破碎巖層硐室連接處帷幕注漿—長錨索聯合支護技術

董亞寧 李國平 孫茂貴 殷登才

(安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司,安徽 馬鞍山 243111)

鐘九鐵礦隸屬于安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司,其二期建設工程是復雜地層中的一項典型工程。 礦區水文地質條件復雜,礦床頂、底板是以姑山組和周沖村組為主,礦區圍巖主要由Ⅳ類基巖組成,巖體完整性較差,巖石硬度系數為2～9,為軟弱巖組。 目前,該礦工程副井正在施工井下開拓工程,其中-550 m 水平4#與6#交岔點、中央變電所及水泵房硐室已完成初步施工。 在變電所施工過程中,揭露的圍巖相對較穩定,加之修復及時,整體未發生大面積的噴混凝土開裂現象。 然而在2022 年8 月2 日水泵房1.2～2.7 m 掘進過程中頂板及右肩部發生巖層冒落,采取了噴漿封閉冒落區、錨網索噴支護等措施,對冒落區圍巖進行了注漿加固;9 月19 日,水泵房27 m左肩處在錨索鉆孔施工過程中發生涌水,涌水量達4.2 m3/h,對23～27 m 處頂板圍巖進行了注漿加固及封水施工;9 月27 日,29 m 處掘進過程中左側頂板再度出水,涌水量達到7.5 m3/h,造成頂板局部冒落范圍達3 200 mm×1 000 mm×1 200 mm(長×寬×高),噴混凝土封閉后,對冒落段進行錨網索支護,并對該區域頂板進行注漿封堵及導水處理。 目前,水泵房上部及第1 次拉底施工結束,平均高度為5.2 m;前0～20 m 完成第2 次拉底,平均高度為7.5 m。 由于水泵房斷面跨度大且圍巖破碎,加之周邊水倉爆破擾動,導致-550 m 水平中央變電所與水泵房連接處的頂幫圍巖出現不同程度的開裂、變形、沉降,甚至有冒落的風險。 針對上述問題,本研究結合現場調查及相關理論分析,充分融合帷幕注漿與錨索支護技術優勢,提出了帷幕注漿—長錨索聯合支護技術,通過設計詳細的技術方案,并進行數值建模耦合分析,驗證其科學性和有效性。

1 支護與加固總體思路

針對-550 m 水平中央變電所與水泵房連接處的工程特點,提出采用帷幕注漿—長錨索聯合支護與加固技術,如圖1 所示。 方案總體思路為:① 在中央變電所及水泵房連接斜坡處前后5 m 范圍內進行頂幫圍巖的壁后注漿加固,作為后續帷幕注漿的止漿墊。② 在中央變電所及水泵房連接區域的中間位置設置木垛防止施工作業過程中發生頂板冒落;③ 在中央變電所臨近連接處5 m 處的硐室內設置注漿孔,以一定的角度施工鉆孔,通過帷幕注漿加固連接處15 m范圍內的頂幫圍巖,以提高其整體性與承載能力。④ 對中央變電所與水泵房連接處15 m 及其前后5 m范圍內施加加強錨索補強,再對其進行擴刷。 ⑤ 加固完連接處之后,再對中央變電所和水泵房頂幫圍巖均進行深淺孔—高低壓耦合注漿加固。 對于尚未拉底的區域,待漿液凝固形成整體結構后,再對其底板進行拉底處理,然后對拉底區域進行錨網噴與注漿加固。 ⑥ 經過一段時間(20～30 d)后,如果中央變電所和水泵房硐室圍巖變形較小且趨于穩定,則進行全斷面錨網噴加強支護,并砌筑底板設備基礎;如果中央變電所和水泵房變形較大、穩定性較弱,則進行全斷面鋼筋混凝土砌碹(包含底板設備基礎)加強支護,確保硐室圍巖長期穩定。

圖1 中央變電所及水泵房連接斜坡處加固方案示意(單位:mm)Fig.1 Schematic of the reinforcement scheme of the central substation and the connecting slope of the pump room

