劉允秋 肖益蓋 李同鵬 武 飛 陸玉根 曹 帥李正燦 姜培根 曲發(fā)科

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.中鋼集團(tuán)南京華忻科技有限公司,江蘇 南京 211106;3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;4.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京100083;5.山東黃金礦業(yè)(鑫匯)有限公司,山東 青島 266700;6.福建省政和縣源鑫礦業(yè)有限公司,福建 南平 353600)

目前我國(guó)金屬礦和煤礦的開采深度正以每年8～12 m的速度增加,經(jīng)過持續(xù)開采,淺部礦產(chǎn)資源部分已枯竭,正向全面深部進(jìn)軍。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),金屬礦采深達(dá)到或超過1000 m的礦山有夾皮溝金礦(1 500 m)、紅透山銅礦(1 600 m)、思山嶺鐵礦(1 506 m)、三山島金礦(2 300 m)、鑫匯金礦(1 100 m)、磁西鐵礦(1 350 m)、釜鑫金礦(1 500 m)、程潮鐵礦(1 160 m)、冬瓜山銅金礦(1 100 m)、阿舍勒銅礦(1 242m)、會(huì)澤鉛鋅礦(1 526m)等。地下開采煤礦有采屯礦、趙各莊礦、張小樓礦、冠山礦、孫村礦、門頭溝礦等的開采深度均已超過1 000m。進(jìn)入深部開采以后,硬巖礦山面臨的巖爆問題、破碎圍巖礦山面臨的支護(hù)破壞大變形問題越來(lái)越突出。在超千米深井掘進(jìn)施工過程中,遇極松軟破碎巖體,由于變形工程埋深較大,地應(yīng)力顯現(xiàn)嚴(yán)重,易造成深部井巷工程產(chǎn)生持續(xù)變形破壞[1-5]。近年來(lái),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)黃慶顯[6]、張超[7]、韓志婷[8]、魏建軍[9]、荊升國(guó)[10]、張帆舸[11]、聶軍委[12]、蘇祥坤[13]等,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)李永恩[14]、張輝[15]等,山東科技大學(xué)張學(xué)生[16]、孟慶彬[17]等眾多單位的不少學(xué)者、技術(shù)人員對(duì)深部極松軟破碎巖體變形規(guī)律及其應(yīng)對(duì)技術(shù)措施進(jìn)行了深入研究,成果豐碩,但在非煤礦山的相關(guān)研究與應(yīng)用涉及較少。本研究以山東黃金集團(tuán)鑫匯金礦井下-1 070 m破碎巖體為例,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、巷道變形破壞特征分析、圍巖松動(dòng)圈探測(cè)等進(jìn)行深井高應(yīng)力破碎巖體支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用。

1 研究背景

鑫匯金礦-1 070 m石門巷道位于松軟破碎巖體中,巷道圍巖以綠簾石和大理巖為主,巖石極其松軟破碎,裂隙面較多,裂隙中充填有綠簾石化碎裂巖,局部充填大理巖,分界面不規(guī)則,受風(fēng)化影響非常嚴(yán)重,穩(wěn)定性極差。造成石門巷道的掘進(jìn)與支護(hù)施工難度大、成本高,若支護(hù)設(shè)計(jì)不合理,也在很大程度上增加了安全隱患。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘,目前-1 070 m巷道支護(hù)情況如圖1所示。

圖1 -1 070 m水平原支護(hù)地點(diǎn)Fig.1 Original support site of-1 070 m level

2 圍巖變形破壞特征與巷道支護(hù)現(xiàn)狀

-1 070 m水平巷道巖層受風(fēng)化侵蝕影響嚴(yán)重,爆破開挖后未能及時(shí)支護(hù),圍巖發(fā)生了自然掉落,幾乎無(wú)自穩(wěn)能力,其特征如圖2、圖3所示。

圖2 泥化松散圍巖Fig.2 Argillaceous loose surrounding rock

圖3 工作面揭露的碎塊狀巖層Fig.3 Fragmentary rock stratum exposed in working face

-1 070 m水平巷道變形破壞特征為:①變形量大,兩幫位移量約600 mm、底板臌出量約400 mm;②支護(hù)體破壞失效嚴(yán)重,出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象;③圍巖破裂破壞嚴(yán)重,頂板局部垮坍冒落。巷道變形破壞特征見圖4。

圖4 -1 070 m水平巷道圍巖變形破壞特征Fig.4 Characteristics of surrounding rock deformation and failure of-1 070m roadway

3 圍巖松動(dòng)圈探測(cè)分析

3.1 探地雷達(dá)檢測(cè)

本研究用于圍巖松動(dòng)圈探測(cè)的設(shè)備為瑞典RAMAC探地雷達(dá),選擇500 MHz屏蔽天線(圖5),探測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6解譯分析可知:-1 070 m水平巷道圍巖松動(dòng)圈厚度為右?guī)?.1 m左右,右肩為1.8～2.0 m,左肩為2.0～2.3 m。

