裂隙破碎带软弱夹层矿井支护技术研究

况 建，聂美容

（贵州人文资源开发有限公司，贵州 贵阳 550000）

一般说来，裂隙破碎软弱矿体具有膨胀性、崩解性、分散性、流变性和易扰动性等工程力学特点。

（1）裂隙破碎矿体的膨胀可分为三种即应力扩容膨胀、内部膨胀与外部膨胀。矿山掘进中复合膨胀形态多为裂隙破碎矿体[1]。

（2）地质开采工作进行下矿层节理裂隙化出现矿体崩解，因地层裂隙发育不良易引起矿层局部张力集中的片帮、崩裂状态[2]。

（3）裂隙破碎带软弱夹层带矿井的流变性是指矿层受力变形过程中，随着时间的推移，发生结构面闭合、扩容和滑移变形的，强度随时间变化而降低现象。

（4）裂隙破碎体的易扰动性指由于矿体裂隙发育，吸水膨胀等特性，导致抗外部环境扰动的能力极差。对卸荷松动、施工震动等极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点[3]。

为了克服不良地质条件下因开挖而引起的大变形，防止软弱夹层因过度变形而产生坍塌，发生塌方事故，必须采用一些施工技术措施，加固矿层或阻止矿层变形。目前，比较实用的技术方法是以管棚超前支护或注浆为主体的综合技术措施。

因此，根据甲玛矿区井巷工程以及工程地质实际情况，重点研究提出了中深孔注浆，小导管注浆，小管棚超前支护等掘进施工技术。

1 中深孔注浆技术研究

1.1 作用原理

井下中深孔注浆的原理实际上是利用电化学、气压、液压将存在凝胶能力的矿浆经过管道流入到矿层裂隙与空隙中，将矿层空洞中的空气和水文挤出，浆液经扩散、凝固、硬化，将裂隙破碎的岩层胶结起来，以达到改善岩层性能降低岩层的渗透性；提高岩层的强度与承载能力；减少矿层的变形的一种施工方法[4]。

1.2 中深孔注浆设计

中深孔注浆管的管径89mm～999mm，长度大于6m。中深孔注浆又可分为小直径注浆管（89mm～199mm）和大直径注浆管（199mm～999mm），常用的为小直径注浆管。

1.2.1 参数选择

注浆管采用热轧无缝金属管，外径为D=76mm～108mm，长度为L=15m～30m，分段安装，每分段长度为4m～6m，两段之间用“V”型对焊或丝扣连接，丝扣长不小于15cm。钢管上钻注浆孔，孔径为10mm～16mm，孔间距为20cm，呈梅花型布置，金属管尾部留有不钻孔的止浆段，掘进进尺确定在0.5m～2.0m。支护采用工字形拱架，加强型可用格栅金属架，或工字形金属架与格栅金属架间隔使用。间距：按等级考虑软弱矿层，间距0.75m～1.0m，特殊情况下可加密，搭接长度根据巷道开挖高度，纵向两段注浆管间，应有不少于1.5m的搭接长度，一般为2.0m～4.0m。注浆压力一般情况下，当埋深浅于l0m时，可取较小的注浆压力值。如采用水泥～砂浆浆液，坍落度一般在25mm～75mm，注浆压力应选定在1MPa～7MPa范围内，坍落度较小时，注浆压力可取上限值；如采用水泥～水玻璃双液快凝浆液，则注浆压力0.8MPa～2MPa。

中深孔全断面注浆施工图可参见图1。

1.2.2 注浆材料的选择

固结注浆一般采用水泥浆液或水泥-水玻璃类浆液。水泥浆液的水灰比一般为1:1～0.5:1；水泥与水玻璃的体积比为1:0.5～1:1，常用1:0.5。水玻璃模数n=2.4～3.4。波美度Be'=30～40，常用Be'=35。

1.2.3 挡浆墙

为了防止注浆过程中裂隙水或浆液在高压作用下倒渗，注浆施工前应对注浆工作面进行封闭，加固挡浆岩墙或施作现浇混凝土挡浆墙，挡浆岩墙的厚度一般取5m～10m。现浇混凝土挡浆墙的厚度一般取1.0m～3.0m，对于接近矩形的挡浆墙，可根据地质条件及注浆压力按下式确定。

