紅山銅礦泥質(zhì)板巖順巖層掘進段聯(lián)合支護技術探討*

周 飛

（云南建投礦業(yè)工程有限公司，云南 昆明 650501）

紅山銅礦位于香格里拉市格咱鄉(xiāng)，行政區(qū)劃屬云南省迪慶藏族自治州香格里拉市格咱鄉(xiāng)。地理位置約為東經(jīng) 99°52′45″，北緯 28°07′42″。礦山公路與香格里拉-四川鄉(xiāng)城公路相連17 km，至香格里拉縣城公路里程為54 km，香格里拉至大理公路里程252 km，至昆明629 km；經(jīng)大理有鐵路與楚雄、昆明等相通，昆明至香格里拉有空中航線相通，交通較為便利。礦山公路為土石路與香格里拉-四川鄉(xiāng)城公路相連，距香格里拉市區(qū)約65 km，距下格咱鄉(xiāng)17 km，交通條件一般。本礦山主要有V2、V3、V4三個礦體，整個礦山主要分為三個中段，由上到下為4 078 m中段、4 033 m中段、3 973 m中段、目前主要進行V3礦體中深部、V4礦體、V2礦體的掘進開拓工程及V3礦體淺層礦的開采。本文只針對V3礦體中深部的開拓工程遇到的問題進行討論。

1 工程概況

在香格里拉神川銅礦V3礦體中深部開拓掘進工程中，該工程分為3 968 m、3 956 m、3 944 m、3932 m、3920 m五個分層，每個分層高度為12m，斜坡道設計斷面為（3.0×2.8） m的三心拱，設計坡度為9°。在（3 968～3 956） m標高段斜坡道施工過程中遇到大量泥質(zhì)板巖且節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙的走向為東北向西南，長約100 m左右，水平寬12 m左右，傾向為西北向東南，傾角在48°～75°之間。泥質(zhì)板巖呈薄層狀，泥質(zhì)-微細鱗片變晶結構，板狀構造。巖石成分以泥質(zhì)為主，含有少量的鈣質(zhì)，巖石中板理極為發(fā)育，風化后呈（2～10）mm的薄片狀，具有可塑性、干縮性、吸附性、吸水膨脹性等特點[1]，該類圍巖的變質(zhì)性很強。該段斜坡道的方位幾乎與其走向一致，而且伴隨頂板及邊幫滲水情況。

2 施工情況及存在問題

2.1 施工情況及其原因分析

自2019年進場施工以來，施工進度緩慢，工期嚴重滯后。在不考慮組織不力等因素的前提條件下，主要原因是該段斜坡道的圍巖是泥質(zhì)板巖造成的：①工程布置的問題，該段斜坡道的方位幾乎與泥質(zhì)板巖走向一致是不合理的；②圍巖物理力學性質(zhì)造成的，由于巖層的走向與巷道之間形成的夾角不斷變形發(fā)展，在開挖時，巷道巖層膨脹所產(chǎn)生側壓力和開挖后地應力均較大，因此容易產(chǎn)生側向水平變形；③在巷道發(fā)生變形地段初始應力狀態(tài)為地質(zhì)構造應力狀態(tài)[2]，該地段圍巖呈松散、碎裂結構，節(jié)理裂隙發(fā)育，易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，巷道極易通過圍巖的變形而發(fā)生嚴重的應力破壞。

2.2 施工中存在以下問題

2.2.1 鋼拱架變形

在施工經(jīng)常出現(xiàn)剛剛架設好的工字鋼，沒過多長時間就出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，在多次調(diào)整剛拱架架設密度后，均未能起到很好的效果，最終也因圍巖變形壓力增大而使整個鋼架扭曲垮塌，如圖1所示。分析的原因之一是由于該段圍巖走向與巷道掘進方向幾乎一致，巖層的節(jié)理裂隙傾角48°～75°，且?guī)r層之間含泥質(zhì)介質(zhì)滑層，自穩(wěn)性非常差，開挖后，風化速度快且遇水膨脹導致自重加大容易垮塌，進一步使鋼拱架受力加大，迫使鋼拱架在水平方向及豎直方向上變形甚至垮塌。

圖1 鋼拱架變形Fig.1 Deformation of steel arch frame

2.2.2 涌水導致的掌子面垮塌問題

在施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)局部地段有較大涌水，導致剛剛支護好的掌子面出現(xiàn)垮塌，甚至連帶掌子面的工字鋼也出現(xiàn)垮塌，如圖2、圖3所示。分析原因之一是泥質(zhì)板巖因風化速度較快且有涌水，在吸水膨脹后，將掌子面圍巖向外推出來，受力增大，從而導致拱頂大量掉塊，使整個變形加劇，即使已經(jīng)立好鋼架，也因承受不住壓力而垮塌。

