安徽和睦山铁矿软弱破坏围岩巷道再造技术

2018-12-21黄小忠

现代矿业 2018年11期

黄小忠

(马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司)

软岩巷道的掘进施工与支护是困扰资源安全高效开采的难题，国内外专家进行了大量的理论分析、试验研究与工程应用，取得了一些研究成果。何满潮等[1]根据软岩的变形力学机制，提出了耦合支护力学原理；康红普等[2]针对复杂困难巷道条件，分析了锚杆的支护作用，提出了高预应力、强力支护理论；柏建彪等[3]针对软岩巷道变形强烈的特点，提出了主动有控卸压的方法；张农等[4]针对破碎软岩巷道长期大变形特征，提出了以高预拉力、高强度、高刚度锚杆为主体的软岩巷道强化支护控制体系；华心祝等[5]、任建喜等[6]分别在分析软岩巷道破坏原因和锚注加固机理的基础上，提出了已破坏巷道采用锚注加固修复技术方案，成功应用于工程实践。

和睦山铁矿隶属于马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司，位于安徽省当涂县城南12 km。和睦山铁矿矿体处于极复杂火成岩的成岩环境，存在大量的局部软弱裂隙带，围岩体具有高节理化、软化、泥化和膨胀性的特征，造成部分锚杆被挤出而失效，未能形成完整的支护结构，导致巷道顶板下沉、片帮与底臌严重，部分断面已经影响了正常的使用，现有的锚喷支护方式难以维持巷道的正常稳定，亟需对该类巷道进行修复处理，提出在软弱破坏围岩中快速施工巷道的技术，以保证其长期稳定与使用安全。

1 和睦山铁矿-300 m水平巷道变形破坏特征与围岩松动范围实测

和睦山铁矿-300 m水平穿脉巷处于软弱岩层中，岩性主要为粉矿和闪长岩，基本呈粉化、泥化状态，岩石强度较低(泥化闪长岩和粉矿单轴抗压强度依次为7.1，19.55 MPa)和承载力差，围岩特征主要是软弱、松散、破碎，使得锚杆(索)的锚固性较差，导致无法实施有效地锚杆(索)主动支护结构，造成已施工的巷道围岩产生了顶板下沉、两帮内挤及底板底臌等破坏(图1)，不能满足巷道的稳定与使用要求；亟需在软弱破坏围岩中快速施工巷道，以满足井下铁矿石开采与矿石、支护材料等运输的需要。

图1 和睦山铁矿-300 m水平3#穿脉巷破坏形式

由图1分析可知，和睦山铁矿-300 m水平穿脉巷围岩变形与锚喷支护结构破坏严重，如顶板与帮部混凝土喷层大面积开裂，钢筋网外露，顶板冒顶与片帮严重；局部地段巷道发生了大面积变形破坏，已严重影响了巷道的正常使用。

因此，为确定-300 m水平穿脉巷围岩松动破碎范围，以及为巷道支护设计与参数的选取提供依据，采用地质雷达无损检测技术对-300 m水平穿脉巷进行了围岩松动圈探测。部分穿脉巷围岩松动圈探测剖面如图2所示。

图2 300 m水平3#穿脉巷围岩松动圈探测剖面

在-300 m水平3#穿脉巷左帮和右帮各布置1条测线，共布设了2条测线，左帮测线长度为15.19 m、右帮测线长度为15.02 m。测试结果表明，-300 m水平3#穿脉巷左帮松动圈范围为2.0 m左右，右帮松动圈范围为2.0～2.5 m左右。总的来说，和睦山铁矿-300 m水平穿脉巷围岩松散破坏程度严重，围岩松动破碎范围为2.0～2.5 m，为大松动圈范围[7]，极不利于巷道围岩的稳定控制。

2 和睦山铁矿-300 m水平穿脉巷再造技术

2.1 巷道扩刷成型

由于目前已施工的巷道围岩产生了大面积的顶板下沉、两帮内挤及底板底臌等破坏，无法满足巷道正常使用的要求。因此，首先利用风镐将开裂的喷层和网兜找净，将破坏的围岩、喷层、钢筋网和锚杆等清除掉，为巷道修复做准备。扩刷时要求按巷道设计尺寸施工，且保证巷道的成型质量，严禁超挖或欠挖，巷道掘进尺寸与设计尺寸相差不得超过200 mm。

2.2 巷道锚网喷支护技术

锚杆规格为φ20 mm(直径)×2 400 mm(长度)，锚杆布设方式为700 mm(间距)×700 mm(排距)，采用K2350、Z2350型树脂药卷各1卷进行加长锚固(设计锚固长度≥800 mm)，设计锚杆的锚固力≥100 kN，设计锚杆的预紧力≥50 kN；采用拱型高强度托盘，托盘规格为150 mm(长度)×150 mm(宽度)×12 mm(厚度)，巷道锚网喷支护结构如图3所示。

图3 巷道锚网喷支护结构

钢筋托梁全断面使用，拱顶钢筋托梁规格为φ14 mm×2 600 mm×80 mm(钢筋直径×长度×宽度)，帮部钢筋托梁规格为φ14 mm×2 200 mm×80 mm(钢筋直径×长度×宽度)。钢筋网规格为采用φ6 mm×2 000 mm×1 000 mm(钢筋直径×长度×宽度)，网孔规格为100 mm×100 mm(长度×宽度)，网片搭接长度100 mm，搭接处必须利用钢筋托梁和锚杆压紧，以防止接茬处的网片脱开。喷射混凝土强度等级C25，配合比为1∶2∶2，掺3%～5%速凝剂，初喷厚度约为50 mm。

