水平旋噴施工技術(shù)在礦山地質(zhì)工程中的應(yīng)用

張 川,馬慶亮,賈 沖

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200)

1 前言

在礦山地質(zhì)工程建設(shè)中,防護措施不完善,不但會延長施工周期、加大經(jīng)濟損失,嚴重的則會危及施工安全和運營安全。而水平旋噴施工技術(shù)是在傳統(tǒng)旋噴技術(shù)的基礎(chǔ)上,近年來快速發(fā)展起來的一項新興的地層加固施工技術(shù),不僅可以提高不同地質(zhì)的地層強度和圍巖的堅固程度,還可以保證快速地質(zhì)工程在施工安全的前提下高效、順利地如期達到施工目標(biāo)[1]。為克服在黏性土與砂土富集的地層圍巖中進行礦山地質(zhì)工程施工存在安全性與技術(shù)性的難題,本文將水平旋噴施工技術(shù)應(yīng)用到礦山地質(zhì)工程建設(shè)中,對礦區(qū)內(nèi)的黏性土與砂土軟弱地層進行超前預(yù)支護加固,水平旋噴生成的固結(jié)體不僅可以提高樁體作為圍巖的強度,而且經(jīng)檢驗證明,水平旋噴加固效果表達良好,成功解決了快速地質(zhì)工程施工中的難題,該方法具有一定的使用價值與應(yīng)用前景。

2 工程概況

某鐵礦于1972年建成投產(chǎn),東西長5 km,南北寬2 km,以第15 勘探線為界線將整個礦山劃分為南北兩區(qū),南起28 勘探線,北至59 勘探線,全長3 km。南區(qū)是指第15 勘探線到第28 勘探線之間的礦區(qū)范圍,全長大約1.2 km。該礦山工程的地質(zhì)勘查網(wǎng)度為55 m × 60 m,生產(chǎn)勘查網(wǎng)度為30 m ×(35～45)m。在南區(qū)東翼主要以無底柱分段崩落方式進行開采,南區(qū)西翼主要采用鐵礦塊自然崩落法。無底柱分段崩落法已經(jīng)在-250 m 處垂直回采出礦,-285 m 垂直采準(zhǔn)已經(jīng)準(zhǔn)備完畢[2]。北區(qū)礦體賦存在標(biāo)高-293～518 m,呈南北偏北,傾角約為45°,向南西傾斜,礦體平均厚度近70 m,最大平均厚度近190 m,最小平均厚度為15 m;南區(qū)礦體賦存在標(biāo)高-600～800 m,呈東南偏南走向,共長1.3 km,傾角約為40°,向東北傾斜,礦體平均厚度近90 m。

該鐵礦南北兩區(qū)均已經(jīng)開始建設(shè),南區(qū)設(shè)計階段標(biāo)高為160 m,主要運輸水平為-460 m 水平,-340 m水平為輔助段,兼作為北區(qū)第一進風(fēng)井口,-325 m 水平為專用回風(fēng)水平,與北風(fēng)井直接相連。在-250～-340 m 水平之間建設(shè)一組開采坡道,以便于上下通行無軌設(shè)備。采礦區(qū)沿穿脈方向為80 m,巖溜井間距采礦區(qū)為400 m,采場結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整為18.7 m×20 m。

本文以某鐵礦為研究對象,設(shè)計基于水平旋噴施工技術(shù)的礦山地質(zhì)工程建設(shè)方法。由于礦區(qū)規(guī)模龐大,采集整個礦區(qū)的所有地質(zhì)數(shù)據(jù)比較有難度,因此,結(jié)合礦山目前實際開采情況,以南區(qū)-300～-400 m水平的全部地質(zhì)資料以及生產(chǎn)設(shè)計資料為參照,在該工程區(qū)域應(yīng)用水平旋噴施工技術(shù),對礦山地質(zhì)圍巖進行超前預(yù)加固,提高礦山地質(zhì)工程的整體穩(wěn)定性,順利完成施工任務(wù)。

3 基于水平旋噴施工技術(shù)的礦山地質(zhì)工程建設(shè)方法

3.1 設(shè)計水平旋噴樁

若想將水平旋噴施工技術(shù)成功應(yīng)用到礦山地質(zhì)工程建設(shè)中,首先需要確定水平旋噴樁的各項技術(shù)參數(shù),其中包括樁體孔距、樁體外插角、樁體長度以及直徑,并布置樁位[3]?；谶@些技術(shù)參數(shù)設(shè)計適用于該工程建設(shè)的水平旋噴技術(shù)。

