鐘九鐵礦-550 m水平大斷面交岔點(diǎn)支護(hù)—注漿加固耦合技術(shù)方案

周 磊 朱文龍

(安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山 243111)

目前,鐘九鐵礦200萬t/a采選建設(shè)工程正進(jìn)行二期井巷開拓工程施工,根據(jù)地質(zhì)勘察成果及石門巷揭露圍巖的分析,-550 m水平開拓工程位于全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖中,巖體中裂隙極其發(fā)育,穩(wěn)定性極差。-550 m水平作為最末運(yùn)輸水平,該水平井巷開拓工程交岔點(diǎn)較多,在永久砌碹之前需進(jìn)行臨時支護(hù)。本研究針對-550m水平6#交岔點(diǎn)斷面大、圍巖破碎、支護(hù)困難的問題,提出了一種支護(hù)與注漿加固的圍巖穩(wěn)定性耦合防控技術(shù)方案。該方案根據(jù)圍巖穩(wěn)定狀態(tài),合理進(jìn)行錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)及深淺孔—高低壓耦合注漿加固處理,以保障巷道安全掘進(jìn)及臨時支護(hù)的有效性。

1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

巷道頂板冒落及幫部破壞是多種因素共同作用的結(jié)果,本研究利用普式理論確定鐘九鐵礦大斷面6#交岔點(diǎn)圍巖松動圈范圍,分析圍巖破壞機(jī)理。錨桿的承載能力由破壞巖石質(zhì)量確定,與巷道斷面形狀尺寸、埋藏深度、采動影響程度、巖層傾角、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等有關(guān),根據(jù)圍巖物理力學(xué)性質(zhì),本研究通過理論計算[1-3]確定錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)。

1.1 交岔點(diǎn)松動圈范圍計算

交岔點(diǎn)的巷道均為直墻三心拱截面,其中6#交岔點(diǎn)最大斷面尺寸為9.8 m×5.0 m(寬×高),巖性主要為鈉長閃長巖。圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

深埋巷道或硐室開挖之后,由于節(jié)理的切割,洞頂?shù)膸r體將產(chǎn)生塌落,當(dāng)塌落到一定程度后,上部巖體便會形成一個自然平衡拱,而作用在拱頂?shù)膰鷰r壓力是自然平衡拱內(nèi)的巖體自重。

根據(jù)普式理論自然平衡拱機(jī)理分析,6#交岔點(diǎn)最大斷面的頂板塌落拱計算公式為

式中,a1為巷道的半跨距,4.9 m;f為頂板圍巖的普氏系數(shù),3.2。

經(jīng)計算,h0=0.77m。

由于塌落拱的存在,導(dǎo)致兩幫不穩(wěn)定,拱腳穩(wěn)定需要的平衡作用需由穩(wěn)定的巖幫提供,兩幫破壞深度計算公式為

式中,Kc為巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù),3;Bc為采動影響系數(shù),1;σc為頂板圍巖的單向抗壓強(qiáng)度,32 MPa;H為巷道埋深,570 m;γ為圍巖的平均重力密度24.5 kN/m3;h為巷道高度,5.0 m;φ為圍巖的內(nèi)摩擦角,42°。

經(jīng)計算,c=2.11 m。

綜上所述,鐘九鐵礦-550 m水平6#交岔點(diǎn)大斷面處頂板塌落拱高度為0.77 m,兩幫破壞深度為2.11 m。

1.2 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

根據(jù)巷道或硐室頂?shù)装宓膸r層條件,巷道或硐室頂板分層明顯,錨固作用機(jī)理[4-6]就是將幾個薄巖層通過錨桿的連接作用形成一個較厚的復(fù)合巖層結(jié)構(gòu)(組合梁)。頂板錨桿有效長度計算公式為

