王成龍

(內(nèi)蒙古金陶股份有限公司， 內(nèi)蒙古 赤峰 024327)

1 前言

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中如遇到破碎巖體或該巷道需要穿過(guò)大的斷層破碎帶時(shí)，由于巖體極其松軟破碎，極易引起巷道頂板的垮冒，給施工人員帶來(lái)嚴(yán)重的施工隱患。同時(shí)，該類巖體一旦發(fā)生垮落則難于控制，垮落后的空間常常遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)巷道尺寸，難于維護(hù)，特別是當(dāng)破碎帶中含水時(shí)，則更加劇了巖體的破碎程度、施工難度以及增加了施工人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。某礦山3中段29#脈W沿礦脈以含金高嶺土綠泥石蝕變巖型為主，局部含金黃鐵礦石英脈，圍巖為斜長(zhǎng)角閃片麻巖，礦脈及圍巖通過(guò)含水層，掘進(jìn)巷道穩(wěn)固性較差，有一定的破碎性。

2 理論提出

針對(duì)破碎巖體易引發(fā)巷道頂板垮冒的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員開(kāi)展了大量的研究。具有一定代表性的相關(guān)理論主要有以下幾種。20世紀(jì)初的古典壓力理論認(rèn)為，上覆巖層的重量是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力，著名的是以Terzaghi(太沙基)和普氏理論為代表的坍落拱理論[1]；20世紀(jì)50年代，芬納公式和卡斯特納公式將彈塑性力學(xué)作為解決隧道支護(hù)的主要手段[2]； 20世紀(jì)60年代，新奧法施工法已成為地下工程的主要設(shè)計(jì)施工方法之一[3]；20世紀(jì)70—80年代，又有能量支護(hù)理論和圍巖支護(hù)的應(yīng)變控制理論[4]；源于蘇聯(lián)的應(yīng)力控制理論，即圍巖弱化法、卸壓法等；C.Wang等提出了控制隧道使用期穩(wěn)定性的有效理論；Y.Jiang等提出了一種預(yù)測(cè)軟巖隧道塑性區(qū)發(fā)展和松動(dòng)壓力的理論方法，并給出了硐室失穩(wěn)判據(jù)。在現(xiàn)有支護(hù)方法上可分為改善圍巖自身受力和直接對(duì)圍巖提供輔助支護(hù)，改善圍巖自身受力的支護(hù)方法包括：注漿支護(hù)、錨桿支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、金屬網(wǎng)支護(hù)[5]；直接對(duì)圍巖提供輔助支護(hù)包括：超前支護(hù)(常采用超前管棚或小導(dǎo)管)、格柵及鋼拱架支護(hù)、二次襯砌支護(hù)、套拱等復(fù)合拱架聯(lián)合支護(hù)。但是當(dāng)前較成熟的工程技術(shù)遇到極軟破碎巖體，支護(hù)效果不甚理想，特別是有涌水風(fēng)險(xiǎn)的巷道掘進(jìn)時(shí)需要先進(jìn)性探水注漿作業(yè)，然后短掘短支施工效率非常低、成本高。

總結(jié)當(dāng)前技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出含水破碎巖體鉆注一體超前支護(hù)新技術(shù)，該技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用超前鉆孔探水技術(shù)、鉆孔超前注漿技術(shù)、鋼筋支護(hù)技術(shù)，提出“先探再堵，先讓后抗”的含水破碎帶支護(hù)技術(shù)，進(jìn)而解決含水破碎帶的巷道施工及支護(hù)難題。

3 破碎巖體鉆注一體超前支護(hù)方案

3.1 施工工藝

(1)采用YQ-100B潛孔鉆機(jī)進(jìn)行超前探水，鉆機(jī)直徑100mm，深度為20m，孔間距600mm，鉆孔與巷道設(shè)計(jì)輪廓成1°夾角，孔口在巷道設(shè)計(jì)輪廓線外100mm位置。

(2)所有鉆孔施工完畢后，利用鉆桿接高壓風(fēng)進(jìn)行吹孔，避免碎巖堵塞鉆孔。

(3)將提前準(zhǔn)備好的φ14mm螺紋鋼插入鉆孔內(nèi)，每根長(zhǎng)度略短于孔深，鋼筋提前加工好居中位置以保持鋼筋位于孔中心，更好的起到加固作用，然后埋入孔口管并用雙液漿加固。

