軟巖及涌水條件下的錳礦巷道施工技術(shù)措施

韋永馮

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西南寧 530022)

1 地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)條件

廣西大新錳礦礦區(qū)穿越的地層有泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)，按其不同巖性將圍巖分成3層：硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖夾硅質(zhì)巖和硅質(zhì)巖。其中對(duì)施工影響最大的是硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖夾硅質(zhì)巖。

硅質(zhì)灰?guī)r巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度43.0～97.7 M Pa，平均值70.85 M Pa，屬堅(jiān)硬巖，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為2級(jí)。但由于此類巖石節(jié)理發(fā)育，加上含碳酸鹽含量大小不等，在水蝕作用下，廣泛發(fā)育溶巖裂隙，裂隙水量大，給井下施工帶來很大難度。

泥巖夾硅質(zhì)巖巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化后成土狀構(gòu)造，局部有硅質(zhì)巖夾層。泥巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度1.07～1.32 M Pa，平均值1.17 M Pa，屬極軟巖，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為5級(jí)。此類巖石在巷道掘進(jìn)施工時(shí)，頂板和圍巖都極不穩(wěn)固，施工安全性極差。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

由于巖層巖性及露采轉(zhuǎn)地采影響，井下水文地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水長期作用將降低巖石強(qiáng)度、軟化泥巖，加速巖石風(fēng)化，對(duì)節(jié)理裂隙面、層面等結(jié)構(gòu)面起軟化潤滑作用，另外地下水靜水壓力對(duì)圍巖的穩(wěn)定性不利。

礦井巷道施工過程中，遇到由地表徑流從露天采場(chǎng)下滲的斷裂裂隙水，同時(shí)遇到巖溶裂隙水，水量大(見表1)，持續(xù)時(shí)間長，造成工期耽誤，對(duì)施工進(jìn)度造成很大壓力，并對(duì)施工安全增加不確定性。

表1 開采水平涌水量

2 施工技術(shù)措施

2.1 超前錨桿支護(hù)

巷道過風(fēng)化巖層或斷層破碎帶時(shí)，由于頂板較為松軟，裂隙發(fā)育，加上應(yīng)力集中于巷道中心，放炮后拱頂部容易冒頂甚至坍塌，給巷道支護(hù)增加難度和工作量，同時(shí)不利于安全。

針對(duì)泥巖夾硅質(zhì)巖這類極軟巖，在大新錳礦5線斜井東脈外巷開拓施工中運(yùn)用超前錨桿支護(hù)[1]——又稱斜錨桿支護(hù)技術(shù)，取得了成功。該段巖石為風(fēng)化硅質(zhì)泥巖，風(fēng)化強(qiáng)度大，巖石脆而易碎，放炮后工作面塌方大，作業(yè)面危險(xiǎn)，也大大耽誤了工期。在引進(jìn)超前錨桿支護(hù)技術(shù)后，工作面安全及掘進(jìn)速度有較常大提升，解決了施工過程中工作面迎頭圍巖坍塌問題。

2.2 施工工藝

超前錨桿工作原理：沿巷道縱向，在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)向上前方前傾 5(°)～10(°)，以支托頂部不穩(wěn)定的圍巖，起插板作用，見表2。

表2 支護(hù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

工藝流程：打錨桿眼→注樹脂藥卷→安裝錨桿→打掘進(jìn)眼→裝藥放炮→鑿巖成頂→永久支護(hù)。

拱部超前錨桿的布置以巷道為中心，寬為巷道1/2或1/3，根據(jù)頂板完整程度適當(dāng)增減布置范圍。一般排距為2進(jìn)尺循環(huán)1排，也可視錨桿長度，頂板圍巖穩(wěn)定性等因素而靈活調(diào)整。最外側(cè)超前支護(hù)方向可分別向左右外偏15(°)。縱向2排間錯(cuò)開布置，接口處重疊1 m以上，切勿脫節(jié)。

2.3 光面爆破

光面爆破也叫周邊爆破，是針對(duì)軟巖地質(zhì)條件使用的巷道掘進(jìn)爆破技術(shù)[2]。光面爆破是井巷掘進(jìn)中的典型控制爆破方法，目的是使爆破后留下井巷圍巖形狀規(guī)整，符合設(shè)計(jì)要求，表面光滑，損傷小，穩(wěn)定性強(qiáng)。光面爆破只限于斷面周邊1層巖石(主要是頂部和兩幫)，所以又稱為輪廓爆破或周邊爆破。該爆破技術(shù)在大新錳礦井下軟巖地段巷道施工掘中得到較好運(yùn)用，并具有幾大優(yōu)點(diǎn)。

