超前管棚支护技术在矿山断层破碎带中的应用探讨

2021-06-28钱运秋

中国金属通报 2021年7期

钱运秋

（中国高岭土有限公司，江苏苏州 215151）

在矿山建设和生产的过程中，开展掘进工作时常常会需要穿过多种不同类型的断层结构。这些断层结构由于长时间受到周围矿山及地壳运动的影响，因此会进一步形成裂隙带，部分断层由于受到剧烈的地应力作用，因此还会形成破碎带、岩石软化带等[1]。由于这些特殊地质构造的存在，造成了矿山建设难度成倍增加。近几年来，随着矿山巷道施工工程的相关技术水平不断提升，出现了一种全新的超前管棚支护技术，将其应用于矿山施工建设当中，不仅提高了矿山施工的效率，同时还在一定程度上保障了施工人员的人身安全和矿山企业的经济效益。基于此，本文开展超前管棚支护技术在矿山断层破碎带中的应用探讨研究。

1 基于超前管棚支护技术的矿山断层破碎带支护方案设计

1.1 矿山断层破碎带超前钻孔探查

在对矿山断层破碎带进行支护处理的过程中，其首要工作为：对破碎带进行超前钻孔，并根据孔洞位置，对其进行探查处理，通过此种方式掌握支护地区内的相关环境特性[2]。在进行探查的实际过程中，可使用水平掘进方式，在发生断层的区域进行钻孔探查点的选择，在圈定位置后，对其水平位置进行70.0m～80.0m的挖进，与此同时，使用钻探设备，对完成初步挖进的断层。以苏州市鸡笼山铅锌银矿钻孔施工为例，对其进行钻孔探查的研究，此地区在进行此步骤施工的过程中，选定的钻孔初步定位为2.0个，工程对于探查深度的需求为大于或等于225.0m，按照上述提出的步骤，进行工程钻孔探查。

在完成对工程与区域地质的钻孔探查处理后，整理此次探查的结果。当施工队在进行向前挖进的过程中，距离巷道87.3m～92.8m处为区域矿山断层，在断层内再次向前挖进，约3.0m～4.0m位置处，便可以达到可循断裂带（位置在巷道深处95.0m～100.0m处）。在对此钻孔点进行持续深入探查的过程中发现，其中102.5m～105.9m处，为断层内的严重断裂带，通过钻头前端的传感设备反馈的信息，可以显著的看出此层中，断裂带内矿石以泥浆组合成分为核心构成，在对此区域结构进行勘查的过程中，断裂带在此部分的结构较脆弱，即存在一定程度的坍塌可能性[3]。在对此区域进行持续挖进的过程中，由前端传感器反馈的数据可知，钻头前端不断有水体深处，渗出的水体，最高质量可高达2.50t。上述提出的步骤为探查流程，在完成此步骤操作厚，规范处理多种钻探设备，并将圈定的钻孔位置内进行注浆处理，避免水体随着断裂层渗出，在确保孔洞被完全密封后，完成对此步骤的施工行为。

1.2 矿山断层破碎带超前钻孔注浆加固

在完成对断层破碎带的钻孔探查处理后，上文提出了应对区域钻孔位置进行回填与注浆处理，通过此种方式确保对区域环境的恢复。在此过程中，应设计泥浆加固孔、后期加固检验孔与持续探查孔[4]。其中泥浆加固孔是为了在区域内浇筑泥浆所圈定的，此孔洞需要保持与钻探最深位置保持连通，通过此种方式确保灌浆行为的有效性。后期加固检验孔是在完成对泥浆的加固后，对区域地质环境进行质量检验所提出的，常规情况下，加固检验孔在地区内不低于3.0个，不多于8.0个，在保障可对地区地质环境进行有效检测的基础上，避免对矿山断层破碎带造成二次损坏。同样以上文提出的市政工程作为研究实例，在其进行超前钻孔探查过程中，施工方共设置了8.0个泥浆加固孔，其钻进工程共掘进450.0m深。结合工程支护需求，在对此工程进行支护处理的过程中，工程施工方共出入了45.55t的水泥泥浆进行加固，并在区域设置了4.0个注浆口。在完成对区域的注浆处理后，分别在4.0个注浆口位置处，设置了5.0个加固检验孔，其中4.0个加固检验孔紧邻注浆口，剩余1.0个加固检验孔位于注浆的中心位置。

