安徽和睦山鐵礦軟弱破壞圍巖巷道再造技術(shù)

黃小忠

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司)

軟巖巷道的掘進(jìn)施工與支護(hù)是困擾資源安全高效開采的難題，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的理論分析、試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用，取得了一些研究成果。何滿潮等[1]根據(jù)軟巖的變形力學(xué)機(jī)制，提出了耦合支護(hù)力學(xué)原理；康紅普等[2]針對(duì)復(fù)雜困難巷道條件，分析了錨桿的支護(hù)作用，提出了高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)理論；柏建彪等[3]針對(duì)軟巖巷道變形強(qiáng)烈的特點(diǎn)，提出了主動(dòng)有控卸壓的方法；張農(nóng)等[4]針對(duì)破碎軟巖巷道長(zhǎng)期大變形特征，提出了以高預(yù)拉力、高強(qiáng)度、高剛度錨桿為主體的軟巖巷道強(qiáng)化支護(hù)控制體系；華心祝等[5]、任建喜等[6]分別在分析軟巖巷道破壞原因和錨注加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了已破壞巷道采用錨注加固修復(fù)技術(shù)方案，成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

和睦山鐵礦隸屬于馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司，位于安徽省當(dāng)涂縣城南12 km。和睦山鐵礦礦體處于極復(fù)雜火成巖的成巖環(huán)境，存在大量的局部軟弱裂隙帶，圍巖體具有高節(jié)理化、軟化、泥化和膨脹性的特征，造成部分錨桿被擠出而失效，未能形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道頂板下沉、片幫與底臌嚴(yán)重，部分?jǐn)嗝嬉呀?jīng)影響了正常的使用，現(xiàn)有的錨噴支護(hù)方式難以維持巷道的正常穩(wěn)定，亟需對(duì)該類巷道進(jìn)行修復(fù)處理，提出在軟弱破壞圍巖中快速施工巷道的技術(shù)，以保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定與使用安全。

1 和睦山鐵礦-300 m水平巷道變形破壞特征與圍巖松動(dòng)范圍實(shí)測(cè)

和睦山鐵礦-300 m水平穿脈巷處于軟弱巖層中，巖性主要為粉礦和閃長(zhǎng)巖，基本呈粉化、泥化狀態(tài)，巖石強(qiáng)度較低(泥化閃長(zhǎng)巖和粉礦單軸抗壓強(qiáng)度依次為7.1，19.55 MPa)和承載力差，圍巖特征主要是軟弱、松散、破碎，使得錨桿(索)的錨固性較差，導(dǎo)致無法實(shí)施有效地錨桿(索)主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成已施工的巷道圍巖產(chǎn)生了頂板下沉、兩幫內(nèi)擠及底板底臌等破壞(圖1)，不能滿足巷道的穩(wěn)定與使用要求；亟需在軟弱破壞圍巖中快速施工巷道，以滿足井下鐵礦石開采與礦石、支護(hù)材料等運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

圖1 和睦山鐵礦-300 m水平3#穿脈巷破壞形式

由圖1分析可知，和睦山鐵礦-300 m水平穿脈巷圍巖變形與錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，如頂板與幫部混凝土噴層大面積開裂，鋼筋網(wǎng)外露，頂板冒頂與片幫嚴(yán)重；局部地段巷道發(fā)生了大面積變形破壞，已嚴(yán)重影響了巷道的正常使用。

因此，為確定-300 m水平穿脈巷圍巖松動(dòng)破碎范圍，以及為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與參數(shù)的選取提供依據(jù)，采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)-300 m水平穿脈巷進(jìn)行了圍巖松動(dòng)圈探測(cè)。部分穿脈巷圍巖松動(dòng)圈探測(cè)剖面如圖2所示。

圖2 300 m水平3#穿脈巷圍巖松動(dòng)圈探測(cè)剖面

在-300 m水平3#穿脈巷左幫和右?guī)透鞑贾?條測(cè)線，共布設(shè)了2條測(cè)線，左幫測(cè)線長(zhǎng)度為15.19 m、右?guī)蜏y(cè)線長(zhǎng)度為15.02 m。測(cè)試結(jié)果表明，-300 m水平3#穿脈巷左幫松動(dòng)圈范圍為2.0 m左右，右?guī)退蓜?dòng)圈范圍為2.0～2.5 m左右。總的來說，和睦山鐵礦-300 m水平穿脈巷圍巖松散破壞程度嚴(yán)重，圍巖松動(dòng)破碎范圍為2.0～2.5 m，為大松動(dòng)圈范圍[7]，極不利于巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

2 和睦山鐵礦-300 m水平穿脈巷再造技術(shù)