2.3 巷道围岩注浆加固技术

注浆加固技术是提高破碎围岩的整体强度、改善巷道围岩破裂体的力学性质和提高锚杆(索)锚固力的有效手段及围岩自承能力的技术手段[8]。并可与锚网喷支护加固圈组组合多层组合加固结构，共同维持软弱围岩大变形巷道围岩的稳定及使用安全。

在巷道实际注浆施工过程中，由于巷道围岩封闭较差，注浆时巷道围岩跑浆严重；为解决该类巷道围岩注浆难题，提出了低压浅孔充填注浆与高压深孔渗透注浆分次耦合注浆技术。

2.3.1 低压浅孔充填注浆

在两排锚杆之间打孔预埋注浆管，低压浅孔注浆管布置如图4所示。注浆管规格为φ38 mm×600 mm(直径×长度)，注浆管由实心段和花管段两部分组成，距孔口处300 mm段为实心管，距端头处300 mm段为带孔花管(在注浆管上按梅花形开设溢浆孔，规格为φ8 mm×0.5 m(孔径×孔距)；采用快硬水泥药卷进行封孔处理，孔口管封孔长度为300 mm；采用风钻施工注浆孔，孔径为φ45 mm×1 000 mm(直径×深度)，注浆孔布设方式为1 200 mm×1 400 mm(间距×排距)。

图4 低压浅孔注浆管布置

采用水泥-水玻璃双液浆，水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥，设计水灰比为0.8～1.0；水玻璃模数为2.4～3.4，浓度为22～40 °Be，水泥浆与水玻璃的体积比为0.5～0.8。设计注浆压力≤2.0 MPa，保证巷道混凝土喷层不开裂漏浆。注浆时采用自上向下、左右对称的施工工艺，注浆时先注稀浆液(水灰比为1.0，水泥浆与水玻璃的体积比为0.5)再注稠浆液(水灰比为0.8，水泥浆与水玻璃的体积比为0.8)，以保证注浆能充分进入到巷道围岩中，起到注浆加固的效果。

2.3.2 高压深孔渗透注浆

高压深孔渗透注浆时采用与低压浅孔充填注浆相同的注浆管，在注浆前采用钻机在注浆管扫孔，扫孔规格为φ28 mm×(2 000～2 500) mm(直径×扫孔深度)，扫孔终止深度以钻孔揭露充填体为终孔线位置。高压深孔渗透注浆既可扩大低压浅孔充填注浆的加固范围，又可提高浆液的渗透扩散能力，改善围岩注浆加固效果，并可对低压浅孔充填注浆加固体起到复注补强的作用。高压深孔注浆孔的布置如图5所示。

图5 高压深孔注浆管布置

采用水泥-水玻璃单液浆，水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥，设计水灰比为0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3%～5%；为提高水泥浆的可注性和早期强度，可添加适量的萘系高效减水剂，其添加量为水泥用量的1%左右。设计注浆压力≤2.0 MPa，保证巷道混凝土喷层不开裂漏浆。高压深孔渗透注浆施工工艺同低压浅孔充填注浆。

注浆终止参数设计：

(1)注浆终压，当注浆终孔压力≤5.0 MPa 时注浆终止，即在注浆施工过程中巷道围岩不吃浆时即可停止注浆。

(2)注浆量，一般情况下当注浆压力达到终孔压力时即可停止注浆；若注一定量的水泥-水玻璃单液浆后，注浆压力仍不上升时，应改用浓浆(设计水灰比为0.5～0.6)再注3袋水泥，在注浆压力仍不上升时，可关闭球阀暂停注浆；随后待相邻钻孔注浆完成后，再对该孔进行复注，或在其附近补打钻孔再次注浆，以保证巷道围岩注浆加固效果。

3 和睦山铁矿-300 m水平穿脉巷施工效果分析

3.1 围岩变形监测分析

为检验-300 m水平穿脉巷再造技术施工效果，在2#穿脉巷布设了5个监测断面、3#穿脉巷布设了7个监测断面。由于在巷道打注浆孔施工与铺轨过程中，一些测点被破坏，造成巷道围岩变形监测被迫终止。-300 m水平穿脉巷围岩收敛变形曲线如图6、图7所示。

图6 -300 m水平2#穿脉巷围岩收敛变形曲线(2017年)

图7 -300 m水平3#穿脉巷围岩收敛变形曲线(2017年)

从目前监测结果来看，-300 m水平穿脉巷围岩收敛变形已趋于稳定， 2#穿脉巷4#监测断面围岩变形量为17.1 mm，5#监测断面围岩变形量为16.2 mm；3#穿脉巷1#监测断面围岩变形量为5.6 mm，2#监测断面围岩变形量为13.3 mm，4#监测断面围岩变形量为5.3 mm，5#监测断面围岩变形量为6.3 mm。总的来说，穿脉巷围岩变形量较小，平均值仅为7.6～16.7 mm。