金川礦區(qū)深部高應(yīng)力破碎巖體巷道支護技術(shù)研究及應(yīng)用

楊亞平，楊有林，穆玉生，韓 斌

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.金川集團股份有限公司,甘肅 金昌 737100)

0 引 言

金川鎳礦地處河西走廊不同大地構(gòu)造單元結(jié)合部，經(jīng)歷多次地質(zhì)構(gòu)造運動作用、變質(zhì)作用和多期巖漿侵入作用，形成礦區(qū)復(fù)雜的巖石組合，使得礦區(qū)內(nèi)斷層縱橫交錯，礦巖節(jié)理、裂隙較發(fā)育，形成大量擠壓破碎帶，開挖時極易冒落，不同巖層的接觸帶、富礦體與貧礦體的接觸帶均屬于軟弱破碎帶。調(diào)查資料[1]表明，礦區(qū)開采范圍內(nèi)的不良巖層約占12.8%，主要采用雙層噴錨網(wǎng)支護與鋼支架、注漿、鋼筋混凝土等聯(lián)合支護方式，但高應(yīng)力破碎巖體巷道圍巖變形問題較為突出。本文提出四類新型支護技術(shù)以解決金川礦區(qū)高地應(yīng)力破碎巖體巷道支護的難題。

1 現(xiàn)有支護方式評價

金川礦區(qū)的巷道支護方式主要有雙層噴錨網(wǎng)支護、雙層噴錨網(wǎng)+U型鋼支架支護、雙層噴錨網(wǎng)+注漿支護、雙層噴錨網(wǎng)+U鋼支架+鋼筋混凝土+注漿聯(lián)合支護等。根據(jù)金川龍首礦、金川二礦區(qū)、金川三礦區(qū)這三大生產(chǎn)礦山開采深度及開采面積初步證明了現(xiàn)有支護方式具有局部的適應(yīng)性。但是在地壓較大，受采動影響較大地段現(xiàn)有支護方式不能滿足需要。每年三大生產(chǎn)礦山返修工程費用較高,需要探索新型支護方式延長巷道使用時間,節(jié)約返修費用。

1.1 支護體破壞形式

深部高地應(yīng)力巖層巷道圍巖變形以變形快、初期變形量大為主要特征，影響支護體的穩(wěn)定性。金川礦區(qū)支護體主要破壞形式有以下四方面。

1) 底鼓。巷道走向與最大主應(yīng)力方向平行或呈較小夾角，支護體兩幫及頂部具有較大應(yīng)力時，未封閉底板易發(fā)生底鼓，如圖1所示。

2) 側(cè)墻“鼓肚子”。巷道圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、支護結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)時發(fā)生該類現(xiàn)象，如圖2所示。

3) 巷道整體收斂。兩幫與頂?shù)装遄冃蝿×一蛳锏莱惺芊蔷鶆驂毫r，會引起巷道整體收斂變形，如圖3所示。

圖1 底鼓

圖2 側(cè)墻“鼓肚子”

4) 錨桿失效。錨桿和托盤材料強度不足時，在高地應(yīng)力區(qū)域錨桿破壞表現(xiàn)為易被拉斷或托板被破壞，如圖4和圖5所示。

圖3 整體收斂變形

圖4 錨桿被拉斷

圖5 托板失效

1.2 破壞的原因分析

金川礦區(qū)巷道工程處于復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境[2-5]，影響圍巖與支護體穩(wěn)定的因素錯綜復(fù)雜、相互作用，主要從工程地質(zhì)條件、地應(yīng)力及采動影響三方面分析支護破壞原因。

1) 工程地質(zhì)影響。金川礦區(qū)處于地殼相對穩(wěn)定與相對活動地區(qū)的接壤部位，瀕臨長期活動的深大斷裂、斷層交錯、巖漿互動頻繁等因素致使巖體極為破碎，工程地質(zhì)條件惡劣[6]。金川二礦區(qū)礦體上盤為超基性巖與混合巖，其間有較發(fā)育Ⅲ3巖組，含礦超基性巖體的下盤存在多種頻繁穿插的中薄層大理巖破碎巖組，巖體RMR值為39.41～47.78；回采至850 m中段時，采深達到1 000 m，其圍巖的工程地質(zhì)條件更加惡化，巷道變形破壞的問題更為突出。

