聯(lián)合支護在巷道斷層破碎帶的應(yīng)用

馮長飛 齊 杰

(河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司田興鐵礦)

聯(lián)合支護在巷道斷層破碎帶的應(yīng)用

馮長飛 齊 杰

(河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司田興鐵礦)

田興鐵礦大賈莊進風(fēng)井-450 m沿脈巷穿過F10斷層破碎帶，探孔長探40 m，涌水量達到75 m3/h，且鉆進過程卡鉆嚴重。為防止掘進過程中出現(xiàn)大涌水，采用工作面預(yù)注漿技術(shù)，在巷道周邊形成帷幕，封堵涌水并加固圍巖。試掘后工作面頂板出現(xiàn)冒落，采用超前管棚、鋼拱架、錨噴網(wǎng)3種方式聯(lián)合支護，取得了較好的效果，順利通過斷層破碎帶。

斷層破碎帶 工作面預(yù)注漿 超前管棚支護 鋼拱架支護 錨網(wǎng)噴支護

田興鐵礦位于河北省唐山市灤縣，年設(shè)計生產(chǎn)能力為2 000萬t/a，是我國最大的在建地下礦山。由于礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層破碎帶對平巷掘進影響較大，通過在大賈莊進風(fēng)井-450 m沿脈巷穿過斷層破碎帶聯(lián)合支護的實際應(yīng)用，取得了預(yù)期效果，為快速通過斷層破碎帶提供了參考經(jīng)驗。

1 工程概況

大賈莊進風(fēng)井-450 m沿脈巷為在建基建工程，2014年12月5日施工至441.5 m處時遇破碎帶，圍巖破碎嚴重，巖體呈碎塊狀，伴有淋水，并充填有大量泥灰?guī)r，遇水軟化。工作面探水至40 m時，單孔涌水量達到75 m3/h。根據(jù)TRT6000超前探測儀探測，工作面前方16～40 m段圍巖嚴重破碎，并已進入F10斷層的影響范圍內(nèi)，斷層走向NE5°～10°,傾向NWW,傾角63°～72°，垂直斷距50～140 m，為壓扭性逆斷層。

2 施工方法

采用工作面預(yù)注漿技術(shù)，在巷道周邊形成注漿帷幕，封堵涌水并加固巷道圍巖。注漿完成后先進行超前管棚支護，當超前管棚沿巷道開挖輪廓周邊密布時，與注漿加固圈共同作用，形成加固環(huán)，并將巷道圍巖應(yīng)力傳遞到鋼拱架上，從而形成前期預(yù)支護，有效保證了開挖安全。巷道開挖后立即進行素噴支護，厚30～50 mm，封閉巖石，防止風(fēng)化，然后進行架設(shè)鋼拱架和錨網(wǎng)噴支護[1-3]。

3 施工過程

3.1 工作面預(yù)注漿

采用分段前進注漿方式堵水，注漿段高45 m。根據(jù)裂隙發(fā)育程度、漿液有效擴散半徑及巷道斷面大小確定注漿孔的布設(shè)，力爭使注漿孔與更多的裂隙交切。該出水點的裂隙發(fā)育為與巷道掘進方向垂直，部分斜交，裂隙分布不均，注漿孔按放射狀布設(shè)，終孔位置超出巷道荒斷面輪廓線?？组g距、排間距根據(jù)涌水情況確定為1.5 m，呈梅花型布設(shè)，注漿孔10個，檢查孔1個(11#孔)，共11個孔，注漿孔布設(shè)見圖1。

圖1 工作面預(yù)注漿示意(單位：mm)

在巷道迎頭底板開鑿臨時集水坑，在集中出水點埋設(shè)導(dǎo)水管，把水引排至臨時集水坑內(nèi)。注漿站布置在距離工作面5 m范圍內(nèi)，安裝2臺2TGZ60/210型高壓注漿泵，3個攪拌罐，輸漿管路與注漿泵和孔口管之間用高壓膠管連接。注漿泵安裝好后，裝上混合器，連接好輸漿管路壓力表，測定水壓。

堵水材料選用水泥-水玻璃雙液漿為主，加固以單液水泥漿為主。水泥為冀東牌P.O42.5R普通早強硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為35～40 °Bé，水泥漿與水玻璃的比例為(1∶1)～(1∶0.8)。單液水泥采用冀東牌P.O42.5R普通早強硅酸鹽水泥，另摻入水泥重量0.5%的食鹽和0.05%的三乙醇胺作為外加劑，起速凝早強作用。單液水泥漿配制見表1。

