破碎巖層硐室連接處帷幕注漿—長錨索聯(lián)合支護技術(shù)

董亞寧 李國平 孫茂貴 殷登才

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

鐘九鐵礦隸屬于安徽馬鋼礦業(yè)資源集團姑山礦業(yè)有限公司,其二期建設(shè)工程是復(fù)雜地層中的一項典型工程。 礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,礦床頂、底板是以姑山組和周沖村組為主,礦區(qū)圍巖主要由Ⅳ類基巖組成,巖體完整性較差,巖石硬度系數(shù)為2～9,為軟弱巖組。 目前,該礦工程副井正在施工井下開拓工程,其中-550 m 水平4#與6#交岔點、中央變電所及水泵房硐室已完成初步施工。 在變電所施工過程中,揭露的圍巖相對較穩(wěn)定,加之修復(fù)及時,整體未發(fā)生大面積的噴混凝土開裂現(xiàn)象。 然而在2022 年8 月2 日水泵房1.2～2.7 m 掘進過程中頂板及右肩部發(fā)生巖層冒落,采取了噴漿封閉冒落區(qū)、錨網(wǎng)索噴支護等措施,對冒落區(qū)圍巖進行了注漿加固;9 月19 日,水泵房27 m左肩處在錨索鉆孔施工過程中發(fā)生涌水,涌水量達4.2 m3/h,對23～27 m 處頂板圍巖進行了注漿加固及封水施工;9 月27 日,29 m 處掘進過程中左側(cè)頂板再度出水,涌水量達到7.5 m3/h,造成頂板局部冒落范圍達3 200 mm×1 000 mm×1 200 mm(長×寬×高),噴混凝土封閉后,對冒落段進行錨網(wǎng)索支護,并對該區(qū)域頂板進行注漿封堵及導(dǎo)水處理。 目前,水泵房上部及第1 次拉底施工結(jié)束,平均高度為5.2 m;前0～20 m 完成第2 次拉底,平均高度為7.5 m。 由于水泵房斷面跨度大且圍巖破碎,加之周邊水倉爆破擾動,導(dǎo)致-550 m 水平中央變電所與水泵房連接處的頂幫圍巖出現(xiàn)不同程度的開裂、變形、沉降,甚至有冒落的風(fēng)險。 針對上述問題,本研究結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)理論分析,充分融合帷幕注漿與錨索支護技術(shù)優(yōu)勢,提出了帷幕注漿—長錨索聯(lián)合支護技術(shù),通過設(shè)計詳細的技術(shù)方案,并進行數(shù)值建模耦合分析,驗證其科學(xué)性和有效性。

1 支護與加固總體思路

針對-550 m 水平中央變電所與水泵房連接處的工程特點,提出采用帷幕注漿—長錨索聯(lián)合支護與加固技術(shù),如圖1 所示。 方案總體思路為:① 在中央變電所及水泵房連接斜坡處前后5 m 范圍內(nèi)進行頂幫圍巖的壁后注漿加固,作為后續(xù)帷幕注漿的止?jié){墊。② 在中央變電所及水泵房連接區(qū)域的中間位置設(shè)置木垛防止施工作業(yè)過程中發(fā)生頂板冒落;③ 在中央變電所臨近連接處5 m 處的硐室內(nèi)設(shè)置注漿孔,以一定的角度施工鉆孔,通過帷幕注漿加固連接處15 m范圍內(nèi)的頂幫圍巖,以提高其整體性與承載能力。④ 對中央變電所與水泵房連接處15 m 及其前后5 m范圍內(nèi)施加加強錨索補強,再對其進行擴刷。 ⑤ 加固完連接處之后,再對中央變電所和水泵房頂幫圍巖均進行深淺孔—高低壓耦合注漿加固。 對于尚未拉底的區(qū)域,待漿液凝固形成整體結(jié)構(gòu)后,再對其底板進行拉底處理,然后對拉底區(qū)域進行錨網(wǎng)噴與注漿加固。 ⑥ 經(jīng)過一段時間(20～30 d)后,如果中央變電所和水泵房硐室圍巖變形較小且趨于穩(wěn)定,則進行全斷面錨網(wǎng)噴加強支護,并砌筑底板設(shè)備基礎(chǔ);如果中央變電所和水泵房變形較大、穩(wěn)定性較弱,則進行全斷面鋼筋混凝土砌碹(包含底板設(shè)備基礎(chǔ))加強支護,確保硐室圍巖長期穩(wěn)定。