1)能減少超挖和出巖量，特別是在不穩(wěn)固巖石中更能顯示其優(yōu)點(diǎn)。

2)對(duì)井巷圍巖的炮震擾動(dòng)范圍小，相應(yīng)炮震裂縫少；可有效減少應(yīng)力集中引起的塌方，減少落石和危險(xiǎn)斷面，避免事故發(fā)生和人員傷亡；改善作業(yè)環(huán)境，增加施工安全性，減少爆破后排險(xiǎn)時(shí)間，提高施工速度，特別是在巖性不良地段，效果更為明顯。

3)巷道輪廓外，裂隙范圍較小，對(duì)圍巖強(qiáng)度破壞不大，提高了巷道穩(wěn)定性，不需要或很少需要加強(qiáng)支護(hù)，減少了支護(hù)工作量和材料消耗。

4)能加快巷道掘進(jìn)速度，降低成本，保證施工安全。

2.3.1 爆破方案

國內(nèi)光面爆破掘進(jìn)巷道或隧道時(shí)有2種方案，即全斷面1次爆破和預(yù)留光爆層分次爆破。全斷面1次爆破多用于掘進(jìn)小斷面巷道。大斷面隧道或巷道掘進(jìn)時(shí)，可采用預(yù)留光爆層分次爆破，如圖1。

圖1 預(yù)留光爆層分次爆破

預(yù)留光爆層分次爆破又稱為修邊爆破，優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)最后留下光爆層具體情況調(diào)整爆破參數(shù)，節(jié)約爆破材料，有利于提高光爆效果和質(zhì)量。缺點(diǎn)是隧道或巷道施工工藝復(fù)雜，增加了輔助時(shí)間。根據(jù)礦山的實(shí)際情況，選擇預(yù)留光爆層分次光面爆破方法。

2.3.2 掏槽形式及爆破參數(shù)

掏槽爆破效果好壞，直接決定著循環(huán)進(jìn)尺及周邊孔爆破效果和光面質(zhì)量。炮孔平均深度1.8 m，掏槽孔深度2.0 m，采用桶形或楔形掏槽。

圖2 光面爆破炮眼布置

炮眼間距 E=550～700 mm；光爆層厚度W=500～750 mm；炮眼密集系數(shù) m=0.8～1.0；裝藥集中度ql=100～150 g/m，如圖2；較為理想的光爆裝藥結(jié)構(gòu)是徑向空氣間隙不耦合裝藥(徑向不耦合系數(shù)Kd=1.5～2.5)和軸向空氣墊層不耦合裝藥(軸向不耦合系數(shù)KL=56～92)，如圖3。根據(jù)情況，選用其中的1種方式裝藥或2種方式結(jié)合使用。

圖3 不耦合裝藥布置

2.4 注漿

注漿主要目的是加固巖體(圍巖和地基)和超前堵水，是針對(duì)井下圍巖裂隙發(fā)育，涌水量大導(dǎo)致施工困難時(shí)采取的一種解決措施[3]。大新錳礦膠帶斜井曾遇到井下施工過程中，工作面涌水量大導(dǎo)致淹井，地表建筑物下沉等重大事故。通過分析和借鑒相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，決定采取注漿技術(shù)解決，在地表和井下同時(shí)施工，解決了井下圍巖冒落坍塌難題，又使井下涌水量得到有效地控制，施工地段地面廠房等建筑物地基也明顯抬升，這樣極大推進(jìn)了掘進(jìn)施工速度與安全。

2.4.1 灌漿材料

灌漿水泥采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥和水玻璃，水玻璃為傳統(tǒng)注漿材料，對(duì)處理混凝土中細(xì)微裂縫有獨(dú)到的效果，見表3。

2.4.2 灌漿主要設(shè)備

灌漿主要使用設(shè)備見表4。

表4 注漿設(shè)備

2.4.3 注漿一般工藝及參數(shù)

注漿前壓水。目的在于將裂隙中松軟泥質(zhì)充填物推送到注漿范圍外，提高注漿質(zhì)理和堵水效果。對(duì)于大裂隙，壓水時(shí)間為10～20 min；中小裂隙，則需15～30 min或更長一些。重復(fù)注漿鉆孔壓水時(shí)間適當(dāng)延長30～60 min。壓水時(shí)壓力應(yīng)由小增大，最大不得超過注漿終壓。

