金川礦區深部高應力破碎巖體巷道支護技術研究及應用

楊亞平，楊有林，穆玉生，韓 斌

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.金川集團股份有限公司,甘肅 金昌 737100)

0 引 言

金川鎳礦地處河西走廊不同大地構造單元結合部，經歷多次地質構造運動作用、變質作用和多期巖漿侵入作用，形成礦區復雜的巖石組合，使得礦區內斷層縱橫交錯，礦巖節理、裂隙較發育，形成大量擠壓破碎帶，開挖時極易冒落，不同巖層的接觸帶、富礦體與貧礦體的接觸帶均屬于軟弱破碎帶。調查資料[1]表明，礦區開采范圍內的不良巖層約占12.8%，主要采用雙層噴錨網支護與鋼支架、注漿、鋼筋混凝土等聯合支護方式，但高應力破碎巖體巷道圍巖變形問題較為突出。本文提出四類新型支護技術以解決金川礦區高地應力破碎巖體巷道支護的難題。

1 現有支護方式評價

金川礦區的巷道支護方式主要有雙層噴錨網支護、雙層噴錨網+U型鋼支架支護、雙層噴錨網+注漿支護、雙層噴錨網+U鋼支架+鋼筋混凝土+注漿聯合支護等。根據金川龍首礦、金川二礦區、金川三礦區這三大生產礦山開采深度及開采面積初步證明了現有支護方式具有局部的適應性。但是在地壓較大，受采動影響較大地段現有支護方式不能滿足需要。每年三大生產礦山返修工程費用較高,需要探索新型支護方式延長巷道使用時間,節約返修費用。

1.1 支護體破壞形式

深部高地應力巖層巷道圍巖變形以變形快、初期變形量大為主要特征，影響支護體的穩定性。金川礦區支護體主要破壞形式有以下四方面。

1) 底鼓。巷道走向與最大主應力方向平行或呈較小夾角，支護體兩幫及頂部具有較大應力時，未封閉底板易發生底鼓，如圖1所示。

2) 側墻“鼓肚子”。巷道圍巖破碎、節理裂隙發育、支護結構局部失穩時發生該類現象，如圖2所示。

3) 巷道整體收斂。兩幫與頂底板變形劇烈或巷道承受非均勻壓力時，會引起巷道整體收斂變形，如圖3所示。

圖1 底鼓

圖2 側墻“鼓肚子”

4) 錨桿失效。錨桿和托盤材料強度不足時，在高地應力區域錨桿破壞表現為易被拉斷或托板被破壞，如圖4和圖5所示。

圖3 整體收斂變形

圖4 錨桿被拉斷

圖5 托板失效

1.2 破壞的原因分析

金川礦區巷道工程處于復雜高應力環境[2-5]，影響圍巖與支護體穩定的因素錯綜復雜、相互作用，主要從工程地質條件、地應力及采動影響三方面分析支護破壞原因。

1) 工程地質影響。金川礦區處于地殼相對穩定與相對活動地區的接壤部位，瀕臨長期活動的深大斷裂、斷層交錯、巖漿互動頻繁等因素致使巖體極為破碎，工程地質條件惡劣[6]。金川二礦區礦體上盤為超基性巖與混合巖，其間有較發育Ⅲ3巖組，含礦超基性巖體的下盤存在多種頻繁穿插的中薄層大理巖破碎巖組，巖體RMR值為39.41～47.78；回采至850 m中段時，采深達到1 000 m，其圍巖的工程地質條件更加惡化，巷道變形破壞的問題更為突出。

2) 地應力影響。深部最大主應力隨深度呈非線性規律遞增，總體上以NNE-NE為主，但在部分區域也有所不同，具有一定的復雜性。部分區域最大主應力與水平面夾角較大，相對于上部有水平地應力主導性減弱的趨勢；最大主應力與最小主應力差值有增大趨勢，表明深部采區會出現剪應力增大現象，易出現剪切破壞，不利于深部工程穩定性。地應力各測點不同的法線方向的各截面應力橢圓的規律性突顯，應力水平方向不對稱性變化較大，不利于深部工程的穩定性。

3) 采動影響。金川礦山的采礦生產能力逐年提高，盤區開采水平下降速度達5～8 m/a，多中段同時回采的采場面積達25萬～32.7萬m2，回采分段或附近新建分段工程受大面積連續回采的影響[7]，使得現有支護強度無法滿足工程要求。

2 新型支護方案

由于原有支護方式出現了錨桿被拉斷、墊板失效、整體收斂和底鼓等問題。新的支護方式從提高支護材料強度、增加錨桿預應力、錨桿抗拉力及錨固質量等方面入手進行試驗，擬解決支護難的問題。

