红山铜矿泥质板岩顺岩层掘进段联合支护技术探讨*

周 飞

（云南建投矿业工程有限公司，云南 昆明 650501）

红山铜矿位于香格里拉市格咱乡，行政区划属云南省迪庆藏族自治州香格里拉市格咱乡。地理位置约为东经 99°52′45″，北纬 28°07′42″。矿山公路与香格里拉-四川乡城公路相连17 km，至香格里拉县城公路里程为54 km，香格里拉至大理公路里程252 km，至昆明629 km；经大理有铁路与楚雄、昆明等相通，昆明至香格里拉有空中航线相通，交通较为便利。矿山公路为土石路与香格里拉-四川乡城公路相连，距香格里拉市区约65 km，距下格咱乡17 km，交通条件一般。本矿山主要有V2、V3、V4三个矿体，整个矿山主要分为三个中段，由上到下为4 078 m中段、4 033 m中段、3 973 m中段、目前主要进行V3矿体中深部、V4矿体、V2矿体的掘进开拓工程及V3矿体浅层矿的开采。本文只针对V3矿体中深部的开拓工程遇到的问题进行讨论。

1 工程概况

在香格里拉神川铜矿V3矿体中深部开拓掘进工程中，该工程分为3 968 m、3 956 m、3 944 m、3932 m、3920 m五个分层，每个分层高度为12m，斜坡道设计断面为（3.0×2.8） m的三心拱，设计坡度为9°。在（3 968～3 956） m标高段斜坡道施工过程中遇到大量泥质板岩且节理裂隙发育，节理裂隙的走向为东北向西南，长约100 m左右，水平宽12 m左右，倾向为西北向东南，倾角在48°～75°之间。泥质板岩呈薄层状，泥质-微细鳞片变晶结构，板状构造。岩石成分以泥质为主，含有少量的钙质，岩石中板理极为发育，风化后呈（2～10）mm的薄片状，具有可塑性、干缩性、吸附性、吸水膨胀性等特点[1]，该类围岩的变质性很强。该段斜坡道的方位几乎与其走向一致，而且伴随顶板及边帮渗水情况。

2 施工情况及存在问题

2.1 施工情况及其原因分析

自2019年进场施工以来，施工进度缓慢，工期严重滞后。在不考虑组织不力等因素的前提条件下，主要原因是该段斜坡道的围岩是泥质板岩造成的：①工程布置的问题，该段斜坡道的方位几乎与泥质板岩走向一致是不合理的；②围岩物理力学性质造成的，由于岩层的走向与巷道之间形成的夹角不断变形发展，在开挖时，巷道岩层膨胀所产生侧压力和开挖后地应力均较大，因此容易产生侧向水平变形；③在巷道发生变形地段初始应力状态为地质构造应力状态[2]，该地段围岩呈松散、碎裂结构，节理裂隙发育，易引起规模较大的岩体失稳，巷道极易通过围岩的变形而发生严重的应力破坏。

2.2 施工中存在以下问题

2.2.1 钢拱架变形

在施工经常出现刚刚架设好的工字钢，没过多长时间就出现扭曲变形现象，在多次调整刚拱架架设密度后，均未能起到很好的效果，最终也因围岩变形压力增大而使整个钢架扭曲垮塌，如图1所示。分析的原因之一是由于该段围岩走向与巷道掘进方向几乎一致，岩层的节理裂隙倾角48°～75°，且岩层之间含泥质介质滑层，自稳性非常差，开挖后，风化速度快且遇水膨胀导致自重加大容易垮塌，进一步使钢拱架受力加大，迫使钢拱架在水平方向及竖直方向上变形甚至垮塌。

图1 钢拱架变形Fig.1 Deformation of steel arch frame

2.2.2 涌水导致的掌子面垮塌问题

在施工过程中，经常出现局部地段有较大涌水，导致刚刚支护好的掌子面出现垮塌，甚至连带掌子面的工字钢也出现垮塌，如图2、图3所示。分析原因之一是泥质板岩因风化速度较快且有涌水，在吸水膨胀后，将掌子面围岩向外推出来，受力增大，从而导致拱顶大量掉块，使整个变形加剧，即使已经立好钢架，也因承受不住压力而垮塌。