圖2 掌子面立好架后被壓塌Fig.2 Heading face collapse after shelf stood up

圖3 頂板邊幫涌水Fig.3 Water inflow of roof and side gang

2.2.3 工字鋼出現(xiàn)錯臺、斷裂的問題

在施工過程中，往往會出現(xiàn)已經(jīng)架設完成后的工字鋼，在一段時間后，在拱腳與拱頂連接處出現(xiàn)錯臺、斷裂的現(xiàn)象，如圖4所示。分析原因是：①由于拱頂及邊幫的圍巖壓力大導致的；②由于工字鋼連接處采用平口搭接，受力不好導致的。

圖4 鋼拱架連接處錯臺斷裂Fig.4 Faulting breakage at the joint of steel arch frame

2.2.4 已澆筑混凝土出現(xiàn)開裂掉塊的問題

在施工過程中，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)澆筑好的混凝土有開裂及掉塊的現(xiàn)象。然而在混凝土澆筑過程已經(jīng)對混凝土的配合比進行多次校正，嚴格按照配合比執(zhí)行，澆筑過程中已經(jīng)進行過充分的振搗，養(yǎng)護時間也適當延長了，還是出現(xiàn)上述問題。分析原因是鋼架成環(huán)后變形較為突出點是連接板處，常因承受不住壓力導致拱架變形扭曲、連接處錯臺斷裂、拱頂下沉、拱腳向凈空方向水平收斂等，在混凝土還沒有形成足夠強度的時候工字鋼就已經(jīng)失去承載能力，由混凝土直接承受圍巖的壓力導致其開裂脫落。

3 泥質(zhì)板巖變形掘進段聯(lián)合支護措施

泥質(zhì)板巖段破碎且具有吸水膨脹性，風化速度快，涌水量較大，導致了鋼拱架變形、錯臺、斷裂等一系列問題。為解決施工過程中遇到的這些問題，在施工過程中采取超前小導管注漿、鋼筋網(wǎng)、錨桿及鋼拱架噴射混凝土以及將平口搭接改進為斜口搭接等措施。同時嚴格按照此施工步驟進行施工：“超前小導管注漿預支護預加固→打錨桿掛鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土→打眼、裝藥、爆破→架設鋼拱架→澆筑上一循環(huán)進尺混凝土”的施工，這樣可以做到最大程度減少對圍巖擾動程度，配合加快施工速度，補強相關支護參數(shù)，加強初支強度及封閉速度，從而保拱架不再變形。

3.1 采用超前小導管注漿

泥質(zhì)板巖本省節(jié)理發(fā)育、同時含有泥質(zhì)介質(zhì)，而且遇水膨脹自重變大，特別在爆破擾動后變形垮塌非常大，鋼架背后日常伴有流沙狀的聲響，應是爆破后破壞圍巖整體性，導致頂上圍巖變得松散，承載性缺失，同時與頂板邊幫的涌水混在一起，流動性更大。所以應該先進行超前小導管注漿，注漿漿液采用水泥—水玻璃雙漿液，注漿目的有兩方面：①堵水；②支護及固結地層，降低其流動性，使其形成整體性；③注漿管自身要有足夠的強度、剛度可以采用無縫剛管制作，為了使注漿效果更佳，一是可以在其上開梅花孔，如圖5所示；二是配合合適的注漿壓力。小導管具體參數(shù)為：采用φ42 mm的無縫鋼管制作，長度應大于循環(huán)進尺的2倍，一般取4 m長[3]，外插腳一般為10°，傾角不大于45°，環(huán)向間距可以適當減小為30 cm左右，縱向排距2.4 m左右[4]，同時前后兩排搭接水平搭接長度不小于1 m。注漿具體參數(shù)為：漿液擴散半徑為1.1 m，終止壓力控制在3.5 MPa以內(nèi)，水泥選用525#普通硅酸鹽水泥，水玻璃進場后調(diào)成33%，水泥漿的水灰比為0.8∶1～1.5∶1[5]。通過采用水泥—水玻璃雙漿液可以解決涌水及地層的不穩(wěn)定性問題。

圖5 超前小導管（開梅花孔）Fig.5 Leading small-conduct pipe(plum blossom shaped hole opening)

3.2 鋼筋網(wǎng)、錨桿及鋼拱架噴射混凝土

3.2.1 人工制作鋼筋網(wǎng)

拱頂鋼筋網(wǎng)采用人工制作，不采用機械制作，尤其是機械制作焊接采用單面焊接（單點焊接）的不能夠采用，搭接長度足夠和網(wǎng)格適當加密，保證有足夠的承載力。鋼筋網(wǎng)規(guī)格為：直徑為φ6 mm 的鋼筋，網(wǎng)格為 （100×100） mm，（2.0×1.5）m，兩端的塔接的彎鉤長度不得小于15 cm，如圖6所示。

