礦建工程中破碎圍巖硐室圍巖控制技術(shù)

陳中億

（福建海峽科化富興建設(shè)工程有限公司，福建 永安 366000）

在如今的社會(huì)發(fā)展形勢(shì)下，由于我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，很多淺層的資源已經(jīng)被開(kāi)采完全，因此開(kāi)始逐步加大開(kāi)采深度。而在地下硐室開(kāi)采施工中，具有較大的圍巖應(yīng)力，容易發(fā)生變形。圍巖具有破碎性，其強(qiáng)度較低，使得硐室的支護(hù)工作存在較大的難度。因此，為了能夠確保硐室穩(wěn)定性，需要充分分析圍巖特性，對(duì)圍巖控制技術(shù)進(jìn)行合理的應(yīng)用，以保證支護(hù)的有效性，使硐室開(kāi)采更加安全。

1 工程概況

某礦區(qū)具有較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且厚度相對(duì)比較穩(wěn)定，在全區(qū)范圍內(nèi)都能夠進(jìn)行開(kāi)采。該礦西部一區(qū)域水泵房的埋深達(dá)到700m，主要設(shè)置在礦層上部的粉砂巖中，和礦層的距離大概20m。但是硐室圍巖強(qiáng)度不足，而且部分夾有炭質(zhì)泥巖，粉砂巖中存在裂隙水，受其影響，硐室圍巖的強(qiáng)度再次降低，水泵房圍巖發(fā)生較大的變形，從實(shí)際的情況得出，硐室的頂板變形最大值為1300mm，拱肩變形最大值為1200mm，底部鼓量為600mm，圍巖的破壞情況較嚴(yán)重[1]。在這樣的情況下，針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了多次加固，但是效果并不明顯。圍巖變形沒(méi)有得到有效的控制，硐室的變形對(duì)礦產(chǎn)開(kāi)采的安全產(chǎn)生較大影響。所以，需要通過(guò)合理的圍巖控制技術(shù)加固。

2 礦區(qū)開(kāi)采中存在的問(wèn)題

（）硐室圍巖地質(zhì)穩(wěn)定性差。從實(shí)際的調(diào)查情況看，該礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖層內(nèi)含有裂隙水，而且礦區(qū)有發(fā)育幾條斷層，區(qū)域的構(gòu)造斷裂發(fā)育。該礦區(qū)由于東南方向具有較高的地勢(shì)，在降水量較多的時(shí)間段會(huì)形成大量的地表匯水。該礦區(qū)還有地表徑流，在汛期會(huì)發(fā)生河水水位快速上漲，礦區(qū)主礦體的頂板圍巖主要有泥質(zhì)巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，山礦體較為松軟，穩(wěn)定性相對(duì)較差。

（2）硐室圍巖構(gòu)造有效應(yīng)力小。在地殼運(yùn)動(dòng)的影響下，斷層的受力會(huì)發(fā)生變化，針對(duì)于礦區(qū)的斷層區(qū)域破碎圍巖來(lái)講，地表水可能會(huì)通過(guò)多種方式滲入到地殼的各個(gè)斷層中，而其中的破碎介質(zhì)會(huì)形成孔隙壓力，這樣降低了巖體的有效應(yīng)力，圍巖壓降低，巖體有效強(qiáng)度下降。礦區(qū)地下水在不斷運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，圍巖結(jié)構(gòu)夾雜物質(zhì)與其容易發(fā)生水化作用，進(jìn)而泥化，使巖石的力學(xué)性質(zhì)減弱，巖體之間的摩擦力、斷層剪切應(yīng)力都下降。由于斷層區(qū)域裂隙水壓力增大，圍巖自重增加，容易出現(xiàn)自然地質(zhì)災(zāi)害。