1) 計算水平旋噴樁樁體孔距

樁體布孔孔距與旋噴樁固結(jié)體的交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 樁體布孔孔距與旋噴樁固結(jié)體交聯(lián)圖

計算樁體布孔孔距(e)為

式中,e表示布孔孔距,單位為米;R表示旋噴樁的交圈半徑,單位為米;L表示旋噴樁孔位長度,單位為米。

通常情況下,水平旋噴樁在礦山地質(zhì)中的交圈半徑為0.5～1.0 m,根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況和安全儲備,取R=0.25 m、L=0.3 m,根據(jù)式(1)可計算出樁體布孔孔距為0.4 m。在礦山地質(zhì)工程建設(shè)過程中,30 cm 厚的“C30 噴射混凝土+鋼筋”防護可以承受荷載土的靜止土壓力,在回填注漿初期,旋噴樁形成的固結(jié)體會出現(xiàn)不同程度的形變,在24 h 內(nèi)位移最大變化量可達到5 cm,相對應(yīng)噴混凝土表面會出現(xiàn)不同程度的裂痕;注漿回填完畢后,前期旋噴樁支護變形明顯變小,并逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)[4]。因此,本文選取“40 cm 厚的旋噴樁樁體+超前注漿小導(dǎo)管”聯(lián)合加固支護,其在礦山地質(zhì)圍巖開挖支護的過程中完全可以承擔(dān)覆蓋層的靜止土壓力。

2) 計算旋噴樁外插角(仰角)

調(diào)整DK355 +494～ DK355 +517 旋噴樁中段長h=23 m,調(diào)整DK355 +494 處受到前期加固支護、旋噴機鉆頭速度與動力等因素的影響,旋噴樁的樁心距離支護內(nèi)輪廓線為15 cm,至調(diào)整～DK355 +517 時旋噴樁下輪廓線剛好與前期支護外邊緣線相碰觸,則基于這一要求,樁體的外插角計算公式為

式中,a表示樁心位置到前期加固支護內(nèi)邊緣線的距離(cm);b表示鉆機臂長,取27 cm;h表示旋噴樁最大工作高度,取23 m[5]。將以上數(shù)據(jù)代入式(2)中可得到旋噴樁的外插角度數(shù)為θ=10.35°。

3) 計算旋噴樁長度

旋噴樁的長度是在旋噴樁外插角的基礎(chǔ)上求得的,計算公式為

將h=23 m,θ=10.35°代入上式中,得到旋噴樁的長度為23.38 m。

4) 確定樁體直徑

水平旋噴樁沖擊巖層的能力與樁體直徑的大小有關(guān),因此可以根據(jù)礦山土質(zhì)、開采方法來選擇旋噴樁的最佳直徑。旋噴樁直徑設(shè)計見表1。

N表示旋噴樁標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。針對礦山的不同土質(zhì),旋噴樁的直徑有單管法、雙重管法和三重管法三種設(shè)計方法,根據(jù)對施工現(xiàn)場的勘查可知,該礦山南北兩區(qū)的土質(zhì)多以砂土為主,深層礦土為少量黏性土[6],因此根據(jù)現(xiàn)場施工條件并結(jié)合現(xiàn)場試驗得出的數(shù)據(jù)可知,旋噴樁的旋噴方式選擇雙重管法,旋噴樁在黏性土中的貫入擊數(shù)為6～10,在砂土中的貫入擊數(shù)為11～21,所以,對比表1可以確定旋噴樁的樁體直徑為1.0 m。

表1 旋噴樁直徑設(shè)計

5) 布置樁位

根據(jù)上述計算得出的旋噴樁的主要技術(shù)參數(shù),通過現(xiàn)場考察確定支護范圍,可以確定旋噴樁在施工中的位置,具體如圖2所示。

圖2 水平旋噴樁樁位布置圖

根據(jù)水平旋噴樁在礦區(qū)內(nèi)的樁位布置圖可知,改變DK355 +494 旋噴樁的孔位間距為50 cm,交圈半徑為45 cm,咬合寬度為40 cm。