2 技術方案與參數設計

2.1 連接處前后5 m 范圍壁后注漿加固

根據變電所與水泵房硐室斷面實際情況,在巷道幫部和頂部打孔,安裝注漿管,并進行噴漿封閉;而后采取全斷面壁后注漿方式對硐室頂幫圍巖進行加固,從而形成對圍巖與原錨桿和錨索支護的再加固,提高錨固結構的可靠性。 注漿孔間排距為1 500 mm×1 400 mm。 注漿管使用?38 mm 鋼管制作,規格為?38 mm×500 mm,采用風鉆打眼,孔徑?45 mm,孔深5 000 mm。 注漿管構造如圖2 所示,全斷面注漿孔布置如圖3 所示。

圖2 注漿管及止漿塞剖面示意(單位:mm)Fig.2 Schematic of the profile of grouting tube and stopper

圖3 連接處前后5 m 全斷面注漿孔布置(單位:mm)Fig.3 Layout of 5 m full section grouting holes before and after the joint

噴射混凝土強度等級為C20,配合比為1 ∶2 ∶2,摻3%～5%速凝劑,厚度約30 mm,保證注漿管孔口外露長度不少于30 mm,以便于后期進行注漿加固[1-3]。

注漿采用單液水泥—水玻璃漿液,水泥使用42.5 級普通硅酸鹽水泥,水灰比控制在0.8～1.0,水玻璃摻量為水泥用量的3%～5%。 漿液結石率不低于92%,漿液固結體強度不低于20 MPa,注漿壓力控制在2.0 MPa 以內,保證噴層不發生開裂[1-3]。

2.2 連接處15 m 范圍帷幕注漿加固

為了對中央變電所及水泵房連接斜坡處的頂幫圍巖與支護結構進行修復式加固,使其產生的裂隙及空洞得到有效充填,從而使連接處的頂幫圍巖和支護結構形成一個加固帷幕體,并為下一步進行加長預應力錨索加固提供施工條件,有必要在中央變電所端對連接處開展帷幕注漿加固[4-6]。

注漿鉆孔前端安裝2.0～3.0 m 長孔口管,孔口管安裝段鉆孔直徑為130 mm,孔口管采用?108 mm的無縫鋼管制作,后期同時作為注漿管使用,注漿時外接?108 mm 變?32 mm 的變徑管;孔口管的管尾位置設置兩道止漿墊片,下管時用麻絲、棉紗纏緊。注漿鉆孔及復孔延伸時直徑為89.0 mm。 固管止漿通過注雙液漿反向擴散來實現。 為保證注漿效果,宜將孔口管制作成花管,孔口管孔口300～500 mm 為實心管、端頭1 500～1 700 mm 為帶孔花管(孔口管設若干溢漿孔,孔徑為?8 mm,孔距為0.5 m,按梅花形排列)。 注漿管細部構造如圖4 所示。

圖4 注漿管及止漿塞剖面示意(單位:mm)Fig.4 Schematic of the profile of grouting tube and stopper

沿孔口管掃孔,第1 組淺孔距離連接處2 m 左右,深度控制在11. 0 m 左右,切向輪廓線傾角約45°,從而保證孔底落在距離連接處頂板5 m 左右。逐孔注漿加固后,開展第2 組深孔施工。 第2 組深孔距離連接處1 m 左右,孔深約17.0 m,切向輪廓線傾角約30°,確?？椎茁湓诰嚯x連接處頂板5 m 左右,如圖5 所示。

圖5 中央變電所—水泵房連接處帷幕注漿布孔(單位:mm)Fig.5 Layout of the curtain grouting holes at central substation-water pump room connection

注漿過程中的主要技術參數設計為:滲透注漿材料以高滲透性、高強度的水泥漿液為主,可采用42.5級普通硅酸鹽水泥,根據現場情況盡量將水灰比設定為0.5～0. 6,摻加水泥量0. 7%的NF 高效減水劑。漿液的結石率不低于95%,強度不低于30 MPa。 為避免高壓注漿造成圍巖破壞,施工時注漿壓力宜控制在5.0～8.0 MPa,橫向加固范圍可以控制在5.0 m 左右[1-2]。

