基于壓密層保護(hù)的破碎圍巖掘進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)

王春賢 蘭 舟 張藝山

（海南礦業(yè)股份有限公司）

在破碎圍巖中掘進(jìn)巷道，經(jīng)常出現(xiàn)巷道變形、冒頂、片幫、底鼓等地壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致巷道支護(hù)成本高、成巷速度慢、采礦工程可靠性差。現(xiàn)今破碎圍巖巷道的掘進(jìn)成巷，依然是工程地質(zhì)條件復(fù)雜礦山的共性難題。破碎圍巖的支護(hù)形式與施工質(zhì)量，不僅決定巷道的掘進(jìn)速度與可靠性，而且嚴(yán)重影響礦山開采效率和回采效果，進(jìn)而直接影響礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，針對礦床特殊條件，研究解決破碎圍巖巷道的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)問題，對于工程地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山極為重要。

為解決破碎圍巖巷道成巷困難問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者就支護(hù)問題展開了大量研究，多種支護(hù)理論應(yīng)運而生，為支護(hù)形式與參數(shù)確定提供了設(shè)計依據(jù)。早期的散體支護(hù)理論根據(jù)塌落拱內(nèi)的巖石質(zhì)量進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，在淺部工程中具有使用價值。現(xiàn)代彈塑性支護(hù)理論以圍巖彈塑性變形和彈塑性狀態(tài)、或以塑性區(qū)巖體自重為支護(hù)對象，將圍巖控制在彈塑性狀態(tài)，限制塑性區(qū)發(fā)展，以此阻止圍巖松動破壞。彈塑性支護(hù)理論基于地應(yīng)力與巖體變形場，大大促進(jìn)了破碎圍巖支護(hù)形式的發(fā)展，但因需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計算中采用多項基本假設(shè)，增大了礦山實際應(yīng)用的難度。目前應(yīng)用較為廣泛的依然是松動圈支護(hù)理論，由董方庭等學(xué)者根據(jù)松動破碎帶客觀狀態(tài)研究提出，支護(hù)對象除了松動圈圍巖自重、巷道部分彈塑性變形外，還包括占主導(dǎo)地位的松動圈圍巖碎脹變形。該理論主張通過支護(hù)限制松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形，其支護(hù)分類方法、錨噴支護(hù)機理和參數(shù)確定均將圍巖松動圈尺寸作為指標(biāo)［1］。在支護(hù)技術(shù)方面，常見的支護(hù)方式有錨桿、噴漿、砌碹、鋼支架及聯(lián)合支護(hù)等。我國自1956 年開始針對不同地質(zhì)和生產(chǎn)條件研究錨桿支護(hù)技術(shù)，已形成以錨桿、錨索為主體的支護(hù)技術(shù)體系［2］，前述的松動圈支護(hù)理論是在研究和實踐中發(fā)展形成，基于該理論所形成的以錨桿、錨索為主體的錨桿體系支護(hù)技術(shù)，在生產(chǎn)中得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用［3-5］。而對礦山掘進(jìn)巷道的支護(hù)方案［6-9］與優(yōu)化支護(hù)參數(shù)［10-13］的確定，多采用現(xiàn)場實測、工業(yè)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法確定。

上述方法與技術(shù)形成了不同工程地質(zhì)條件下巷道圍巖支護(hù)的技術(shù)體系，推動了為金屬礦床開采技術(shù)的發(fā)展。但該技術(shù)體系大體上還是理論與經(jīng)驗參半，在一些礦山的應(yīng)用效果不夠理想，如海南鐵礦保秀礦區(qū)，破碎圍巖巷道塌冒嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了礦山的建設(shè)速度與開采效果。為此，需要進(jìn)一步研究破碎圍巖巷道的結(jié)構(gòu)特征與破壞過程，發(fā)展相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)，以保障工程地質(zhì)條件復(fù)雜礦體的安全高效開采。

1 破碎圍巖巷道破壞與支護(hù)機理

海南鐵礦保秀礦區(qū)屬于多因復(fù)成的火山熱液沉積—變質(zhì)礦床，礦床工程地質(zhì)條件復(fù)雜，礦體呈層狀、似層狀，部分呈透鏡狀產(chǎn)出，礦石主要有鱗片狀赤鐵富礦，以細(xì)鱗狀片狀變晶結(jié)構(gòu)為主，節(jié)理裂隙發(fā)育到中等發(fā)育，RQD 為10%～45%；礦體上下盤圍巖主要為白云巖、透輝石透閃石灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，一般為碎裂結(jié)構(gòu)。RQD為25.5%～43.4%。礦巖總體不穩(wěn)定到中等穩(wěn)定，局部破碎。應(yīng)用無底柱分段崩落法開采，分段高度為15 m，進(jìn)路間距為18 m。