（3）硐室圍巖變形。在礦區(qū)開(kāi)采時(shí)，邊墻的變形問(wèn)題在逐漸加深，這主要是因?yàn)樵陂_(kāi)挖邊墻時(shí)，頂板的拱形圍巖會(huì)發(fā)生拱效應(yīng)，降低圍巖變形。大部分地下硐室的開(kāi)挖變形監(jiān)測(cè)規(guī)律都是一致的，在不斷開(kāi)挖的過(guò)程中，頂拱會(huì)接著出現(xiàn)下沉，變形情況較為穩(wěn)定[2]。開(kāi)挖硐室的過(guò)程中，邊墻變形會(huì)不間斷的增大，而在開(kāi)挖深度逐漸增大的情況下，硐頂?shù)那邢驊?yīng)力會(huì)從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化到壓應(yīng)力，同時(shí)還會(huì)不斷增大，拱部開(kāi)挖時(shí)，硐室圍巖由于裂隙的存在，使得不穩(wěn)定區(qū)域的礦體產(chǎn)生破碎，整體的圍巖硐室會(huì)發(fā)生變形。

3 硐室圍巖破壞特性和作用原因

（1）圍巖破壞特性。該礦區(qū)水泵房設(shè)計(jì)的是直墻半圓拱形，最開(kāi)始采取的支護(hù)方案為錨網(wǎng)索噴注+36U型鋼封閉支架進(jìn)行支護(hù)。硐室在進(jìn)行支護(hù)施工時(shí)，圍巖存在較嚴(yán)重的變形，U型鋼支架扭曲情況較嚴(yán)重，底部鼓量較大，混凝土開(kāi)裂的面積較大，對(duì)硐室的開(kāi)采施工產(chǎn)生一定的阻礙。從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況看來(lái)，硐室兩邊的破壞情況相比較頂板而言較大，兩邊的破壞范圍可延長(zhǎng)到7.5m，頂板的破壞范圍延長(zhǎng)2m，相對(duì)來(lái)講，頂板深部巖層具有較好的完整性，圍巖破碎較小。

（2）作用原因。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況調(diào)查，水泵房圍巖變形的影響因素有斷層圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力、時(shí)間效應(yīng)、施工等。首先是圍巖性質(zhì)，硐室發(fā)生變形的最重要因素是圍巖自身性質(zhì)，從實(shí)際觀測(cè)情況得知，該礦區(qū)水泵房主要設(shè)置在礦層上部的粉砂巖中，破碎圍巖發(fā)育，缺乏完整性，因而使得圍巖發(fā)生較大的變形。另外是地應(yīng)力，水泵房的埋深為700m，埋深較大，地應(yīng)力較高，在這樣的情況下，巖石的蠕變情況較為突出，在作用一定的時(shí)間后，硐室圍巖會(huì)出現(xiàn)變形，如果是使用普通的支護(hù)，達(dá)到的效果不理想。再者是時(shí)間效應(yīng)，硐室圍巖在發(fā)生變形時(shí)，時(shí)間效應(yīng)對(duì)其產(chǎn)生的影響較大，根據(jù)巖石的蠕變情況，會(huì)經(jīng)歷3個(gè)時(shí)間段，第一是瞬態(tài)蠕變，第二是穩(wěn)定蠕變，第三是穩(wěn)態(tài)蠕變。然而，近段時(shí)間硐室圍巖變形在增大，存在不穩(wěn)定變形，對(duì)硐室的安全產(chǎn)生影響，需要采取有效措施加固，確保圍巖穩(wěn)定。還有是工作面采動(dòng)影響，使得圍巖破碎加重，變形情況嚴(yán)重。最后是施工影響，最開(kāi)始對(duì)硐室進(jìn)行支護(hù)主要使用錨網(wǎng)索噴注+36U型鋼封閉支架，然而實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)鋼棚后沒(méi)有做實(shí)，支架的受力均勻度不足，硐室兩邊以及底板受力較大，使得支架向上拱起。

4 硐室圍巖控制技術(shù)

