李國平 孫茂貴

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團姑山礦業(yè)有限公司）

鐘九鐵礦二期建設工程中遇復雜地層，巖性差異大，斷層和裂隙發(fā)育，圍巖存在軟化、泥化現(xiàn)象。而巷道交岔點因其設計斷面較大，施工難度高，而且受多次擾動影響，圍巖松動圈范圍較大，存在較大安全隱患［1-2］。-550 m水平井底車場4#交岔點的大斷面巷道初期采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴支護，但是效果不佳，很多區(qū)域出現(xiàn)混凝土開裂等問題。因此，對這類交岔點大斷面巷道支護方式進行研究具有較大的現(xiàn)實意義。本研究以此為工程背景，提出交岔點大斷面巷道“長錨索—耦合注漿”聯(lián)合加強支護方案，為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

鐘九鐵礦200 萬t/a 采選建設工程為新建項目，劃定礦區(qū)范圍內資源儲量為6 453.68 萬t，設計將-80 m 以上留設隔水護頂?shù)V柱，該部分礦量為563.26萬t；礦區(qū)東側新橋至查灣公路和寧蕪高速公路留設保安礦柱，該部分壓覆礦量為387.83 萬t。-560 m 以下礦體留作遠景儲備資源待后期加以開發(fā)利用，該部分礦量為72.33 萬t。鐘九鐵礦二期建設工程是復雜地層的一項典型工程，該項目地質條件復雜，斷層、裂隙發(fā)育完全。根據(jù)鐘九鐵礦現(xiàn)有地質資料，礦區(qū)主要含水層為第四系砂礫卵石層強富水含水巖組及礦體下盤黃馬青組砂頁巖裂隙強富水巖組；礦床充水因素復雜，以孔隙水、裂隙水向礦床充水為主，以巖溶裂隙水向礦床充水為輔。礦區(qū)水文地質條件復雜，礦床頂、底板是以姑山組和周沖村組為主，礦區(qū)圍巖主要以Ⅳ類基巖組成，巖體完整性較差，巖石硬度系數(shù)為2～9，屬于軟弱巖組。

2 4#交岔點塑性區(qū)范圍數(shù)值模擬分析

為了預測周圍大斷面巷道開挖擾動后，4#交岔點最終形成的塑性區(qū)范圍，采用數(shù)值模擬的方法進行計算分析。為盡可能精確反映研究區(qū)域的幾何信息，采用AutoCAD 和Rhino 過度平臺的方法建立復雜的三維地質模型，然后導入FLAC3D中用于數(shù)值分析模擬，實現(xiàn)復雜模型的準確建立［3］。

首先建立60 m×60 m×50 m 的計算范圍，然后按照實際設計圖紙建立出已經(jīng)開挖和未開挖的巷道群，從而更好地預測4#交岔點最終的擾動情況（圖1）。邊界條件：底部為固定支撐，四周限定法向速度，頂部依據(jù)埋深設置應力邊界為15.0 MPa。按照實際圍巖參數(shù)對模型進行賦值后，計算出塑性區(qū)分布結果見圖2。

由不同巷道依次開挖后的塑性區(qū)分布可見，巷道圍巖主要先發(fā)生拉伸破壞，然后再產生剪切破壞，最后呈現(xiàn)拉剪破壞。隨著開挖量的不斷增加，4#交岔點圍巖塑性區(qū)區(qū)域逐漸變大，最終呈現(xiàn)破壞的區(qū)域逐漸集中于頂、底板附近。根據(jù)4#交岔點最終的塑性區(qū)分布可以得出，在后續(xù)大斷面硐室或巷道開挖擾動后，4#交岔點最終形成的頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍約為8.0 m，兩幫約為6.0 m。

在進行長錨索設計時，錨索長度要超出塑性區(qū)4.0 m 打入穩(wěn)定巖層，另外還需要預留0.5 m 的工作長度，因此長錨索長度確定為12.5 m。另外，由于最大塑性區(qū)為8.0 m，深孔注漿孔長度確定為8.0 m，從而保證整個塑性區(qū)都能得到注漿漿液的加固作用。

3 4#交岔點巷道加強支護技術方案

3.1 長錨索加固技術方案

鐘九鐵礦-550 m 水平4#交岔點初期已經(jīng)采用了錨網(wǎng)噴支護（初期錨桿支護預應力要足夠大），但由于巷道圍巖破碎嚴重，錨桿可錨性很差，后續(xù)不斷出現(xiàn)了噴層開裂、破碎、掉渣等問題，給后續(xù)的安全施工帶來較大的隱患。經(jīng)過現(xiàn)場調研分析發(fā)現(xiàn)，初次錨網(wǎng)噴效果較差主要是因為圍巖受巷道開挖擾動破碎嚴重，加之巷道斷面較大，使得巷道周圍產生較大范圍的塑性區(qū)［4～6］。而錨桿長度較短，在塑性區(qū)范圍之內會隨著塑性區(qū)的擾動而移動。而4#交岔點還設計有很多大斷面硐室或巷道，僅僅依靠初次錨網(wǎng)噴形成的加固結構無法保證后續(xù)巷道的安全穩(wěn)定。