保秀礦區(qū)在基建與試生產(chǎn)期間，約30% 的采準(zhǔn)巷道需要噴錨網(wǎng)系列支護(hù)，其中破碎圍巖巷道采用“U”形鋼拱架+混凝土支護(hù)。生產(chǎn)實踐表明，“U”形鋼拱架+混凝土支護(hù)形式，不僅支護(hù)費用高，且施工速度慢，地壓活動頻繁。為加快采準(zhǔn)進(jìn)度與降低支護(hù)成本，本研究利用RG 井下電視系統(tǒng)，鉆孔探測了不穩(wěn)巖體巷道圍巖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)圍巖巷道自表面向巖體內(nèi)部可依次分為內(nèi)碎裂層、壓密層、外碎裂層與原巖層（圖1）。依據(jù)鉆孔探測結(jié)果分析可知：巷道掘進(jìn)爆破時的爆破推力，使巷道周邊巖體沿徑向被壓縮變形，從而形成壓密圈，隨著巷道內(nèi)爆破碴石被拋出，原巖壓力轉(zhuǎn)移到巷道周邊的承壓拱上，將巷道周邊巖體進(jìn)一步壓密，這一壓力作用疊加在爆破推力作用之上，由此形成初始壓密層；與壓力作用的同時，拋出碴石后巷道圍巖卸掉爆破壓力，瞬間由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌欣瓲顟B(tài)，由于圍巖抗拉強度低，從而形成了平行于巷道表面的裂隙；而爆破后的反沖力也推動壓密層內(nèi)移，與重力一起拉裂外圍巖體，從而形成了壓密層之外的裂隙層。

基于上述巷道圍巖破壞過程的分析，在后續(xù)掘進(jìn)爆破振動作用下，壓密層內(nèi)外裂隙如果獲得擴展空間將進(jìn)一步發(fā)展，連同原巖結(jié)構(gòu)弱面的擴張，形成切割巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)，使巖體發(fā)生碎裂，形成內(nèi)外碎裂層。相反，如果這些裂隙不能獲得擴展空間，則可抑制碎裂的發(fā)生。

結(jié)合圖1進(jìn)一步分析可知：巷道支護(hù)的關(guān)鍵在于保護(hù)加密層的穩(wěn)定性，限制裂隙圍巖的碎脹空間，同時消弱后續(xù)爆破振動的影響，由此控制內(nèi)外碎裂層的形成。由于掘進(jìn)爆破振動對巷道圍巖的破壞作用，巷道在初始加密層形成時的穩(wěn)定條件最好。因此，巷道支護(hù)的理想時間是在初始壓密層形成之后、后續(xù)掘進(jìn)爆破振動之前，即在正常掘進(jìn)時緊跟工作面支護(hù)，同時需采取合理的支護(hù)形式，以便及時提供足夠大的支護(hù)抗力。

2 破碎圍巖支護(hù)技術(shù)與效果

保秀礦區(qū)破碎圍巖原用U 形鋼拱架+混凝土支護(hù)形式，雖然可以為巷道表層圍巖提供較大的支護(hù)抗力，在支護(hù)體全面承力后也可限制圍巖層節(jié)理進(jìn)一步張裂的空間，但支護(hù)費用高，且因不能緊貼巷道拱頂圍巖，加之往往未能緊跟工作面支護(hù)，致使該支護(hù)形式無法有效控制內(nèi)碎裂層和充分利用圍巖的自穩(wěn)能力。為此，礦山改用噴錨網(wǎng)支護(hù)形式，通過加大錨桿長度與支護(hù)密度，來控制破碎圍巖的變形與破壞。在-40 m 分段下盤聯(lián)巷進(jìn)行了工業(yè)試驗。巷道寬4.5 m，高3.8 m，選用長2.4 m 的樹脂錨桿，錨桿桿體用φ20～22 mm 螺紋鋼，支護(hù)間距0.9～1.0 m，2 次噴漿厚度為80～100 mm。根據(jù)現(xiàn)場觀測，采用噴錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道仍出現(xiàn)嚴(yán)重變形與冒頂現(xiàn)象。究其根源，主要在于破碎圍巖掘進(jìn)后，很快形成內(nèi)外碎裂層，錨桿的支護(hù)長度不足，未能穿過外碎裂層達(dá)到原巖層，不足以控制內(nèi)外碎裂層的擴容空間，最終導(dǎo)致巷道變形冒頂。為此，礦山進(jìn)行了錨索二次支護(hù)，即在噴錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)據(jù)圖1 所示的圍巖結(jié)構(gòu)，選用長度6.0 m、鋼絲直徑17.8 mm 的錨索進(jìn)行二次支護(hù)，支護(hù)間距1.6 m×1.6 m，支護(hù)后巷道呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定狀態(tài)（圖2）。

