深井高應力破碎巖體支護技術研究與應用

劉允秋 肖益蓋 李同鵬 武 飛 陸玉根 曹 帥李正燦 姜培根 曲發科

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.中鋼集團南京華忻科技有限公司,江蘇 南京 211106;3.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116;4.北京科技大學土木與資源工程學院,北京100083;5.山東黃金礦業(鑫匯)有限公司,山東 青島 266700;6.福建省政和縣源鑫礦業有限公司,福建 南平 353600)

目前我國金屬礦和煤礦的開采深度正以每年8～12 m的速度增加,經過持續開采,淺部礦產資源部分已枯竭,正向全面深部進軍。根據相關統計,金屬礦采深達到或超過1000 m的礦山有夾皮溝金礦(1 500 m)、紅透山銅礦(1 600 m)、思山嶺鐵礦(1 506 m)、三山島金礦(2 300 m)、鑫匯金礦(1 100 m)、磁西鐵礦(1 350 m)、釜鑫金礦(1 500 m)、程潮鐵礦(1 160 m)、冬瓜山銅金礦(1 100 m)、阿舍勒銅礦(1 242m)、會澤鉛鋅礦(1 526m)等。地下開采煤礦有采屯礦、趙各莊礦、張小樓礦、冠山礦、孫村礦、門頭溝礦等的開采深度均已超過1 000m。進入深部開采以后,硬巖礦山面臨的巖爆問題、破碎圍巖礦山面臨的支護破壞大變形問題越來越突出。在超千米深井掘進施工過程中,遇極松軟破碎巖體,由于變形工程埋深較大,地應力顯現嚴重,易造成深部井巷工程產生持續變形破壞[1-5]。近年來,中國礦業大學黃慶顯[6]、張超[7]、韓志婷[8]、魏建軍[9]、荊升國[10]、張帆舸[11]、聶軍委[12]、蘇祥坤[13]等,中國礦業大學(北京)李永恩[14]、張輝[15]等,山東科技大學張學生[16]、孟慶彬[17]等眾多單位的不少學者、技術人員對深部極松軟破碎巖體變形規律及其應對技術措施進行了深入研究,成果豐碩,但在非煤礦山的相關研究與應用涉及較少。本研究以山東黃金集團鑫匯金礦井下-1 070 m破碎巖體為例,結合現場調研、巷道變形破壞特征分析、圍巖松動圈探測等進行深井高應力破碎巖體支護技術研究與應用。

1 研究背景

鑫匯金礦-1 070 m石門巷道位于松軟破碎巖體中,巷道圍巖以綠簾石和大理巖為主,巖石極其松軟破碎,裂隙面較多,裂隙中充填有綠簾石化碎裂巖,局部充填大理巖,分界面不規則,受風化影響非常嚴重,穩定性極差。造成石門巷道的掘進與支護施工難度大、成本高,若支護設計不合理,也在很大程度上增加了安全隱患。經過現場踏勘,目前-1 070 m巷道支護情況如圖1所示。

圖1 -1 070 m水平原支護地點Fig.1 Original support site of-1 070 m level

2 圍巖變形破壞特征與巷道支護現狀

-1 070 m水平巷道巖層受風化侵蝕影響嚴重,爆破開挖后未能及時支護,圍巖發生了自然掉落,幾乎無自穩能力,其特征如圖2、圖3所示。

圖2 泥化松散圍巖Fig.2 Argillaceous loose surrounding rock

圖3 工作面揭露的碎塊狀巖層Fig.3 Fragmentary rock stratum exposed in working face

-1 070 m水平巷道變形破壞特征為:①變形量大,兩幫位移量約600 mm、底板臌出量約400 mm;②支護體破壞失效嚴重,出現扭曲等現象;③圍巖破裂破壞嚴重,頂板局部垮坍冒落。巷道變形破壞特征見圖4。

圖4 -1 070 m水平巷道圍巖變形破壞特征Fig.4 Characteristics of surrounding rock deformation and failure of-1 070m roadway