通過計算旋噴樁的樁體孔距、外插角、旋噴樁長度以及確定樁體直徑,獲得旋噴樁的技術(shù)參數(shù),根據(jù)施工要求與施工條件合理布置旋噴樁樁位,使得成樁后對礦區(qū)圍巖的超前加固效果更好,進而降低礦山地質(zhì)工程施工風(fēng)險,也提高了工程的整體質(zhì)量[7]。

3.2 確定施工工藝

本文通過理論分析與現(xiàn)場考察,獲取了旋噴樁超前預(yù)加固施工的設(shè)計參數(shù),并布置好樁位,采用雙漿液雙重管法進行大范圍旋噴,接下來研究旋噴樁的施工工藝。水平旋噴操作必須保持整個過程是連續(xù)的,若在中途中斷,則需要重新噴射施工,因此有必要在施工準(zhǔn)備時制定一個全面、齊全的施工工藝流程,確保旋噴施工技術(shù)的支護效果以及礦山地質(zhì)工程的質(zhì)量。水平旋噴工藝流程如圖3所示。

圖3 水平旋噴機工藝流程

1) 設(shè)止?jié){墻

在封閉掌子面范圍建設(shè)60 mm 厚的“C30 噴射混凝土+鋼筋”止?jié){墻,建設(shè)完畢后,需將止?jié){墻放置48 h,確保止?jié){墻完全凝固且沒有塌陷。參照旋噴樁孔位布置圖,在止?jié){墻上標(biāo)記出旋噴樁的布孔位置。確定旋噴樁的仰角。利用旋噴機鉆頭鉆穿止?jié){墻,將孔口管放入布孔中,向孔內(nèi)注入水泥-水玻璃混合液體,注液壓力控制在0.8 MPa,令液體完全覆蓋孔口管與止?jié){墻之間的間隙。在旋噴前要加固工作面,采用的方法是加網(wǎng)噴混凝土封閉法,目的是防止掌子面在旋噴機噴射過程中由于沖擊力過大而發(fā)生塌陷現(xiàn)象。利用φ20 mm 錨桿,長度為60 cm,錨桿間距為150 cm ×200 cm,布置類型為梅花形。在工作面上下兩端分別設(shè)置兩塊鋼筋網(wǎng)片,規(guī)格統(tǒng)一為φ10 mm。

2) 水平旋噴機就位

在礦山的開采坡道上放置旋噴機,其中鋪設(shè)的導(dǎo)軌選擇型鋼,枕木的尺寸為30 cm×30 cm,同時保證坡道內(nèi)邊緣與掌子面的距離在50 cm 以內(nèi),與礦山中線互相垂直,且頂面要呈水平[8]。將旋噴機沿坡道軌道來回勻速移動幾次,將軌道壓實,便于施工時旋噴機能順利進出工程范圍。在移動過程中利用水平儀校正旋噴機的高程。根據(jù)旋噴樁的孔位位置,利用專用測量尺測量鉆塔的離地高度、仰角以及擺角,使鉆塔的中軸線在外插角的角平分線上,角度誤差允許范圍是±1°。最頂端1 號孔位需要利用經(jīng)緯儀調(diào)整鉆桿的角度。確定旋噴機位置后,要進行旋噴機測量放樣,方法是每個斷面均鉆30 個旋噴孔。

3) 鉆孔

進行鉆孔操作時,先鉆旋噴機頂端的1 號孔,然后每次間隔兩個空位依次向下交替鉆孔。鉆孔的速度與頂推力根據(jù)礦山地層的土質(zhì)進行選擇,該礦山的土質(zhì)以砂土和黏性土為主,因此本工程中選擇的鉆孔速度不低于2 m/min,頂推力不小于5 kN。在鉆孔的同時配合低流量的清水,以防不易分解的雜物流入噴嘴中,導(dǎo)致旋噴機堵塞。搭接鉆桿時,要確定接頭口沒有雜物,并拼接好鉆頭的密封套,輕輕旋轉(zhuǎn)鉆桿,保證接口處連接緊實后方可開始鉆進。

4) 調(diào)制雙漿液

利用高速攪拌機調(diào)制旋噴機雙漿液,注漿原材料選用規(guī)格為P.O42.5 的R(SiO3)n水泥,嚴格遵照配合比的要求進行調(diào)制與攪拌,在本工程中漿液比重為W∶C=(0.8～1)∶1,如有需要,可加入外加劑。在攪拌過程中要一個方向連續(xù)均勻地攪拌,攪拌時間不宜過長或過短,一般在5～8 min 為宜。在出漿口處安裝過濾網(wǎng),以防止出漿口出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

