基于新型材料的超前支護(hù)技術(shù)在掘進(jìn)爆破中的應(yīng)用

閆亞軍

（嵩縣金牛有限責(zé)任公司）

隨著礦山行業(yè)不斷發(fā)展與進(jìn)步，其相關(guān)的技術(shù)也在進(jìn)一步的改革與創(chuàng)新，當(dāng)前我國(guó)的礦產(chǎn)開(kāi)采及利用已達(dá)到一個(gè)全新階段［1］，為確保采礦作業(yè)的安全性與施工效率，一般會(huì)在采礦區(qū)域進(jìn)行一定的支護(hù)與加固。因此，超前支護(hù)技術(shù)在大量的工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。其工作原理是在隧道開(kāi)挖之前，通過(guò)向掌子面前方地層里注漿、冷凍、打入鋼管、钷錨桿等技術(shù)措施，在隧道橫斷面上形成一個(gè)拱形連續(xù)體［2］，使其加固開(kāi)挖面前方地層，同時(shí)利用其支撐力保持前方土體的穩(wěn)定，減少地表沉降量，并全面地保持自然地層在穩(wěn)定狀態(tài)下開(kāi)挖隧道。研究表明地面的整個(gè)沉降量的30%～40%和地下地層的整個(gè)沉降量的40%～50%是在一般的支護(hù)開(kāi)始發(fā)生作用之前發(fā)生的，超前支護(hù)對(duì)地面沉降有30%～35% 的抑制效果［3］，對(duì)隧道頂上地層沉降有40% 的抑制效果，所有加固掌子面前方的地層對(duì)抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支護(hù)技術(shù)作為加固地層、穩(wěn)定拱頂及掌子面、減少地表沉降的輔助施工方法，已經(jīng)在地下工程施工中得到了廣泛應(yīng)用［4］。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外的超前支護(hù)機(jī)理與支護(hù)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，目前，尚未找到一種完全能對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)的方法，淮南謝橋煤礦-400 m 水平回風(fēng)大巷，曾采用多種支護(hù)形式，但都遭到了嚴(yán)重破壞，分析其原因發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)與材料均未能達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度［5］，因此，采用一種新型材料的超前支護(hù)，既可保證合理的支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)又可提高爆破效果，成為了支護(hù)研究的熱點(diǎn)。依托松里溝采區(qū)和東灣礦小南溝采區(qū)掘進(jìn)施工，采用新型材料分別對(duì)常規(guī)性硬巖和軟巖進(jìn)行支護(hù)強(qiáng)度、爆破后巷道表面位移量和爆破效果進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)研究

在巷道爆破過(guò)程中，對(duì)圍巖穩(wěn)定支護(hù)是其中一個(gè)重要節(jié)，目前常用的支護(hù)方式主要有以下幾種：

（1）超前錨索支護(hù)。此種方法是在鉆鑿爆破孔之前，先在頂部按設(shè)計(jì)要求向上傾角12°鉆鑿超前錨索孔，錨索孔鉆鑿?fù)戤吅螅褂缅^索機(jī)將錨索放入孔內(nèi)，此種方法的不足是遇到一些小斷面時(shí)，由于空間較小，錨索機(jī)施展不開(kāi)，再者是爆破孔裝藥爆破后，產(chǎn)生的炸藥沖擊力對(duì)頂部圍巖依然可以造成較大振動(dòng)傷害，降低了圍巖的穩(wěn)定系數(shù)，且爆破后錨索本身是柔軟的鋼索，爆破造成鋼索裸露后，自身沒(méi)有強(qiáng)度，所以，作業(yè)人員在其下進(jìn)行作業(yè)，安全系數(shù)不高。

（2）隔離孔。此種方法是在鉆鑿爆破孔之前，先在頂部鉆鑿隔離孔，鉆鑿傾角為向上傾12°，且按照10～15 cm間距進(jìn)行布置，隔離孔鉆鑿?fù)戤吅?，再鉆鑿爆破孔，此種方法不足之處是在圍巖穩(wěn)固性較差的施工區(qū)域，爆破后須進(jìn)行安全支護(hù)，支護(hù)時(shí)，工作區(qū)域的頂部還處于裸露的圍巖，作業(yè)區(qū)域安全系數(shù)較低。

