元氏礦井東水倉(cāng)軟巖支護(hù)研究

郭英杰， 齊廣新

(井陘礦務(wù)局元氏礦，河北井陘051134)

元氏礦井原設(shè)計(jì)有內(nèi)、外兩個(gè)水倉(cāng)，其位置在井底車場(chǎng)東部;由于受G-1大斷層的切錯(cuò)，井底車場(chǎng)東部地層為石盒子組第三段(P2S3)底部，該段巖性以暗紫、灰紫、灰綠色及雜色花斑狀泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，夾薄層狀中細(xì)粒砂巖，砂巖為泥質(zhì)膠結(jié).該段巖性、節(jié)理、層理較發(fā)育，遇水極易膨脹、泥化.同時(shí)受G-1大斷層的影響，車場(chǎng)東部地應(yīng)力較大.巷道掘進(jìn)中，往往前邊掘進(jìn)，后邊巷道間隔不久即被壓壞，圍巖維護(hù)十分困難.以內(nèi)水倉(cāng)為例(設(shè)計(jì)全長(zhǎng)284 m)，施工到154 m處停掘，原因就是由于原支護(hù)形式無法抵抗巷道的強(qiáng)變形與地壓作用，以致巷道被壓壞無法進(jìn)行月度驗(yàn)收，雖經(jīng)多次返修也達(dá)不到預(yù)期效果.

由于車場(chǎng)巷道設(shè)計(jì)密度已很大，若再按原設(shè)計(jì)位置掘外水倉(cāng)，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)和內(nèi)水倉(cāng)一樣的損壞情況，給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失;鑒于此情況，我們?cè)敿?xì)分析井底車場(chǎng)東西兩側(cè)地層及構(gòu)造情況，發(fā)現(xiàn)井底車場(chǎng)西部地層處于上石盒子組第二段，其內(nèi)夾有較厚的中-粗粒砂巖，通過召集施工、監(jiān)理、局進(jìn)行專題討論后決定將原外倉(cāng)(現(xiàn)西水倉(cāng))移至車場(chǎng)西部巖石較好的厚層砂巖巖層中.

對(duì)于內(nèi)水倉(cāng)(現(xiàn)東水倉(cāng))已掘段，原設(shè)計(jì)已無法滿足圍巖施工條件，需找一種合適的支護(hù)方式來解決在軟巖中掘巷的施工方法和支護(hù)形式.經(jīng)過難題招標(biāo)，由井陘礦務(wù)局元氏礦和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部合作建立了“元氏礦井東水倉(cāng)巷道軟巖支護(hù)技術(shù)研究”課題組，來解決東水倉(cāng)140 m軟巖巷道的返修支護(hù)設(shè)計(jì).

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)及井下地質(zhì)鉆孔揭露的地層情況，將東水倉(cāng)已掘段140 m分成砂巖段、泥巖段和斷層破碎帶，其粘土礦物含量分別為43.6%、62.1%、83.3%;并通過現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試、點(diǎn)載荷強(qiáng)度試驗(yàn)得出巷道松動(dòng)圈為2～2.5 m，粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度分別為33.6 Mpa、27.2 Mpa、13 Mpa.由于斷層破碎帶無法進(jìn)人取樣，故取樣的范圍主要在水倉(cāng)下坡后以里約70 m內(nèi)，根據(jù)對(duì)所取巖樣進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果，得出東水倉(cāng)巷道所處圍巖屬易變形、有膨脹性、受水平地應(yīng)力影響的破碎軟巖，圍巖的穩(wěn)定性較差.

1 原設(shè)計(jì)支護(hù)與返修設(shè)計(jì)比較

1.1 原設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)主斷面為4×2.6 m的直墻半圓拱，臨時(shí)支護(hù)為錨噴網(wǎng)支護(hù)，錨桿為1.6 m長(zhǎng)的管縫式錨桿，間排距800×800 mm布置，砼噴厚為 120 mm，1 000×1 000 mm的金屬網(wǎng)，永久支護(hù)為300 mm厚的素砼支護(hù).