(4)注漿采用單、雙液漿混合注漿。注漿材科及漿液調(diào)配：選用42.5R的營(yíng)通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為40Be，單液漿采用水∶水泥=1∶1(重量比)，雙液漿采用水泥漿∶水玻璃=1∶0.7(體積比)。為了提高凝固速度時(shí)可選擇雙液漿。注漿施工工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿施工工藝流程

(5)注漿前要確定好各項(xiàng)注漿參數(shù)，檢查管路及機(jī)械狀況。注漿過(guò)程中要防止孔口等位置出現(xiàn)串槳或堵管現(xiàn)象，當(dāng)注漿壓力達(dá)到3.0MPa并持續(xù)5min以上，封堵注漿口并停止注漿。

(6)鉆孔注漿完畢后，養(yǎng)護(hù)1個(gè)班次即可爆破作業(yè)。

方案的工藝示意圖如圖2所示。

圖2 含水破碎若體鉆注一體超前支護(hù)技術(shù)

3.2 掘進(jìn)工藝

1)掏槽型式

常用的淺眼掏槽型式多為垂直楔形掏槽和直眼掏槽，不同種類的掏槽型式其共同特點(diǎn)基本都是利用數(shù)量不等的平行空眼作為首爆裝藥眼的輔助自由面和破碎巖石的膨脹補(bǔ)償空間。因此，在鑿巖時(shí)采用7655型鑿巖機(jī)鉆鑿淺眼炮孔，掏槽孔采用斜孔掏槽，輔助孔為直眼掏槽，打周邊孔時(shí)向下傾斜5°左右，炮孔直徑38～40mm。

2)炮孔數(shù)量及間距

圖3 巷道掏槽及炮孔布置圖

3)炮孔藥量計(jì)算

爆破采用2#巖石乳化炸藥，裝藥系數(shù)為0.3～0.5，掏槽孔深度2 000mm，輔助孔及周邊孔深度1 800mm。掏槽孔爆破后作為圍巖增加臨空面，其爆破效果對(duì)巷道效率、循環(huán)進(jìn)尺都起著決定性的作用，裝藥系數(shù)取0.5，單孔裝藥量為q=0.5×2=1.0kg，6個(gè)掏槽孔共裝藥6.0kg。輔助孔及周邊孔裝藥系數(shù)取0.4(周邊孔7個(gè)頂眼裝藥系數(shù)取0.3)，計(jì)算得出36個(gè)輔助孔及周邊孔累計(jì)裝藥量為(29×0.4×1.8)+(7×0.3×1.8)=24.66kg。綜上，每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺總裝藥量為30.66kg。

4)起爆方式

起爆網(wǎng)絡(luò)選取塑料導(dǎo)爆管雷管的起爆形式，掏槽孔、輔助孔及周邊孔實(shí)行孔內(nèi)毫秒電雷管分段爆破(1～10段)，孔外瞬時(shí)配合接力起爆的形式，起爆順序依次為掏槽孔、輔助孔及周邊孔，以實(shí)現(xiàn)更好的微差控制爆破效果。延時(shí)采用秒延期，接力雷管采用2s延期導(dǎo)爆管雷管，總體延期時(shí)差控制在1～2s。導(dǎo)爆管正向連接，導(dǎo)爆管與起爆網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)要將導(dǎo)爆管腳線拉緊，與起爆網(wǎng)絡(luò)線束的捆扎長(zhǎng)度不得小于15cm，捆扎時(shí)不得打結(jié)或隨意連接。

5)通風(fēng)管理

每班爆破作業(yè)結(jié)束通風(fēng)不小于8h，采用壓入—抽出混合式通風(fēng)方式，通風(fēng)示意圖如圖4所示。壓入式風(fēng)機(jī)安裝距離應(yīng)至少大于掘進(jìn)工作面50m處，向掘進(jìn)面吹入新鮮風(fēng)流，主巷道與掘進(jìn)面岔口處安裝抽出式風(fēng)機(jī)，需要注意的是壓入式風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒與抽出式風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒抽入口的距離要大于15m，避免形成循環(huán)風(fēng)流，同時(shí)要做好風(fēng)機(jī)爆破時(shí)保護(hù)及日常防水等工作。