3 圍巖松動圈探測分析

3.1 探地雷達檢測

本研究用于圍巖松動圈探測的設備為瑞典RAMAC探地雷達,選擇500 MHz屏蔽天線(圖5),探測結果如圖6所示。由圖6解譯分析可知:-1 070 m水平巷道圍巖松動圈厚度為右幫2.1 m左右,右肩為1.8～2.0 m,左肩為2.0～2.3 m。

圖6 -1 070m水平巷道圍巖松動圈雷達探測結果Fig.6 Radar detection results of loose zone in surrounding rock of 6-1 070 m roadway

3.2 鉆孔探測

本研究鉆孔探測設備采用華泰公司生產的YTJ20型巖層探測記錄儀,該套探測設備由攝像頭、主機等組成(圖7)。

圖7 鉆孔攝像測試圍巖松動圈系統Fig.7 Borehole camera testing system for loose zone of surrounding rock

本研究在-1 070 m水平巷道內垂直于巷道軸線方向布置了1個鉆孔進行攝影探測,探測深度為5.0 m,探測結果如圖8所示。由圖8可知:0～1 m內圍巖非常破碎,圍巖松動破裂范圍約2.2 m;其環向裂縫寬度為10～50 mm,形成較大范圍及規模的裂隙分布。本次探測結果與地質雷達探測結果基本一致。

圖8 -1 070 m鉆孔攝像實拍圖片Fig.8 Actual photoes of-1 070m borehole camera

綜合上述雷達探測與鉆探探測結果分析可知:-1 070 m巷道圍巖松動圈厚度普遍達到2.0m,屬于松動圈較大的范疇;圍巖松動圈局部達到、甚至超過2.5 m,對巷道穩定極為不利。

4 圍巖變形失穩分析與支護方案設計

4.1 圍巖變形失穩分析

本研究結合現場調研及相關理論分析,-1 070 m水平巷道圍巖失穩因素分析如下:

(1)巖性劣化。圍巖表現出松散、軟弱、碎脹和膨脹等特性,開挖一段時間后,風化程度更加嚴重,埋深超過1 100 m,受高應力影響,加劇了圍巖蠕變效應。

(2)水的侵蝕作用。-1 070 m新掘進巖層中普遍含有裂隙水,加之生產用水存在,劣性圍巖受水的侵蝕影響,圍巖裂隙進一步加大,圍巖吸水膨脹,強度逐漸降低,導致圍巖整體發生失穩破壞。

(3)支護結構與參數設計不合理。巷道原支護方案不合理表現為:①鋼拱架支護是被動支護,不符合礦山巖石力學原理;②圍巖未及時封閉,導致圍巖風化、弱化;③巷道原支護結構方式和參數取值不合理;④未能有效發揮錨桿、錨索、注漿加固作用(主動支護);⑤巷道關鍵部位未加強支護,存在巖層斷裂帶;⑥支護結構未形成協同支護體,未能有效發揮圍巖的承載能力;⑦巷道底板沒有進行有效支護。

4.2 支護方案設計

巷道圍巖處于松散破碎狀態時,支護難度大,本研究設計的巷道斷面為三心拱、反底拱形式,采用預留變形、超前支護和二次支護方式。每施工20～50m進行收斂變形觀測,根據收斂變形量確定二次支護時間并調整相關的參數。

4.2.1 巷道預留變形量及斷面尺寸

設計預留變形量100 mm。巷道凈斷面尺寸2 500 mm×2 600 mm;考慮預留變形量100 mm,以及支護厚度150 mm,因此,爆破斷面尺寸設計為3 000 mm×2 850 mm。

4.2.2 錨桿超前支護

采用φ40 mm管縫式錨桿,長度2 500 mm,沿巷道拱部布置,間距300 mm,錨桿向上角度 10°～15°。當前支護條件下設計1 m/進尺,每個循環均進行錨桿超前支護,因此錨桿重疊長度為1.5 m。

4.2.3 錨網噴注初次支護

錨網噴注初次支護的施工順序為掛網→打注漿錨桿→噴漿→注漿。鋼筋網采用φ6 mm鋼筋焊接,網片規格為1 720mm×920mm,網孔規格為100mm×100 mm,網片搭接長度不小于100 mm。