2) 地應(yīng)力影響。深部最大主應(yīng)力隨深度呈非線性規(guī)律遞增，總體上以NNE-NE為主，但在部分區(qū)域也有所不同，具有一定的復(fù)雜性。部分區(qū)域最大主應(yīng)力與水平面夾角較大，相對于上部有水平地應(yīng)力主導(dǎo)性減弱的趨勢；最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值有增大趨勢，表明深部采區(qū)會出現(xiàn)剪應(yīng)力增大現(xiàn)象，易出現(xiàn)剪切破壞，不利于深部工程穩(wěn)定性。地應(yīng)力各測點不同的法線方向的各截面應(yīng)力橢圓的規(guī)律性突顯，應(yīng)力水平方向不對稱性變化較大，不利于深部工程的穩(wěn)定性。

3) 采動影響。金川礦山的采礦生產(chǎn)能力逐年提高，盤區(qū)開采水平下降速度達5～8 m/a，多中段同時回采的采場面積達25萬～32.7萬m2，回采分段或附近新建分段工程受大面積連續(xù)回采的影響[7]，使得現(xiàn)有支護強度無法滿足工程要求。

2 新型支護方案

由于原有支護方式出現(xiàn)了錨桿被拉斷、墊板失效、整體收斂和底鼓等問題。新的支護方式從提高支護材料強度、增加錨桿預(yù)應(yīng)力、錨桿抗拉力及錨固質(zhì)量等方面入手進行試驗，擬解決支護難的問題。

最終選取4段典型地質(zhì)條件與破壞變形較大的巷道，分別提出相應(yīng)的新型支護方案開展現(xiàn)場試驗。

2.1 中空錨桿+鈦克網(wǎng)+噴射砼支護

金川三礦區(qū)1110分段道離采場1130分段只有20 m，受采動影響較大，圍巖主要為大理巖，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為方解石、白云石，巖石較完整，節(jié)理密度6條/m，通常采用雙層噴錨網(wǎng)+錨注支護，但在巖石破碎地段須加強支護。為此，開展中空錨桿+鈦克網(wǎng)+噴射砼支護試驗，凈斷面寬×高=5.0 m×4.5 m，長度50 m，實施支護后，進行巷道圍巖變形監(jiān)測。

1) 支護參數(shù)。每一次掘進爆破后進行50 mm混凝土素噴，再施工錨桿孔，安裝預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿(圖6)，掛鈦克網(wǎng)；之后對漲殼預(yù)應(yīng)力中空錨桿施加預(yù)應(yīng)力，并注漿；最后噴射混凝土,混凝土厚度為200 mm，該支護方案的具體參數(shù)見表1。

2) 圍巖變形監(jiān)測。在試驗段布設(shè)三個監(jiān)測站點(A、B、C)，在每個站點的巷道斷面布置三個測點，用于監(jiān)測兩幫及頂板變形，如圖7所示。試驗段巷道圍巖兩幫收斂變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿

表1 中空錨桿+鈦克網(wǎng)+噴射砼支護參數(shù)

支護材料支護參數(shù)錨桿選用預(yù)應(yīng)力中空注漿金屬錨桿,規(guī)格Φ25 mm×2 600 mm,錨桿間排距800 mm×800 mm注漿注漿液為42.5級普通硅酸鹽水泥漿;水灰比為0.5,注漿壓力為5 MPa鈦克網(wǎng)高強輕質(zhì)柔性TECCO網(wǎng)片,直徑 3 mm,孔網(wǎng)為棱形140 mm×80 mm、棱形內(nèi)切圓直徑65 mm,抗拉強度1 770 MPa噴射混凝土C25噴射混凝土,厚度為200 mm