圖6 人工制作鋼筋網(wǎng)Fig.6 Artificially made bar-mat reinforcement

3.2.2 采用帶肋的中空錨桿

錨桿采用帶肋的中空錨桿[6]，①可以向錨桿注漿在豎直方向上加固地層[7]；②提高錨桿本身的強度[8]；③帶肋受力不容脫落；施工錨桿時注意傾角，不得大于45°[8]，同時讓其和巖層盡可能的貼實，連接成整體，使受力擴散均勻傳遞，進一步降低泥質(zhì)板巖的裂隙發(fā)育導致的垮落影響。

3.2.3 拱架采用斜口搭接

鋼拱架A、B點連接處因為壓力過大發(fā)生錯臺斷裂，可以將兩點連接處的平口搭接改成向內(nèi)的斜口搭接，同時增加搭接板的厚度。斜口搭接可以將上部傳遞的壓力分解成水平力和豎直向下的重力，水平力可以抵消部分側邊垮塌圍巖對鋼拱架的側向壓力，故而可以更好的受力，可以預防其由于受力過大導致的錯臺斷裂現(xiàn)象，保證鋼拱架的穩(wěn)定性。（詳見圖7、圖8）

圖7 A、B點處斜口連接Fig.7 Bevel connection joint at A and B point

圖8 A、B點處斜口連接受力分析Fig.8 Force analysis of bevel connection joint at A and B point

3.2.4 拱腳間設置橫向剛支撐

由于壓力太大導致拱架向內(nèi)水平收斂，形成內(nèi)八腳現(xiàn)象。除了側邊圍巖壓力過大的原因之外，還可能是由于拱架插入深度不足及沒有設置橫向支撐導致的。故而一方面采取斜口搭接，另一方面可以在每架拱架的底部設置橫向支撐，使其相互抵消，在縱向設置4道φ32 mm的圓鋼拉筋，連接成為整體，使其受力擴散，均勻傳遞，這樣不僅可以防止內(nèi)八腳的產(chǎn)生，也可以防止拱架的下沉。

3.2.5 鎖腳穿鋼板打設

拱架下沉，主要原因：①泥質(zhì)圍巖垮塌導致壓力變大，導致其下沉；②是拱架沒有架設在硬質(zhì)土層或巖層上，沒有受力點；③鎖腳錨桿失效。針對其可以采取在拱架底部也就是拱腳設置槽鋼墊，使其受力面積增大，減小或防止其下沉。同時采取鎖腳穿鋼板打設，傳統(tǒng)鎖腳導管打設均為沿鋼架兩側打設后加L筋或U型筋焊接，但由于泥質(zhì)板巖的圍巖變形非常大，焊接的L/U型筋一兩個班就直接被擠壓掙脫，導致鎖腳導管失效，所以采用11 mm的鋼板穿過鋼架，在鋼板上割孔后再穿孔打設，每根小導管內(nèi)加一根φ32 mm圓鋼進行增加剛度，最后加鋼筋將鋼板和小導管焊接，這使得鋼架受力后直接作用在小導管上，而消除小導管失效的問題，保證了鋼拱架的穩(wěn)定性，可以有效防止其下沉。

圖9 鎖腳穿鋼板打設圖Fig.9 Driving diagram of locking steel pipe

3.2.6 加勁板、腹板補強鋼架

在施工過程中，鋼架扭曲變形一直是面臨到的最大問題，超前導管、鎖腳鋼板割孔都影響整個鋼架的受力，為了彌補這一現(xiàn)象，特在割孔位置增加一塊腹板，補強此處承載力，90 cm左右再增加一塊勁板，加強鋼架的整體受力，減少扭曲現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 設置腹板補強圖Fig.10 Reinforcement diagram of web stiffeners

4 結語

在紅山銅礦（3 968～3 956） m標高掘進過程中采取了小導管超前注漿、拱架采用斜口搭接、鎖腳穿鋼板打設等措施進行聯(lián)合支護后，施工過程中遇到的鋼拱架變形、錯臺、斷裂等問題得到了有效解決，同時澆筑的混凝也很少出現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象，混泥土質(zhì)量有明顯提升。

1）上述一系列措施實施下來后，對于控制該類圍巖措施是科學有效的，并且在施工過程中更加保證了施工安全和結構安全，同時提高了施工速度；

2）該類圍巖的施工常伴隨安全、質(zhì)量問題的發(fā)生，在制定施工方案的同時一定要對圍巖巖性有充分的了解，同時采取科學有效的控制措施，來減少施工中的質(zhì)量安全事故，確保施工順利進行；

3）故而在礦山巷道施工中，泥質(zhì)板巖順節(jié)理巖層掘進巷道的變形垮塌對施工安全帶來極大的安全隱患，對施工工期和經(jīng)濟效益均帶來了較大的影響，因此，加強對該類圍巖的支護技術的探討及改進具有現(xiàn)實意義。