因此，在初次錨網(wǎng)噴的基礎上，提出長錨索加強支護結構。首先，根據(jù)巷道群模型的數(shù)值模擬，預測出后續(xù)大斷面巷道開挖擾動后，4#交岔點最終形成的塑性區(qū)范圍。然后，確定選用的錨索長度為超出塑性區(qū)范圍5.0 m 左右，使得整個塑性區(qū)內的初次錨網(wǎng)噴結構由長錨索固定在穩(wěn)定巖層上［7］。最后，在初次錨網(wǎng)噴的基礎上鋪設第二層鋼筋網(wǎng)，用長錨索固定頂板部分鋼筋網(wǎng)，用預應力錨桿固定兩幫部分鋼筋網(wǎng)，并進行噴漿封閉，如圖3所示（僅給出最大斷面設計圖）。

根據(jù)數(shù)值模擬結果，確定采用?18.9 mm×12 500 mm的端錨錨索，孔徑為32 mm，間排距為1 500 mm×1 400 mm；采用1卷快速2350型和2～3卷中速2350型樹脂藥卷錨固，錨索端部錨固長度1.5～2m；錨索張拉20%左右，為后續(xù)圍巖變形和高應力釋放給錨索變形留有充足的空間，錨索張拉預緊力70～80 kN 為宜；采用高球形托盤（300 mm×300 mm×15 mm）和MQT-130 型錨索機進行張拉、固定和切割，尾部配高強度錨具，錨具外錨索出露10～15 cm，防止錨具滑落。

3.2 巷道底板加固技術方案

為了進一步增加大斷面巷道底板的穩(wěn)定性，為后期的耦合注漿做準備，需要對底板進行反底拱設置，具體步驟如下。

（1）底板臥底與綁扎鋼筋梁。將巷道底板作厚500 mm 的臥底，兩幫底部（不計面層厚度不少于300 mm）呈弧形逐漸過渡到底板中心處，如圖4 所示?？稍诘孛骖A先綁扎好300 mm×300 mm 底板寬度的綁扎鋼筋梁（縱筋采用HRB335 鋼筋，上下各3 根，腰筋2 根，直徑為16 mm；箍筋采用HPB300，直徑為8 mm，間距為200 mm，彎折處間距100 mm），梁間距為1 500 mm。另外，綁扎鋼筋梁在排水溝處進行了彎折處理，彎折鋼筋不可剪斷施工。

（2）鋪設鋼筋網(wǎng)與澆灌底板混凝土。沿著最底層鋪設2 層鋼筋網(wǎng)，采用直徑8 mm 的螺紋鋼，網(wǎng)片規(guī)格為2 100 mm×1 050 mm，網(wǎng)片搭接長度為100 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格與普通巷道用鋼筋網(wǎng)相同。鋪設完鋼筋網(wǎng)，將綁扎鋼筋梁置于設計位置后，即可澆灌底板混凝土，混凝土的強度等級不低于C30。

（3）底板錨桿與注漿錨固。然后安裝型號為ZB32/20 的自鉆式注漿錨桿，如圖4 所示。單個錨桿規(guī)格為?32 mm×1 500 mm，需要用套筒將4 個錨桿連接加長至2 000 mm，間排距為1 500 mm×1 400 mm。錨桿極限拉力為280 kN，接頭直徑為40 mm，鉆頭直徑為51 mm，鉆孔直徑為53 mm；錨固力不低于200 kN，預緊力不低于140 kN。錨桿注漿采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥標號為42.5 級，水灰比控制在0.4 左右，并摻加水泥量0.7%～1.0%的高效減水劑；水玻璃漿液濃度為10～15 波美度（水玻璃濃度為40波美度時，與水的體積比為1∶3.5左右）；水泥漿液和水玻璃漿液的比例為1∶1，凝固時間在60 s 左右。

（4）底板混凝土面層施工。深淺孔—高低壓耦合注漿完成以后，按照需求澆筑一定厚度的面層混凝土。澆灌面層混凝土前應將底層混凝土表面清理干凈。

3.3 深淺孔高低壓耦合注漿技術方案

在完成兩層錨網(wǎng)噴加固之后的1～2個月，等圍巖充分變形之后，可以利用深淺孔高低壓耦合注漿的工藝開展巷道圍巖壁后充填注漿，從而將受擾動而破裂的圍巖再次膠結成整體。與此同時，耦合注漿可以使塑性區(qū)范圍內的錨桿轉變?yōu)槿L錨固，從而加強支護結構的整體性和承載能力［8～10］。