式中,Lp為錨桿有效長度,m;B為交岔點(diǎn)斷面跨度,9.8m;K1為安全系數(shù),1.5;η為頂板巖層系數(shù),3;σt為頂板巖石抗拉強(qiáng)度,2.51MPa;σh為原巖水平應(yīng)力分量,32.62 MPa;q為上覆荷載,13.475 MPa。

經(jīng)計算,Lp=2.08 m。

頂板錨桿長度計算公式為

式中,L1為錨桿外露長度,0.05 m;L3為錨桿錨固段長度,0.21 m。

經(jīng)計算,L=2.34 m。為確保頂板安全,本研究確定頂板錨桿長度為2.4 m。

錨桿間排距由組合梁的抗剪強(qiáng)度確定,其計算公式為

式中,a為錨桿間距,m;d為錨桿直徑,0.02 m;τ為錨桿抗剪強(qiáng)度,500 MPa;K2為頂板抗剪安全系數(shù),1.5。

經(jīng)計算,a≤0.637m?？紤]到錨桿的組合拱效應(yīng),本研究確定頂板錨桿間排距為0.7 m。

根據(jù)錨桿桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定錨桿直徑,計算公式為

式中,d為錨桿直徑,mm;Q為錨桿錨固力,150MPa;Qt為錨桿抗拉強(qiáng)度,500 MPa。

經(jīng)計算,d≥19.46 mm,確定錨桿直徑為20.0 mm。

1.3 幫部錨桿支護(hù)參數(shù)

6#交岔點(diǎn)幫部錨桿長度可由下式進(jìn)行計算,計算公式為

式中,L1為錨桿外露長度,0.05 m;L3為錨桿錨固段長度,0.21 m;C為幫部松動深度,結(jié)合已有此類巖層巷道或硐室松動圈測試結(jié)果,預(yù)計幫部平均松動深度為1.5～2.0 m。

經(jīng)計算,L=2.26m。

根據(jù)6#交岔點(diǎn)大斷面圍巖松動圈理論計算結(jié)果,得出交岔點(diǎn)兩幫圍巖破壞深度為2.226 m,同時結(jié)合頂板錨桿支護(hù)參數(shù),本研究確定幫部錨桿長度為2.4 m,間排距為0.7 m,錨桿直徑為20 mm。

1.4 錨索支護(hù)參數(shù)

鐘九鐵礦大斷面交岔點(diǎn)在錨網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上,為防止交岔點(diǎn)頂板因剪切破壞導(dǎo)致圍巖變形,從而發(fā)生頂板冒頂,需在大斷面交岔點(diǎn)錨網(wǎng)噴支護(hù)后施工預(yù)應(yīng)力錨索。當(dāng)圍巖松動圈不斷發(fā)展,原有的錨網(wǎng)噴支護(hù)無法有效保障巷道的穩(wěn)定性時,將由錨索承擔(dān)圍巖破碎區(qū)域的全部載荷,將松動圈內(nèi)的不穩(wěn)定巖層懸吊在圍巖穩(wěn)固區(qū)域,保障大斷面交岔點(diǎn)永久砌碹之前臨時支護(hù)的穩(wěn)定性。錨索的支護(hù)參數(shù)由多種因素確定,主要為頂板圍巖潛在冒落拱的厚度。

頂部圍巖潛在冒落區(qū)域的總體載荷計算公式為

式中,γ為冒落拱內(nèi)圍巖容重,25.1 kN/m3;b為巷道寬度,9.76 m;D索為錨索排距,1.4 m;H為潛在冒落拱厚度,2.1 m。

經(jīng)計算,Q=720.23 kN。

錨索材料采用?17.8 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作,其設(shè)計承載力為330 kN。每排錨索需用數(shù)量的計算公式為

式中,n為每排錨索數(shù)量,根;k為安全系數(shù),2;Q1為每根錨索的設(shè)計承載力,330 kN。經(jīng)計算,n=4.37,即每排錨索布置5根。