（1）圍巖控制原則。為了能夠保證硐室的安全穩(wěn)定，需要結(jié)合其實(shí)際的地質(zhì)情況，對(duì)圍巖進(jìn)行有效的支護(hù)控制。圍巖控制原則：首先，要確保圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)成為整體，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度一定，和圍巖整體的變形形成統(tǒng)一。其次，要對(duì)硐室的布局進(jìn)行全面考量，在水泵房周圍設(shè)置有多個(gè)硐室，相互之間存在影響，進(jìn)行圍巖控制支護(hù)時(shí)，需要考量到水泵房圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)其他硐室要盡可能的減小影響，降低硐室圍巖變形量。其三，由于硐室圍巖破碎使其完整性不足，強(qiáng)度較差，對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)的效果不突出，所以，進(jìn)行加固時(shí)需要通過(guò)注漿形式，對(duì)圍巖的內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)。其四，對(duì)斷面要進(jìn)行全面支護(hù)，大斷面的硐室通常為永久性的，使用的時(shí)間很長(zhǎng)，如果硐室存在區(qū)域破壞，會(huì)連帶著其他區(qū)域受到影響，硐室整體的穩(wěn)定性變差，所以，對(duì)硐室的斷面要全面支護(hù)，以對(duì)圍巖變形進(jìn)行有效控制。其五，要確保全長(zhǎng)錨固和高預(yù)應(yīng)力原則，在對(duì)發(fā)生變形的硐室進(jìn)行支護(hù)加固時(shí)，要優(yōu)先使用高預(yù)應(yīng)力和全長(zhǎng)錨固的支護(hù)方式。最后，硐室支護(hù)在完成后，為了能夠更好的保證效果，硐室礦壓情況需要進(jìn)行檢測(cè)，科學(xué)的評(píng)估圍巖控制效果，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行解決，以更好的保證硐室穩(wěn)定。

（2）地質(zhì)穩(wěn)定性加固。破碎圍巖的回采進(jìn)路需要進(jìn)行加固，對(duì)于底板反底拱施工需要在頂板、邊墻穩(wěn)定后進(jìn)行。底板需要設(shè)置為弧形結(jié)構(gòu)，通過(guò)鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè)，使其和邊部的噴網(wǎng)連接起來(lái)，形成一個(gè)整體后，接著澆筑混凝土以形成反底拱結(jié)構(gòu)，然后鋪設(shè)素混凝土。在施工過(guò)程中，需要嚴(yán)格遵循短掘短支的原則，對(duì)進(jìn)尺進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以實(shí)現(xiàn)初次支護(hù)。掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺需要控制在700mm，和U型鋼支架的排距保持統(tǒng)一。當(dāng)掘進(jìn)尺寸達(dá)到U型鋼支架的排距時(shí)，對(duì)全斷面需要架設(shè)支架，在棚后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)同時(shí)用噴漿進(jìn)行封閉，接著在棚外鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后將注漿管埋設(shè)。由于這部分進(jìn)路圍巖破碎較大，在進(jìn)行加固施工時(shí)，需要注重降低圍巖擾動(dòng)。在完成噴漿后，需要對(duì)硐室壁進(jìn)行注漿，這個(gè)過(guò)程需要確保填充密實(shí)，使注漿加固的效果得到有效的提升。經(jīng)過(guò)加固后，鋼支架的承載力得到優(yōu)化，鋼支架的受力更加均勻。在填充注漿完成后，需要及時(shí)澆筑底板。