（3）超前鋼管。此種方法是在鉆鑿爆破孔之前，先在頂部鉆鑿超前孔，鉆鑿傾角為向上傾12°左右，超前孔施工完畢后，塞入的超前鋼管，把孔口露出的超前鋼管固定在后方的拱型頂柱之上進(jìn)行護(hù)頂，其不足之處是由于超前鋼管韌度差，炸藥的沖擊力會(huì)造成超前鋼管變形、擠壓，降低了超前鋼管的自身強(qiáng)度，降低了護(hù)頂?shù)陌踩禂?shù)。

2 新型材料的超前支護(hù)研究

在松里溝采區(qū)和東灣礦小南溝采區(qū)對(duì)某新型材料的超前支護(hù)進(jìn)行一系列研究，通過(guò)對(duì)同一地質(zhì)條件下軟巖與硬巖支護(hù)情況對(duì)比，驗(yàn)證新型材料的超前支護(hù)的實(shí)用性與合理性。

2.1 工程概況

松里溝采區(qū)和東灣礦小南溝采區(qū)均位于華北地臺(tái)南緣、秦東西構(gòu)造帶的北亞帶，其礦石結(jié)構(gòu)以粒狀變晶結(jié)構(gòu)和交代結(jié)構(gòu)為主。巖石以巖漿巖和角礫巖為主。本次分別對(duì)常規(guī)性硬巖和軟巖的爆破效果與支護(hù)措施進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)巷道分別是1238中段東主運(yùn)鑿巖巷道、1200 中段東主運(yùn)鑿巖巷道，為硬巖巷道，271 中段主運(yùn)鑿巖巷道和271 一分層主運(yùn)鑿巖巷道為軟巖巷道。巷道地表水系不發(fā)育，主要為大氣降水形成的地表流及山間沖溝內(nèi)的四季短暫溪流，水量受季節(jié)影響較大，對(duì)施工影響較小。

2.2 新型材料超前支護(hù)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)用拱形頂

沿拱形面的輪廓在圍巖面的上端鉆鑿護(hù)頂孔，每2 個(gè)護(hù)頂孔之間的間距為10 ～15 cm，護(hù)頂孔中心軸線的底部向上傾斜形成傾角，護(hù)頂孔中心軸線與水平夾角為13°～17°，同一圍巖面上護(hù)頂孔的傾角為統(tǒng)一傾斜角度；護(hù)頂孔鉆鑿?fù)戤吅螅趪鷰r面上按設(shè)計(jì)要求鉆鑿爆破孔；在圍巖面上鉆鑿爆破孔時(shí)，爆破孔的深度為2.4～2.6 m。護(hù)頂孔的深度大于爆破孔的深度。最后在圍巖面的中部鉆鑿掏槽孔。

2.2.2 填充材料的選取與配比

在試驗(yàn)前仔細(xì)研究填充材料的組分和屬性，采用聚合纖維樹(shù)脂和膨脹劑、黏稠劑等材料分別組件，在填充前各組分之間不會(huì)發(fā)生相互作用，便于存儲(chǔ)、運(yùn)輸與安裝。其組分配比見(jiàn)表1。

合成固化劑為高分子合成固化劑，為親水白炭黑和氟塑料的組合；抗氧化劑為A0-60 抗氧劑；黏稠劑為聚乙烯吡咯烷酮。

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填充材料被密封保存在封裝袋內(nèi)，封裝袋包括防滲袋分割條和外包袋，在外包袋的內(nèi)側(cè)設(shè)有防滲袋，在外包袋的中下部設(shè)有分割條，使外包袋的上下兩端分別形成具有獨(dú)立空間的A 料袋和B 料袋，在A料袋內(nèi)分別裝有聚合纖維樹(shù)脂、抗氧化劑、膨脹劑和黏稠劑，膨脹劑和黏稠劑在A料袋內(nèi)為獨(dú)立包裝；在B料袋內(nèi)分別裝有催化劑和合成固化劑，催化劑在B料袋內(nèi)為獨(dú)立包裝。封裝袋的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2.3 護(hù)頂孔內(nèi)部充填結(jié)構(gòu)