式中：δ—挡浆墙的厚度，m；

P0—设计注浆压力，MPa；

A—巷道断面积，m2；

[σ]—混凝土的容许抗压强度，MPa；B—巷道宽度，m；

k—安全系数，取1.4～1.5。

1.2.4 注浆效果评估

在矿层中注浆用量Q可根据扩散半径及矿层裂隙率进行粗略估算，作为施工参考。

式中：r—浆液扩散半径，m；

H—压浆段长度(m)；

η—矿层裂隙率，一般取1%～5%；

β—浆液裂隙内的有效充填系数，约0.3～0.9，视矿层性质而定。

出现较大的矿物滑落、矿体溶裂、矿层溶洞区域，η＞5%时，矿浆的注入量无法估算，所以，在这种状态下，采用注浆压力将注浆量控制在一定数值范围内较适合，注浆量需要根据注浆压力的总量与规定值所决定。

注浆压力达到设计终压时，双液（水泥～水玻璃浆液）吸浆率为18L/min～35L/min，单液（水泥浆）为7L/min～20L/min，稳定约20min即可结束。

1.3 中深孔注浆施工流程

（1）超前钻探：使用探孔对矿山井巷进行注水与探测，具体位置为在巷道掘进工作面前方30m左右，这种钻探方式为超前钻探。

（2）钻注浆孔：对井巷进行钻注浆孔时，首先要确定钻孔位置，选择靠近矿物层面的位置，避免出现钻杆振动；其次，钻进过程使用清水，开孔时控制出水量，将速度减慢，确保注浆孔的钻进质量；更换钻杆时重点检查钻杆有无弯曲现象，中心孔是否流畅。

（3）注浆：依照所规定用量的浆液，将调配好的水泥浆用1mm筛网进行过筛，进行注浆强先检查注浆管是否存在漏点，确保无安全隐患后连接上注浆系统。将孔口混合器与注浆系统连接上，确定能够使用后，将阀门打开，开启注浆泵，将其调试为注入量先大后小、先稀后稠，初期注入水泥单液后期注入双液浆，当注浆压力值符合所设计注浆值时，维持3秒左右，注入量达到设计注浆值即可停止。

（4）每循环注浆长度8m～15m，预留2m～5m止浆岩盘。

（5）检查注浆效果：当注浆孔被填满后，检验一下注浆效果，对矿井钻进口出现渗水量超过0.2L/min点、浆液流动量较弱点或渗水量超过10L/min的点，需要增加钻进口、补加浆液。

（6）注浆结束标准：①单孔结束标准：矿井巷道钻孔注浆压力高于设计压力，然后，将注浆泵压下调至设计注浆量，同时在该设计值上停留10秒钟；完成注浆时注入量小于20L/min；排查注孔涌水量是否小于0.2L/min；检查注浆孔内的浆液是否填充满。②全段结束标准：当注浆的各项指标符合全部设计约束条件，并且没有注浆泄露状况出现；完成注浆涌水量预测；注浆完成后浆液的涌出量每天不超过1立方米；确保注入量符合设计标准；经过注浆后矿井巷道洞壁会更加稳定。

（7）注浆质量标准：①注浆结石体7天单轴抗压强度不小于5MPa；②加固注浆厚度满足设计要求。

2 小导管注浆技术研究

2.1 小导管注浆加固方案

小导管注浆加固机理主要是以渗入性注浆，对具有孔隙、裂隙的岩体，在注浆压力的作用下，使水泥浆液渗入到孔隙、裂隙中，以水泥浆为胶结物将破碎岩块进行胶结，形成有必要支护刚度的整体，以组成岩层自承拱。

具体做法是，将掘进巷道划分为4m～4.5m的若干小段，每一小段作为一个施工单元。对于首个施工单元，先用喷射混凝土将迎头封闭，封闭厚度不小于300mm，其作用一是起止浆墙作用，二是在进行注浆作业时防止迎头破碎岩块垮塌；然后在开挖轮廓线上按一定的外插角向前方钻凿注浆管管孔，插入注浆花管，注浆；注浆凝固后采用短掘短砌的方式进行掘进；再用喷射混凝土将迎头封闭，之后砌筑永久支架。再从钻凿注浆管管孔开始，逐个单元的施工，直到软弱破碎矿层段的巷道掘进完毕。