根據(jù)懸吊理論,預(yù)應(yīng)力錨索總長度L可進(jìn)行如下計算

式中,L1為錨索的錨固段長度,m;K為安全系數(shù),1.2;Q'為錨索的設(shè)計荷載,330 kN;τa為樹脂與鋼絞線的黏結(jié)力,6.0 MPa;da為預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑,17.8 mm;L'為錨索的有效長度,4.7 m;L2為錨索的外露長度,150 mm。

經(jīng)計算,L=6.3m,故本研究確定的錨索總長度為6.3 m。

綜上所述,鐘九鐵礦-550 m水平6#大斷面交岔點(diǎn)采用錨網(wǎng)噴+錨索的臨時支護(hù)方式,根據(jù)理論計算與現(xiàn)場施工經(jīng)驗,交岔點(diǎn)臨時支護(hù)參數(shù)取值為:①頂板、幫部錨桿,選取錨桿長度為2 400 mm,桿體直徑為20 mm的高性能螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為700 mm×700 mm;② 錨桿托盤,選取高強(qiáng)度拱形托盤,規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm(長×寬×高);③ 網(wǎng)片,選取?6 mm螺紋鋼焊接,網(wǎng)片規(guī)格為2 100 mm×1 050 mm,網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm,網(wǎng)片搭接長度為100 mm;④ 錨索,選取?17.8 mm×6 300 mm的礦用錨索,采用“6—5—6”布置形式,間排距分別為1 500 mm(2 000 mm)×1 400 mm;⑤ 錨索托盤,采用拱形高強(qiáng)度托盤,規(guī)格為300 mm×300 mm×16mm;⑥混凝土,選取強(qiáng)度等級為C20的混凝土,噴射厚度為100 mm。

2 數(shù)值模擬分析

本研究采用FLAC3D軟件對6#交岔點(diǎn)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬驗證。為盡可能精確反映研究區(qū)域的幾何信息,采用基于Auto CAD和Rhino過度平臺的方法建立復(fù)雜的三維地質(zhì)模型,而后導(dǎo)入FLAC3D軟件中用于數(shù)值模擬分析[7-8]。首先建立6#交岔點(diǎn)的三維模型(圖1),并建立50 m×50 m×50 m的計算模型。計算模型底部為固定支撐,四周限定法向速度,頂部依據(jù)埋深設(shè)置應(yīng)力邊界為15.0 MPa。分別模擬無支護(hù)和錨桿支護(hù)條件,分析研究范圍的力學(xué)響應(yīng)。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2至圖4所示。

圖1 交叉點(diǎn)三維數(shù)值模型Fig.1 3D numerical model of intersection

通過分析豎向位移特征(圖2)可知,對設(shè)計的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬后,發(fā)現(xiàn)其大大降低了巷道的頂板位移,使其變形量處于可接受的范圍之內(nèi);分析最大主應(yīng)力分布規(guī)律(圖3)可知:就開挖的每一階段而言,未支護(hù)與進(jìn)行錨桿支護(hù)相比,其最大主應(yīng)力要大得多,說明錨桿支護(hù)可有效減小其受到的最大主應(yīng)力;分析錨桿軸向受力情況(圖4)可知:在巷道頂板及拱肩處的錨桿受力較大,同時交岔點(diǎn)彎折處錨桿的軸向受力與其他部位的錨桿軸向受力相比也較大,可根據(jù)后期監(jiān)測結(jié)果對該部位進(jìn)行相應(yīng)地補(bǔ)強(qiáng)。

圖2 豎向位移云圖Fig.2 Nephogram of vertical displacement

圖3 最大主應(yīng)力云圖Fig.3 Nephogram of maximum principal stress

圖4 錨桿軸向受力云圖Fig.4 Nephogram of axial force of bolt

綜上所述,鐘九鐵礦-550 m水平大斷面6#交岔點(diǎn)在錨網(wǎng)噴支護(hù)后有效保證了巷道的穩(wěn)定性,但在斷面變化區(qū)域錨桿軸向受力較大,后期易發(fā)生巷道變形。根據(jù)離層監(jiān)測數(shù)據(jù),本研究及時在錨網(wǎng)噴的基礎(chǔ)上進(jìn)行了注漿加固。