檢查鋼筋的直線度及鋼筋兩端頭的外螺紋是否有缺損，檢查圓形端部墊片及孔口圓形卡片上的螺紋孔是否滑損。對(duì)護(hù)頂孔進(jìn)行裝填，首先取出鋼筋，將鋼筋下端頭的外螺紋旋擰到圓形端部后墊片上的螺紋孔，直至完全擰緊，然后輕輕揉捏裝有填充材料的封裝袋，將多個(gè)封裝袋間隔綁定到鋼筋的外緣面上；封裝袋綁定完成后，將鋼筋塞入護(hù)頂孔內(nèi)，直至圓形端部墊片完全接觸護(hù)頂孔的孔底，孔口圓形卡片上的螺紋孔套接在鋼筋上端頭的外螺紋上，旋擰孔口圓形卡片，使孔口圓形卡片的內(nèi)側(cè)面完全接觸護(hù)頂孔的孔口壁，填充材料完全反應(yīng)后，填充材料頂破防滲袋和外包袋，直至與護(hù)頂孔壁完全粘結(jié)在一起，此時(shí)即完成了一個(gè)護(hù)頂孔的裝填。護(hù)頂孔內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2.4 爆破孔內(nèi)部充填結(jié)構(gòu)

所有護(hù)頂孔裝填完畢后，將導(dǎo)爆索、炸藥和雷管制作成起爆藥包，然后將起爆藥包用木質(zhì)長(zhǎng)棍輕輕推入爆破孔內(nèi)，起爆藥包裝填完成后，輕輕揉捏裝有填充材料的封裝袋，使封裝袋內(nèi)填充材料混合完全后，將封裝袋的外形揉捏為圓柱狀，將封裝袋用木質(zhì)長(zhǎng)棍塞入爆破孔并抵觸起爆藥包的端頭，填充材料完全反應(yīng)后，填充材料頂破防滲袋和外包袋，直至與爆破孔壁完全粘結(jié)在一起，此時(shí)如填充材料還有膨脹壓力，填充材料會(huì)向爆破孔的孔底處進(jìn)行延伸，直至膨脹作用停止。

2.2.5 填充材料混合膨脹過(guò)程

封裝袋內(nèi)的填充材料經(jīng)過(guò)輕輕揉捏后即可實(shí)現(xiàn)混合，首先揉捏使裝有填充材料的封裝袋A料袋內(nèi)獨(dú)立包裝的膨脹劑和黏稠劑與聚合纖維樹(shù)脂和抗氧化劑融合，然后揉捏使封裝袋B料袋內(nèi)獨(dú)立包裝的催化劑與合成固化劑融合，最后揉開(kāi)封裝袋上的分割條使A料袋與B料袋材料融合并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將裝有填充材料的封裝袋外形疊成細(xì)條狀，封裝袋的長(zhǎng)度為20～40 cm。

2.2.6 爆破與支護(hù)

所有爆破孔裝填完成后，作業(yè)人員退出作業(yè)區(qū)域，到達(dá)起爆區(qū)域，等待20～40 min 后進(jìn)行起爆；起爆完成后，對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)制性機(jī)械通風(fēng)45～60 min，通風(fēng)完畢后，在空氣達(dá)標(biāo)的情況下，作業(yè)人員攜帶氣體檢測(cè)儀進(jìn)入作業(yè)區(qū)域。首先在作業(yè)區(qū)域左右兩側(cè)清理平整出可以安裝立柱的空間并安裝立柱，然后在兩立柱的上端安裝拱形頂柱，拱形頂柱分別連接并支撐每個(gè)護(hù)頂孔內(nèi)填充材料的外端頭，即完成了一次爆破支護(hù)。

2.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)支護(hù)后圍巖的變形情況與支護(hù)強(qiáng)度，在斷面上布設(shè)拱頂與起拱線處的圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)，在量測(cè)點(diǎn)埋設(shè)反光片，采用全站儀非接觸測(cè)量，每個(gè)測(cè)斷面布置1 個(gè)拱頂下沉沿點(diǎn)與2 條凈空水平收斂量測(cè)基線，拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置在巷道中線處拱頂，凈空水平收斂基線分別設(shè)在斷面最大跨度及以上3 m 處，量測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖面2 m 處，每天觀測(cè)一次位移量，通過(guò)在鋼筋端部加設(shè)壓力傳感器，測(cè)量支護(hù)強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 支護(hù)強(qiáng)度的測(cè)定

在軟巖巷道中支護(hù)強(qiáng)度的大小是有效控制圍巖變形量的關(guān)鍵，圍巖的穩(wěn)定流變速度與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系成負(fù)指數(shù)函數(shù)形式。

在拱形頂?shù)闹苓呍O(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)傳感器測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理得出支護(hù)強(qiáng)度并取值，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

