姚高輝，吳愛祥，王洪江，杜子建

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

軟弱破碎巖石巷道由于層理及節(jié)理裂隙發(fā)育，易風(fēng)化剝落，導(dǎo)致其一次支護(hù)困難，甚至是已支護(hù)的巷道短時(shí)間又出現(xiàn)垮塌。針對這類不穩(wěn)定巖石巷道，國內(nèi)主要用于干噴、潮噴或氣動(dòng)錨桿安裝機(jī)打錨桿等進(jìn)行支護(hù)，存在施工環(huán)境差、強(qiáng)度低和進(jìn)度慢等問題。黔西南某金礦采用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行濕噴，并引進(jìn)瑞典Atlas Copco公司生產(chǎn)的雙臂液壓錨桿臺(tái)車，開展高效錨桿安裝。目前國內(nèi)尚沒有與液壓錨桿臺(tái)車相配套的錨桿支護(hù)技術(shù)，并且以往主要采用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)、管縫式錨桿+鋼網(wǎng)+普通噴射混凝土兩種主要支護(hù)方式。由于這兩種支護(hù)方式存在支護(hù)成本偏高、濕噴混凝土支護(hù)強(qiáng)度較低、適用范圍有限等不足，需在濕噴混凝土性能改良、支護(hù)工藝優(yōu)化及支護(hù)參數(shù)確定等方面開展工作。因此，開展高效低成本巷道支護(hù)技術(shù)的研究對解決類似軟弱破碎巷道支護(hù)技術(shù)難題有積極的意義。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)斷裂褶皺構(gòu)造發(fā)育，礦體和圍巖層理及節(jié)理裂隙發(fā)育，礦體和圍巖主要為巖石及黏土巖，受構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓作用，完整性受到破壞，強(qiáng)度降低。易風(fēng)化破碎，巖石單軸抗壓強(qiáng)度普遍小于20 MPa，屬軟弱破碎巖石。根據(jù)已揭露工程情況，井巷工程圍巖易風(fēng)化剝落或垮塌。由于地下礦山處于開拓期，保證各類服務(wù)性巷道的長期穩(wěn)定對今后大范圍采礦至關(guān)重要，因此，對巷道支護(hù)技術(shù)要求高。井下作業(yè)機(jī)械化水平較高，在礦巖穩(wěn)固性較差的情況下，實(shí)現(xiàn)了井巷工程的快速掘進(jìn)和支護(hù)，月進(jìn)尺600 m，單掌子面掘進(jìn)進(jìn)尺100 m。

2 巷道支護(hù)方式分類

礦區(qū)可劃分為三個(gè)工程地質(zhì)巖組，即松散巖組、黏土巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組和黏土巖夾砂巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組。主要由黏土巖夾砂巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組組成，砂巖薄至中厚層，半堅(jiān)硬，抗風(fēng)化性強(qiáng)，但因受構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓作用，完整性受到破壞，強(qiáng)度降低。黏土巖質(zhì)軟強(qiáng)度低，抗水抗風(fēng)化性弱。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，確定現(xiàn)場巖體Q值一般在0.2～15之間，不同區(qū)段巖體Q值變化比較大。其中，Q值在0.2～0.4范圍內(nèi)的局部破碎巖體相對較少，Q值在0.4～4范圍內(nèi)的巖體所占比例較大，此外是Q值大于4的巖體。

按照該礦巷道的用途及運(yùn)行設(shè)備的大小，斷面共分為4類：① 主斜坡道5.5 m×5.5 m；② 沿脈及運(yùn)礦聯(lián)絡(luò)道5.0 m×5.5 m；③ 通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道及穿脈道4.2 m×4.5 m；④ 采礦進(jìn)路5.0 m×5.0 m。通過Barton巖體分級Q值與巷道支護(hù)之間的關(guān)系（圖1），可以確定巷道的加固類型有 （4）、（5）和（6）三種。對于良好巖體 （0.2＜Q＜0.4），混凝土噴層厚度設(shè)計(jì)為25～30 mm；一般巖體 （0.4≤Q＜4），設(shè)計(jì)為50～60 mm；破碎巖體 （Q≥4），設(shè)計(jì)為60～65 mm。考慮到低成本和支護(hù)效果等因素，設(shè)計(jì)巷道兩幫離底板1.5 m以下，噴射厚度全部為25 mm，只起到封閉巖面防止風(fēng)化作用。