2.3 連接處15 m 范圍長錨索加強支護與擴刷

本研究采用?18.9 mm×12 000 mm 端錨式錨索對變電所與水泵房連接處15 m 范圍內進行預應力錨索加強支護,孔徑為?28 mm,間排距為1 500 mm×1 500 mm;采用1 卷快速2350 型和2 卷中速2350 型樹脂藥卷加長錨固;錨索極限承載力為353 kN,設計錨固力為280 kN,張拉預應力為設計錨固力的20%左右,為后續錨索變形留有充足的空間;用高球形托盤(300 mm×300 mm×15 mm(長×寬×高)和專用錨具與設備進行張拉、固定和切割,尾部配高強度錨具,如圖6 所示。

圖6 中央變電所—水泵房連接處錨索布置(單位:mm)Fig.6 Layout of anchor cables at the junction of central substation and water pump house

錨索支護完成后,需要對硐室連接處的圍巖進行擴刷施工,直至達到設計斷面尺寸。 擴刷過程中需及時清理外露錨索,并利用加長錨索及時進行二次預應力錨固,結合錨噴支護實現對圍巖的有效控制。

3 數值模擬驗證

3.1 超前帷幕注漿效果

基于多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics,以實際工程尺度構建多孔介質注漿模型。 由于超前帷幕注漿孔在巖體中是以一定的傾角和切向角進行施工的,是一群空間直線,因此在基體內的注漿作業選擇三維模型進行分析。 本研究建立尺寸為50 m×50 m×50 m 的三維多孔介質模型,按照設計的鉆孔布置進行注漿孔建模。 共建立了超前注漿孔31個,設計孔徑10 cm,并達到設計孔深,如圖7(a)所示。 模型采用了自由三角形網格劃分,共劃分成101 996 個單元,平均單元質量達0.66,網格單元質量合格,如圖7(b)所示。

圖7 數值模型Fig.7 Numerical model

根據技術方案設計,首先對一序孔進行注漿模擬,如圖8(a)所示。 由漿液擴散范圍可以看出,一序孔注漿主要在連接處淺部形成了加固帷幕,能夠保證工作面后續注漿作業安全穩定。 然后進行二序孔注漿模擬,如圖8(b)所示。 二序孔注漿與一序孔注漿的帷幕相互結合,在連接處頂板及兩幫形成了大范圍的加固帷幕,極大地改善了連接處的圍巖性質,為后續長錨索支護施工奠定了基礎[7-13]。

圖8 漿液擴散示意Fig.8 Schematic of slurry diffusion

3.2 整體支護效果

本研究采用有限差分軟件FLAC3D[13-15]模擬分析不同回采階段中錨桿(索)支護下的采礦進路圍巖變形、應力以及塑性區演化規律。 模型四周限制法向位移,底部固定,頂部根據工作面埋深施加邊界荷載,利用Cable 單元模擬長錨索,分別模擬了支護前后連接處的圍巖響應[11-12]。 數值計算模型如圖9 所示,中央變電所與水泵房連接處的豎直位移云圖、最大主應力云圖以及塑性區云圖如圖10 所示。

圖9 數值計算模型Fig.9 Numerical calculation models

由圖9 和圖10 可知:未進行支護的圍巖豎向位移、最大主應力以及塑性區范圍較大;而進行支護后,豎向位移、最大主應力減小,塑性區范圍也大幅減小,施工條件得到了明顯改善,說明長錨索發揮了有效的作用。

4 結 語

為有效解決安徽鐘九鐵礦-550 m 水平中央變電所與水泵房連接處的圍巖破碎與頂板冒落問題,提出了帷幕注漿—長錨索聯合支護技術。 對支護技術方案及相應的關鍵技術參數取值進行了合理設計,并采用數值模擬耦合分析技術,論證了所提技術方案的有效性與科學性,對于類似礦山圍巖支護加固有較好的借鑒意義。