注漿段高和注漿方式。注漿段高是指1次注漿的長度，可分為全段1次注漿和分段注漿2種。注漿方式是指注漿順序，分下行式和上行式2種。自上而下依次注漿稱下行式注漿，反之稱之為上行式。大新錳礦膠帶斜井采用的是分段上行式注漿，分段高度為3～5 m。

灌漿過程中，如遇到斷層、巖脈、溶洞等異常區(qū)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)異常區(qū)可能連通部位的觀測(cè)，為節(jié)降低風(fēng)險(xiǎn)，省漿液用量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)跑、冒、串、漏漿等現(xiàn)象時(shí)，必須及時(shí)封堵處理后方可恢復(fù)灌漿。注漿系統(tǒng)見圖4。

圖4 注漿系統(tǒng)

注漿參數(shù)如下：

1)漿液擴(kuò)散半徑

裂隙中漿液的擴(kuò)散半徑隨巖石的滲透系數(shù)、注漿壓力、注入時(shí)間的增加而增大，隨漿液的濃度和黏度的增加而減少。據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，巖深地層注漿與裂隙地層注漿的平均值為4～8 m，淺部地層注漿平均值為1.5～2 m。

2)注漿壓力

注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散影響很大。經(jīng)驗(yàn)表明，隨著注漿壓力的提高，充塞物質(zhì)的強(qiáng)度急劇增加，這就保證了充塞物具有足夠強(qiáng)度和不透水性。在地下水流速大的情況下，應(yīng)設(shè)法增加漿液的流動(dòng)阻力，需降低注漿壓力，故合理運(yùn)用注漿壓力是注漿的關(guān)鍵。不同地區(qū)因地質(zhì)條件不同，注漿壓力也不盡一樣。有地區(qū)選用注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，有的則根據(jù)巖石裂隙采用合適的壓力值，大新錳礦膠帶斜井鉆孔注漿壓力位2.5 M Pa。

3)漿液注入量

根據(jù)擴(kuò)散半徑和巖裂隙率進(jìn)行粗略計(jì)算，公式為：

Q=r2AHnβ

式中Q——漿液注入量，m3；

r——漿液擴(kuò)散半徑，m；

n——裂隙率，%；

H——注漿段高，m；

β——漿液在裂隙內(nèi)有效充填系數(shù)，0.9～0.95；

A——漿液消耗系數(shù)，一般取1.2～1.3。

4)注漿完成

用2個(gè)指標(biāo)判斷：a最終吸漿量，即注漿注至最后的允許吸漿量；b注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，并持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間。從理論上講，最終吸漿量越小越好，最理想情況是注至完全不吸漿，但難以實(shí)現(xiàn)，故結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，一般為受注含水層水壓的1.6～2.5倍，吸漿量小于80 L/min，時(shí)間不少于30 min即可注漿完成，將注漿管沿孔根部用手砂輪割除，然后將孔口清刷干凈，孔底用130瞬間止水劑材料封堵，表面用1∶2～1∶2.5水泥砂漿抹平。

3 結(jié)語

隨著地表及淺部礦資源日益枯竭，采礦作業(yè)將轉(zhuǎn)入地下深部，不可避免地會(huì)遇到各種不良地質(zhì)條件，如本文所提到軟巖、地下水豐富地段等。在這些不利條件下，一般的施工方法已不能滿足安全生產(chǎn)的需要，必須尋找別的方法。本文所提到超前錨桿、光面爆破、注漿便是一些嘗試，且在實(shí)踐中取得了良好的效果，對(duì)其他礦山施工有一定的借鑒意義。

超前錨桿、光面爆破、注漿這施工工藝技術(shù)在大新錳礦的研究與應(yīng)用，給礦山企業(yè)帶來了良好經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。幾種工藝的使用成功解決了巷道掘進(jìn)施工在軟巖及涌水量大等不良地質(zhì)條件下所遇到的問題，保證了施工進(jìn)度，提高了效益，大大降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，保障施工人員人身安全，為企業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]陸家梁.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)[M].長春：吉林出版社，1995.

[2]郭進(jìn)平，聶興信.新編爆破工程技術(shù)實(shí)用大全[M].北京：光明日?qǐng)?bào)出版社，2002.

[3]史國.用注漿法治理支護(hù)破損的巷道[J].冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，1996(3)：39-42.