钟九铁矿-550 m水平大断面交岔点支护—注浆加固耦合技术方案

周 磊 朱文龙

(安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司,安徽 马鞍山 243111)

目前,钟九铁矿200万t/a采选建设工程正进行二期井巷开拓工程施工,根据地质勘察成果及石门巷揭露围岩的分析,-550 m水平开拓工程位于全风化、强风化闪长岩中,岩体中裂隙极其发育,稳定性极差。-550 m水平作为最末运输水平,该水平井巷开拓工程交岔点较多,在永久砌碹之前需进行临时支护。本研究针对-550m水平6#交岔点断面大、围岩破碎、支护困难的问题,提出了一种支护与注浆加固的围岩稳定性耦合防控技术方案。该方案根据围岩稳定状态,合理进行锚网喷+锚索联合支护及深浅孔—高低压耦合注浆加固处理,以保障巷道安全掘进及临时支护的有效性。

1 支护参数设计

巷道顶板冒落及帮部破坏是多种因素共同作用的结果,本研究利用普式理论确定钟九铁矿大断面6#交岔点围岩松动圈范围,分析围岩破坏机理。锚杆的承载能力由破坏岩石质量确定,与巷道断面形状尺寸、埋藏深度、采动影响程度、岩层倾角、强度、结构等有关,根据围岩物理力学性质,本研究通过理论计算[1-3]确定锚杆、锚索支护参数。

1.1 交岔点松动圈范围计算

交岔点的巷道均为直墙三心拱截面,其中6#交岔点最大断面尺寸为9.8 m×5.0 m(宽×高),岩性主要为钠长闪长岩。围岩物理力学参数取值见表1。

表1 围岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

深埋巷道或硐室开挖之后,由于节理的切割,洞顶的岩体将产生塌落,当塌落到一定程度后,上部岩体便会形成一个自然平衡拱,而作用在拱顶的围岩压力是自然平衡拱内的岩体自重。

根据普式理论自然平衡拱机理分析,6#交岔点最大断面的顶板塌落拱计算公式为

式中,a1为巷道的半跨距,4.9 m;f为顶板围岩的普氏系数,3.2。

经计算,h0=0.77m。

由于塌落拱的存在,导致两帮不稳定,拱脚稳定需要的平衡作用需由稳定的岩帮提供,两帮破坏深度计算公式为

式中,Kc为巷道周边挤压应力集中系数,3;Bc为采动影响系数,1;σc为顶板围岩的单向抗压强度,32 MPa;H为巷道埋深,570 m;γ为围岩的平均重力密度24.5 kN/m3;h为巷道高度,5.0 m;φ为围岩的内摩擦角,42°。

经计算,c=2.11 m。

综上所述,钟九铁矿-550 m水平6#交岔点大断面处顶板塌落拱高度为0.77 m,两帮破坏深度为2.11 m。

1.2 顶板锚杆支护参数

根据巷道或硐室顶底板的岩层条件,巷道或硐室顶板分层明显,锚固作用机理[4-6]就是将几个薄岩层通过锚杆的连接作用形成一个较厚的复合岩层结构(组合梁)。顶板锚杆有效长度计算公式为

式中,Lp为锚杆有效长度,m;B为交岔点断面跨度,9.8m;K1为安全系数,1.5;η为顶板岩层系数,3;σt为顶板岩石抗拉强度,2.51MPa;σh为原岩水平应力分量,32.62 MPa;q为上覆荷载,13.475 MPa。