圖1 巖體Q值與支護(hù)等級[3]

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論

地下巷道開挖后，巷道圍巖應(yīng)力將發(fā)生顯著變化，巷道周邊徑向應(yīng)力 （σr）為0，圍巖強(qiáng)度明顯下降，圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖將處于彈塑性狀態(tài)。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度之后，巷道周邊被破壞，并逐漸向深部擴(kuò)展，直至在一定深度取得三項(xiàng)應(yīng)力平衡為止。此時(shí)，圍巖已過渡到破碎狀態(tài)，圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶被定義為圍巖松動(dòng)圈。由于松動(dòng)圈大小不同，錨桿的作用也就不同，所以在現(xiàn)場施工中，只要測出圍巖松動(dòng)圈的大小，就可以合理地選擇支護(hù)參數(shù)。按圍巖松動(dòng)圈的大小，可粗略地將圍巖分為三大類：穩(wěn)定巖層（LP＜0.4 m）；中等穩(wěn)定巖層（LP=0.4～1.5m）；不穩(wěn)定巖層 （LP≥1.5m）。LP不同，采用的支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)也不同。[1，2]這樣便可用圍巖松動(dòng)圈大小這個(gè)綜合指標(biāo)，對圍巖的支護(hù)難易程度進(jìn)行分類，其結(jié)果見表1。

表1 部分圍巖松動(dòng)圈支護(hù)分類

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和井下巷道垮冒情況，可以推斷各類巷道松動(dòng)圈大小位于0.4～2.0 m之間，屬于Ⅱ～Ⅳ圍巖，絕大多數(shù)圍巖節(jié)理比較發(fā)育，破碎比較明顯。針對不同級別的圍巖，分別采用懸吊理論和組合拱理論確定支護(hù)參數(shù)[4，5]。

（1）在中等穩(wěn)定圍巖中，按懸吊理論選取錨桿參數(shù)

式中：LP-圍巖松動(dòng)圈尺寸，m；h1-錨入松動(dòng)圈以外巖體的長度，取0.5 m；h2-錨桿的外露長度，取0.1 m。

以主斜坡道為例，對于一般巖體，假設(shè)松動(dòng)圈為最不利時(shí)LP=1.5 m，得L=1.5+0.5+0.1=2.1 m。

錨桿間、排距根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石重量確定，即錨桿懸吊的巖石重量等于錨桿的錨固力。則有：

式中：a-錨桿間距，初選間、排距相等，m；Q-錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kg；γ-圍巖密度，kg/m3；K-安全系數(shù)，一般根據(jù)巷道的重要程度及服務(wù)年限，取K=2～3。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，錨桿布置采用樹脂錨桿，設(shè)計(jì)錨固力為150k N，圍巖密度為2600kg/m3，K值取2，LP=1.5 m。因此，主斜坡道一般巖體錨桿間、排距a=1.4 m。在實(shí)際施工中，確保圍巖穩(wěn)定，在拱部布置6根樹脂錨桿，錨桿長度取2.4 m，間距1.2 m，排距1.6 m。

（2）在不穩(wěn)定巖層中，采用組合理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)

式中：l-錨桿有效長度；△1-錨桿端部壓花長度；△2-錨桿尾部露出巖面的長度。

式中：d-組合拱厚度；α-錨桿對破裂巖體的控制腳，一般為45°，對松散體比較安全。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對于主斜坡道破碎巖體，K值取3，假設(shè)松動(dòng)圈為最不利時(shí)LP=2 m，因此，主斜坡道破碎巖體錨桿間、排距a=0.98 m。由于組合拱厚d=LP-a=1.02 m，可求得錨桿全長L=2+0.50+0.1=2.6 m。