圖1 中央變電所及水泵房連接斜坡處加固方案示意(單位:mm)Fig.1 Schematic of the reinforcement scheme of the central substation and the connecting slope of the pump room

2 技術(shù)方案與參數(shù)設(shè)計

2.1 連接處前后5 m 范圍壁后注漿加固

根據(jù)變電所與水泵房硐室斷面實際情況,在巷道幫部和頂部打孔,安裝注漿管,并進行噴漿封閉;而后采取全斷面壁后注漿方式對硐室頂幫圍巖進行加固,從而形成對圍巖與原錨桿和錨索支護的再加固,提高錨固結(jié)構(gòu)的可靠性。 注漿孔間排距為1 500 mm×1 400 mm。 注漿管使用?38 mm 鋼管制作,規(guī)格為?38 mm×500 mm,采用風(fēng)鉆打眼,孔徑?45 mm,孔深5 000 mm。 注漿管構(gòu)造如圖2 所示,全斷面注漿孔布置如圖3 所示。

圖2 注漿管及止?jié){塞剖面示意(單位:mm)Fig.2 Schematic of the profile of grouting tube and stopper

圖3 連接處前后5 m 全斷面注漿孔布置(單位:mm)Fig.3 Layout of 5 m full section grouting holes before and after the joint

噴射混凝土強度等級為C20,配合比為1 ∶2 ∶2,摻3%～5%速凝劑,厚度約30 mm,保證注漿管孔口外露長度不少于30 mm,以便于后期進行注漿加固[1-3]。

注漿采用單液水泥—水玻璃漿液,水泥使用42.5 級普通硅酸鹽水泥,水灰比控制在0.8～1.0,水玻璃摻量為水泥用量的3%～5%。 漿液結(jié)石率不低于92%,漿液固結(jié)體強度不低于20 MPa,注漿壓力控制在2.0 MPa 以內(nèi),保證噴層不發(fā)生開裂[1-3]。

2.2 連接處15 m 范圍帷幕注漿加固

為了對中央變電所及水泵房連接斜坡處的頂幫圍巖與支護結(jié)構(gòu)進行修復(fù)式加固,使其產(chǎn)生的裂隙及空洞得到有效充填,從而使連接處的頂幫圍巖和支護結(jié)構(gòu)形成一個加固帷幕體,并為下一步進行加長預(yù)應(yīng)力錨索加固提供施工條件,有必要在中央變電所端對連接處開展帷幕注漿加固[4-6]。

注漿鉆孔前端安裝2.0～3.0 m 長孔口管,孔口管安裝段鉆孔直徑為130 mm,孔口管采用?108 mm的無縫鋼管制作,后期同時作為注漿管使用,注漿時外接?108 mm 變?32 mm 的變徑管;孔口管的管尾位置設(shè)置兩道止?jié){墊片,下管時用麻絲、棉紗纏緊。注漿鉆孔及復(fù)孔延伸時直徑為89.0 mm。 固管止?jié){通過注雙液漿反向擴散來實現(xiàn)。 為保證注漿效果,宜將孔口管制作成花管,孔口管孔口300～500 mm 為實心管、端頭1 500～1 700 mm 為帶孔花管(孔口管設(shè)若干溢漿孔,孔徑為?8 mm,孔距為0.5 m,按梅花形排列)。 注漿管細部構(gòu)造如圖4 所示。

圖4 注漿管及止?jié){塞剖面示意(單位:mm)Fig.4 Schematic of the profile of grouting tube and stopper

沿孔口管掃孔,第1 組淺孔距離連接處2 m 左右,深度控制在11. 0 m 左右,切向輪廓線傾角約45°,從而保證孔底落在距離連接處頂板5 m 左右。逐孔注漿加固后,開展第2 組深孔施工。 第2 組深孔距離連接處1 m 左右,孔深約17.0 m,切向輪廓線傾角約30°,確?？椎茁湓诰嚯x連接處頂板5 m 左右,如圖5 所示。

圖5 中央變電所—水泵房連接處帷幕注漿布孔(單位:mm)Fig.5 Layout of the curtain grouting holes at central substation-water pump room connection

注漿過程中的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計為:滲透注漿材料以高滲透性、高強度的水泥漿液為主,可采用42.5級普通硅酸鹽水泥,根據(jù)現(xiàn)場情況盡量將水灰比設(shè)定為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%,強度不低于30 MPa。 為避免高壓注漿造成圍巖破壞,施工時注漿壓力宜控制在5.0～8.0 MPa,橫向加固范圍可以控制在5.0 m 左右[1-2]。