圖6 -1 070m水平巷道圍巖松動(dòng)圈雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Fig.6 Radar detection results of loose zone in surrounding rock of 6-1 070 m roadway

3.2 鉆孔探測(cè)

本研究鉆孔探測(cè)設(shè)備采用華泰公司生產(chǎn)的YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀,該套探測(cè)設(shè)備由攝像頭、主機(jī)等組成(圖7)。

圖7 鉆孔攝像測(cè)試圍巖松動(dòng)圈系統(tǒng)Fig.7 Borehole camera testing system for loose zone of surrounding rock

本研究在-1 070 m水平巷道內(nèi)垂直于巷道軸線方向布置了1個(gè)鉆孔進(jìn)行攝影探測(cè),探測(cè)深度為5.0 m,探測(cè)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:0～1 m內(nèi)圍巖非常破碎,圍巖松動(dòng)破裂范圍約2.2 m;其環(huán)向裂縫寬度為10～50 mm,形成較大范圍及規(guī)模的裂隙分布。本次探測(cè)結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果基本一致。

圖8 -1 070 m鉆孔攝像實(shí)拍圖片F(xiàn)ig.8 Actual photoes of-1 070m borehole camera

綜合上述雷達(dá)探測(cè)與鉆探探測(cè)結(jié)果分析可知:-1 070 m巷道圍巖松動(dòng)圈厚度普遍達(dá)到2.0m,屬于松動(dòng)圈較大的范疇;圍巖松動(dòng)圈局部達(dá)到、甚至超過2.5 m,對(duì)巷道穩(wěn)定極為不利。

4 圍巖變形失穩(wěn)分析與支護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.1 圍巖變形失穩(wěn)分析

本研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及相關(guān)理論分析,-1 070 m水平巷道圍巖失穩(wěn)因素分析如下:

(1)巖性劣化。圍巖表現(xiàn)出松散、軟弱、碎脹和膨脹等特性,開挖一段時(shí)間后,風(fēng)化程度更加嚴(yán)重,埋深超過1 100 m,受高應(yīng)力影響,加劇了圍巖蠕變效應(yīng)。

(2)水的侵蝕作用。-1 070 m新掘進(jìn)巖層中普遍含有裂隙水,加之生產(chǎn)用水存在,劣性圍巖受水的侵蝕影響,圍巖裂隙進(jìn)一步加大,圍巖吸水膨脹,強(qiáng)度逐漸降低,導(dǎo)致圍巖整體發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。巷道原支護(hù)方案不合理表現(xiàn)為:①鋼拱架支護(hù)是被動(dòng)支護(hù),不符合礦山巖石力學(xué)原理;②圍巖未及時(shí)封閉,導(dǎo)致圍巖風(fēng)化、弱化;③巷道原支護(hù)結(jié)構(gòu)方式和參數(shù)取值不合理;④未能有效發(fā)揮錨桿、錨索、注漿加固作用(主動(dòng)支護(hù));⑤巷道關(guān)鍵部位未加強(qiáng)支護(hù),存在巖層斷裂帶;⑥支護(hù)結(jié)構(gòu)未形成協(xié)同支護(hù)體,未能有效發(fā)揮圍巖的承載能力;⑦巷道底板沒有進(jìn)行有效支護(hù)。

4.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

巷道圍巖處于松散破碎狀態(tài)時(shí),支護(hù)難度大,本研究設(shè)計(jì)的巷道斷面為三心拱、反底拱形式,采用預(yù)留變形、超前支護(hù)和二次支護(hù)方式。每施工20～50m進(jìn)行收斂變形觀測(cè),根據(jù)收斂變形量確定二次支護(hù)時(shí)間并調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。

4.2.1 巷道預(yù)留變形量及斷面尺寸

設(shè)計(jì)預(yù)留變形量100 mm。巷道凈斷面尺寸2 500 mm×2 600 mm;考慮預(yù)留變形量100 mm,以及支護(hù)厚度150 mm,因此,爆破斷面尺寸設(shè)計(jì)為3 000 mm×2 850 mm。

4.2.2 錨桿超前支護(hù)

采用φ40 mm管縫式錨桿,長(zhǎng)度2 500 mm,沿巷道拱部布置,間距300 mm,錨桿向上角度 10°～15°。當(dāng)前支護(hù)條件下設(shè)計(jì)1 m/進(jìn)尺,每個(gè)循環(huán)均進(jìn)行錨桿超前支護(hù),因此錨桿重疊長(zhǎng)度為1.5 m。

4.2.3 錨網(wǎng)噴注初次支護(hù)

錨網(wǎng)噴注初次支護(hù)的施工順序?yàn)閽炀W(wǎng)→打注漿錨桿→噴漿→注漿。鋼筋網(wǎng)采用φ6 mm鋼筋焊接,網(wǎng)片規(guī)格為1 720mm×920mm,網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100 mm,網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不小于100 mm。