在實(shí)際施工中，為確保圍巖穩(wěn)定，在拱部布置6根樹脂錨桿，錨桿長度取3 m，間距1.2 m，排距0.8 m。

3.3 噴層厚度的確定

噴層厚度采用兩種方法計(jì)算[6]，取較大一種。

（1）按沖切破壞作用計(jì)算

地下巷道多為三心拱巷道斷面，為計(jì)算方便以半圓拱斷面為例。按不利條件 （最大可能的危石），即軸線方向1 m圍巖，從拱基線A、B兩點(diǎn)開始按70°角方向 （拱基線與裂縫交角）交于C點(diǎn)為危巖，來計(jì)算沖切破壞危巖的重量G。如圖2所示。

危巖的周邊長S=πr+2r/cos70°=2472c m

圖2 沖切強(qiáng)度驗(yàn)算

（2）按黏結(jié)破壞作用計(jì)算

式中： [R]—噴射混凝土的抗剪強(qiáng)度，kg/c m2；G—圍巖自重，kg；b—巷道寬度，m；r—半圓拱半徑，m；S—圍巖周邊長度，c m； [Ru]—噴射混凝土計(jì)算的黏結(jié)強(qiáng)度，3kg/c m2；K—巖石彈性拉伸系數(shù)，1×104kg/c m2；E—巖石的彈性模量，4.41×105kg/c m2。

在工程應(yīng)用中，對于主斜坡道，一般巖體拱部噴層厚度設(shè)計(jì)值為65 mm，兩幫為50 mm；破碎巖體拱部噴層厚度設(shè)計(jì)值為65 mm，兩幫為60 mm。

3.4 巷道圍巖穩(wěn)定性分析[7，8]

（1）按懸吊理論計(jì)算巷道圍巖穩(wěn)定性系數(shù)

式中：L0-錨桿設(shè)計(jì)長度，取2.4 m。

（2）按組合拱理論錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)

式中：W—巷道跨度，取5.5 m；L0-錨桿設(shè)計(jì)長度，取3 m。

按 《錨噴規(guī)范》圍巖分類，設(shè)計(jì)圍巖穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)大于1.1，按上述兩種理論計(jì)算得到N值均大于1.1，說明錨噴聯(lián)合支護(hù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)符合圍巖安全穩(wěn)定的要求。

4 噴錨支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)

4.1 濕噴混凝土工藝

（1）主要原材料

水泥：P.O42.5硅酸鹽水泥。為保證濕噴混凝土的質(zhì)量和回彈率，水泥要現(xiàn)拌。

細(xì)骨料：為保證混凝土強(qiáng)度，選擇細(xì)度模數(shù)大于2.5的中粗砂。細(xì)顆粒太少，可以使用較多的水泥予以補(bǔ)償。細(xì)顆粒過多，主要通過加大減水劑的使用量來彌補(bǔ)。

粗骨料：從技術(shù)觀點(diǎn)來說，人們常常期望使用更大粒徑的混凝土。為防止噴射混凝土?xí)r堵管和減少回彈，選用5～10 mm粒徑的機(jī)制碎石，要求連續(xù)粒級，并堅(jiān)硬耐久。[9]

外加劑：外加劑對混凝土拌合物性能起關(guān)鍵作用，施工中經(jīng)過多次比較和試驗(yàn)，最終選用上海華登建材公司生產(chǎn)的星標(biāo)HP400減水劑和星標(biāo)A700速凝劑。

波形聚丙烯纖維：長度一般選擇50 mm增強(qiáng)防裂型，每包1kg。

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，該套系統(tǒng)要求混凝土塌落度為140～160 mm、粗骨料最大粒徑10 mm，噴射效果最佳。目前，礦山使用砂石級配曲線如圖3所示。可以看出，該曲線位于兩條推薦級配曲線之間，合乎施工要求。

圖3 礦山使用的砂石級配曲線

（2）配合比確定

水泥：砂石比例為400∶1724，聚羧酸系列減水劑添加量為水泥摻量的0.75% （3kg）。噴巷道頂板時(shí)，無堿速凝的添加量為水泥摻量的8%（32kg）；噴巷道側(cè)幫時(shí)，無堿速凝劑的添加量為水泥摻量的6% （24kg）。塑料纖維摻量為2kg/m3，如表2所示。

（3）試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所采用的試件是從現(xiàn)場制作的試塊（400 mm×400 mm×100 mm）切割而成的?？箟汉团言嚰叽鐬?（100 mm×100 mm×100 mm），抗彎折試件尺寸為 （100 mm×100 mm×400 mm）。