2.1 巷道擴(kuò)刷成型

由于目前已施工的巷道圍巖產(chǎn)生了大面積的頂板下沉、兩幫內(nèi)擠及底板底臌等破壞，無法滿足巷道正常使用的要求。因此，首先利用風(fēng)鎬將開裂的噴層和網(wǎng)兜找凈，將破壞的圍巖、噴層、鋼筋網(wǎng)和錨桿等清除掉，為巷道修復(fù)做準(zhǔn)備。擴(kuò)刷時(shí)要求按巷道設(shè)計(jì)尺寸施工，且保證巷道的成型質(zhì)量，嚴(yán)禁超挖或欠挖，巷道掘進(jìn)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相差不得超過200 mm。

2.2 巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)

錨桿規(guī)格為φ20 mm(直徑)×2 400 mm(長(zhǎng)度)，錨桿布設(shè)方式為700 mm(間距)×700 mm(排距)，采用K2350、Z2350型樹脂藥卷各1卷進(jìn)行加長(zhǎng)錨固(設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度≥800 mm)，設(shè)計(jì)錨桿的錨固力≥100 kN，設(shè)計(jì)錨桿的預(yù)緊力≥50 kN；采用拱型高強(qiáng)度托盤，托盤規(guī)格為150 mm(長(zhǎng)度)×150 mm(寬度)×12 mm(厚度)，巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 巷道錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)

鋼筋托梁全斷面使用，拱頂鋼筋托梁規(guī)格為φ14 mm×2 600 mm×80 mm(鋼筋直徑×長(zhǎng)度×寬度)，幫部鋼筋托梁規(guī)格為φ14 mm×2 200 mm×80 mm(鋼筋直徑×長(zhǎng)度×寬度)。鋼筋網(wǎng)規(guī)格為采用φ6 mm×2 000 mm×1 000 mm(鋼筋直徑×長(zhǎng)度×寬度)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm(長(zhǎng)度×寬度)，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度100 mm，搭接處必須利用鋼筋托梁和錨桿壓緊，以防止接茬處的網(wǎng)片脫開。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，配合比為1∶2∶2，摻3%～5%速凝劑，初噴厚度約為50 mm。

2.3 巷道圍巖注漿加固技術(shù)

注漿加固技術(shù)是提高破碎圍巖的整體強(qiáng)度、改善巷道圍巖破裂體的力學(xué)性質(zhì)和提高錨桿(索)錨固力的有效手段及圍巖自承能力的技術(shù)手段[8]。并可與錨網(wǎng)噴支護(hù)加固圈組組合多層組合加固結(jié)構(gòu)，共同維持軟弱圍巖大變形巷道圍巖的穩(wěn)定及使用安全。

在巷道實(shí)際注漿施工過程中，由于巷道圍巖封閉較差，注漿時(shí)巷道圍巖跑漿嚴(yán)重；為解決該類巷道圍巖注漿難題，提出了低壓淺孔充填注漿與高壓深孔滲透注漿分次耦合注漿技術(shù)。

2.3.1 低壓淺孔充填注漿

在兩排錨桿之間打孔預(yù)埋注漿管，低壓淺孔注漿管布置如圖4所示。注漿管規(guī)格為φ38 mm×600 mm(直徑×長(zhǎng)度)，注漿管由實(shí)心段和花管段兩部分組成，距孔口處300 mm段為實(shí)心管，距端頭處300 mm段為帶孔花管(在注漿管上按梅花形開設(shè)溢漿孔，規(guī)格為φ8 mm×0.5 m(孔徑×孔距)；采用快硬水泥藥卷進(jìn)行封孔處理，孔口管封孔長(zhǎng)度為300 mm；采用風(fēng)鉆施工注漿孔，孔徑為φ45 mm×1 000 mm(直徑×深度)，注漿孔布設(shè)方式為1 200 mm×1 400 mm(間距×排距)。

圖4 低壓淺孔注漿管布置

采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)水灰比為0.8～1.0；水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，濃度為22～40 °Be，水泥漿與水玻璃的體積比為0.5～0.8。設(shè)計(jì)注漿壓力≤2.0 MPa，保證巷道混凝土噴層不開裂漏漿。注漿時(shí)采用自上向下、左右對(duì)稱的施工工藝，注漿時(shí)先注稀漿液(水灰比為1.0，水泥漿與水玻璃的體積比為0.5)再注稠漿液(水灰比為0.8，水泥漿與水玻璃的體積比為0.8)，以保證注漿能充分進(jìn)入到巷道圍巖中，起到注漿加固的效果。