圖4 混合式通風(fēng)示意圖

6)出渣后處理工作

通風(fēng)檢撬工作結(jié)束后，用裝巖機(jī)進(jìn)行出渣作業(yè)。出渣結(jié)束后，如鋼筋有外露，均采用穿帶固定于頂幫巖體上，穿帶與鋼筋?yuàn)A角要求不小于60°，并將鋼筋與穿帶接觸點(diǎn)焊接固定。頂幫鋼筋未出現(xiàn)外露情況時(shí)，采用普通錨桿、穿帶、金屬網(wǎng)等支護(hù)方式即可。

3.3 基于FLAC 3D數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

采用FLAC 3D對(duì)已支護(hù)的破碎巖體巷道進(jìn)行穩(wěn)定性分析，基于FLAC3D能夠模擬計(jì)算三維巖土體工程結(jié)構(gòu)的受力與變形特性，開(kāi)展數(shù)值模擬研究，主要對(duì)比破碎巖體條件下無(wú)支護(hù)方案與鉆注一體超前支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的影響，模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 破碎巖體無(wú)支護(hù)與鉆注一體超前支護(hù)數(shù)值對(duì)比

通過(guò)上表可以看出，巷道開(kāi)挖后，頂板及兩幫圍巖發(fā)生松動(dòng)。在無(wú)支護(hù)條件下，其圍巖最大主應(yīng)力為33.4MPa，最小主應(yīng)力為0.163MPa，最大豎向位移為6.38cm；采用鉆注一體超前支護(hù)技術(shù)后，圍巖最大主應(yīng)力下降至32.2MPa，最小主應(yīng)力下降至0.143MPa，最大豎向位移下降至5.35cm，有效的提高了巷道的穩(wěn)定性，在破碎巖體內(nèi)形成了一個(gè)穩(wěn)定的人工假頂。

3.4 應(yīng)用效果

2017年7月至2018年7月在某金礦3中段應(yīng)用此技術(shù)共掘進(jìn)含水破碎巷道280m，用14號(hào)螺紋鋼筋共3 630kg(3 000m，1.21kg/m)，材料價(jià)格3 050元/t(參考當(dāng)?shù)?018年第一季度市場(chǎng)價(jià)格)，鋼筋費(fèi)用共1.11萬(wàn)元；注漿(單液漿)70m3，注漿(雙液漿)20m3，單液漿720元/m3，雙液漿1 809元/m3，注漿費(fèi)用共8.66萬(wàn)元，合計(jì)費(fèi)用9.77萬(wàn)元。

節(jié)省鋼支護(hù)費(fèi)用：如采用U型鋼支護(hù)，按間距1架米，共節(jié)省鋼支架280架，單價(jià)為2 000元/架，合計(jì)鋼支架費(fèi)用56.00萬(wàn)元，合計(jì)節(jié)省支護(hù)費(fèi)用46.23萬(wàn)元。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，利用超前探水孔配螺紋鋼筋兼顧了超前探水與超前支護(hù)作用；鉆注一體超前支護(hù)技術(shù)較之前常規(guī)預(yù)注漿工藝在工期上一致，待掘進(jìn)巷道形預(yù)制人工鋼筋混凝土假頂，避免了巷道揭露后二次鋼支架維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了巷道更安全、高效、低成本施工；掘進(jìn)過(guò)程中，優(yōu)化爆破技術(shù)，減小爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的破壞，增加圍巖的穩(wěn)固性，使得巷道實(shí)際掘進(jìn)斷面規(guī)格與設(shè)計(jì)相符合，在破碎巖體中控制了超欠挖現(xiàn)象；開(kāi)展數(shù)值模擬研究對(duì)比分析巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的變化優(yōu)勢(shì)，理論分析新工藝巷道穩(wěn)定性；對(duì)比傳統(tǒng)支護(hù)方式，進(jìn)一步降低支護(hù)成本，無(wú)論安全效果還是經(jīng)濟(jì)效益均優(yōu)于傳統(tǒng)支護(hù)技術(shù)。