2.3 連接處15 m 范圍長錨索加強支護與擴刷

本研究采用?18.9 mm×12 000 mm 端錨式錨索對變電所與水泵房連接處15 m 范圍內(nèi)進行預(yù)應(yīng)力錨索加強支護,孔徑為?28 mm,間排距為1 500 mm×1 500 mm;采用1 卷快速2350 型和2 卷中速2350 型樹脂藥卷加長錨固;錨索極限承載力為353 kN,設(shè)計錨固力為280 kN,張拉預(yù)應(yīng)力為設(shè)計錨固力的20%左右,為后續(xù)錨索變形留有充足的空間;用高球形托盤(300 mm×300 mm×15 mm(長×寬×高)和專用錨具與設(shè)備進行張拉、固定和切割,尾部配高強度錨具,如圖6 所示。

圖6 中央變電所—水泵房連接處錨索布置(單位:mm)Fig.6 Layout of anchor cables at the junction of central substation and water pump house

錨索支護完成后,需要對硐室連接處的圍巖進行擴刷施工,直至達到設(shè)計斷面尺寸。 擴刷過程中需及時清理外露錨索,并利用加長錨索及時進行二次預(yù)應(yīng)力錨固,結(jié)合錨噴支護實現(xiàn)對圍巖的有效控制。

3 數(shù)值模擬驗證

3.1 超前帷幕注漿效果

基于多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics,以實際工程尺度構(gòu)建多孔介質(zhì)注漿模型。 由于超前帷幕注漿孔在巖體中是以一定的傾角和切向角進行施工的,是一群空間直線,因此在基體內(nèi)的注漿作業(yè)選擇三維模型進行分析。 本研究建立尺寸為50 m×50 m×50 m 的三維多孔介質(zhì)模型,按照設(shè)計的鉆孔布置進行注漿孔建模。 共建立了超前注漿孔31個,設(shè)計孔徑10 cm,并達到設(shè)計孔深,如圖7(a)所示。 模型采用了自由三角形網(wǎng)格劃分,共劃分成101 996 個單元,平均單元質(zhì)量達0.66,網(wǎng)格單元質(zhì)量合格,如圖7(b)所示。

圖7 數(shù)值模型Fig.7 Numerical model

根據(jù)技術(shù)方案設(shè)計,首先對一序孔進行注漿模擬,如圖8(a)所示。 由漿液擴散范圍可以看出,一序孔注漿主要在連接處淺部形成了加固帷幕,能夠保證工作面后續(xù)注漿作業(yè)安全穩(wěn)定。 然后進行二序孔注漿模擬,如圖8(b)所示。 二序孔注漿與一序孔注漿的帷幕相互結(jié)合,在連接處頂板及兩幫形成了大范圍的加固帷幕,極大地改善了連接處的圍巖性質(zhì),為后續(xù)長錨索支護施工奠定了基礎(chǔ)[7-13]。

圖8 漿液擴散示意Fig.8 Schematic of slurry diffusion

3.2 整體支護效果

本研究采用有限差分軟件FLAC3D[13-15]模擬分析不同回采階段中錨桿(索)支護下的采礦進路圍巖變形、應(yīng)力以及塑性區(qū)演化規(guī)律。 模型四周限制法向位移,底部固定,頂部根據(jù)工作面埋深施加邊界荷載,利用Cable 單元模擬長錨索,分別模擬了支護前后連接處的圍巖響應(yīng)[11-12]。 數(shù)值計算模型如圖9 所示,中央變電所與水泵房連接處的豎直位移云圖、最大主應(yīng)力云圖以及塑性區(qū)云圖如圖10 所示。

圖9 數(shù)值計算模型Fig.9 Numerical calculation models

由圖9 和圖10 可知:未進行支護的圍巖豎向位移、最大主應(yīng)力以及塑性區(qū)范圍較大;而進行支護后,豎向位移、最大主應(yīng)力減小,塑性區(qū)范圍也大幅減小,施工條件得到了明顯改善,說明長錨索發(fā)揮了有效的作用。

4 結(jié) 語

為有效解決安徽鐘九鐵礦-550 m 水平中央變電所與水泵房連接處的圍巖破碎與頂板冒落問題,提出了帷幕注漿—長錨索聯(lián)合支護技術(shù)。 對支護技術(shù)方案及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)取值進行了合理設(shè)計,并采用數(shù)值模擬耦合分析技術(shù),論證了所提技術(shù)方案的有效性與科學(xué)性,對于類似礦山圍巖支護加固有較好的借鑒意義。