破碎硐室開裂加固處理方案研究

王鵬飛， 杜貴文(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

某銅礦位于湖北省黃石市陽新縣附近，礦區(qū)內(nèi)地層分布簡單，本次破碎硐室位于-351m，巖層走向近于東西，向南傾斜，傾角50°～70°，巖體屬中等穩(wěn)固，上部掘進(jìn)施工時(shí)揭露無斷層。破碎硐室揭露的巖體主要為大理巖，巖石完整性較好。

2008年原有溜井發(fā)生破壞，為不影響正常生產(chǎn)，在原礦倉另一側(cè)對稱方向施工新主溜井。2010年6月新掘溜井投入使用后原主溜井停止使用，采用鋼筋混凝土擋墻、廢石分層回填、水泥砂漿封堵處理，并埋設(shè)泄水孔以防止上部水滲流進(jìn)入破碎硐室。在新掘主溜井底部斜溜槽的施工過程中發(fā)現(xiàn)破碎硐室靠近原礦倉一端的頂板局部出現(xiàn)了破壞，后續(xù)生產(chǎn)過程中發(fā)生了開裂、滲水、混凝土保護(hù)層脫落、鋼筋外露等不同程度的破壞。

破碎硐室及周邊工程如圖1所示。

2 破碎硐室破壞情況調(diào)查與數(shù)值模擬分析

2.1 主要破壞情況

破碎硐室破壞主要發(fā)生在靠近原礦倉一側(cè)頂板，另一側(cè)沒有發(fā)生破壞。硐室主要破壞情況如下：

(1)破壞處(a)：混凝土保護(hù)層脫落，露出鋼筋，寬300～1 000mm，長度2 000mm，滲水。

圖1 破碎硐室及周邊工程立面圖

(2)破壞處(b)：混凝土保護(hù)層脫落，露出鋼筋，寬300～500mm，長度4 000mm，滲水。

(3)破壞處(c)：混凝土保護(hù)層脫落，露出鋼筋，寬300～500mm，長度3 000mm。

(4)破壞處(d)：混凝土墻產(chǎn)生裂縫，有滲水。

(5)破壞處(e)：地面開始向上2.5m豎向裂縫,頂端向左側(cè)彎曲。

破碎硐室破壞示意圖如圖2所示。

圖2 破碎硐室破壞示意圖

2.2 FLAC3D數(shù)值模擬

連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua，簡寫FLAC)是近年來較成熟的一種新型數(shù)值分析方法，已在巖體工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為， 特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。

1) 模型建立

根據(jù)破碎硐室的實(shí)際情況以及考慮施工開挖等采動(dòng)影響，建立模型尺寸走向長50m，寬40m，上覆巖體埋藏深度450m，為簡化模擬過程，將礦體及圍巖視為均質(zhì)各向同性體，模型簡化只考慮巖體，巖性為大理巖，軟件所需經(jīng)過折減后的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)(折減后)

2)方案設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬分析

據(jù)-351m破碎硐室的生產(chǎn)活動(dòng)，數(shù)值計(jì)算時(shí)分為兩步開挖：

第一步開挖破碎硐室，得到硐室開挖后的地應(yīng)力分布情況初始狀態(tài)。

第二部開挖新主溜井，分析新主溜井施工對破碎硐室的影響。

通過對模型進(jìn)行兩步開挖數(shù)值模擬分析得出以下結(jié)論：

(1)沿長軸方向圍巖Z方向的應(yīng)力變化云圖：第一步引起的最大應(yīng)力主要分布在硐室頂板四角，應(yīng)力值最大為19MPa；第二步開挖后，應(yīng)力分布發(fā)生變化，硐室頂板應(yīng)力增加，拱頂中心線右側(cè)應(yīng)力較集中，出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)。

(2)沿長軸方向圍巖的Z方向位移變化云圖：第一步硐室開挖后的最大位移主要分布在硐室的頂、底板，其中硐室底板發(fā)生底鼓，位移值最大為10mm，頂板發(fā)生下沉，位移值為14.0mm；第二步開挖后，位移發(fā)生變化，主要為頂板下沉14.8mm，硐室頂板與溜井相交處下沉明顯。

3 破碎硐室破壞機(jī)理分析與探討

通過以上的現(xiàn)場調(diào)查與數(shù)值計(jì)算分析，可以得出破碎硐室破壞主要有以下幾方面因素。

1)新主溜井施工影響

由于溜井與破碎硐室的位置不在同一條中心線上，為非對稱布置，溜井偏于破碎硐室的右側(cè)，在開挖新溜井底部礦石斜溜槽的過程中，破壞了原礦倉一側(cè)的鋼筋混凝土，切斷了鋼筋，使原礦倉上段處于非封閉的圓形狀態(tài)，右側(cè)由于距硐室直墻較近，挾持力大沒有明顯破壞，左側(cè)距硐室直墻較遠(yuǎn)，挾持力相對較小，出現(xiàn)破壞，破壞由硐室的拱頂中央，到偏左拱頂，再到靠近直墻，說明存在剪切應(yīng)力[2]。

