复杂、富水地质条件下硐室与巷道支护技术研究

唐铁军

(马钢集团矿业公司姑山矿业公司 安徽马鞍山 243181)

1 概述

金属矿山巷道支护技术的发展可以概括为：从被动到主动，从单一支护到联合支护。被动支护主要有木支架、砌碹支护、型钢支架支护等，其特点为支护体被动的承受围岩的作用力，不能改变围岩内部结构，支护强度不能达到高应力的要求。主动支护，主要有锚杆、锚索、锚喷、锚注支护等，其主要特点是通过改变围岩的内部结构，提高围岩自身强度，通过提高围岩的整体性和自能力承载，使围岩和支护结构形成联合支护体[1]。金属矿山巷道支护由过去单一的支护形式逐步发展为目前各种锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架注、注浆加固技术和预应力锚索支护等多种支护技术相联合的耦合支护方式。

白象山铁矿是国家861科技支撑计划项目，位于安徽省当涂县太白镇岗子村东侧的山坡上，区域地质位置处于华中地洼区、苏鄂地洼系或秦淮弧构造系东翼之宁芜地洼南缘钟姑洼凸内，晚侏罗至白垩世地洼激烈期，区内褶皱断裂构造发育。白象山铁矿矿体埋藏于-200m水平以下，地表多为水田、鱼塘，青山河由南向北流经矿区，含矿层中等富水带可由分布于矿区上部的第四系孔隙含水层和矿体顶板的三叠系上统黄马青组基岩强含水层补给，井田富水量400万立方米，纵、横向大小断裂带10条，水与断层的沟通能力很强，上述地质构造使得矿区内水文地质情况极其复杂，存在大量富水、断裂、破碎带构造，且多数断裂构造存在导水性，在全国的矿山内实属罕见，施工中困难重重，传统的喷锚网支护技术不能满足白象山的需要，因此开展支护技术研究。

2 研究的目标及技术指标

(1)综合采用物探和地质钻探技术，保证超前地质探测和预报准确率在70%以上，解决掘进过程中的突发用水的问题，保证安全掘进。

(2)形成不同类型巷道与硐室的最佳支护方式和参数，达到经济、安全、高效的目的。

(3)建立完善巷道、硐室岩石失稳预报监控新技术，实现检测仪器的系统性、有效性，检测手段的可靠性，检测技术的先进性。

(4)巷道及硐室的2次支护不超过2%，巷道利用率达100%。

3 研究内容

3.1 岩石物理力学性质试验与分析

为了确定不同巷道和硐室的岩石力学性质，先后两次对破碎硐室、排泥硐室、水泵房以及-495m中段巷道、风井-470m巷道的岩石进行了现场取样与实验室测试分析。

表1 主要巷道岩石力学实验结果

3.2 综合物探地质超前预报

为了在掘进和支护前能探明前方及围岩的水文地质情况，先后多次采用以下方法进行了物探分析，为掘进与支护方案的确定和实施提供了宝贵的资料。

为了准确确定支护方案及参数，先后对破碎硐室、水泵房进行了地质雷达地质探测，以查明周围岩石破碎情况及其含水状态，其中水泵房左帮探测线在0-4 m深度范围内的震荡波皆为表面水的影响，在深度6 m-8 m范围内，电磁波低频宽幅震动，振幅较强，幅宽较大，含水特征明显，中间部分6 m-10 m含水丰富。

(1)TSP超前地质预报

-470 m巷道迎头至迎头前方14 m范围内(R1)存在多处能量较小的反射界面，推断该范围内小裂隙发育，岩体较破碎，巷道在掘进过程中可能会出现滴、淋水现象；巷道迎头前方17 m-20 m处(R2)存在较强的界面，推断为岩性变化或断层裂隙带的影响；巷道迎头前方40 m-42 m处(R3)存在较强的界面，推断该区岩性变化或断层裂隙发育。