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最優(yōu)的巷道支護(hù)強(qiáng)度并非強(qiáng)度越高越好，主要取決于巷道的安全使用和服務(wù)年限。支護(hù)強(qiáng)度有一個(gè)合理的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，支護(hù)強(qiáng)度的增加能夠有效地控制巷道的變形，加大支護(hù)強(qiáng)度并超出這個(gè)范圍后，巷道的變形并不會(huì)明顯的減少。

通過(guò)研究資料表明，支護(hù)強(qiáng)度在0.3～0.5 MPa 是圍巖支護(hù)的合理強(qiáng)度范圍。上述測(cè)定符合此項(xiàng)研究成果［6］。

3.2 爆破后巷道表面位移量測(cè)定

巷道圍巖的變形速度不可能為零，不僅在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，而且在經(jīng)濟(jì)上也難以承擔(dān)。有效地控制圍巖的低速流變可保證巷道在使用過(guò)程安全可靠。各巷道的圍巖的流變速度見(jiàn)表3。

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從表3 中可以看出，在巷道支護(hù)完成后，圍巖的流變速度較大，一般在8～10 mm；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在15 d 時(shí)，巷道的圍巖的流變速度降低約50%；在30 d時(shí)，巷道的圍巖的流變速度漸趨于穩(wěn)定，相比支護(hù)初期，其流變速度降低了約90%；此后支護(hù)約90 d 的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，其流變速度一般在0.5 mm 左右，相比支護(hù)初期，其流變速度降低了約97%，表明支護(hù)一定的時(shí)間后，巷道變形量逐漸減小并趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此種支護(hù)方式對(duì)巷道周邊圍巖流變速度起到了很好的控制作用，能夠滿足掘進(jìn)開(kāi)采的施工條件。

3.3 爆破效果測(cè)定

由于炸藥的爆炸反應(yīng)是一個(gè)高溫、高壓和高速的瞬態(tài)過(guò)程，巖體性質(zhì)與爆破條件復(fù)雜多變，直接觀測(cè)和研究巖體破碎過(guò)程極其困難，影響爆破作用效果的爆破條件較多，其作用各異，但總體上主要受到爆破參數(shù)、自由面條件、堵塞質(zhì)量及延遲時(shí)間等影響。因此，主要對(duì)爆破進(jìn)尺效果進(jìn)行測(cè)定，從而檢驗(yàn)爆破效果。具體爆破效果見(jiàn)表4和表5。

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根據(jù)資料表明，軟巖的炮眼利用率一般在60%以上，硬巖的炮眼利用率一般在90% 以上。通過(guò)對(duì)比表4、表5 中1238 中段東主運(yùn)鑿巖巷道、1200 中段東主運(yùn)鑿巖巷道、271中段主運(yùn)鑿巖巷道和271一分

層主運(yùn)鑿巖巷道進(jìn)尺情況可以發(fā)現(xiàn)，硬巖的爆破效果在93.8%～96.7%，軟巖的爆破效果在70.4%～71.7%；硬巖的爆破效果超出同等條件下爆破效果3.8%～6.7%，軟巖的爆破效果超出同等條件下爆破效果10.4%～11.7%。

4 結(jié) 論

新型的超前支護(hù)通過(guò)填充材料進(jìn)行掘進(jìn)支護(hù)，圍巖強(qiáng)度達(dá)到0.3～0.6 MPa，巷道的流變速度基本在0.1～0.4 mm/d。硬巖的爆破效果超出同等條件下爆破效果3.8%～6.7%，軟巖的爆破效果超出同等條件下爆破效果10.4%～11.7%。這些數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了新型材料超前支護(hù)的可行性，同時(shí)填充材料具有恒溫可縮性，在圍巖的變形壓力達(dá)到支護(hù)體的承載極限前，可保證支護(hù)結(jié)構(gòu)在工作阻力下均勻收縮，使圍巖的變形有所釋放，支護(hù)的外載得以減緩，從而保證支護(hù)體本身的安全，同時(shí)，超前支護(hù)內(nèi)部的填充材料對(duì)圍巖表面進(jìn)行有效封閉，可阻止巖體吸水軟化與崩解。填充材料中各組分均為無(wú)污染、健康環(huán)保的產(chǎn)品，在其爆破后不會(huì)產(chǎn)生其他的污染氣體，可隨著污風(fēng)被排出作業(yè)面，此支護(hù)方式具有操作方便、爆破效率高、使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，適合大范圍推廣和應(yīng)用。