（1）低壓淺孔注漿。根據(jù)4#交岔巷道的設計斷面，利用低壓淺孔壁后充填的方式對圍巖進行全斷面注漿加固。低壓淺孔注漿間排距控制在1.5 m 左右。注漿管規(guī)格為?38 mm×500 mm 的鋼管制作，利用風鉆打出孔徑45 mm、孔深2.5 m 的注漿孔。注漿采用單液水泥水玻璃漿液，注漿壓力控制在2.0 MPa以內。全斷面低壓淺孔注漿孔的布置如圖5所示。

（2）高壓深孔注漿。全斷面高壓深孔注漿在低壓淺孔的原注漿管中進行，注漿前可采用鉆機掃出孔徑為28 mm的注漿孔，掃孔深度控制在最大塑性區(qū)范圍，由數(shù)值模擬結果確定為8.0 m左右。顯而易見，高壓深孔注漿間排距仍然在1.5 m左右。注漿采用水泥單液漿，注漿壓力控制在3.5 MPa 以內，加固范圍控制在8.0 m左右。全斷面高壓深孔注漿孔的布置如圖6所示。

4 施工工藝與應用

4.1 錨網(wǎng)索噴支護施工工藝

（1）頂板錨桿施工工藝。工藝流程為掘進出矸、礦石→敲幫問頂找掉危巖→鋪鋼筋網(wǎng)→上鋼筋托梁→用錨桿鉆機鉆進頂板中部錨桿鉆孔→清孔→往鉆孔內放入樹脂藥卷→用錨桿頭部頂住樹脂藥卷并送入孔底→升起錨桿鉆機并用攪拌器聯(lián)接錨桿鉆機和錨桿尾部→轉動錨桿鉆機攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間（一般為15～30 s）→停止攪拌并等待規(guī)定時間→用安裝器聯(lián)接錨桿鉆機和錨桿尾部→轉動錨桿鉆機擰緊螺母→安裝其它頂板錨桿。

（2）兩幫錨桿施工工藝。工藝流程為接金屬網(wǎng)→用錨桿鉆機鉆進兩幫錨桿鉆孔→清孔→往鉆孔內放入樹脂藥卷→用錨桿頭部頂住藥卷并送入孔底→用攪拌器聯(lián)接鉆機和錨桿尾部→轉動鉆機攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間→停止攪拌并等待規(guī)定時間→用扳手擰緊螺母→安裝其它兩幫錨桿。

（3）噴漿工藝。達到2 排錨桿排距時，要完成2排錨桿排距的錨網(wǎng)支護，并及時噴漿封閉，按照要求的配合比及初噴厚度進行噴射。

（4）錨索施工工藝。工藝流程為定錨索孔位→用錨索鉆機鉆進頂板中部錨索鉆孔→清孔→往鉆孔內放入樹脂藥卷→用錨索頭部頂住樹脂藥卷并送入孔底→升起鉆機并用攪拌器聯(lián)接錨索鉆機和錨索尾部→轉動鉆機攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時間→停止攪拌等待規(guī)定時間后收縮錨桿機卸下攪拌器→等待15 min→套上托板安裝錨具→用張拉設備張拉錨索直到設計預緊力→然后從中部向外依次安裝其它頂板錨索。

4.2 注漿施工工藝

注漿工藝流程：運料與拌漿→注漿泵的控制→孔口管路的連接。需要注意的是注漿施工順序，應該采用從左向右間隔注漿的作業(yè)方式。

4.3 應用效果

依據(jù)上述技術方案以及施工工藝，“長錨索—耦合注漿”聯(lián)合加強支護的方法在鐘九鐵礦-550 m 水平井底車場4#交岔點大斷面巷道中進行了實際的應用。經(jīng)過嚴格的施工和技術把控，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加強支護后的4#交岔點穩(wěn)定性得到了顯著提高，巷道表面掉渣現(xiàn)象也大大減少。

5 結論

以鐘九鐵礦-550 m 水平井底車場4#交岔點大斷面巷道為工程背景，提出了交岔大斷面巷道“長錨索—耦合注漿”聯(lián)合加強支護的方法。該方法依據(jù)復雜巷道群開挖后形成的塑性區(qū)大小確定長錨索以及耦合注漿的范圍，能夠進一步提高初次錨網(wǎng)噴結構的安全穩(wěn)定。