某深部高压软岩巷道强化组合支护实践

2018-09-18方自生

现代矿业 2018年8期

方自生

(芜湖文武玄武岩矿业有限公司)

戴家汇铜矿地面标高为+140 m，在井下-190 m 中段施工时，有段65 m长的巷道要穿过宽约60 m的F1断层。该断层为压扭复合断层，受牵引力作用,断层沿走向、倾向收缩,膨胀明显。断层中充填角砾岩，胶结物为硅质、泥质、铁质，高岭土化严重。总体岩性较差，岩体强度低，裂隙较发育，完整性不好，易膨胀黏土质成分含量高。巷道平均允许暴露时间为8～11 h，巷道掘进后松动圈半径较大，变形持续时间长。掘进过程中实测涌水量为30～400 m3/h。前期按照传统支护方法施工20 m巷道后，工作面探水孔出水，水量约30 m3/h，采取2.5 m 厚止浆墙封堵，进行了2.5个月的注浆治水工作；注浆治水期间巷道两帮变形开裂，收缩量基本在400～500 mm，维修支护后主要变形在底鼓，底鼓量为600 mm 左右，中间喷层开裂严重，拱形顶板基本成为平顶。

由于治水效果差，矿山拟变更方案，该迎头一直停工7个月，期间观测变形趋缓。后经多方论证，变更设计未能成行，仍按原设计施工。该段巷道埋深大，距地面330 m，净断面为2.6 m×2.5 m(三心拱)，为矿井主要回风巷道，服务年限相对较长，对变形控制要求高，急需解决此类高压软岩巷道长期稳定性问题。

1 工程地质及水文概况

戴家汇铜矿为接触交代矽卡岩型铜矿，矿体主要赋存于花岗闪长斑岩与围岩接触带矽卡岩中，与石炭系黄龙组、船山组灰岩接触处。矿体较厚，品位较好。矿石及顶底板岩石为块状结构，围岩以层状结构为特点。受F1断裂节理裂隙及地下水的影响，岩石常有软弱夹层，易于膨胀，且具有强高岭土化、绿泥石化岩(矿)石稳固性较差，井巷开拓时易产生片帮、冒顶等不良现象，工程地质条件复杂。

由于本矿床各含水层受F1断裂带影响，地层出露不全，矿床主要含水层为碳酸盐岩类岩溶裂隙水、溶洞水，其次为构造裂隙水，碳酸盐岩含水层与构造裂隙水有水力联系。F1断裂带联系矿体上部各含水组，又是主要的控矿断层，开采时采场会受到上部各含水组涌水的影响。根据地质资料，预测-190 m水平正常涌水量为7 000 m3/d，最大涌水量为12 000 m3/d，属大水矿山，水文地质条件复杂。

2 强化组合支护技术体系

强化锚杆及配套支护手段包括提高钢筋网、托板等支护材料的刚度，与锚杆、锚索承载性能匹配，强化组合支护系统整体强度[1]。除了采用组合支护外，辅助以高强并具有一定韧性的钢纤维混凝土喷层，并在靠近巷道表面200～500 mm的破裂围岩内注入水泥浆液，对巷道表面、破裂松动岩体进行有效修复与固结，改善围岩完整性，提高围岩强度；注浆与锚杆统一起来实现锚注一体化，提高岩体变形刚度[2]。

3 支护方案设计

穿越F1断层的-190 m主要回风巷道为三心拱，净断面为2.6 m×2.5 m，断面积为6.02 m2，支护厚度为0.1 m。该类型的拱顶受力薄弱点在大圆弧和小圆弧的接点处，因此，将实际施工断面形状设计为直墙半圆拱，墙高1.2 m，拱高1.3 m，支护厚度为0.1 m，断面积为5.77 m2。

顶板采用锚网+锚索+喷钢纤维联合支护，帮板采用锚网+喷钢纤维联合支护，底板采用厚度为400 mm双层钢筋混凝土浇底；特殊地段(破裂松动岩体)采用自固式注浆锚杆修复与固结围岩。

4 施工过程

4.1 锚杆安设

顶、帮锚杆均边掘边锚,先打顶锚，再打帮锚。顶锚杆孔深1 630 mm,采用YT-28型气腿式钻机，φ30 mm金刚石复合片钻头。采用φ18 mm×1 500 mm 螺纹钢锚杆，间排距为600 mm×600 mm；顶锚杆角度不小于75°，遇裂隙时尽量要与裂隙面垂直布置，锚杆外露长度为30～50 mm；锚固力顶锚不小于64 kN。

帮锚杆孔深1 260～1 280 mm，采用YT-28型气腿式钻机，φ28 mm金刚石复合片钻头。采用φ16 mm×1 200 mm螺纹钢锚杆，至顶板向下300 mm处按间排距600 mm×600 mm平行布置，切眼至顶板向下200 mm处按间排距600 mm×600 mm 平行布置；帮锚杆要垂直巷帮布置，托板要垂直于顶底板，锚杆外露长度为30～50 mm；锚固力不小于50 kN。

顶、帮锚杆均使用树脂锚固剂，每孔使用一卷，启动搅拌器，锚杆边旋转边匀速推到孔底，搅拌15～20 s，等待90～180 s卸下搅拌器，上托板，拧紧螺母。锚杆间排距误差不得超过±0.1 m。