经计算,Lp=2.08 m。

顶板锚杆长度计算公式为

式中,L1为锚杆外露长度,0.05 m;L3为锚杆锚固段长度,0.21 m。

经计算,L=2.34 m。为确保顶板安全,本研究确定顶板锚杆长度为2.4 m。

锚杆间排距由组合梁的抗剪强度确定,其计算公式为

式中,a为锚杆间距,m;d为锚杆直径,0.02 m;τ为锚杆抗剪强度,500 MPa;K2为顶板抗剪安全系数,1.5。

经计算,a≤0.637m。考虑到锚杆的组合拱效应,本研究确定顶板锚杆间排距为0.7 m。

根据锚杆杆体承载力与锚固力等强度原则确定锚杆直径,计算公式为

式中,d为锚杆直径,mm;Q为锚杆锚固力,150MPa;Qt为锚杆抗拉强度,500 MPa。

经计算,d≥19.46 mm,确定锚杆直径为20.0 mm。

1.3 帮部锚杆支护参数

6#交岔点帮部锚杆长度可由下式进行计算,计算公式为

式中,L1为锚杆外露长度,0.05 m;L3为锚杆锚固段长度,0.21 m;C为帮部松动深度,结合已有此类岩层巷道或硐室松动圈测试结果,预计帮部平均松动深度为1.5～2.0 m。

经计算,L=2.26m。

根据6#交岔点大断面围岩松动圈理论计算结果,得出交岔点两帮围岩破坏深度为2.226 m,同时结合顶板锚杆支护参数,本研究确定帮部锚杆长度为2.4 m,间排距为0.7 m,锚杆直径为20 mm。

1.4 锚索支护参数

钟九铁矿大断面交岔点在锚网喷支护的基础上,为防止交岔点顶板因剪切破坏导致围岩变形,从而发生顶板冒顶,需在大断面交岔点锚网喷支护后施工预应力锚索。当围岩松动圈不断发展,原有的锚网喷支护无法有效保障巷道的稳定性时,将由锚索承担围岩破碎区域的全部载荷,将松动圈内的不稳定岩层悬吊在围岩稳固区域,保障大断面交岔点永久砌碹之前临时支护的稳定性。锚索的支护参数由多种因素确定,主要为顶板围岩潜在冒落拱的厚度。

顶部围岩潜在冒落区域的总体载荷计算公式为

式中,γ为冒落拱内围岩容重,25.1 kN/m3;b为巷道宽度,9.76 m;D索为锚索排距,1.4 m;H为潜在冒落拱厚度,2.1 m。

经计算,Q=720.23 kN。

锚索材料采用ϕ17.8 mm低松弛预应力钢绞线制作,其设计承载力为330 kN。每排锚索需用数量的计算公式为

式中,n为每排锚索数量,根;k为安全系数,2;Q1为每根锚索的设计承载力,330 kN。经计算,n=4.37,即每排锚索布置5根。

根据悬吊理论,预应力锚索总长度L可进行如下计算

式中,L1为锚索的锚固段长度,m;K为安全系数,1.2;Q'为锚索的设计荷载,330 kN;τa为树脂与钢绞线的黏结力,6.0 MPa;da为预应力钢绞线直径,17.8 mm;L'为锚索的有效长度,4.7 m;L2为锚索的外露长度,150 mm。

经计算,L=6.3m,故本研究确定的锚索总长度为6.3 m。

综上所述,钟九铁矿-550 m水平6#大断面交岔点采用锚网喷+锚索的临时支护方式,根据理论计算与现场施工经验,交岔点临时支护参数取值为:①顶板、帮部锚杆,选取锚杆长度为2 400 mm,杆体直径为20 mm的高性能螺纹钢锚杆,锚杆间排距为700 mm×700 mm;② 锚杆托盘,选取高强度拱形托盘,规格为150 mm×150 mm×10 mm(长×宽×高);③ 网片,选取ϕ6 mm螺纹钢焊接,网片规格为2 100 mm×1 050 mm,网孔规格为100 mm×100 mm,网片搭接长度为100 mm;④ 锚索,选取ϕ17.8 mm×6 300 mm的矿用锚索,采用“6—5—6”布置形式,间排距分别为1 500 mm(2 000 mm)×1 400 mm;⑤ 锚索托盘,采用拱形高强度托盘,规格为300 mm×300 mm×16mm;⑥混凝土,选取强度等级为C20的混凝土,喷射厚度为100 mm。