5) 旋噴作業(yè)

在旋噴操作前應(yīng)當(dāng)檢查高壓注漿泵的讀數(shù)是否達到施工要求(45～50 MPa),管內(nèi)有無漏氣現(xiàn)象以及旋噴機噴嘴是否堵塞。檢查結(jié)果均無誤且鉆進到礦山的設(shè)計開挖深度時,開始旋噴操作,在旋噴機管孔口底部將高壓噴漿留置3～5 min,在緩緩向外拉出鉆桿,鉆桿每次拔出0.5 m 時向回拖動0.2 m,與此同時進行高壓噴漿。

為了保證旋噴機的旋噴質(zhì)量,先小范圍旋噴半分鐘,并以15～20 cm/min 的速度后退,在后退時將旋噴轉(zhuǎn)速調(diào)整到35 r/min,旋噴面積達到20 m2時,停止后退,并對旋噴機大頭的回抽速度進行測量校正。在進行旋噴操作時,安排專業(yè)人員時刻觀察高壓注漿泵的泵壓變化,當(dāng)泵壓緩慢下降并趨于穩(wěn)定,同時鉆桿外拔至圍巖與止?jié){墻交界線處時停止旋噴,隔離漿液輸送管道,再徹底拔出鉆桿,便于封孔。

6) 封堵孔口

旋噴完畢后,要以最快速度拆卸旋噴管,在拆卸旋噴管之前要結(jié)束回抽操作,并反復(fù)旋轉(zhuǎn)旋噴端頭直至沒有漿液噴出再將旋噴管拆卸下來,另外,拆卸之后要立即將輸漿管與旋噴樁端口連接,確認恢復(fù)輸漿后反復(fù)旋轉(zhuǎn)旋噴端頭。當(dāng)每個孔口旋噴到距離旋噴樁旋噴端口1 m 時,將鉆頭緩慢推出,并封堵孔口,防止?jié){液滲漏。

7) 鉆具清洗

旋噴結(jié)束后,向裝漿液的容器中灌入大量清水,同時啟動高壓泵,清洗旋噴機所有管道中的漿液,將旋噴機端頭的砂土一并清理干凈,以防堵塞,等到噴嘴噴出清水后證明清洗完畢。

4 施工結(jié)果

經(jīng)過上述施工過程,水平旋噴施工技術(shù)應(yīng)用完成。為了檢驗旋噴樁預(yù)支護加固效果,檢測礦山地質(zhì)工程的穩(wěn)定性狀態(tài),根據(jù)地質(zhì)圍巖性質(zhì)和開采方式等實際情況來驗證樁體的加固效果。在該礦山地質(zhì)工程DK355 +494 測量點地表下降監(jiān)測曲線圖如圖4所示。

圖4 DK355 +494 測量點地表下降監(jiān)測曲線

由圖4可知,礦山在開采后的前3 d 時間里,工程的位移變化量比較大,最大沉降值為0.7 cm。隨著旋噴支護效果的不斷表達,工程的沉降速率在不斷減小,在第15 d 左右,位移變化量也在慢慢趨于穩(wěn)定,在第15 d 之后,工程位移變化量符合位移變化規(guī)律,表明水平旋噴超前預(yù)加固效果表達較好,對加固地層和支護礦山地質(zhì)工程圍巖結(jié)構(gòu)具有良好的效果,可以為礦山地質(zhì)工程創(chuàng)造出一個安全、穩(wěn)定的施工環(huán)境。

5 結(jié)論

水平旋噴預(yù)支護加固施工技術(shù)是常規(guī)旋噴樁注漿技術(shù)的發(fā)展與延伸。實踐證明,利用水平旋噴技術(shù)能夠通過在地層圍巖上鉆孔、大面積噴射雙漿液,在礦山地質(zhì)工程建設(shè)過程中形成一個堅固的固結(jié)體空間,該空間通過擠壓壓實作為巖體,以達到提高固結(jié)體穩(wěn)定性的目標(biāo),進而提高工程建設(shè)的施工安全性。對工程建設(shè)后的監(jiān)測表明,水平旋噴預(yù)支護加固施工技術(shù)是能越過松散不穩(wěn)定土質(zhì)礦山地質(zhì)工程建設(shè)的理想支護加固方法,具有一定的推廣與應(yīng)用價值。