顶板不稳定段及巷道两帮挤压变形过大等特殊情况需调整支护形式和制定相关安全措施。

4.2 金属网铺设

每班工作面(断面达不到设计要求的进行扩帮挑顶)放完炮进行敲帮问顶，处理浮石,及时清理工作面。先定中间顶部一根锚杆的孔位,用YT-28型气腿式钻机打孔，将金属网及锚杆同时安装到位，上好托盘并用锚杆机拧紧螺母(扭矩不低于90 N·m),直到拧不动为止,使托盘紧贴岩面,起到临时支护的作用。采用网格为50 mm的矿用方形金属网，规格为2.5 m×1.2 m。顶网长边垂直巷道中线铺设,帮网长边沿巷道走向铺设，网片搭接不少于10 cm，并用16#双股铅丝每隔15 cm将网相连，且拧紧不少于3圈。

4.3 锚索支护

锚索眼深5.5 m，使用YT-29型气腿凿岩机，打眼前先送水后开钻，推进时用力均匀。采用φ15.24 mm×5 000 mm钢绞线锚索，顶板正常段锚索至巷中按间排距1 600 mm×2 000 mm布置；遇地质构造顶板不稳定时，采用全锚索支护，锚索间排距为800 mm×1 000 mm；遇地质构造带，采用槽钢锚索支护，锚索间排距为600 mm×600 mm；特殊地段应制定相应措施解决。每孔使用2卷S2360锚固剂；锚索外露长度从索具算起不大于350 mm；采用OVM15型单体锚具，锚索承载能力应在230 kN以上，张拉预应力为95 kN。

4.4 喷浆施工

在锚杆(索)挂网作业完成后，进行喷浆作业。喷射混凝土材料在井口用搅拌机拌合，通过矿车运输到工作面，由人工上料进行喷浆作业。混凝土按照1∶2∶2(水泥∶黄沙∶石子)配置，并通过试块强度验证；速凝剂的掺入量严格按照配合比控制，材质符合有关规定；采用HPC-V型潮式喷射机湿式喷射。

喷射作业前，撬净工作面浮石，润湿受喷面，处理受喷面的滴水和淋水，埋设控制喷射混凝土厚度的标志点。作业人员配戴密封防护眼镜。严格控制好速凝剂的掺量，使喷层表面平整、湿润、光泽，无干斑或滑移流淌现象。调整好风压，喷头距工作面0.8～1.2 m为宜，并随时调整喷射角度，有效控制回弹率。回弹物不得重新用作喷射混凝土材料，以免影响喷射混凝土质量。喷层厚100 mm，采用分层喷射作业，墙部厚50～80 mm，拱部厚30～60 mm；下一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，当间隔超过2 h，先喷水湿润混凝土表面。随时检测喷层厚度，确保混凝土达到设计厚度，厚度不达标的进行二次复喷。补喷或复喷混凝土之前用高压风清理混凝土表面的浮尘。喷射混凝土在终凝1～2 h后洒水养护，养护水同搅拌用水，养护时间不小于7 d。

4.5 底板控制

底板采用400 mm厚双层钢筋混凝土浇筑，混凝土标号不低于C25；钢筋采用φ20 mm HRB400螺纹钢筋，特殊地段(破裂松动岩体)采用自固式注浆锚杆加固底板，形成反拱结构，反拱半径为3 300 mm，反拱最大深度为400 mm。

4.6 注浆工作

上述工作完成后，特殊地质带采用自固式注浆锚杆进行修复与加固。采用YT-29型钻机钻孔，孔深1.5～3 m，间排距为1 000 mm×1 000 mm，采用2TGZ-60/210型双液调速注浆泵注浆。预埋固结孔口管，各钻孔注浆前做压水实验，压力达到1 MPa并持续0.5～3 h后进行注浆，终压最低控制在3 MPa。采用3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1配比水泥浆液，吸浆量少且注浆压力高时，采用混合黏土浆液或化学浆液。强化组合支护示意见图1。

图1 强化组合支护示意(单位：mm)

4.7 施工中的注意事项

(1)巷道交叉口均采用锚杆、金属网、锚索进行联合支护，大型牛鼻子处采用锚索+槽钢钢带2～3排进行锁口，排距为1 m。

(2)根据顶板情况，在破碎顶板或压力大时，适当加密锚索，加密补打帮锚杆。

(3)交叉点网要连接合理，帮锚杆要垂直岩壁，抹角处控顶距超过30 cm时要补打锚杆。

5 变形监测

5.1 观测仪器及方法

巷道每向前施工30 m安设一台LBY-3型顶板沉降观测仪，不少于3台；使用锚杆(索)拉力计分别拉拔50根锚杆、20根锚索。

5.2 传统支护巷道位移观测

传统支护巷道围岩的变形曲线见图2。

图2 传统支护围岩移近变化曲线

探水孔出水前施工20 m巷道，7 d后钢筋混凝土巷道出现明显裂纹、掉块、起层、变形；在以后的1.5个月内，顶板下沉速度和两帮相对移近速度表现十分明显，传统支护几乎全部破坏、失稳；半年后，围岩处于稳定状态，由于深部围岩具有蠕变特性，巷道仍保持一定的变形速度；经多次测量统计，巷道顶底最大移近量为370 mm，两帮最大移近量为470 mm。

5.3 强化组合支护巷道位移观测

依照强化组合支护技术方案，对已破坏的巷道进行修复，巷道围岩变形见图3。

图3 强化组合支护围岩移近变化曲线

在开始半个月内，巷道顶底板相对移近量累计为82 mm，两帮相对移近量累计为54 mm，均处于可控制范围内；通过后期4个月的连续跟踪观察，顶底板、两帮相对移近趋于稳定，两帮及顶底板相对移近量几乎静止不变。巷道变形得到有效控制，整体支护状况良好，尤其在采用锚索强化支护的地段。该条巷道目前已使用7 a，至今没有出现裂纹、掉块、起层、变形等现象。