2.3.2 高壓深孔滲透注漿

高壓深孔滲透注漿時(shí)采用與低壓淺孔充填注漿相同的注漿管，在注漿前采用鉆機(jī)在注漿管掃孔，掃孔規(guī)格為φ28 mm×(2 000～2 500) mm(直徑×掃孔深度)，掃孔終止深度以鉆孔揭露充填體為終孔線位置。高壓深孔滲透注漿既可擴(kuò)大低壓淺孔充填注漿的加固范圍，又可提高漿液的滲透擴(kuò)散能力，改善圍巖注漿加固效果，并可對(duì)低壓淺孔充填注漿加固體起到復(fù)注補(bǔ)強(qiáng)的作用。高壓深孔注漿孔的布置如圖5所示。

圖5 高壓深孔注漿管布置

采用水泥-水玻璃單液漿，水泥使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，設(shè)計(jì)水灰比為0.8～1.0，水玻璃的摻量為水泥用量的3%～5%；為提高水泥漿的可注性和早期強(qiáng)度，可添加適量的萘系高效減水劑，其添加量為水泥用量的1%左右。設(shè)計(jì)注漿壓力≤2.0 MPa，保證巷道混凝土噴層不開裂漏漿。高壓深孔滲透注漿施工工藝同低壓淺孔充填注漿。

注漿終止參數(shù)設(shè)計(jì)：

(1)注漿終壓，當(dāng)注漿終孔壓力≤5.0 MPa 時(shí)注漿終止，即在注漿施工過程中巷道圍巖不吃漿時(shí)即可停止注漿。

(2)注漿量，一般情況下當(dāng)注漿壓力達(dá)到終孔壓力時(shí)即可停止注漿；若注一定量的水泥-水玻璃單液漿后，注漿壓力仍不上升時(shí)，應(yīng)改用濃漿(設(shè)計(jì)水灰比為0.5～0.6)再注3袋水泥，在注漿壓力仍不上升時(shí)，可關(guān)閉球閥暫停注漿；隨后待相鄰鉆孔注漿完成后，再對(duì)該孔進(jìn)行復(fù)注，或在其附近補(bǔ)打鉆孔再次注漿，以保證巷道圍巖注漿加固效果。

3 和睦山鐵礦-300 m水平穿脈巷施工效果分析

3.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

為檢驗(yàn)-300 m水平穿脈巷再造技術(shù)施工效果，在2#穿脈巷布設(shè)了5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、3#穿脈巷布設(shè)了7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。由于在巷道打注漿孔施工與鋪軌過程中，一些測(cè)點(diǎn)被破壞，造成巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)被迫終止。-300 m水平穿脈巷圍巖收斂變形曲線如圖6、圖7所示。

圖6 -300 m水平2#穿脈巷圍巖收斂變形曲線(2017年)

圖7 -300 m水平3#穿脈巷圍巖收斂變形曲線(2017年)

從目前監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，-300 m水平穿脈巷圍巖收斂變形已趨于穩(wěn)定， 2#穿脈巷4#監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形量為17.1 mm，5#監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形量為16.2 mm；3#穿脈巷1#監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形量為5.6 mm，2#監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形量為13.3 mm，4#監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形量為5.3 mm，5#監(jiān)測(cè)斷面圍巖變形量為6.3 mm?？偟膩碚f，穿脈巷圍巖變形量較小，平均值僅為7.6～16.7 mm。

3.2 巷道圍巖穩(wěn)定狀態(tài)分析

-300 m水平穿脈巷施工完成后，巷道圍巖的大變形得到了有效控制，未發(fā)生圍巖冒頂與片幫等情況，圍巖穩(wěn)定狀態(tài)至今良好，施工完成的巷道如圖8所示。

4 結(jié) 論

(1)和睦山鐵礦-300 m水平穿脈巷圍巖變形與錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，如頂板與幫部混凝土噴m水平穿脈巷施工后的穩(wěn)定狀態(tài)層大面積開裂，鋼筋網(wǎng)外露，頂板冒頂與片幫嚴(yán)重。采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)-300 m水平穿脈巷進(jìn)行了圍巖松動(dòng)圈探測(cè)，確定了圍巖松動(dòng)破碎范圍較大為2.0～2.5 m。

圖8 -300

(2)針對(duì)和睦山-300 m水平穿脈巷變形破壞特點(diǎn)與圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果分析，為保證軟弱破碎圍巖巷道快速施工與圍巖的穩(wěn)定，提出了“擴(kuò)刷成型+錨網(wǎng)噴支護(hù)+深淺孔耦合注漿加固”相結(jié)合的巷道再造技術(shù)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用巷道再造技術(shù)后，-300 m水平穿脈巷圍巖變形量平均值僅為7.6～16.7 mm，表明再造技術(shù)保證了軟弱破壞圍巖巷道的掘進(jìn)效率與使用安全，是一種行之有效的在軟弱破碎圍巖中快速施工技術(shù)。