3 深淺孔—高低壓耦合加固注漿技術(shù)

針對鐘九鐵礦-550 m水平6#大斷面交岔點(diǎn),本研究采用獨(dú)特的深淺孔—高低壓耦合注漿[9-10]加固方法進(jìn)行處理。根據(jù)頂板離層監(jiān)測情況,在錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上,保障大斷面交岔點(diǎn)巷道穩(wěn)定性,將松動圈范圍內(nèi)的破碎圍巖膠結(jié)密實,利用預(yù)應(yīng)力錨索將支護(hù)區(qū)域的圍巖形成一個整體。具體施工步驟為:① 利用淺孔—低壓注漿將破碎圍巖內(nèi)的裂隙充填密實,使巷道周邊圍巖具有一定的抗壓能力,提高深部圍巖漿液的可注性;② 采用深孔—高壓注漿將巷道頂板上部的破碎圍巖與穩(wěn)固巖層形成整體結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高支護(hù)體系的穩(wěn)固性。

3.1 全斷面淺孔—低壓注漿加固

根據(jù)鐘九鐵礦-550 m水平6#交岔點(diǎn)的設(shè)計斷面,在交岔點(diǎn)的頂板與幫部施工注漿孔,安裝、加固孔口管,首先采用淺孔—低壓注漿方式對巷道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固,提高破碎圍巖強(qiáng)度,為下一步實施深孔—高壓注漿提供條件。淺孔—低壓注漿孔規(guī)格為?42 mm×2 500mm,注漿孔間排距為1 500mm×1 400 mm,注漿管采用?38 mm鋼管,規(guī)格為?38 mm×500 mm。淺孔—低壓注漿孔口管構(gòu)造如圖5所示,全斷面淺孔—低壓注漿孔的布置方式如圖6所示。

圖5 注漿管及止?jié){塞剖面示意(單位:mm)Fig.5 Schematic of the profile of grouting pipe and stop-grouting p lug

圖6 低壓—淺孔注漿孔布置(單位:mm)Fig.6 Layout of the low pressure-shallow hole grouting holes

為避免低壓注漿時巷道發(fā)生漏漿現(xiàn)象,保障注漿效果,在淺孔—低壓注漿之前需對巷道周邊進(jìn)行混凝土素噴,噴混凝土強(qiáng)度等級為C20,配合比1∶2∶2,選用優(yōu)質(zhì)高效的液體速凝劑(濃度為3%～5%),噴射厚度約50mm,保證注漿管孔口外露長度不少于30mm。

低壓注漿材料主要采用水泥單液漿,水泥使用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比控制為0.8～1.0。如在注漿過程中發(fā)生漏漿、跑漿現(xiàn)象,可用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行封堵,水玻璃參數(shù)為:模數(shù)2.8～3.2,波美度為38～40,雙液漿體積比為1∶1～1∶0.5。 低壓注漿結(jié)實率不小于92%,強(qiáng)度不低于20 MPa,注漿終壓為2.0 MPa。

為保證低壓注漿質(zhì)量和圍巖加固效果,每一孔段注漿都必須呈規(guī)律性上升達(dá)到設(shè)計終壓、設(shè)計注入量后,泵的流量為30 L/min,穩(wěn)定 20～30 min可結(jié)束該孔段注漿。