圖7 巷道收斂監(jiān)測布置方式

圖8 試驗段巷道兩幫收斂監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測期內(nèi)，巷道兩幫的最大收斂變形量僅為50.94 mm，平均收斂速率為0.156 mm/d。其中，前14 d內(nèi)收斂變形量為24.64 mm，為收斂總量的54.97%，變形相對較大，平均收斂速率為1.76 mm/d；后期平均收斂速率僅為0.07 mm/d，變形趨于穩(wěn)定。

根據(jù)巷道圍巖變形監(jiān)測及現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)巷道無明顯開裂現(xiàn)象；中空預(yù)應(yīng)力錨桿能提供端部預(yù)應(yīng)力錨固，所提供的錨固力現(xiàn)場實測結(jié)果達16 t以上；中空注漿錨桿的注漿操作與TECCO網(wǎng)的安裝較為簡單。

2.2 精軋螺紋鋼+雙墊板支護

所謂“精軋螺紋鋼+雙墊板”，即錨桿桿體為精軋螺紋鋼、墊板為普通鋼板制作的墊板，采用雙層布置。精軋螺紋鋼+雙墊板支護的試驗段巷道位于金川二礦區(qū)1038分段工程，長度40 m，凈斷面規(guī)格寬×高為5.3 m×4.6 m，原支護形式為雙層噴錨網(wǎng)+錨注支護。試驗段巷道圍巖為大理巖塊狀構(gòu)造，主要礦物成分方解石、白云石，巖石局部蛇紋石化，節(jié)理密度8條/m,巖石破碎。

1) 支護參數(shù)。一次支護錨桿間排距800 mm×800 mm，網(wǎng)片網(wǎng)度150 mm×150 mm，C25噴射混凝土厚度100 mm；二次支護拱頂錨桿間排距800 mm×800 mm，一次支護錨桿呈梅花型布置，二次支護墻部錨桿與一次支護錨桿間排距400 mm×400 mm，網(wǎng)片網(wǎng)度75 mm×75 mm；第一層墊板尺寸200 mm×200 mm×10 mm，第二層墊板尺寸150 mm×150 mm×10 m。

2) 圍巖收斂監(jiān)測。實施支護后進行巷道圍巖收斂變形監(jiān)測，結(jié)果如圖9所示。

返修支護11個月后，巷道局部支護體有裂紋，裂紋寬度達到10 mm，巷道整體性較好；巷道底角雙墊板有變形，但其仍未失效。返修支護21個月后，車輛維修硐室岔口局部有支護體小范圍開裂，巷道最大收斂量466 mm，平均為278 mm；錨桿受力作用明顯，承載了較大的巷道圍巖壓力；后期巷道兩幫變形趨于穩(wěn)定。

2.3 雙層噴錨網(wǎng)+高強錨索支護

金川龍首礦1235東分段巷道圍巖主要為混合巖、斜長角閃巖、破碎帶，巖石穩(wěn)定性差。掘進施工后采用雙層噴錨網(wǎng)支護未達到預(yù)期支護效果。開展雙層噴錨網(wǎng)+高強錨索支護試驗，試驗段巷道位于1235東分段，長度20 m，凈斷面規(guī)格寬×高為4.6 m×4.3 m。

1) 支護參數(shù)。采用改造了推進臂和卡釬器的山特維克A6鑿巖臺車進行錨索孔鑿巖；漲殼機械端錨式中空錨索安裝時不需加裝排氣管，可實現(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力錨固和注漿；注漿采用水灰比為1∶1.58的水泥漿添加增強外加劑注漿；使用YCJ26液壓千斤頂進行拉拔張緊，使錨索錨具充分受力。

2) 圍巖變形監(jiān)測。實施支護后進行巷道圍巖收斂與頂板下沉變形監(jiān)測，結(jié)果如圖10所示。

圖9 試驗段巷道兩幫圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

圖10 試驗段巷道頂幫變形監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)長期巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，利用雙層噴錨網(wǎng)+長錨索的支護防止對破碎巖層巷道支護后，初期巷道受力情況發(fā)生改變，在經(jīng)過一段時間的微弱變換之后，圍巖受力基本趨于穩(wěn)定，巷道變形開始減弱，支護后巷道兩幫變形量小于15 mm，頂部變形量小于20 mm。