根據(jù)加密層保護(hù)支護(hù)機理和錨索二次支護(hù)效果，圍繞保護(hù)壓密層的穩(wěn)定性和控制內(nèi)外碎裂層擴容空間需要，提出了保秀礦區(qū)破碎圍巖錨網(wǎng)噴漿+錨索支護(hù)方案，錨桿與錨索的支護(hù)形式如圖3所示。

根據(jù)支護(hù)方案，在保秀礦區(qū)-60 m 聯(lián)巷W7 進(jìn)路口部位的破碎高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了工業(yè)試驗。巷道寬4.5 m，高3.8 m，先采用錨網(wǎng)噴漿支護(hù)，錨桿直徑22 cm，支護(hù)間距90 cm×90 cm，支護(hù)后很快出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)，巷道頂板下沉10～20 cm，兩幫拱角開裂；錨網(wǎng)噴漿支護(hù)10～12 m 后采用錨索+噴射混凝土二次支護(hù)，錨索鋼絲直徑17.8 mm，長6 m，支護(hù)間距1.6 m×1.6 m，噴層厚度80～100 mm。支護(hù)0.5 a 后巷道頂板盡量下沉20～25 mm，但表面穩(wěn)定性良好，滿足了正常使用要求，表明高應(yīng)力破碎圍巖噴錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)方案實用有效，可在保秀礦區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

保秀礦區(qū)的礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，采準(zhǔn)工程穩(wěn)定性差，原來掘進(jìn)的沿脈巷道多處發(fā)生冒頂事故。從節(jié)能的角度分析，錨網(wǎng)噴漿+錨索支護(hù)方式也是輔助這些冒頂圍巖維持自穩(wěn)能力的較好支護(hù)形式。自2019年7月開始，保秀礦區(qū)在新掘巷道破碎圍巖全部采用錨網(wǎng)噴漿+錨索支護(hù)技術(shù)，同時對已掘巷道的地壓破壞部位也采用噴錨、錨索噴漿等二次支護(hù)，成效顯著（表1）。

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保秀礦區(qū)自2019年7月開始推廣錨網(wǎng)噴漿支護(hù)系列技術(shù)（包括錨索二次支護(hù)技術(shù)）以來，現(xiàn)今從-20 m 分段到-60 m 分段，采準(zhǔn)工程穩(wěn)定狀態(tài)基本良好。3 a多的支護(hù)實踐表明：對于保秀礦區(qū)破碎圍巖條件，通過錨桿、錨索對巖層內(nèi)部加固和通過增大噴射混凝土密度增大對圍巖外部支撐強度，二者有機結(jié)合，內(nèi)增外補，有效保障了采準(zhǔn)工程的穩(wěn)定性。該礦區(qū)破碎圍巖的支護(hù)實踐表明，基于保護(hù)巷道加密層的錨網(wǎng)噴漿+錨索支護(hù)形式安全可靠。

3 結(jié) 論

（1）破碎圍巖巷道自表面向內(nèi)部巖體依次可分為內(nèi)碎裂層、壓密層、外碎裂層與原巖層，其中壓密層是由掘進(jìn)時的爆破推力與原巖壓力轉(zhuǎn)移共同作用形成的。破碎圍巖巷道精細(xì)支護(hù)的核心可歸結(jié)為保護(hù)初始壓密層穩(wěn)定性和控制內(nèi)、外碎裂層的形成與擴展。

（2）破碎圍巖巷道在初始加密層形成時的穩(wěn)定條件最好，支護(hù)的理想時間是在初始壓密層形成之后、后續(xù)掘進(jìn)爆破震動之前，即緊跟工作面支護(hù)，且適時提供足夠大的支護(hù)強度。

（3）理論分析與工程實踐表明：提出的基于保護(hù)壓密層的錨網(wǎng)噴漿+錨索支護(hù)方法，能夠較好地適應(yīng)不穩(wěn)巷道圍巖的結(jié)構(gòu)特征，安全可靠性較好。