因此本次破碎硐室的破壞與新建(或改造)破碎系統(tǒng)的溜井系統(tǒng)施工切斷原礦倉的鋼筋，以及施工中的爆破振動(dòng)影響相關(guān)的。

2)硐室鋼筋混凝土支護(hù)剛度偏弱

硐室支護(hù)鋼筋主筋為φ16mm@250mm，副筋φ10mm@250mm，鋼筋直徑偏小。施工完成以后，基本上處于穩(wěn)定的極限狀態(tài)。受新掘溜井系統(tǒng)施工影響，發(fā)生巖體應(yīng)力重分布，鋼筋混凝土支護(hù)體不能抵抗圍巖變形產(chǎn)生的附加應(yīng)力發(fā)生剪切、折斷等型式的破壞[3]。

3)原有溜井回填不密實(shí)

原有的溜礦斜槽，處于硐室頂板的正上方5.4m，改造后砌鋼筋混凝土墻，堵塞并回填了毛石。原有溜井內(nèi)的淋水，通過回填的毛石，與硐室的圍巖裂隙溝通，進(jìn)入破碎硐室頂板及側(cè)墻，沿硐室混凝土支護(hù)的破裂面、施工接茬處滲出；同時(shí)滲入水也軟化了破碎硐室的圍巖和混凝土強(qiáng)度，導(dǎo)致剪切破壞加劇。

4 加固治理方案設(shè)計(jì)

依據(jù)破碎硐室破壞的類型及位置，提出了針對性的加固方案。按照拱頂、端墻及直墻分別進(jìn)行支護(hù)，先局部、后整體的施工順序，以保證該方案的有效性，并且制定了破碎硐室滲水的治理方案。

4.1 破碎硐室拱頂部分加固方案

破碎硐室拱頂部分加固方案按下列步驟進(jìn)行：

第一步，根據(jù)破壞位置確定加固范圍并使用錨桿加固措施， 錨桿采用φ22mm螺紋鋼制作，長度為2.5m，錨桿外露100mm，采用灰砂比為1∶1的砂漿全長錨固。

拱頂部分加固方案如圖3所示，拱頂加固范圍如圖4所示。

圖3 破碎硐室拱頂部分加固方案示意圖

圖4 拱頂加固范圍示意圖

第二步，對拱頂進(jìn)行掛網(wǎng)、架設(shè)鋼筋條和噴射C25混凝土。網(wǎng)格網(wǎng)度80mm×80mm，采用φ6.5mm圓鋼制作，鋼筋條用φ10mm圓鋼制作，一根鋼筋條由兩根鋼筋制作，鋼筋條在第一步設(shè)置的錨桿之間架設(shè)，并與錨桿牢固焊接。

鋼筋條布置如圖5所示。

圖5 鋼筋條布置詳圖

4.2 破碎硐室端墻部分加固方案

對拱頂加固范圍兩側(cè)的端墻進(jìn)行錨桿加固處理，錨桿規(guī)格同上，間排距0.8m×0.8m。

4.3 破碎硐室滲水治理方案

(1)在原溜井底部的礦石斜溜槽處已充填的廢石混凝土里進(jìn)行注漿處理，起到封閉堵水的效果，防止上方及其周圍的滲水向下方滲漏。

(2)將斜溜槽上已充填的廢石挖開，澆筑一層300mm的混凝土，澆筑成斜面，以使原溜井里的滲水向-320m卸載硐室方向排出。

(3)外側(cè)設(shè)置水溝將積水引至-320m中段車場水溝外排。

破碎硐室治理方案如圖6所示。

5 結(jié)論

在井下緊鄰已有大硐室進(jìn)行爆破施工，打破了原有應(yīng)力平衡，突破了支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限承載力，導(dǎo)致硐室發(fā)生破壞。本文通過FLAC3D數(shù)值模擬分析和破壞機(jī)理研究，從加強(qiáng)硐室支護(hù)強(qiáng)度和治理頂板滲水兩方面進(jìn)行處理，能夠達(dá)到安全治理的效果。

井下重要工程和大跨度硐室附近進(jìn)行爆破施工前，須對已有工程進(jìn)行圍巖承載力分析，并預(yù)測施工后的應(yīng)力重分布影響，必要時(shí)應(yīng)提前采取加固措施預(yù)防已有工程失穩(wěn)。

圖6 破碎硐室滲水治理方案示意圖