3.2 全斷面深孔—高壓注漿加固

由于鐘九鐵礦-550 m水平交岔點(diǎn)圍巖揭露過程中無規(guī)則裂隙發(fā)育,巖性為鈉長閃長巖,風(fēng)化程度不一,且遇水易泥化。為保障永久運(yùn)輸巷道的穩(wěn)定性,需在低壓注漿、養(yǎng)護(hù)后,利用同一注漿管進(jìn)行掃孔復(fù)鉆,注漿孔規(guī)格為?28 mm×6 000 mm。通過深孔—高壓注漿將圍巖—水泥漿膠結(jié)體與支護(hù)結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)固的組合拱。在低壓注漿形成的圍巖加固圈下,可以保證高壓注漿下巷道網(wǎng)噴的完整性,高壓注漿既能對淺層圍巖加固圈進(jìn)行復(fù)注,又能提高漿液的擴(kuò)散范圍。全斷面深孔—高壓注漿孔的布置如圖7所示。

圖7 高壓—深孔注漿孔布置(單位:mm)Fig.7 Layout of the high pressure-deep hole grouting holes

深孔—高壓滲透注漿的主要技術(shù)參數(shù)取值為:①注漿材料,滲透注漿材料選用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比控制在0.5～0.6,摻加水泥量0.7%的NF高效減水劑。漿液的結(jié)石率不低于95%,強(qiáng)度不低于30 MPa。②注漿壓力,為避免高壓力注漿造成圍巖破壞,注漿終壓控制在3.5 MPa左右。③注漿孔深,注漿孔規(guī)格為?28 mm×6 000 mm。④ 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),為保證低壓注漿質(zhì)量和圍巖加固效果,每一孔段注漿都必須呈規(guī)律性上升達(dá)到設(shè)計終壓、設(shè)計注入量后,泵的流量為30 L/min,穩(wěn)定20～30 min,可結(jié)束該孔段注漿。

3.3 注漿加固施工工藝

注漿工藝流程如圖8所示,要點(diǎn)如下:

圖8 注漿工藝流程示意Fig.8 Schematic of the grouting technical process

(1)漿液制作。按設(shè)計水灰比制作漿液,注漿材料的質(zhì)量性能須滿足設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)范要求。注漿過程中,可根據(jù)實際情況,及時調(diào)整漿液濃度,以確保注漿效果。

(2)注漿壓力控制。根據(jù)-550 m水平6#交岔點(diǎn)巷道實際注漿情況的變化,及時開、停注漿泵每注1 m3或5 min記錄一次泵壓和泵量,若發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時處理。

(3)孔口管連接。應(yīng)注意觀察巷道周邊注漿情況的變化,若發(fā)現(xiàn)漏漿、堵管等現(xiàn)象應(yīng)及時處理,并掌握好注漿量及控制注漿壓力,及時拆除和清洗注漿閥門。

大斷面6#交岔點(diǎn)在進(jìn)行錨網(wǎng)噴+錨索臨時支護(hù)后,在永久砌碹支護(hù)之前定期觀察圍巖變形情況。如果圍巖變形量有不斷加劇的趨勢,則需要進(jìn)行深淺孔—高低壓耦合注漿加固。采用深淺孔—高低壓耦合注漿的工藝開展巷道圍巖壁后充填注漿,注漿加固可以將受擾動而破裂的圍巖再次膠結(jié)成整體,同時可以提高形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力,以此來保證后期對交岔點(diǎn)進(jìn)行永久砌碹之前的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

針對鐘九鐵礦-550 m水平交岔點(diǎn)斷面大、圍巖破碎的現(xiàn)狀,提出了包含錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)及深淺孔—高低壓耦合注漿加固的巷道圍巖穩(wěn)定性防控耦合技術(shù)方案。利用理論計算及FLAC3D數(shù)值模擬確定了合理的臨時支護(hù)及加固技術(shù)參數(shù),并在實際工程運(yùn)用中取得了理想成效。鐘九鐵礦作為強(qiáng)富水條件下軟破圍巖的典型礦山,此次交岔點(diǎn)支護(hù)及加固技術(shù)的應(yīng)用,為其他大斷面硐室開拓提供了技術(shù)支撐與施工經(jīng)驗。后續(xù)需要引入巷道位移和頂板離層監(jiān)測技術(shù),保障大斷面交岔點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性及開挖巷道的穩(wěn)固性。