1.2 返修設(shè)計(jì)

考慮東水倉(cāng)所處巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力及巖體工程質(zhì)量等因素，東水倉(cāng)返修設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵是防水、治水與控制圍巖變形.東水倉(cāng)已掘成巷近一年時(shí)間，圍巖已發(fā)生嚴(yán)重變形與破壞，塑性松動(dòng)區(qū)范圍較大，巷道表面圍巖顯破碎狀態(tài)，巷道圍巖的應(yīng)力釋放與卸壓已很充分.因此，設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)必須采用全斷面封閉支護(hù)形式，而且還需有足夠的剛度以控制圍巖的變形量，以彌補(bǔ)因未及時(shí)支護(hù)導(dǎo)致的圍巖強(qiáng)度降低.

1)支護(hù)設(shè)計(jì)原則

①斷面優(yōu)化與全斷面封閉技術(shù);②防水層支護(hù)技術(shù)與注漿加固技術(shù);③剛?cè)嵝灾ёo(hù)技術(shù)與預(yù)留變形量放壓技術(shù);④最佳二次支護(hù)時(shí)間判斷技術(shù);⑤U型鋼支護(hù)技術(shù)與壁后充填技術(shù).

2)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖性實(shí)查和對(duì)巖石所作的碎脹性試驗(yàn)，對(duì)此段巷道分為砂巖段、泥巖段、斷層破碎帶，對(duì)不同地段采用不同的支護(hù)參數(shù).

(1)砂巖段

①初噴40 mm，復(fù)噴50 mm;②注漿錨桿，間排距800 ×800 mm，長(zhǎng)度2.2 m，外徑21.5 mm，內(nèi)徑15 mm，在0.8 m處焊6.5 mm直徑的鋼筋擋圈，采用空心樹脂藥卷封孔，封孔長(zhǎng)度至少400，注漿長(zhǎng)度800，出漿孔直徑8 mm;③鋼筋網(wǎng):縱向與橫向筋分別為直徑6 mm和10 mm，網(wǎng)孔尺寸100×100 mm，接點(diǎn)點(diǎn)焊;④U型鋼支架:作臨時(shí)支護(hù)，棚距800 mm，采用4段可縮性U29型鋼組成組成，鋼架之間用8組L型拉桿聯(lián)接，其壁后鋪木背板，進(jìn)行噴砼壁后充填;⑤預(yù)留變形量150 mm;⑥底拱:采用粉煤灰與生石灰的混合物;⑦永久支護(hù):現(xiàn)澆300 mm厚的鋼筋砼.

(2)泥巖段與斷層破碎帶支護(hù)

由于泥巖段與斷層破碎帶地層中粘土含量很高，使用注漿錨桿支護(hù)效果不佳，故采用樹脂錨桿、W鋼帶、錨索、及U型鋼聯(lián)合支護(hù)，斷層破碎帶中U型鋼棚距可適當(dāng)縮小，其它參數(shù)同砂巖段支護(hù).

(3)防水支護(hù)

①錨桿注漿加固堵水;②全斷面封閉聚乙烯泡沫塑料墊襯和聚乙烯膜板防水層;③永久支護(hù)層防水.

2 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)返修設(shè)計(jì)的調(diào)整

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)由于井下施工條件所限，上述設(shè)計(jì)方案一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)在現(xiàn)場(chǎng)施工不便操作.由此，我們多次召開東水倉(cāng)支護(hù)專題會(huì)，對(duì)返修設(shè)計(jì)中的一些參數(shù)及支護(hù)形式進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，并在施工中實(shí)施.

2.1 砂巖段

1)取消砂巖段的U型鋼支架，采取其它有效的臨時(shí)支護(hù).

2)金屬網(wǎng)采用現(xiàn)場(chǎng)的直徑6.5 mm，1 000×1 000 mm的鋼筋網(wǎng)，搭茬150 mm，不再另行加工.

3)取消注漿錨桿堵水，全部采用樹脂錨桿，頂部錨桿長(zhǎng)度2.5 m，底部錨桿長(zhǎng)度2 m，然后根據(jù)支護(hù)效果再?zèng)Q定是否進(jìn)行注漿防水.