2 数值模拟分析

本研究采用FLAC3D软件对6#交岔点的支护参数进行数值模拟验证。为尽可能精确反映研究区域的几何信息,采用基于Auto CAD和Rhino过度平台的方法建立复杂的三维地质模型,而后导入FLAC3D软件中用于数值模拟分析[7-8]。首先建立6#交岔点的三维模型(图1),并建立50 m×50 m×50 m的计算模型。计算模型底部为固定支撑,四周限定法向速度,顶部依据埋深设置应力边界为15.0 MPa。分别模拟无支护和锚杆支护条件,分析研究范围的力学响应。数值模拟结果如图2至图4所示。

图1 交叉点三维数值模型Fig.1 3D numerical model of intersection

通过分析竖向位移特征(图2)可知,对设计的支护参数进行模拟后,发现其大大降低了巷道的顶板位移,使其变形量处于可接受的范围之内;分析最大主应力分布规律(图3)可知:就开挖的每一阶段而言,未支护与进行锚杆支护相比,其最大主应力要大得多,说明锚杆支护可有效减小其受到的最大主应力;分析锚杆轴向受力情况(图4)可知:在巷道顶板及拱肩处的锚杆受力较大,同时交岔点弯折处锚杆的轴向受力与其他部位的锚杆轴向受力相比也较大,可根据后期监测结果对该部位进行相应地补强。

图2 竖向位移云图Fig.2 Nephogram of vertical displacement

图3 最大主应力云图Fig.3 Nephogram of maximum principal stress

图4 锚杆轴向受力云图Fig.4 Nephogram of axial force of bolt

综上所述,钟九铁矿-550 m水平大断面6#交岔点在锚网喷支护后有效保证了巷道的稳定性,但在断面变化区域锚杆轴向受力较大,后期易发生巷道变形。根据离层监测数据,本研究及时在锚网喷的基础上进行了注浆加固。

3 深浅孔—高低压耦合加固注浆技术

针对钟九铁矿-550 m水平6#大断面交岔点,本研究采用独特的深浅孔—高低压耦合注浆[9-10]加固方法进行处理。根据顶板离层监测情况,在锚网喷+锚索联合支护的基础上,保障大断面交岔点巷道稳定性,将松动圈范围内的破碎围岩胶结密实,利用预应力锚索将支护区域的围岩形成一个整体。具体施工步骤为:① 利用浅孔—低压注浆将破碎围岩内的裂隙充填密实,使巷道周边围岩具有一定的抗压能力,提高深部围岩浆液的可注性;② 采用深孔—高压注浆将巷道顶板上部的破碎围岩与稳固岩层形成整体结构,进一步提高支护体系的稳固性。

3.1 全断面浅孔—低压注浆加固

根据钟九铁矿-550 m水平6#交岔点的设计断面,在交岔点的顶板与帮部施工注浆孔,安装、加固孔口管,首先采用浅孔—低压注浆方式对巷道周边围岩进行注浆加固,提高破碎围岩强度,为下一步实施深孔—高压注浆提供条件。浅孔—低压注浆孔规格为ϕ42 mm×2 500mm,注浆孔间排距为1 500mm×1 400 mm,注浆管采用ϕ38 mm钢管,规格为ϕ38 mm×500 mm。浅孔—低压注浆孔口管构造如图5所示,全断面浅孔—低压注浆孔的布置方式如图6所示。

图5 注浆管及止浆塞剖面示意(单位:mm)Fig.5 Schematic of the profile of grouting pipe and stop-grouting p lug

图6 低压—浅孔注浆孔布置(单位:mm)Fig.6 Layout of the low pressure-shallow hole grouting holes

为避免低压注浆时巷道发生漏浆现象,保障注浆效果,在浅孔—低压注浆之前需对巷道周边进行混凝土素喷,喷混凝土强度等级为C20,配合比1∶2∶2,选用优质高效的液体速凝剂(浓度为3%～5%),喷射厚度约50mm,保证注浆管孔口外露长度不少于30mm。

