破碎带软岩大断面巷道支护技术研究.pdf

第 3 4卷第 4期 2 0 1 2年 8月 甘肃冶金 GANS U ME TALLURGY Vo 1 ． 3 4 N o ． 4 Au g ． ， 2 01 2 文章编号 1 6 7 2 - 4 4 6 1 【 2 0 1 2 0 4 - 0 0 2 5 - 0 3 破碎 带软岩大断面巷道支护技术研 究 张建沛， 刘武团 西北矿冶研究院 矿山工程研究所 ， 甘肃白银7 3 0 9 0 0 摘要 根据石硐沟银多金属矿深部开采时主斜坡道掘进遇松软破碎带时的支护情况 ， 通过对围岩物理力学特性 研究， 及原有管棚钢架支护破坏机理分析， 提出了适用于该矿的钢管帷幕法前探支护 3 6 U型钢 壁后注浆的支 护方案 ， 并进行了现场实践 ， 取得了预期效果。 关键词 深部开采； 膨胀； 软岩； 柔性支护； 壁后注浆 中图分类号 T D 3 5 3 文献标识码 A Re s e a r c h o n La r g e S e c t i o n Ro a d wa y S u p po r t i n g Te c hn o l o g y i n Br o k e n Be l t wi t h S o f t Ro c k Z HANG J i a n p e i ， L I U Wu t u a n N o r t h w e s t I n s t i t u t e o f Mi n i n gMe t a l l u r g y ， B a i y i n 7 3 0 9 0 0， C h i n a Ab s t a e t Ac c o r d i n g t o t h e s u p p o s i n g s i t u a t i o n i n ma i n r a mp b o 6n g i n d e e p mi n i n g wh e n s o f t a n d b r o k e n r o c k wa s e n c o u n t e r e d i n S h i d o n g g o u s i l v e r p o l y me t a l l i c d e p o s i t s ，t h r o u g h s t u d y o f p h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k，a n d f a i l u r e me c h a n i s m a n a l y s i s o f o r i g i n a l p i p e r o o f s t e e l f r a me s u p p o ，s u p p o rt i n g p l a n o f s t e e l p i p e c u rt a i n f r o n t s up p o t un ne l i ng pl us s u p po o f 3 6 U s ha pe d s t e e l a nd g r o u t i ng ． Fi e l d p r a ct i c e s h o we d t ha t e x pe c t e d r e s u l t s we r e a - c h i e v e d ． Ke y W o r d s d e e p mi n i n g ；e x p a n s i o n； s o f t r o c k； fl e x i b l e s u p p o rt g r o u t i n g 1 引言 矿产资源是经济发展和社会进步的重要物质保 障， 随着我国经济的迅猛发展， 对矿产资源需求也在 逐年增加 ， 这也使得对 资源 的开采开始从浅部 向深 部过渡。开采深度的增加， 使得施工井巷工程时遇 到复杂地质条件的概率增大 ， 而对松软岩层 如何支 护的问题也 日趋突 出， 尤其是在开拓过程中出现大 断层松软破碎带时， 采用正常的施工方式和传统的 锚网喷 工字钢钢架管棚联合支护已不能满足安全 生产要求 ， 如何对松软破碎带软岩巷道采取 有效 的 支护方式 ， 已成为制约矿山向深部安全开采 的一大 关键问题 ， 探索有效 的支护方式势在必行 。