段頂板塌方現(xiàn)象，通過對巷道進行鋼拱架安裝拱架頂部預(yù)留充填管路快速充填混凝土支護后，保證了空區(qū)充填密實，大大提高了塌方空區(qū)頂板的穩(wěn)定性。同時，在支護施工過程中，通過機械化配套作業(yè)，不僅極大的提高了充填工作效率，降低了施工成本，還減少了施工人員在塌方空區(qū)工作時間，降低了人員安全風險，保證了巷道施工生產(chǎn)安全，為其他類似地質(zhì)條件巷道支護提供借鑒。