(2)瞬变电磁超前地质预报

在风井-390 m以及-470 m中段巷道掘进过程中迎头多次进行了瞬变电磁的超前地质预报，其中在风井-470 m掘进迎头。掘进工作面前方40 m-80 m，巷道左帮5 m-40 m，顶板上方30 m-60 m，底板下方40 m-80 m的范围存在明显低阻异常区，该区域视电阻率值较低(ρ<2.5 Ω·m)，在排除岩性变化，尤其是周围矿体影响的情况下，该区域为富水异常区，根据超前钻孔资料显示，钻孔出水，因此该异常区富水性较好。

3.3 巷道与硐室松动圈测试

本次研究采用地质雷达进行围岩松动圈的测试。

在东侧沿脉巷、北大巷、水泵房硐室、卸载硐室、风井-390 m石门巷、-470 m石门巷的两帮布置测线，进行了巷道围岩松动圈地质雷达探测。雷达测线布置是沿着巷道断面，探测深度为5 m。雷达采样为连续记录。

具体探测结论如下：

(1)水泵房硐室：如图3.5所示，松动范围2.0 m-2.5 m；

(2)东侧沿脉巷：松动范围为1.0 m-1.7 m；

(3)北大巷：松动范围0.8 m-1.4 m；

(4)破碎硐室：松动范围1.5 m-2.0 m；

(5)-390 m石门巷：松动范围1.2 m-1.8 m；

(6)-470 m石门巷：，松动范围1.2m-1.8 m。

3.4 巷道围岩分类

本次研究综合采用冶金矿山锚喷支护围岩分类和围岩松动圈分类方法对白象山铁矿进行围岩分类。

根据对岩石力学性质试验、地质雷达松动圈探测结果，结合综合分类表可对白象山铁矿主要巷道围岩进行初步分类。

该分类为初步分类，穿越的地层不同，围岩分类有所差别，现场可根据巷道可能穿越地层特性，采用物探方法对围岩进行预分析，并及时分析揭露后的岩层特性，确定围岩准确类别，然后选择合理的掘进和支护方式。

表2 白象山铁矿巷道围岩稳定综合分类表

4 巷道及硐方案确定

4.1 大硐室支护方案

施工中全断面锚固支护采用高性能螺纹钢锚杆，规格为Φ20 mm×2200 mm，间排距800 mm×800 mm，托盘采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×8 mm；经过拉力试验，锚固力不低于150 kN；钢筋网采用φ6.0 mm钢筋焊接；喷射混凝土强度等级C20，厚度70 mm-80 mm，覆盖住锚杆托盘，并保证注浆管孔口外露长度不少于30 mm。[2]。

全断面布置预应力锚索对硐室进行加强支护，预应力锚索采用直径为φ17.8 mm的高强度低松弛预应力钢绞线制作，长度为7.5 m，间排距为1600 mm×1600 mm；其极限承载力为353 kN，伸长率为7%；采用高强度的垫板(300 mm×300 mm×16 mm)和专用锚具与设备进行张拉、固定和切割；锚索的预应力不低于120 kN。

在锚杆支护施工同时进行注浆管的打孔和安装以及锚索打孔及安装。注浆管布置在两排锚杆之间，间排距1600 mm×1600 mm。在锚网喷后进行低压浅孔注浆施工，注浆管规格为φ38 mm×1000 mm，孔深2m；浆液采用单液水泥-水玻璃浆液，水灰比控制在0.8 m-1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3%-5%，注浆压力控制在2.0 MPa左右。

低压浅孔注浆加固之后，全断面复注加强支护采用高压深孔渗透注浆，高压深孔渗透注浆与低压浅孔注浆采用同一注浆管，注浆前可采用Φ28 mm钻头进行扫孔，扫孔深度控制在5.0 m左右。高压深孔渗透注浆就是在低压浅孔注浆加固后形成一定厚度的加固圈(梁、柱)基础上，布置深孔，采用高压注浆加固，一方面可扩大注浆加固范围，另一方面高压注浆可提高浆液的渗透能力，改善注浆加固效果，而不会导致喷网层的变形破坏，并可对低压浅孔注浆加固体起到复注补强的作用，从而显著提高注浆加固体的承载性能。