本文就 结合石硐沟银多金属矿深部开采时主斜坡道掘进遇 松软破碎带的支护情况 ， 通过对 围岩物理力学特性 研究， 及初期采用管棚钢架支护方式破坏的原因分 析 ， 最终确定采用钢管帷幕法前探支护 3 6 U型钢 壁后注浆的支护方案 ， 经过现场实践 ， 取得了良好 的支护效果。 2 工程地质条件分析 2 ． 1 工 程概况 石硐沟银多金属矿位于祁连造山带西段石硐沟 一 带， 东起疏勒山， 西起石硐山 ， 矿 区有简易道路通 鱼儿红牧场 ， 经鱼儿红乡有乡级公路通玉门市 。 矿区分两期建设 ， 一期工程于 2 0 0 8年开始建设 并已投产 ， 开拓方式采用平硐溜井。二期深部工程 采用主斜坡道 一 竖井的开拓方式， 目前正在基建阶 段。主斜坡道在开凿过程中 ， 随着工程延伸 ， 在主斜 坡道掘深部首采中段联络道时 ， 由于受断层等地质 构造影响 ， 该段巷道 ， 岩层节理裂隙极为发育 ， 纵横 交错相互切割 ， 形成了许多弱面， 岩层之间不连续面 容易发生离层 ， 巷道围岩稳 固性极差 ， 按原设计支护 方案出现 了巷道前掘后修 、 修后又修 的被动 局面。 同时由于设备运输要求， 巷道断面较大， 而且作为二 期的主控工程 ， 该巷道服务年限较长， 巷道支护必须 充分考虑时间因素 的影响 ， 这些都给巷道 的支护增 加 了一定难度 。 2 ． 2 工程地质条件 ■ E , m ㈣ail；⋯G SL Y J， s a g 6。 6 -c 0 m 2 6 甘肃冶金 第 3 4卷 根据地勘资料及斜坡道工程实 际揭露状况来 看 ， 工程主要布置在 白云母石英片岩中 ， 该岩石裂隙 发育较差 ， 岩石完整 ， 工程地质条件较好 。但 由于受 切层断裂带 的影 响， 部分工程需穿过断裂破碎带及 影响带 ， 通过现场揭露岩层情况及岩样室内试验可 知 ， 破碎带 围岩 主要 由灰黑色绢云千枚岩 、 硅化灰 岩 、 岩粉、 胶结物 等构成 ， 节理裂隙发育 ， 分布无规 律 ， 岩石呈松散土体状 、 碎块状和泥状物， 遇水有膨 胀现象 ， 具有明显 的流变特性 ， 对巷道的稳定影响很 大。根据相关 资料可知， 该段岩层 ， 吸水性较强 ， 软 化系数低 ， 为软岩类型 ， 同时巷道开挖后 ， 如不及时 封闭围岩 ， 岩体在强度急剧降低 的同时会产生较大 的膨胀应力 ， 所以该岩组为典型的碎裂结构岩体， 也 是本次支护的重点对象。 3巷道失稳 、 工字钢架破坏原因分析 根据石硐沟银多金属矿破碎带段工程地质条件 分析可知 ， 该段岩石属 于典型的碎裂结构膨胀型岩 体 ， 此类岩体亲水性强、 膨胀率高 、 膨胀压力大 、 强度 低 、 崩解性强 ， 这也使得在此类岩体中开挖巷道稳固 性较差。 掘进巷道 时， 开挖后 的巷道 围岩松 动， 裂隙扩 大 ， 孑 L 隙度增加 ， 围岩应力场将重新分布， 巷道 围岩 周边发生变形进入塑性状态。由于开挖巷道破坏 了 围岩原有 的自然状态 ， 自有含水量和工程引起 的含 水量将会增加， 这时膨胀围岩将产生膨胀变形， 如果 不及时对巷道进行支护 ， 或者选择的支护方式不当， 巷道就会引起过大 的变形 ， 最终破坏 。膨胀类围岩， 开挖后变形量较大， 如果采取原设计 的支护方式 ， 即 开挖结束后 ， 喷浆 、 架设工字钢钢架 、 再挂网喷浆， 则 因喷射混泥土终凝 时， 达到承力性能的时间需要十 多个小时 ， 使得混凝土和钢架不能形成一个整体， 同 时工字钢钢架不能有效的吸收膨胀 围岩的变形能 ， 从而使钢架发生扭 曲、 变形破坏 ， 进而导致喷射混泥 土开裂 、 脱落， 严重时发生塌方。 4 巷道支护技术对策 通过 以上对巷道失稳的原因分析和工字钢支护 破坏的机理分析 ， 提 出对此类 围岩支护技术对策的 几点意见 1 超前护顶。由于破碎段围岩的物理力学性质 较差 ， 巷道开挖后围岩自身难以形成支撑环来维持巷 道稳定， 同时该段岩石较为破碎 ， 掉顶严重， 必须进行 超前支护 ， 才能保证永久支护过程中的安全。