錨桿采用注漿錨桿支護(hù)工藝。即采用φ22 mm無(wú)縫鋼管滾絲制作,桿尾制作成麻花狀,既用作注漿又作為錨桿使用,錨桿長(zhǎng)度2 200 mm;錨桿間排距800mm×800mm;采用1卷Z2330型樹脂藥卷臨時(shí)錨固,預(yù)緊力矩達(dá)350 N·m以上;托盤采用拱形高強(qiáng)度托盤,規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm。注漿采用水泥水玻璃雙液漿,水泥使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水灰比控制在0.8左右,水玻璃的摻量為水泥用量的3%。漿液固結(jié)體強(qiáng)度不低于20 MPa,注漿壓力控制在2.0 MPa以內(nèi)。

噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,摻3%速凝劑,厚度為50 mm。

本研究巷道松散破碎圍巖一次支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4.2.4 二次支護(hù)

本研究二次支護(hù)技術(shù)措施為噴射混凝土、強(qiáng)力錨桿和強(qiáng)力錨索,其施工順序?yàn)閽炀W(wǎng)→噴漿→反底拱→打錨桿→打錨索→復(fù)噴。網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。二次噴射混凝土厚度為70 mm、強(qiáng)度為 C25。

反底拱結(jié)構(gòu)為U29型鋼(或16#槽鋼)和C30混凝土。反底拱最大厚度為500 mm,型鋼排距1 000 mm,反底拱型鋼與上部型鋼相連形成封閉結(jié)構(gòu)。反底拱利用噴射混凝土回彈料作為墊層,并在下方鋪設(shè)單層φ6 mm鋼筋網(wǎng),其中搭接長(zhǎng)度不小于200 mm。

強(qiáng)力錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿(BHRB500),規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm,間排距為800 mm×800 mm,錨桿孔直徑為φ28 mm,采用1卷Z2350型和1卷K2350型樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固,錨固力不低于110 kN,預(yù)緊力矩大于350 N·m;托盤采用拱形高強(qiáng)度托盤;每根錨桿安裝一個(gè)讓壓管。巷道局部破碎地段可采用φ14 mm的鋼筋梯連接鋼筋焊接而成。

錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作,為拉壓分散型預(yù)應(yīng)力錨索。錨索直徑為φ22 mm,長(zhǎng)度為6 000 mm,孔徑為 φ28 mm;采用1卷快速K2350和2卷中速Z2350型樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固,其極限承載力為607 kN,伸長(zhǎng)率為7%;采用高強(qiáng)度可調(diào)心托盤(300 mm×300 mm×16 mm)和專用錨具與設(shè)備進(jìn)行張拉、固定和切割;錨索的預(yù)應(yīng)力不低于150 kN,錨索沿巷道拱部布置3根,間排距為800 mm×1 600 mm。

復(fù)噴混凝土厚度為30 mm。

本研究巷道松散破碎圍巖二次支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

4.3 支護(hù)效果

-1 070 m井巷工程支護(hù)實(shí)踐結(jié)果證明,在深部破碎帶中采用錨網(wǎng)噴注柔性主動(dòng)支護(hù)技術(shù)是可行的,該支護(hù)方式不但節(jié)約成本,而且支護(hù)效果好(圖11),具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。通過簡(jiǎn)單計(jì)算,目前已為鑫匯金礦節(jié)約成本535.6萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖11 -1 070 m中段支護(hù)效果Fig.11 Support results of-1 070 m middle section

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)深井開采高應(yīng)力破碎巖體支護(hù)問題,進(jìn)行了圍巖松動(dòng)圈探測(cè)分析、圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析、巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)研究。即采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和鉆孔攝像相結(jié)合的檢測(cè)方式進(jìn)行松動(dòng)圈探測(cè),進(jìn)而對(duì)圍巖破壞現(xiàn)狀和破壞機(jī)理進(jìn)行分析,最終設(shè)計(jì)出預(yù)留變形量、初次支護(hù)聯(lián)合二次支護(hù)的整體設(shè)計(jì)方案。

(2)通過對(duì)深井開采高應(yīng)力破碎巖體支護(hù)問題的分析,采用爆破開挖后第一時(shí)間噴漿,及時(shí)封閉圍巖防止圍巖風(fēng)化的工藝措施,提出了松動(dòng)圈無(wú)損探傷探測(cè)方案,采用高強(qiáng)度、高剛度錨桿支護(hù),并通過對(duì)其施加高預(yù)緊力(350 N·m)來(lái)實(shí)現(xiàn)噴錨網(wǎng)柔性、主動(dòng)支護(hù)的效果。在巷道預(yù)留變形的基礎(chǔ)上,提出了巷道全斷面二次支護(hù)方案及措施,通過圍巖注漿和協(xié)同錨固技術(shù)使圍巖形成組合拱結(jié)構(gòu)共同抵抗地層壓力,保證了支護(hù)效果。

(3)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案在鑫匯金礦-1 070m巷道現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后支護(hù)效果較為理想,但在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中支護(hù)周期較長(zhǎng),今后在保證支護(hù)效果的前提下繼續(xù)優(yōu)化工藝流程,開發(fā)新型支護(hù)材料,進(jìn)一步降低礦山支護(hù)成本。