長錨索作為柔性支護方式，針對破碎巖層支護效果顯著，支護后為圍巖預(yù)留變形空間，有利于充分發(fā)揮其承載能力。改裝鑿巖臺車能適應(yīng)井下全斷面鑿巖，長錨索安裝效率提高50%以上，有效提高了現(xiàn)場勞動生產(chǎn)率和機械化程度。

2.4 網(wǎng)噴錨支護

金川龍首礦西部貧礦開采1340中段車場工程圍巖巖性為角閃巖、巖石蝕變強烈，綠泥石化明顯，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面充填有泥質(zhì)物，巖石較破碎，屬于冒落高發(fā)區(qū)。前期采用常規(guī)雙層噴錨網(wǎng)支護，一次支護打眼圍巖掉落嚴重，且兩個月內(nèi)一次、二次支護分離，巷道開裂收斂顯著。針對龍首礦1340 m卸礦車場1#道開展網(wǎng)噴錨支護試驗，從17#點前342 m開始施工網(wǎng)噴錨支護，巷道凈斷面規(guī)格寬×高為3.6 m×3.3 m。

1) 支護工藝。將原“噴錨網(wǎng)”工序改為“網(wǎng)噴錨”工序。即巷道開挖后，用風(fēng)鎬對巷道進行找規(guī)格，之后進行素噴支護，噴厚50 mm；再進行掛網(wǎng)噴漿支護，金屬網(wǎng)使用Φ6.5 mm鋼筋，網(wǎng)度150 mm×150 mm，網(wǎng)片之間應(yīng)牢靠連接，然后進行50 mm厚的噴射混凝土支護封閉；最后進行錨桿施工，錨桿采用Φ18 mm螺紋鋼制作，長度2.25 m，間排距1 000 mm×1 000 mm，梅花形布置，采用灰砂比為1∶1的砂漿全長錨固，錨桿緊固端采用滾壓直螺紋，并配套相應(yīng)的螺帽，墊板為δ=10 mm普通鋼板，尺寸為200 mm×200 mm；二次支護參數(shù)和工藝與第一次支護相同。

2) 圍巖收斂監(jiān)測。實施支護后進行巷道圍巖收斂變形監(jiān)測，結(jié)果如圖11所示。

圖11 試驗段巷道兩幫圍巖收斂變形曲線

根據(jù)金川龍首礦1340車場1#道網(wǎng)噴錨支護巷道變型監(jiān)測，巷道基本無變形收斂。該支護防護方式對軟巖掘進中比較實用；對網(wǎng)噴錨支護工藝逐步優(yōu)化其工藝環(huán)節(jié)，降低施工難度，在軟巖條件下進行了推廣。

3 結(jié) 語

金川礦區(qū)逐步進入深部開采，受到地質(zhì)條件、地應(yīng)力及采動影響，對于高地應(yīng)力破碎巖體巷道采用常規(guī)的支護方式仍存在變形量大、返修周期短、支護效果差等問題。提出了四類新型支護技術(shù)，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：中空錨桿+鈦克網(wǎng)+噴射砼支護應(yīng)用于巷道巖石條件較好、壓力不大的巷道，施工操作簡單，提高了支護效率，亦可達到維護巷道穩(wěn)定的支護效果；采用精軋螺紋鋼錨桿+雙墊板支護的試驗段巷道與1058分段、1078分段相同地質(zhì)條件中的巷道相比變形較小，有效地維護了巷道穩(wěn)定性；雙層噴錨網(wǎng)+高強錨索支護針對破碎巖層支護效果顯著，采用改裝鑿巖臺車施工，錨索安裝效率提高50%以上，提高了現(xiàn)場勞動生產(chǎn)率和機械化程度；網(wǎng)噴錨支護可作為軟巖巷道掘進中首選支護形式，可有效控制軟巖中先施工錨桿出現(xiàn)的冒落現(xiàn)象，該工序的優(yōu)化有效提高了施工效率。四類新型支護技術(shù)在金川礦區(qū)推廣使用，有效地控制高應(yīng)力破碎巖體巷道圍巖變形。