最終選取4段典型地質條件與破壞變形較大的巷道，分別提出相應的新型支護方案開展現場試驗。

2.1 中空錨桿+鈦克網+噴射砼支護

金川三礦區1110分段道離采場1130分段只有20 m，受采動影響較大，圍巖主要為大理巖，塊狀構造，主要礦物成分為方解石、白云石，巖石較完整，節理密度6條/m，通常采用雙層噴錨網+錨注支護，但在巖石破碎地段須加強支護。為此，開展中空錨桿+鈦克網+噴射砼支護試驗，凈斷面寬×高=5.0 m×4.5 m，長度50 m，實施支護后，進行巷道圍巖變形監測。

1) 支護參數。每一次掘進爆破后進行50 mm混凝土素噴，再施工錨桿孔，安裝預應力中空注漿錨桿(圖6)，掛鈦克網；之后對漲殼預應力中空錨桿施加預應力，并注漿；最后噴射混凝土,混凝土厚度為200 mm，該支護方案的具體參數見表1。

2) 圍巖變形監測。在試驗段布設三個監測站點(A、B、C)，在每個站點的巷道斷面布置三個測點，用于監測兩幫及頂板變形，如圖7所示。試驗段巷道圍巖兩幫收斂變形監測結果如圖8所示。

圖6 預應力中空注漿錨桿

表1 中空錨桿+鈦克網+噴射砼支護參數

支護材料支護參數錨桿選用預應力中空注漿金屬錨桿,規格Φ25 mm×2 600 mm,錨桿間排距800 mm×800 mm注漿注漿液為42.5級普通硅酸鹽水泥漿;水灰比為0.5,注漿壓力為5 MPa鈦克網高強輕質柔性TECCO網片,直徑 3 mm,孔網為棱形140 mm×80 mm、棱形內切圓直徑65 mm,抗拉強度1 770 MPa噴射混凝土C25噴射混凝土,厚度為200 mm

圖7 巷道收斂監測布置方式

圖8 試驗段巷道兩幫收斂監測結果

監測期內，巷道兩幫的最大收斂變形量僅為50.94 mm，平均收斂速率為0.156 mm/d。其中，前14 d內收斂變形量為24.64 mm，為收斂總量的54.97%，變形相對較大，平均收斂速率為1.76 mm/d；后期平均收斂速率僅為0.07 mm/d，變形趨于穩定。

根據巷道圍巖變形監測及現場調查，發現巷道無明顯開裂現象；中空預應力錨桿能提供端部預應力錨固，所提供的錨固力現場實測結果達16 t以上；中空注漿錨桿的注漿操作與TECCO網的安裝較為簡單。

2.2 精軋螺紋鋼+雙墊板支護

所謂“精軋螺紋鋼+雙墊板”，即錨桿桿體為精軋螺紋鋼、墊板為普通鋼板制作的墊板，采用雙層布置。精軋螺紋鋼+雙墊板支護的試驗段巷道位于金川二礦區1038分段工程，長度40 m，凈斷面規格寬×高為5.3 m×4.6 m，原支護形式為雙層噴錨網+錨注支護。試驗段巷道圍巖為大理巖塊狀構造，主要礦物成分方解石、白云石，巖石局部蛇紋石化，節理密度8條/m,巖石破碎。

1) 支護參數。一次支護錨桿間排距800 mm×800 mm，網片網度150 mm×150 mm，C25噴射混凝土厚度100 mm；二次支護拱頂錨桿間排距800 mm×800 mm，一次支護錨桿呈梅花型布置，二次支護墻部錨桿與一次支護錨桿間排距400 mm×400 mm，網片網度75 mm×75 mm；第一層墊板尺寸200 mm×200 mm×10 mm，第二層墊板尺寸150 mm×150 mm×10 m。

2) 圍巖收斂監測。實施支護后進行巷道圍巖收斂變形監測，結果如圖9所示。

返修支護11個月后，巷道局部支護體有裂紋，裂紋寬度達到10 mm，巷道整體性較好；巷道底角雙墊板有變形，但其仍未失效。返修支護21個月后，車輛維修硐室岔口局部有支護體小范圍開裂，巷道最大收斂量466 mm，平均為278 mm；錨桿受力作用明顯，承載了較大的巷道圍巖壓力；后期巷道兩幫變形趨于穩定。