錨桿采用注漿錨桿支護工藝。即采用φ22 mm無縫鋼管滾絲制作,桿尾制作成麻花狀,既用作注漿又作為錨桿使用,錨桿長度2 200 mm;錨桿間排距800mm×800mm;采用1卷Z2330型樹脂藥卷臨時錨固,預緊力矩達350 N·m以上;托盤采用拱形高強度托盤,規格為150 mm×150 mm×12 mm。注漿采用水泥水玻璃雙液漿,水泥使用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比控制在0.8左右,水玻璃的摻量為水泥用量的3%。漿液固結體強度不低于20 MPa,注漿壓力控制在2.0 MPa以內。

噴射混凝土強度等級為C25,摻3%速凝劑,厚度為50 mm。

本研究巷道松散破碎圍巖一次支護結構如圖9所示。

4.2.4 二次支護

本研究二次支護技術措施為噴射混凝土、強力錨桿和強力錨索,其施工順序為掛網→噴漿→反底拱→打錨桿→打錨索→復噴。網孔規格為100 mm×100 mm。二次噴射混凝土厚度為70 mm、強度為 C25。

反底拱結構為U29型鋼(或16#槽鋼)和C30混凝土。反底拱最大厚度為500 mm,型鋼排距1 000 mm,反底拱型鋼與上部型鋼相連形成封閉結構。反底拱利用噴射混凝土回彈料作為墊層,并在下方鋪設單層φ6 mm鋼筋網,其中搭接長度不小于200 mm。

強力錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿(BHRB500),規格為φ20 mm×2 200 mm,間排距為800 mm×800 mm,錨桿孔直徑為φ28 mm,采用1卷Z2350型和1卷K2350型樹脂藥卷加長錨固,錨固力不低于110 kN,預緊力矩大于350 N·m;托盤采用拱形高強度托盤;每根錨桿安裝一個讓壓管。巷道局部破碎地段可采用φ14 mm的鋼筋梯連接鋼筋焊接而成。

錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線制作,為拉壓分散型預應力錨索。錨索直徑為φ22 mm,長度為6 000 mm,孔徑為 φ28 mm;采用1卷快速K2350和2卷中速Z2350型樹脂藥卷加長錨固,其極限承載力為607 kN,伸長率為7%;采用高強度可調心托盤(300 mm×300 mm×16 mm)和專用錨具與設備進行張拉、固定和切割;錨索的預應力不低于150 kN,錨索沿巷道拱部布置3根,間排距為800 mm×1 600 mm。

復噴混凝土厚度為30 mm。

本研究巷道松散破碎圍巖二次支護結構如圖10所示。

4.3 支護效果

-1 070 m井巷工程支護實踐結果證明,在深部破碎帶中采用錨網噴注柔性主動支護技術是可行的,該支護方式不但節約成本,而且支護效果好(圖11),具有較好的推廣應用價值。通過簡單計算,目前已為鑫匯金礦節約成本535.6萬元,經濟效益顯著。

圖11 -1 070 m中段支護效果Fig.11 Support results of-1 070 m middle section

5 結 論

(1)針對深井開采高應力破碎巖體支護問題,進行了圍巖松動圈探測分析、圍巖失穩機理分析、巷道支護方案設計研究。即采用地質雷達探測和鉆孔攝像相結合的檢測方式進行松動圈探測,進而對圍巖破壞現狀和破壞機理進行分析,最終設計出預留變形量、初次支護聯合二次支護的整體設計方案。

(2)通過對深井開采高應力破碎巖體支護問題的分析,采用爆破開挖后第一時間噴漿,及時封閉圍巖防止圍巖風化的工藝措施,提出了松動圈無損探傷探測方案,采用高強度、高剛度錨桿支護,并通過對其施加高預緊力(350 N·m)來實現噴錨網柔性、主動支護的效果。在巷道預留變形的基礎上,提出了巷道全斷面二次支護方案及措施,通過圍巖注漿和協同錨固技術使圍巖形成組合拱結構共同抵抗地層壓力,保證了支護效果。

(3)所設計的支護方案在鑫匯金礦-1 070m巷道現場應用后支護效果較為理想,但在現場施工過程中支護周期較長,今后在保證支護效果的前提下繼續優化工藝流程,開發新型支護材料,進一步降低礦山支護成本。