在完成对检验孔的设定后，对其进行断裂层内碎石块粒度、碎石缝隙等多种因素的检验，以此种方式分析注浆的最终效果。在此基础上，从力学角度，对碎石空隙率的具体值进行计算，并认为只有碎石空隙率低于40%标准后，才能认为灌浆加固行为的实施具备一定有效性。假定在此过程中，检验得出碎石缝隙未能达到制定标准，需要对灌注泥浆的孔洞进行震动夯实，即排除泥浆中存在气泡，并持续对其进行加固处理，以此种方式完成对矿山断层破碎带的超前钻孔注浆加固处理[5]。并要求施工方在进行施工时，必须参照矿山工程标准文件执行，只有确保本章提出步骤执行有效的基础上，才能确保支护行为的实施具备一定价值。

1.3 基于超前管棚支护技术的破碎带支护

综合上述操作，完成对矿山断层破碎带的实际调查后，针对其破碎带的具体特征，引入超前管棚支护技术，实现对其破碎带的支护。将钢管作为支护材料，按照规定标准对其进行铺设，钢管上钻注浆孔，孔径为Ø10mm，孔间距50cm，呈一字型布置。钢管尾部2m不钻孔作为止浆段，为提高钢管的刚度和强度，钢管内增设4根Ø20mm螺纹钢筋组成的钢筋笼，其主要目的是为了放置在进行掘进过程中断层破碎带结构上的碎石脱落，形成对巷道施工的超前支护。采用功率相对较大的钻机在断层破碎带上进行打孔，并将钢管支护材料插入并注浆，以此形成一个相对完整且强度较高的管棚支护结构。图1为超前管棚支护结构示意图。

图1 超前管棚支护结构示意图

图1 中A表示为矿山断层破碎带上的巷道底板；B表示为矿山断层破碎带上的巷道底拱；C表示为钢管支护材料；D表示为I20a型工字钢拱架支护结构。针对不同矿山其断层破碎带的实际情况，大多数矿山断层破碎带可选用MK-1650W240型号钻机，其转矩通常在5500N.m以上，同时为其配备φ72.5mm的加强版钻杆，以此保证在矿山断层破碎带结构当中钻进成孔[6]。在对注浆泵进行选择时，可选择两台流量相对较大的注浆泵，并将其排量控制在350L/min以上，将泵压控制在6.5MPa以上。在选择钢管支护材料时，可选择D28型号地质钢管，其规格应为φ85×15mm。对于注浆水泥材料的选择，通常可选用464#普通硅酸盐水泥，以此达到快速胶结的作用。在实际施工过程中，其支护施工顺序应为：封堵矿山断层破碎带集中涌水区域；打设超前钢管支护材料并注浆；下掘底板结构；拱架支护；锚杆、钢筋网以及喷混凝土支护；下一循环支护，以此完成对矿山断层破碎带的整体结构支护。

2 对比实验

为进一步验证本文提出的基于超前管棚支护技术的矿山断层破碎带支护方案在实际应用中的优势，将其与传统支护方案同时应用到相同的矿山断层破碎带结构当中，分别按照相应的支护方案完成支护加固，比较两种支护方案下支护结构的支撑可行性，将抗力作为实验对比指标，将不同深度条件下，两种支护方案的抗力进行记录，并记录成如表1所示。

表1 两种支护方案实验结果对比表

从表1中的实验结果可以看出，本文支护方案抗力明显大于传统支护方案抗力，抗力越大则说明支护结构越不容易变形，反之同理。面对矿山破碎带支护工程，施工单位综合考虑安全、经济、施工条件等多方面因素，对苏州市鸡笼山铅锌银矿钻孔施采用超前管棚支护技术，通过方案精细化设计，可降低成本200余万，矿山工程降本增效工作取得了显著成果。