表1 單液水泥漿配制

根據(jù)巖層裂隙率、布孔數(shù)量及注漿孔深度估算總注漿量。根據(jù)《簡明建井工程手冊》，分段注漿量估算如下：

(1)

式中,Q為總注漿量，m3；λ為漿液損失系數(shù),1.5；R為漿液擴散半徑，取1.5倍的孔間距，2.25 m；H為注漿孔深度，45 m；η為巖層裂隙率，3%；β為漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，0.9；m為結(jié)石率,0.85；N為注漿孔數(shù)，10個。

計算得出總注漿量Q=340.81 m3。

注漿壓力取地下水壓力的2～2.5倍，前期封堵注漿取高值將出水頭壓入，后期針對小裂隙注漿取低值再到高值。

注漿前進行壓水試驗，沖洗巖石裂隙中的充填物，提高漿液結(jié)石體與巖石裂隙面的粘結(jié)強度及抗?jié)B透能力，并根據(jù)泵壓及注入量，進行鉆孔吸漿量的測定。試驗時盡可能采用大泵量，壓力值控制在注漿終壓以內(nèi)，一般壓水時間為20min(破碎帶壓水時間縮短或不壓水)，精確測量并記錄壓水段高、流量和壓力，根據(jù)壓水時間測定的單位鉆孔吸水量，確定注漿時漿液的起始濃度，并作為鑒定注漿效果的依據(jù)之一。

注漿過程可分為初期、正常及終壓3個階段，當初始濃度確定后，根據(jù)注漿壓力變化情況，應(yīng)及時控制漿量，調(diào)整漿液濃度及凝膠時間等，使注漿壓力平緩升高，避免出現(xiàn)較大波動，直至達到注漿終壓和終量，并穩(wěn)定20 min以上。

注漿作業(yè)程序：接通輸漿管路→壓水試驗→注漿→定量壓清水→沖洗輸漿管路→拆洗注漿管路→清理現(xiàn)場。初注用濃漿，復(fù)注時逐漸降低漿液濃度，但每次注漿時，一般先稀后濃。當漿液在裂隙中沉析、充填階段，若壓力不升且進漿量也不減時，應(yīng)逐漸加大漿液濃度；若壓力上升快且進漿量減少，應(yīng)依次降低漿液濃度，每調(diào)節(jié)一次注漿濃度，一般持續(xù)20 min。注漿結(jié)束4～6 h后進行壓水試驗，當耗水量小于20 L/min，可不再注漿，否則應(yīng)復(fù)注。

3.2 聯(lián)合支護

3.2.1 超前管棚搭設(shè)

掌子面掘進前對拱頂及側(cè)墻進行超前管棚預(yù)支護，采用φ42 mm×4 mm×5 000 mm無縫鋼管，環(huán)向間距為300 mm，外插角為2°～5°，每一循環(huán)搭接不小于1 000 mm。

清理掌子面松渣，以確保施工安全。選擇巖石較完整處先立I16a型工字鋼一架，沿拱架兩側(cè)打設(shè)φ20 mm樹脂錨桿固定拱架，然后沿工字鋼外側(cè)鉆孔，選用YT-28氣腿式鑿巖機鉆鑿φ70 mm×5 000 mm孔，根據(jù)設(shè)計的孔位、孔深與角度進行施工，成孔后清除孔內(nèi)的巖粉及泥漿；然后將鋼管端頭加工成錐形，慢慢送入孔內(nèi)，外露段與拱架焊接固定。巷道頂板和兩幫全部打設(shè)超前管棚，以防止開挖時塌落。超前管棚及鋼拱架支護示意見圖2。

圖2 超前管棚及鋼拱架支護示意(單位：mm)

3.2.2 弱爆破開挖

待超前管棚施工完成后開始掘進，掘進采用弱爆破方式，防止因炮振效應(yīng)對超前管棚及前期深孔注漿加固巷道圍巖的帷幕產(chǎn)生擾動。每次掘進循環(huán)控制在1 m，4個循環(huán)后再次進行超前管棚支護。

3.2.3 架設(shè)鋼拱架

采用I16a型工字鋼拱架，縱向間距為500 mm，每榀之間用φ16 mm鋼筋縱向連接，拱架腳用φ20 mm×2 000 mm樹脂錨桿鎖腳，每架每側(cè)2根。拱架支護好后對集中出水點預(yù)埋導(dǎo)水管，將水引至底板，減少淋水對下步噴混凝土支護的影響。