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及施工經(jīng)驗(yàn)，取消粉煤灰與生石灰混合物底拱，采用16#槽鋼反底拱，排距700 mm，槽鋼間用直徑18 mm的鋼筋焊接，鋼筋間距500 mm，然后澆筑砼鋪底.

5)永久支護(hù)前先全斷面封閉防水層，再采用現(xiàn)澆厚度300 mm的素砼.

2.2 泥巖段

1)正頂部加打8 m長(zhǎng)錨索、兩腮部加打6 m長(zhǎng)錨索加固補(bǔ)強(qiáng).

2)加用W鋼帶與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，底拱部錨桿長(zhǎng)度2 m，底拱以上錨桿長(zhǎng)度采用3 m.

3)其它支護(hù)參數(shù)同砂巖段

2.3 斷層破碎帶

1)將預(yù)留變形量由150 mm增至250 mm.

2)其它參數(shù)同泥巖段支護(hù).

3 現(xiàn)場(chǎng)變形量觀測(cè)及支護(hù)效果

為掌握錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)后的效果及確定最佳的二次支護(hù)時(shí)間，及時(shí)掌握巷道的變形動(dòng)態(tài)，我們對(duì)砂巖段、泥巖段、斷層破碎帶采取三角形布點(diǎn)觀測(cè)法，以掌握巷道在水平與豎直方向的變形，在砂巖段布設(shè)二個(gè)觀測(cè)斷面，6個(gè)測(cè)點(diǎn);泥巖段三個(gè)觀測(cè)斷面，9個(gè)測(cè)點(diǎn);斷層破碎帶二個(gè)觀測(cè)斷面，6個(gè)測(cè)點(diǎn);共收集現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)460多個(gè).經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出:砂巖段變形量在開挖后30 d基本達(dá)到穩(wěn)定，泥巖段在臨時(shí)支護(hù)60 d左右達(dá)到變形穩(wěn)定期，斷層破碎帶臨時(shí)支護(hù)在開挖后90 d基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，(此期間圍巖的收斂變形速率小于 0.1～0.2 mm/d)，據(jù)此可確定巷道最佳二次支護(hù)時(shí)間，可進(jìn)行永久剛性支護(hù)施工.

東水倉(cāng)剩余124 m段也采用此支護(hù)方式進(jìn)行推廣，經(jīng)竣工驗(yàn)收并進(jìn)行了充水試驗(yàn)，整個(gè)巷道使用狀況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié)論

在軟巖巷道，尤其是元氏礦井構(gòu)造復(fù)雜、圍巖為軟巖的地質(zhì)條件下，采用傳統(tǒng)的支護(hù)形式往往不能起到良好支護(hù)效果，施工與設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn):

1)軟巖巷道的支護(hù)必須具有足夠的支承強(qiáng)度與剛度，支護(hù)體要具有一定的變形量.

2)加強(qiáng)施工中對(duì)水的控制與管理，借鑒地鐵全斷面封閉聚乙烯泡沫塑料墊襯和聚乙烯膜板防水層技術(shù)，采取防水層全斷面對(duì)巷道進(jìn)行封閉和永久支護(hù)層防水，既保證水倉(cāng)水不向圍巖滲漏，又保證水不由圍巖向水倉(cāng)滲漏.

3)巷道開挖后及時(shí)錨噴進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，防止圍巖風(fēng)化，以保護(hù)圍巖的完整性.巷道的臨時(shí)支護(hù)應(yīng)采取柔性支護(hù)，允許巷道變形;并預(yù)留一定的變形量，作為支護(hù)體的一部分.

4)加強(qiáng)對(duì)巷道底板的支護(hù)，控制巷道底鼓，必要時(shí)可采用做底拱增加巷道底板的強(qiáng)度.

5)巷道進(jìn)行臨時(shí)柔性支護(hù)后，必須經(jīng)過一定時(shí)間的應(yīng)力釋放與卸壓，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，當(dāng)圍巖收斂變形量達(dá)預(yù)留變形量的80% ～90%時(shí)，或變形速率為0.1～0.2 mm/d時(shí)，為最佳二次支護(hù)時(shí)間，然后再進(jìn)行永久剛性支護(hù)，剛、柔支護(hù)相結(jié)合，達(dá)到好的支護(hù)效果.

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