小导管注浆加固方案如图2所示。

图2 小导管注浆加固方案示意图

2.2 小导管注浆参数设计

2.2.1 参数设计

根据灌浆技术的特点，为了满足施工现场的要求，小管道直径一般为32mm～50mm，太大的直径不适合简单的钻进工具；直径太小不能起到支撑管道和灌浆渠道的作用。该方案使用直径34mm，壁厚3mm的无缝金属管。小管道的长度取决于开挖的长度和矿体的自稳定性。沉积物的自稳定性取决于矿体的内部摩擦角。导管的长度可以通过以下公式计算。

L=1+Hcotφ+0.5

式中：L—小导管长度，m；

φ—矿体塌落角度，°；

H—矿体塌落高度，m。

φ角的大小反映了掘进工作面矿体的稳定性，φ角越大，说明矿体的自稳能力越强。在φ角确定的情况下，H越大，工作面处矿体的坍塌可能性就越大。应避免造成小导管外露长度过大，致使小导管由于长度或刚度不够而脱落或弯曲，导致小导管施做失败。

在施工中，一般塌落角度φ＞60°，根据以上计算，小导管长度控制在3.5m～6m之间，小导管太短，起不到应有的支撑作用，导管太长则多余。矿体较差时，长度取大值，矿体相对较好时，长度取小值。

设计小导管长4.5m，管壁每隔15cm交错钻眼，眼孔直径6mm，小导管顶端为尖锥型以利导管打入矿壁钻孔内小导管加工见图3。

用凿矿机将小导管顶入管孔，管体后尾端外露15cm，以便联结输料管。

图3 注浆花管加工图

小导管顶入管孔后，用塑胶泥（40°Be′水玻璃拌525号水泥）将花管周围孔隙封堵密实。注浆完毕的花管口也要用塑胶泥封堵严实。

2.2.2 外插角度的确定

在实际工程中，小导管的注浆半径一般取0.5m。本方案采用双层注浆管注浆，双层注浆管管孔开口均在栱、帮开挖轮廓线上，孔间距300mm，相邻两孔一孔外插角30°，组成上层注浆管；另一孔外插角10°，组成下层注浆管。

注浆后应等待4h～8h方可开挖，开挖长度应按设计循环进尺的规定，以保留1.5m左右的用于喷射混凝土封闭迎头，这也是超前注浆的最短超前量。

2.2.3 注浆参数的选取

采用425普通硅酸盐水泥水泥浆，同时添加一定的水玻璃作为早强剂的单液浆材。水灰比0.8:1、1:1，添加2%的38～40°Be′水玻璃。

利用小导管渗入性注浆方式，注浆压力0.5MPa～1.5MPa。注浆时注浆浓度和注浆压力由低到高。

在注浆过程中，要注意观察注入压力的相对变化，实质上注入压力的相对变化反映了注入效果的好坏。

2.2.4 注浆量

小导管注浆单管浆液扩散半径一般为0.5m～1.0m。单孔注浆量可用以下公式计算

Q0=3.1416R2·L·η

式中：Q0—单孔注浆量，m3；

R—浆液扩散半径，m。考虑到注浆范围相互重叠的原则，扩散半径取(0.6～0.7)S，S为小导管中心距离，m；

L—小导管有效长度，m；

η—塌体空隙率，%；取5%。

因此。小导管单管注浆量

3.14 1.6×（0.65×0.3）2×3×0.05=0.018m3。

实际施工中因钻孔偏差或孔内的地质原因，有可能出现注浆液窜浆或跑浆，因此考虑浆液损耗系数1.2，则小导管注浆单管注浆量Q=1.2×0.018=0.22m3。

3 小管棚超前支护技术研究

3.1 小管棚超前支护的作用原理

管棚超前支护是一种可以靠近或远离的支护方法。它指的是在弱的或破碎的弱夹层沉积物中挖掘巷道工作面之前沿道路顶部和侧面以及沿道路纵向轴线的扩散孔布局，以及打入一定直径的金属管，通过金属管道支撑矿井巷道的支撑所实现的一一种方法。

3.2 小管棚超前支护设计

小管棚参数设计：

（1）小管棚钢管直径：为满足施工现场的要求，管棚钢管的直径一般取32mm～76mm，管径太大则不易于钻孔和安装，管径太小则起不到管棚的支撑的作用。

（2）管棚钢管的长度：小导管长度一般控制3.0m～6.0m之间，小导管太短，起不到应有的支撑作用，导管太长则多余。矿层较差时，长度取大值，矿层相对稳定时，长度取小值。