图2 掌子面立好架后被压塌Fig.2 Heading face collapse after shelf stood up

图3 顶板边帮涌水Fig.3 Water inflow of roof and side gang

2.2.3 工字钢出现错台、断裂的问题

在施工过程中，往往会出现已经架设完成后的工字钢，在一段时间后，在拱脚与拱顶连接处出现错台、断裂的现象，如图4所示。分析原因是：①由于拱顶及边帮的围岩压力大导致的；②由于工字钢连接处采用平口搭接，受力不好导致的。

图4 钢拱架连接处错台断裂Fig.4 Faulting breakage at the joint of steel arch frame

2.2.4 已浇筑混凝土出现开裂掉块的问题

在施工过程中，发现已经浇筑好的混凝土有开裂及掉块的现象。然而在混凝土浇筑过程已经对混凝土的配合比进行多次校正，严格按照配合比执行，浇筑过程中已经进行过充分的振捣，养护时间也适当延长了，还是出现上述问题。分析原因是钢架成环后变形较为突出点是连接板处，常因承受不住压力导致拱架变形扭曲、连接处错台断裂、拱顶下沉、拱脚向净空方向水平收敛等，在混凝土还没有形成足够强度的时候工字钢就已经失去承载能力，由混凝土直接承受围岩的压力导致其开裂脱落。

3 泥质板岩变形掘进段联合支护措施

泥质板岩段破碎且具有吸水膨胀性，风化速度快，涌水量较大，导致了钢拱架变形、错台、断裂等一系列问题。为解决施工过程中遇到的这些问题，在施工过程中采取超前小导管注浆、钢筋网、锚杆及钢拱架喷射混凝土以及将平口搭接改进为斜口搭接等措施。同时严格按照此施工步骤进行施工：“超前小导管注浆预支护预加固→打锚杆挂钢筋网→喷射混凝土→打眼、装药、爆破→架设钢拱架→浇筑上一循环进尺混凝土”的施工，这样可以做到最大程度减少对围岩扰动程度，配合加快施工速度，补强相关支护参数，加强初支强度及封闭速度，从而保拱架不再变形。

3.1 采用超前小导管注浆

泥质板岩本省节理发育、同时含有泥质介质，而且遇水膨胀自重变大，特别在爆破扰动后变形垮塌非常大，钢架背后日常伴有流沙状的声响，应是爆破后破坏围岩整体性，导致顶上围岩变得松散，承载性缺失，同时与顶板边帮的涌水混在一起，流动性更大。所以应该先进行超前小导管注浆，注浆浆液采用水泥—水玻璃双浆液，注浆目的有两方面：①堵水；②支护及固结地层，降低其流动性，使其形成整体性；③注浆管自身要有足够的强度、刚度可以采用无缝刚管制作，为了使注浆效果更佳，一是可以在其上开梅花孔，如图5所示；二是配合合适的注浆压力。小导管具体参数为：采用φ42 mm的无缝钢管制作，长度应大于循环进尺的2倍，一般取4 m长[3]，外插脚一般为10°，倾角不大于45°，环向间距可以适当减小为30 cm左右，纵向排距2.4 m左右[4]，同时前后两排搭接水平搭接长度不小于1 m。注浆具体参数为：浆液扩散半径为1.1 m，终止压力控制在3.5 MPa以内，水泥选用525#普通硅酸盐水泥，水玻璃进场后调成33%，水泥浆的水灰比为0.8∶1～1.5∶1[5]。通过采用水泥—水玻璃双浆液可以解决涌水及地层的不稳定性问题。

图5 超前小导管（开梅花孔）Fig.5 Leading small-conduct pipe(plum blossom shaped hole opening)

3.2 钢筋网、锚杆及钢拱架喷射混凝土

3.2.1 人工制作钢筋网

拱顶钢筋网采用人工制作，不采用机械制作，尤其是机械制作焊接采用单面焊接（单点焊接）的不能够采用，搭接长度足够和网格适当加密，保证有足够的承载力。钢筋网规格为：直径为φ6 mm 的钢筋，网格为 （100×100） mm，（2.0×1.5）m，两端的塔接的弯钩长度不得小于15 cm，如图6所示。