超前护 顶就是对不稳固岩层顶帮进行超前加固， 使得打人后 的刚性材料与围岩一起构成刚性网梁 ， 具有一定的承 载能力和加固作用 。使得开挖后的松动围岩顶瓤在 刚性网梁的作用下， 变单向受力为双向受力或多向受 力， 减少了围岩碎胀力及围岩与原岩的离层度， 控制 围岩冒落， 使得永久支护在安全条件下作业。 2 适 当让压。如前分析膨胀性岩石支护的主要 对象是开挖后其破碎过程中产生的碎胀力 ， 巷道开 挖时对巷道更外层的围岩 ， 没有发生直接破坏 ， 其变 形较小 ， 可以认为其 自承能力保持的较为完整 ， 但膨 胀类岩石的短时强度与长时强度相差很 大， 决定 了 这部分岩石具有较强的流变性 ， 其 流变过程中产生 的碎胀力和遇水产生 的膨胀力 ， 将对钢支架产生巨 大荷载力。巷道支护采取的喷锚网钢支架联合支护 法 ， 不能有效的阻止围岩的变形 ， 同时围岩发生变形 后 ， 因为岩石体积增大导致碎胀力减小 ， 将会对支架 产生 的荷载力也会变小 。因此 ， 可以通过 U型钢可 缩性支架来适当让压而缓解 碎胀力产生 的支 护问 题。u型钢可缩性支架的作用原理就是当作用于支 架上的压力达到一定 限值时 ， 支架将因受力而屈服 缩动， 结果将使作用于支架上的围岩压力减小 ， 进而 避免当围岩压力大于 U型钢支架可承受压力时 ， 而 产生破坏变形 。同时通过对 U型钢支架与 围岩空 隙进行充填 ， 提高其承载力 ， 能够有效地控制巷道围 岩变形 ， 达到支护的目的。 3 注浆加 固。结合工程地质条件 ， 该破碎带 较 高的构造应力和水体对膨胀性岩体强度的软化作用 是巷道强烈变形的主要 因素 ， 显然在应力水平一致 的前提下， 巷道围岩强度提高对控制巷道变形效果 最明显， 同时斜坡道工程服务年限较长 ， 因此必须提 高巷道的围岩强度。 目前提高围岩强度最有效的做 法就是注浆加 固， 这是一种利用浆液来充填和固结 围岩的裂隙面 或者是在巷道开挖后被破坏 了的裂 隙面 ， 从而提高岩体强度和开凿巷道的稳 固性 。 5 巷道支护技术方案及参数 5 ． 1 支护技术方案 通过以上分析可知 ， 针对石硐沟银多金属矿 破 碎带软岩大断面巷道支护确定采用钢管帷幕法前探 支护 3 6 U型钢 壁后注浆的支护方案 。该支护方 式能够保证在巷道开挖后 ， 通过钢管 帷幕前探支护 进行护顶 ， 施工人员在顶部保 护的条件下架设 3 6 U 型钢支架 ， 同时 3 6 U型钢支架在初期顶板压力较大 时， 可以通过收缩来适当让压 ， 让支架和围岩成为较 理想的力学体系， 最大限度 的利用了围岩 的 自承能 力。然后采用充填注浆技术加固围岩 ， 在提高 围岩 本身稳定性的同时， 将支架和围岩耦合为一体 ， 提高 整个支护的可靠性。 5 ． 2 支护技术参数 5 ． 2 ． 1 钢管帷幕法前探支护 、j j i TE 。 m。a。il。G 一S L Y “J 。L4 。t62，67．c。o m 第 4期 张建沛， 等 破碎带软岩大断面巷道支护技术研究 2 7 根据破碎带段 围岩性质结合现场施工遇到的问 题可知 ， 支护的主要 问题是爆破后在进行初期支护 时， 顶板岩石较为破碎并产生大面积的垮落 ， 导致初 期支护无法正常进行 ， 因此在巷道施工前必须进行 前探支护， 支护材料选用 1寸钢管 ， 按 2 0 0 m m的间 距对巷道 的拱顶轮廓线进行封闭 ， 钢管长 4 m， 每次 掘进 1 m， 围岩中剩余长度为 3 m， 这样在架设 U型 钢支架时 ， 人员将在钢管的掩护下进行作业 ， 巷道掘 进时工艺采取多 打眼 ， 少装药 ， 短 掘短支 的方式进 行 。 5 ． 2 ． 2 3 6 U型钢 支 架支护 3 6 U型钢支架选用三节圆弧拱形 U型钢支架。 架设钢支架时， 首先对掘进断面进行喷浆支护， 然后 按 0 ． 5 m的间距架设钢支架 ， 同时在钢支架后敷设 一 层金属网， 金 属网材料选用 6钢筋 ， 网格为 1 0 0 m m1 0 0 n l m， 接着用废石、 原木充填钢架 与围岩的 空隙部位 ， 最后进行全断面喷浆封闭 ， 喷浆厚度 1 0 0 m mo 5 ． 