（3）外插角度：由于破碎的矿床地质条件较差，钻井时管棚会下沉，不能保证巷道开挖段保持不变，施工期间管棚将以一定的角度抬高。如果剧变太大，管棚的支撑效果会降低，有效支撑长度会缩短；如果剧变太小，管棚下沉和弯曲可能会影响巷道的开挖和安全，因此确定管棚合理的仰角是非常重要的。设计提出管棚内金属管的外插角度为5°到10°。在具体操作中，应尽可能精确地控制外推角的大小。

（4）管棚金属管环向间距：对于埋深浅、软弱夹层矿井破碎的巷道，管棚金属管宜采用密排方式，间距可取0.15m～0.3m。管棚金属管间距越小，开挖后两管间矿体破坏成拱间距越小，但现场施工须考虑其施做难易程度。

（5）环向布置范围：一般在拱脚以上部分为环向加固范围，在矿体具有膨胀性或侧压力比较大的情况下考虑在侧墙部分设置小管棚。

3.3 小管棚的施工

常用钻孔法施工，即先采用凿矿机成孔，然后用凿矿机顶入金属管形成管棚。

小管棚施工的几点要求有：

①根据设计的超前小管棚位置，用全站仪进行管棚位置的测量放样工作，并用红油漆在掘进工作面上标记开孔位置。钻孔直径应大于设计导管直径3mm～5mm，一般钻孔直径50mm，孔深大于设计长度10cm。②一般采用凿矿机，如YT-28钻孔，以设计的外插角向外钻孔，一般为3°～5°。为保证超前小导管的有效搭接长度，施工过程中严格控制巷道的掘进进尺，以使下一循环的施工顺利进行。③终孔后，要检查锚杆的位置、孔深、方向和外插角，然后用高压风将钻孔吹洗干净。钻孔完成后及时安设管棚金属管，避免出现塌孔。④钻孔完成后及时安设管棚金属管，避免出现塌孔。

3.4 超前小管棚组合加固技术措施

（1）管棚管内穿置金属支撑物。具体做法是，在需穿置金属支撑物的管内先注入水泥砂浆，然后向金属管内打入φ22的螺纹支撑物。其长度等于管长度。

（2）网喷初期支护。金属支撑物管网为用φ5盘条按网度50mm×50mm点焊而成，可自行加工。喷射混凝土厚度150mm，分两次喷射施工。

4 裂隙破碎带软弱夹层矿体超前加固方法的选择

4.1 巷道超前加固方法的评价

目前从国内外现有的矿山工程施工来看，使用较普遍的巷道加固与超前支护方法包括：中深孔注浆、水平旋喷预支护、小导管注浆及中深孔注浆加小导管补充注浆等支护方式。

（1）小导管注浆。小导管注浆法是短管棚超前支护的一种基础型式，在超前预支护中这是一种最近的支护方法，通常适用于掘进工作面可以在最短时间内稳定矿层、缺水矿层也能保持稳定，经常将外露端至于巷道开挖后方的金属拱架上，一起构成预制支护系统，对于矿层变形控制效果并不明显，操作较为简单、有广泛的适用性并且不需要投入过多资金。

（2）中深孔注桨。中深孔注浆是长管棚超前预支护中的另一种基础型式，与小导管注浆法相比，它是一种长距离超前预支护方法，由于超前距离长，刚度大，适用于掘进工作面不能自稳、含水的地层，常与金属拱架共同组成预支护系统，控制矿体变形的效果较好，防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高，技术复杂，需用大型设备，造价高。

（3）中深孔注浆+小导管补充注桨。此法除具有上述（2）的特点外，能够防止管棚下方三角矿体的坍落，这种长短结合的预支护效果更好，造价也更高。

4.2 巷道超前加固方法的选择

软弱破碎巷道超前支护及加固方法的选择坚持有效性、可靠性、适用性、经济性原则。

为此，本次重点研究并推荐了三种方法，即①中深孔注浆，②小导管注浆，③小管棚超前支护。其中，在裂隙破碎且含水不大的矿体中掘进施工，一般情况下使用小管棚超前支护方法，必要时管棚金属管内加筋、增加网喷初期支护，形成以小管棚超前支护为基础的巷道组合加固法。在含水较大溶蚀强烈的地段使用小导管注浆加固法。中深孔注浆法主要用于井巷穿过溶洞、塌方、泥石流等极为特殊的弱地质段的掘进施工。

因此，本次提出的三种软弱破碎矿体超前支护及加固方法的适用度排序为，小管棚超前支护～小导管注浆～中深孔注浆。