（3）聯(lián)合支護(hù)方案。該礦區(qū)硐室圍巖控制主要使用注漿加固以及錨網(wǎng)索+U型鋼棚的聯(lián)合支護(hù)方案。在實(shí)施這一支護(hù)方法時(shí)，首先，施工人員需要結(jié)合礦建工程的實(shí)際情況，取下U型鋼棚，接著對(duì)硐室進(jìn)行修整和加固，然后對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，確保結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性。針對(duì)其中存在的薄弱點(diǎn)，需要使用錨桿和錨索有效的加固四周圍巖。該加固支護(hù)控制中，選擇的錨桿直徑為20mm，長(zhǎng)度大概為2400mm，錨桿有左螺旋紋。錨桿和錨桿之間的間距為700mm×850mm，錨索的直徑為18mm，在使用錨網(wǎng)索加固時(shí)，材料中使用了一定量的樹(shù)脂錨固劑，斷面的整體設(shè)置8根錨索，同時(shí)還需要鋪設(shè)6.5mm直徑的焊接鋼筋網(wǎng)，在完成相關(guān)的工作后，需要通過(guò)專門的噴漿人員進(jìn)行噴漿操作，在厚度方面需要控制達(dá)到50mm。完成錨索施工后，施工人員需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況建立新的U型鋼棚，接著通過(guò)專門的噴漿人員進(jìn)行噴漿操作，等到完成噴漿工作后，繼續(xù)進(jìn)行注漿加固，依照對(duì)該礦區(qū)的具體情況來(lái)看，硐室具有較差的穩(wěn)定性，所以，在進(jìn)行注漿施工時(shí)，壓力應(yīng)當(dāng)合理的控制，實(shí)際確定的注漿壓力為4.5MPa，注漿孔的直徑設(shè)置為32mm以內(nèi)。加固材料的使用主要選取普通型的硅酸鹽水泥漿液，注意在施工的過(guò)程中保證平穩(wěn)進(jìn)行，確保注漿過(guò)程的順利。還有需要強(qiáng)調(diào)的是，在進(jìn)行注漿時(shí)，施工人員如果發(fā)現(xiàn)存在圍巖破碎區(qū)域，需要利用加密注漿，保證漿孔間距來(lái)確保硐室的穩(wěn)定性，這樣施工才會(huì)更加安全。

（4）支護(hù)效果。在使用了聯(lián)合加固方案后，需要對(duì)支護(hù)控制效果進(jìn)行檢測(cè)，以便更好的保證支護(hù)加固效果。對(duì)硐室圍巖的移動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)。從檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，圍巖在加固支護(hù)經(jīng)過(guò)40天，硐室頂板的底鼓量、下沉量以及兩邊移近量隨著時(shí)間的增加而不斷增大，基本上呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。在經(jīng)過(guò)了40天以上60天以內(nèi)，圍巖的變形速度得到了較大的降低，在接近60天的時(shí)間時(shí)，達(dá)到最大并保持穩(wěn)定。最終硐室的頂板下沉量為15mm，底鼓量為23mm，硐室兩邊移近量為32mm，能夠保持在允許的情況下，而且現(xiàn)場(chǎng)硐室混凝土的噴層較為完好，沒(méi)有發(fā)生脫落、斷裂情況，具有較好的支護(hù)效果，確保了圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，近年來(lái)由于我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)采，淺部的礦產(chǎn)資源逐漸減少，對(duì)礦產(chǎn)資源深度開(kāi)采規(guī)模在不斷增加，因此地下硐室開(kāi)采建設(shè)施工也日益增多。然而，地下硐室圍巖地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力較大，其穩(wěn)定性較差。而在礦產(chǎn)資源的深度開(kāi)采中，硐室圍巖的控制以及支護(hù)技術(shù)非常關(guān)鍵，對(duì)礦建工程的安全穩(wěn)定產(chǎn)生較大的影響。本文主要從實(shí)際的工程案例出發(fā)，對(duì)硐室圍巖的破壞情況及作用原因進(jìn)行了全面的分析，然后結(jié)合實(shí)際情況使用聯(lián)合支護(hù)的方法，對(duì)破碎圍巖進(jìn)行支護(hù)加固，取得了較好的控制效果。相信隨著技術(shù)水平的不斷提升，礦產(chǎn)開(kāi)采硐室圍巖控制技術(shù)會(huì)得到更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，能夠?yàn)榈V建工程帶來(lái)更有效的技術(shù)支持。