图6 人工制作钢筋网Fig.6 Artificially made bar-mat reinforcement

3.2.2 采用带肋的中空锚杆

锚杆采用带肋的中空锚杆[6]，①可以向锚杆注浆在竖直方向上加固地层[7]；②提高锚杆本身的强度[8]；③带肋受力不容脱落；施工锚杆时注意倾角，不得大于45°[8]，同时让其和岩层尽可能的贴实，连接成整体，使受力扩散均匀传递，进一步降低泥质板岩的裂隙发育导致的垮落影响。

3.2.3 拱架采用斜口搭接

钢拱架A、B点连接处因为压力过大发生错台断裂，可以将两点连接处的平口搭接改成向内的斜口搭接，同时增加搭接板的厚度。斜口搭接可以将上部传递的压力分解成水平力和竖直向下的重力，水平力可以抵消部分侧边垮塌围岩对钢拱架的侧向压力，故而可以更好的受力，可以预防其由于受力过大导致的错台断裂现象，保证钢拱架的稳定性。（详见图7、图8）

图7 A、B点处斜口连接Fig.7 Bevel connection joint at A and B point

图8 A、B点处斜口连接受力分析Fig.8 Force analysis of bevel connection joint at A and B point

3.2.4 拱脚间设置横向刚支撑

由于压力太大导致拱架向内水平收敛，形成内八脚现象。除了侧边围岩压力过大的原因之外，还可能是由于拱架插入深度不足及没有设置横向支撑导致的。故而一方面采取斜口搭接，另一方面可以在每架拱架的底部设置横向支撑，使其相互抵消，在纵向设置4道φ32 mm的圆钢拉筋，连接成为整体，使其受力扩散，均匀传递，这样不仅可以防止内八脚的产生，也可以防止拱架的下沉。

3.2.5 锁脚穿钢板打设

拱架下沉，主要原因：①泥质围岩垮塌导致压力变大，导致其下沉；②是拱架没有架设在硬质土层或岩层上，没有受力点；③锁脚锚杆失效。针对其可以采取在拱架底部也就是拱脚设置槽钢垫，使其受力面积增大，减小或防止其下沉。同时采取锁脚穿钢板打设，传统锁脚导管打设均为沿钢架两侧打设后加L筋或U型筋焊接，但由于泥质板岩的围岩变形非常大，焊接的L/U型筋一两个班就直接被挤压挣脱，导致锁脚导管失效，所以采用11 mm的钢板穿过钢架，在钢板上割孔后再穿孔打设，每根小导管内加一根φ32 mm圆钢进行增加刚度，最后加钢筋将钢板和小导管焊接，这使得钢架受力后直接作用在小导管上，而消除小导管失效的问题，保证了钢拱架的稳定性，可以有效防止其下沉。

图9 锁脚穿钢板打设图Fig.9 Driving diagram of locking steel pipe

3.2.6 加劲板、腹板补强钢架

在施工过程中，钢架扭曲变形一直是面临到的最大问题，超前导管、锁脚钢板割孔都影响整个钢架的受力，为了弥补这一现象，特在割孔位置增加一块腹板，补强此处承载力，90 cm左右再增加一块劲板，加强钢架的整体受力，减少扭曲现象，如图10所示。

图10 设置腹板补强图Fig.10 Reinforcement diagram of web stiffeners

4 结语

在红山铜矿（3 968～3 956） m标高掘进过程中采取了小导管超前注浆、拱架采用斜口搭接、锁脚穿钢板打设等措施进行联合支护后，施工过程中遇到的钢拱架变形、错台、断裂等问题得到了有效解决，同时浇筑的混凝也很少出现开裂、脱落等现象，混泥土质量有明显提升。

1）上述一系列措施实施下来后，对于控制该类围岩措施是科学有效的，并且在施工过程中更加保证了施工安全和结构安全，同时提高了施工速度；

2）该类围岩的施工常伴随安全、质量问题的发生，在制定施工方案的同时一定要对围岩岩性有充分的了解，同时采取科学有效的控制措施，来减少施工中的质量安全事故，确保施工顺利进行；

3）故而在矿山巷道施工中，泥质板岩顺节理岩层掘进巷道的变形垮塌对施工安全带来极大的安全隐患，对施工工期和经济效益均带来了较大的影响，因此，加强对该类围岩的支护技术的探讨及改进具有现实意义。