完成全断面高压深孔注浆后，再进行一次喷浆，喷射混凝土强度和配合比要求同前述要求，喷厚70 mm-80 mm，使总喷厚达到150 mm。

4.1 巷道支护技术方案

在巷道支护中针对不同的巷道围岩特征及地应力特点提出了不同的支护方案，根据白象山铁矿不同中段地层中地应力分布特征及岩性差异，结合不同类型巷道与硐室工程特点，进行合理的支护方式与支护参数的优化研究。对于可能存在的围岩类别(Ⅰ-Ⅴ类)，初步考虑其支护方式与参数为：

Ⅰ类围岩：不支护，或喷混凝土封闭围岩，喷厚50-60 mm；

Ⅱ类围岩：采用Ф16 mm-18 mm螺纹钢锚杆支护，锚杆长1600 mm-1800 mm，间排距800 mm-1000 mm；喷混凝土封闭围岩，喷厚80 mm-100 mm；

Ⅲ类围岩：采用Ф18 mm-20 mm螺纹钢锚杆+金属网支护，锚杆长1800 mm-2000 mm，间排距700 mm-900 mm；喷混凝土封闭围岩，两次喷厚100 mm-150 mm；

Ⅳ类围岩：采用Ф20 mm～22 mm的螺纹钢锚杆+钢筋梯+金属网，锚杆长2000 mm-2200 mm，间排距700 mm-800 mm；两次喷厚120 mm-150 mm；考虑顶帮注浆加强支护，局部架设可缩性拱形金属支架；

Ⅴ类围岩：采用Ф20 mm-22 mm的螺纹钢锚杆+钢筋梯(钢筋网)+锚索支护，锚杆长2200 mm-2400 mm，锚杆间排距700 mm-800 mm；两次喷厚120 mm-150 mm；考虑采用型钢支架加强支护，底板铺设反底拱，并实施全断面注浆加强支护。

5 支护方案实施效果

5.1 变形监测结果

图1 及硐室累计变形量变化趋势图

5.2 大硐室支护方案实施效果

主井破碎硐室依据设计蓝图进行钢筋砼支护时间需要2.5个月，经采用本次研究制定的锚网索喷+二次注浆加固支护方案，施工时间仅用了一个月。设计蓝图支护钢筋混凝土厚度是400mm，本次研究制定的方案中喷浆厚度只有150mm，节省钢筋砼量为331m3，节省费用24.48万元，而且施工中不需要绑钢筋和现浇砼，操作简单，利用空间较大，安全性大大提高了。这种支护方式是一种柔性支护，支护和围岩成为一个整体，围岩也成为支护结构的一部分，充分利用了围岩的自承载能力。从长期使用来看，在周围恶劣的环境影响下，混凝土及钢筋极易产生腐蚀现象从而降低承载能力，而二次注浆可以提高围岩的承载能力。二次支护后监测九个月，前二个月最大变形量为3.2mm,后七个月主井破碎硐室基本没有变形,基本稳定了。

5.3 巷道支护方案实施效果

风井-470 m水平石门巷

这段巷道由于处于软岩地段，底部易发生底鼓，同时水平应力较大使得两帮变形也比较严重。因此巷道先后三次进行了重新卧底，但卧底后又产生大的变形，浪费了大量的时间和材料。最后决定采用锚网喷及型钢支架加反底拱的支护形式。由于采取了柔性支护，支护和围岩成为一个整体，围岩也成为支承作用，多种支护手段形成符合的支护形式，目前稳定性很好，保证了巷道的安全性和使用性要求，实现了巷道返修率低于2%的目标，为-450m水平的贯通打下了基础。同时也总结提出了针对围岩破碎时支护技术的成套技术并将应用于后续工程施工当中。

6 结语

白象山铁矿属水文地质复杂、富水矿山，初步设计中硐室采用钢筋混凝土支护结构，巷道采用喷锚网支护及素喷，传统的喷锚网支护不能满足白象山建设的需要；钢筋混凝土支护施工难度大、工期长，使得白象山建设步伐缓慢。“白象山复杂、富水地质条件巷道和硐室支护研究”在白象山铁矿展开研究以来，取得了很多成果，针对不同的硐室和巷道形成了一整套的掘进与支护技术，加快了建设速度取得了显著效益。

参考文献

[1] 张龙江,刘永发.矿井锚杆锚索联合支护应用分析[J].中州煤炭,2011，4

[2] 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范. (GB 50086-2015)