3.2.4 錨網(wǎng)噴支護

初噴5 cm厚混凝土封閉巖體，噴第一層時，應(yīng)使用加大速凝劑摻量的水泥砂漿，并減少噴射機的工作壓力。

初噴結(jié)束后，進行錨桿支護。沿拱部及側(cè)墻打徑向φ20 mm×2 000 mm樹脂錨桿，梅花形布設(shè)，并

與臨近的拱架焊接。設(shè)備選用YT-28氣腿式鑿巖機，φ40mm一字型鉆頭，根據(jù)設(shè)計的孔位、孔深與角度施工。環(huán)、縱間距均為500 mm，錨孔距誤差控制在100 mm以內(nèi)；鉆孔要保持直線，鉆孔深2 000 mm，且要確保達到設(shè)計深度，保證錨桿端頭推至孔底后，錨桿尾部螺紋能安裝螺母，壓緊托盤，托盤厚度不小于6 mm；鉆孔要垂直于巖面，誤差控制在5°以內(nèi)，成孔后清除巖粉及泥漿。打設(shè)頂板中部錨桿孔并清孔，安裝樹脂藥卷和錨桿，用錨桿鉆機攪拌至規(guī)定時間，攪拌后等待規(guī)定的時間，擰緊螺母，達到錨桿設(shè)計預(yù)緊力。從頂板中部向外依次安裝其他頂板錨桿，兩側(cè)幫施工同上。

沿拱架內(nèi)側(cè)鋪設(shè)φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為150 mm×150 mm,并用托盤固定在錨桿上，使得鋼筋網(wǎng)與錨桿連接成一整體。

分段、分片由下而上噴射250 mm厚C20混凝土，每段長度控制在5 m左右，噴射混凝土按照試驗配合比(水泥∶砂子∶石∶水∶速凝劑=1∶2∶2∶0.44，單位水泥用量450 kg/m3)用強制式攪拌機拌和均勻。噴射工藝流程見圖3。

圖3 噴射混凝土流程

超前管棚+鋼拱架+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護見圖4。

圖4 超前管棚+鋼拱架+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護示意(單位：mm)

4 結(jié) 語

田興鐵礦大賈莊進風(fēng)井-450 m沿脈巷掘進過程中遇F10斷層破碎帶，經(jīng)工作面預(yù)注漿封水后，采用超前管棚+鋼拱架+錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護方式，順利通過了斷層破碎帶，取得了良好的治理效果。聯(lián)合支護技術(shù)的成功運用為田興鐵礦在各平巷過破碎帶時提供了借鑒經(jīng)驗，并在實際應(yīng)用中取得較好的效果，有力保證了巷道掘進施工進度。

[1] 王俊英.隧道施工中超前管棚支護技術(shù)淺析[J].交通建設(shè)與管理,2012(10)：82-83.

[2] 朱本斌.管棚支護在軟巖巷道施工中的應(yīng)用[J].煤礦支護,2012(1)：19-22.

[3] 呂俊濤.超前管棚支護在隧洞塌方處理施工中的應(yīng)用[J].甘肅農(nóng)業(yè),2011(11)：52-53.

Application of Combined Supporting Scheme in the Fault Fracture Zone of Roadway

Feng Changfei Qi Jie

(Tianxing Iron Mine, Hehei Iron and Steel Group Mining Co., Ltd.)

The -450 m strike drift of Dajiazhuang shaft in Tianxin iron mine gets through the F10fault fracture zone, the drilling hole depth is 40 m, the quantity of water gushing is 75 m3/h, the sticking phenomenon is serious in the process of drilling. In order to deal with the water gushing in the process of tunneling, the working face pre-grouting technology is adopted to form the curtain around the roadway so as to seal the water gushing and reinforce the surrounding rock. The phenomenon of roof caving of working face is appeared after pre-tunneling, the combined supporting scheme based on the advance tubing shield, steel arch shelf and rock bolt-net- shotcreting is adopted to get through the fault fracture zone successfully, and the good effect is obtained.

Fault fracture zone, Working face pre-grouting, Advance tubing shield supporting, Steel arch shelf supporting, Rock bolt-net-shotcreting supporting

2015-05-10)

馮長飛(1986—)，男，助理工程師，063700 河北省唐山市灤縣。