2 ． 3 壁 后 注浆 根据巷道断面 ， 共布置 6根注浆锚杆对断面进 行注 浆 加 固， 锚 杆 距 巷 底 5 0 0 m m 起 布置 ， 问 距 1 5 0 0 m m， 布置参数见 图 1 。 图 1 注 浆锚杆 布置图 1 注浆锚杆 注浆锚杆选用 1 寸钢杆加工而成 ， 长 3 0 0 0 mm， 尾部接 4 0 mm的长螺纹来与注浆泵连 接 ， 注浆段设在钢管中部 ， 长 4 5 0 m m， 钻有孔径为 8 mm注浆孔共 1 O个 ， 均匀布 置在两侧 ， 内端为锚 固 段 ， 内锚固段选用普通 的快硬膨胀水泥药卷 ， 外锚 固 段则采用混凝土密封 。 2 注浆材料 选取 4 2 5 普通硅酸盐水泥， 水灰 比为 0 ． 7 0 ． 8 重量 比 。 3 注浆设备 根据矿上现有设备状况， 采用 Q Z B 一 5 0 ／ 6型气动注浆泵。 4 注浆压力 压力 的选取直接影响注浆 质量 和 加固效果 ， 因为它是浆液在围岩中扩散 的动力 ， 参考 其他矿山的取值 ， 最终确定该矿的注浆压力为 I2～ 3 MPa。 5 注浆量 根据围岩状况 ， 确定每孔注浆量 ≥5 0 k g 。 6 注浆时间 注浆在岩体较为破碎时 ， 浆液可能 会沿弱面扩散较远 ， 从而出现跑浆现象 ， 所以在控制 压力和注浆量的同时， 需要控制注浆时间 ； 同时对 围 岩裂隙发育较差时 ， 注浆速度较慢 ， 为提 高注浆效 果 ， 需要延长注浆时间。这需要结合现场实 际来灵 活掌握注浆时间。 6 应用情况及结论 1 采用钢管帷幕法前探支护 ， 能有效 的改善初 期支护的作业条件 ， 提高了施工的安全性 ， 同时采用 多打眼 ， 少装药 ， 短掘短支的施工工艺 ， 能减少对 围 岩的破坏 ， 控制巷道成型 。 2 采用 u型钢支架作为膨胀性 围岩的初期支 护 ， 由于其随着 围岩的碎胀力而 自动收缩的性能 ， 能 够较好的吸收围岩 的变形能和适应 围岩变形 ， 直 至 围岩稳定 ， 能减少和避免传统钢支架以力挡力而发 生扭 曲、 变形等破坏 。同时在围岩缓慢 的变形中 ， 让 我们有足够的时间来采取其他加固措施 。 3 通过壁后注浆 ， 在提高 围岩本 身稳定性 的同 时， 将支架和围岩耦合为一体 ， 实现支架与围岩共同 承载， 使得采取的联合支护方式更为可靠。 4 在断层破碎段巷道 中采取上述支 护方案后 ， 为检测巷道围岩变形量 ， 对其布置了 l O个变形观测 站， 结果显示 3个月累计巷帮移动量为 1 7 mm， 累计 顶板移动量为 2 5 m m， 表明该支护方案能有效的控 制巷道 的变形量 。 5 实践证明， 钢管帷幕法前探支护 3 6 U型钢 壁后注浆的支护方式 ， 可以在碎裂结构膨胀型岩 体开挖巷道 中进行支护应用 ， 该支护方式 能明显改 善巷道 围岩受力状况 ， 增强了巷道整体承载能力， 提 高了巷道的稳定性和安全性 ， 支护效果明显。 参考文献 [ 1 ] 采矿设计手册 矿产地质卷下 [ M] ． 北京 中国建筑 工业 出版社． [ 2 ] 王杰．岩土注浆理论与工程实例[ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 o 0 1 ． [ 3 ] 李国富， 戴铁丁， 张生华．膨胀岩变形机理与注浆强 化技术[ J ] ．采矿与安全工程学报， 2 0 0 7 ， 2 4 4 4 4 4 4l 8 ． [ 4 ] 尤春安．u型钢可缩性支架缩动后 的内力计算 [ J ] ． 岩土工程学报 ， 2 0 0 0， 2 2 5 6 0 4 - 6 0 7 ． 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 5 - 1 9 作者简 介 张建沛 1 9 8 2 一 ， 男 ， 2 0 0 6年毕 业于 昆明理 工大 学采矿 工 程专业 。一直从事采矿工程设计和研究工作。 蓝 I ANY E 野 S U P 监理 E I S IO N眦 E- m ㈣ a i l GS L Y f J 5 J L t 2 6 i c o ≯ m