低压注浆材料主要采用水泥单液浆,水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比控制为0.8～1.0。如在注浆过程中发生漏浆、跑浆现象,可用水泥—水玻璃双液浆进行封堵,水玻璃参数为:模数2.8～3.2,波美度为38～40,双液浆体积比为1∶1～1∶0.5。 低压注浆结实率不小于92%,强度不低于20 MPa,注浆终压为2.0 MPa。

为保证低压注浆质量和围岩加固效果,每一孔段注浆都必须呈规律性上升达到设计终压、设计注入量后,泵的流量为30 L/min,稳定 20～30 min可结束该孔段注浆。

3.2 全断面深孔—高压注浆加固

由于钟九铁矿-550 m水平交岔点围岩揭露过程中无规则裂隙发育,岩性为钠长闪长岩,风化程度不一,且遇水易泥化。为保障永久运输巷道的稳定性,需在低压注浆、养护后,利用同一注浆管进行扫孔复钻,注浆孔规格为ϕ28 mm×6 000 mm。通过深孔—高压注浆将围岩—水泥浆胶结体与支护结构形成稳固的组合拱。在低压注浆形成的围岩加固圈下,可以保证高压注浆下巷道网喷的完整性,高压注浆既能对浅层围岩加固圈进行复注,又能提高浆液的扩散范围。全断面深孔—高压注浆孔的布置如图7所示。

图7 高压—深孔注浆孔布置(单位:mm)Fig.7 Layout of the high pressure-deep hole grouting holes

深孔—高压渗透注浆的主要技术参数取值为:①注浆材料,渗透注浆材料选用42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比控制在0.5～0.6,掺加水泥量0.7%的NF高效减水剂。浆液的结石率不低于95%,强度不低于30 MPa。②注浆压力,为避免高压力注浆造成围岩破坏,注浆终压控制在3.5 MPa左右。③注浆孔深,注浆孔规格为ϕ28 mm×6 000 mm。④ 注浆结束标准,为保证低压注浆质量和围岩加固效果,每一孔段注浆都必须呈规律性上升达到设计终压、设计注入量后,泵的流量为30 L/min,稳定20～30 min,可结束该孔段注浆。

3.3 注浆加固施工工艺

注浆工艺流程如图8所示,要点如下:

图8 注浆工艺流程示意Fig.8 Schematic of the grouting technical process

(1)浆液制作。按设计水灰比制作浆液,注浆材料的质量性能须满足设计要求和相关规范要求。注浆过程中,可根据实际情况,及时调整浆液浓度,以确保注浆效果。

(2)注浆压力控制。根据-550 m水平6#交岔点巷道实际注浆情况的变化,及时开、停注浆泵每注1 m3或5 min记录一次泵压和泵量,若发现异常情况应及时处理。

(3)孔口管连接。应注意观察巷道周边注浆情况的变化,若发现漏浆、堵管等现象应及时处理,并掌握好注浆量及控制注浆压力,及时拆除和清洗注浆阀门。

大断面6#交岔点在进行锚网喷+锚索临时支护后,在永久砌碹支护之前定期观察围岩变形情况。如果围岩变形量有不断加剧的趋势,则需要进行深浅孔—高低压耦合注浆加固。采用深浅孔—高低压耦合注浆的工艺开展巷道围岩壁后充填注浆,注浆加固可以将受扰动而破裂的围岩再次胶结成整体,同时可以提高形成的支护结构的整体性和承载能力,以此来保证后期对交岔点进行永久砌碹之前的稳定性。

4 结 语

针对钟九铁矿-550 m水平交岔点断面大、围岩破碎的现状,提出了包含锚网喷+锚索联合支护及深浅孔—高低压耦合注浆加固的巷道围岩稳定性防控耦合技术方案。利用理论计算及FLAC3D数值模拟确定了合理的临时支护及加固技术参数,并在实际工程运用中取得了理想成效。钟九铁矿作为强富水条件下软破围岩的典型矿山,此次交岔点支护及加固技术的应用,为其他大断面硐室开拓提供了技术支撑与施工经验。后续需要引入巷道位移和顶板离层监测技术,保障大断面交岔点支护结构的有效性及开挖巷道的稳固性。