表2 濕噴塑料纖維混凝土配合比

通過室內(nèi)普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維混凝土的28d抗壓強(qiáng)度基本能達(dá)到30 MPa，而普通混凝土略低些。在其它成份摻量不變的情況下，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度有明顯增加。同時(shí)，現(xiàn)場試驗(yàn)證明，采用聚丙烯纖維混凝土，可以增加一次噴射厚度，減少復(fù)噴量。說明聚丙烯纖維有效提高了混凝土噴層的抗拉、抗裂能力。

（4）工藝流程

采用NORMET噴漿車噴射混凝土，施工流程見圖4。

4.2 樹脂錨桿安裝工藝

（1）樹脂錨桿及托盤

樹脂錨桿直徑不小于φ25 mm，錨桿材料采用HRB335螺紋鋼，長度一般為2.4 m或3.0 m；樹脂錨桿托盤采用Q235鋼或同等強(qiáng)度鋼材，厚度不小于6 mm，托盤尺寸不小于150 mm×150 mm。

圖4 噴射工藝流程圖

（2）樹脂錨固劑

樹脂錨固劑采用φ28 mm×2000 mm快速藥卷1卷 （用于長2.4 m的樹脂錨桿）或采用φ28 mm×2500 mm快速藥卷1卷 （用于長3.0 m的樹脂錨桿）；采用全長錨固方式，樹脂錨固劑放入孔底；樹脂錨固劑存放于井下硐室，避免放置于高溫、曬場所。

（3）安裝工藝

孔深要求：孔徑為φ35 mm。安裝2.4 m樹脂錨桿的孔深為2.35 m，安裝3.0 m樹脂錨桿的孔深為2.95 m，打孔時(shí)在釬桿上做孔深指示標(biāo)記。

鉆孔方向：錨桿孔垂直于巷道表面或者巖體表面。

安裝步驟：將樹脂錨固劑放入孔內(nèi)；將錨桿插入孔內(nèi)，一邊插入一邊攪拌，錨桿裝入孔底后，停留10s左右；臺(tái)車鑿巖機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，把錨桿螺母和錨桿之間的連接銷剪斷，然后把螺母擰緊。

樹脂錨桿外露長度不小于50 mm，但不大于150 mm，托盤壓緊巖面。

（4）錨桿設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量檢驗(yàn)

每根樹脂錨桿設(shè)計(jì)拉拔力為150k N；每300根樹脂錨桿做一組拉拔試驗(yàn)，每組試驗(yàn)錨桿不少于3根。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以主斜坡道為例，以往巷道支護(hù)手段主要采用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)、管縫式錨桿+鋼網(wǎng)+普通混凝土兩種主要支護(hù)方式，通過噴錨支護(hù)技術(shù)的革新和濕噴工藝的現(xiàn)場試驗(yàn)，提出的新支護(hù)方式比以往支護(hù)效果好，并且每米巷道總支護(hù)成本有所下降，如表3所示。采用ZY-20型錨桿拉拔計(jì)，定期對頂部樹脂錨桿和兩幫管縫式錨桿進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，多次抽查結(jié)果表明，錨桿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 新舊支護(hù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析

6 結(jié)語

（1）通過Q值與巷道支護(hù)間的關(guān)系對巷道的加固類型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，對于良好巖體，混凝土噴層厚度設(shè)計(jì)為25～30 mm；一般巖體設(shè)計(jì)為50～60 mm；破碎巖體設(shè)計(jì)為60～65 mm；巷道兩幫離底板1.5 m以下噴射厚度全部為25 mm。

（2）利用圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論對噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得到，主斜坡道一般巖體錨桿間、排距為1.4 m，錨桿全長不小于2.1 m；破碎巖體錨桿間、排距為0.98 m，錨桿全長不小于2.6 m；破碎巖體噴層厚度不低于4.71 mm。針對實(shí)際施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性分析，結(jié)果證明支護(hù)參數(shù)是可行的。

（3）通過工業(yè)性試驗(yàn)研究最終確定了針對軟弱破碎巖石巷道的濕噴混凝土配合比及鑿巖臺(tái)車錨桿安裝工藝，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。