2.3 雙層噴錨網+高強錨索支護

金川龍首礦1235東分段巷道圍巖主要為混合巖、斜長角閃巖、破碎帶，巖石穩定性差。掘進施工后采用雙層噴錨網支護未達到預期支護效果。開展雙層噴錨網+高強錨索支護試驗，試驗段巷道位于1235東分段，長度20 m，凈斷面規格寬×高為4.6 m×4.3 m。

1) 支護參數。采用改造了推進臂和卡釬器的山特維克A6鑿巖臺車進行錨索孔鑿巖；漲殼機械端錨式中空錨索安裝時不需加裝排氣管，可實現施加預應力錨固和注漿；注漿采用水灰比為1∶1.58的水泥漿添加增強外加劑注漿；使用YCJ26液壓千斤頂進行拉拔張緊，使錨索錨具充分受力。

2) 圍巖變形監測。實施支護后進行巷道圍巖收斂與頂板下沉變形監測，結果如圖10所示。

圖9 試驗段巷道兩幫圍巖變形監測結果

圖10 試驗段巷道頂幫變形監測結果

根據長期巷道監測數據分析，利用雙層噴錨網+長錨索的支護防止對破碎巖層巷道支護后，初期巷道受力情況發生改變，在經過一段時間的微弱變換之后，圍巖受力基本趨于穩定，巷道變形開始減弱，支護后巷道兩幫變形量小于15 mm，頂部變形量小于20 mm。

長錨索作為柔性支護方式，針對破碎巖層支護效果顯著，支護后為圍巖預留變形空間，有利于充分發揮其承載能力。改裝鑿巖臺車能適應井下全斷面鑿巖，長錨索安裝效率提高50%以上，有效提高了現場勞動生產率和機械化程度。

2.4 網噴錨支護

金川龍首礦西部貧礦開采1340中段車場工程圍巖巖性為角閃巖、巖石蝕變強烈，綠泥石化明顯，節理發育，節理面充填有泥質物，巖石較破碎，屬于冒落高發區。前期采用常規雙層噴錨網支護，一次支護打眼圍巖掉落嚴重，且兩個月內一次、二次支護分離，巷道開裂收斂顯著。針對龍首礦1340 m卸礦車場1#道開展網噴錨支護試驗，從17#點前342 m開始施工網噴錨支護，巷道凈斷面規格寬×高為3.6 m×3.3 m。

1) 支護工藝。將原“噴錨網”工序改為“網噴錨”工序。即巷道開挖后，用風鎬對巷道進行找規格，之后進行素噴支護，噴厚50 mm；再進行掛網噴漿支護，金屬網使用Φ6.5 mm鋼筋，網度150 mm×150 mm，網片之間應牢靠連接，然后進行50 mm厚的噴射混凝土支護封閉；最后進行錨桿施工，錨桿采用Φ18 mm螺紋鋼制作，長度2.25 m，間排距1 000 mm×1 000 mm，梅花形布置，采用灰砂比為1∶1的砂漿全長錨固，錨桿緊固端采用滾壓直螺紋，并配套相應的螺帽，墊板為δ=10 mm普通鋼板，尺寸為200 mm×200 mm；二次支護參數和工藝與第一次支護相同。

2) 圍巖收斂監測。實施支護后進行巷道圍巖收斂變形監測，結果如圖11所示。

圖11 試驗段巷道兩幫圍巖收斂變形曲線

根據金川龍首礦1340車場1#道網噴錨支護巷道變型監測，巷道基本無變形收斂。該支護防護方式對軟巖掘進中比較實用；對網噴錨支護工藝逐步優化其工藝環節，降低施工難度，在軟巖條件下進行了推廣。

3 結 語

金川礦區逐步進入深部開采，受到地質條件、地應力及采動影響，對于高地應力破碎巖體巷道采用常規的支護方式仍存在變形量大、返修周期短、支護效果差等問題。提出了四類新型支護技術，現場試驗結果表明：中空錨桿+鈦克網+噴射砼支護應用于巷道巖石條件較好、壓力不大的巷道，施工操作簡單，提高了支護效率，亦可達到維護巷道穩定的支護效果；采用精軋螺紋鋼錨桿+雙墊板支護的試驗段巷道與1058分段、1078分段相同地質條件中的巷道相比變形較小，有效地維護了巷道穩定性；雙層噴錨網+高強錨索支護針對破碎巖層支護效果顯著，采用改裝鑿巖臺車施工，錨索安裝效率提高50%以上，提高了現場勞動生產率和機械化程度；網噴錨支護可作為軟巖巷道掘進中首選支護形式，可有效控制軟巖中先施工錨桿出現的冒落現象，該工序的優化有效提高了施工效率。四類新型支護技術在金川礦區推廣使用，有效地控制高應力破碎巖體巷道圍巖變形。