水平旋噴施工技術在礦山地質工程中的應用

張 川,馬慶亮,賈 沖

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050200)

1 前言

在礦山地質工程建設中,防護措施不完善,不但會延長施工周期、加大經濟損失,嚴重的則會危及施工安全和運營安全。而水平旋噴施工技術是在傳統旋噴技術的基礎上,近年來快速發展起來的一項新興的地層加固施工技術,不僅可以提高不同地質的地層強度和圍巖的堅固程度,還可以保證快速地質工程在施工安全的前提下高效、順利地如期達到施工目標[1]。為克服在黏性土與砂土富集的地層圍巖中進行礦山地質工程施工存在安全性與技術性的難題,本文將水平旋噴施工技術應用到礦山地質工程建設中,對礦區內的黏性土與砂土軟弱地層進行超前預支護加固,水平旋噴生成的固結體不僅可以提高樁體作為圍巖的強度,而且經檢驗證明,水平旋噴加固效果表達良好,成功解決了快速地質工程施工中的難題,該方法具有一定的使用價值與應用前景。

2 工程概況

某鐵礦于1972年建成投產,東西長5 km,南北寬2 km,以第15 勘探線為界線將整個礦山劃分為南北兩區,南起28 勘探線,北至59 勘探線,全長3 km。南區是指第15 勘探線到第28 勘探線之間的礦區范圍,全長大約1.2 km。該礦山工程的地質勘查網度為55 m × 60 m,生產勘查網度為30 m ×(35～45)m。在南區東翼主要以無底柱分段崩落方式進行開采,南區西翼主要采用鐵礦塊自然崩落法。無底柱分段崩落法已經在-250 m 處垂直回采出礦,-285 m 垂直采準已經準備完畢[2]。北區礦體賦存在標高-293～518 m,呈南北偏北,傾角約為45°,向南西傾斜,礦體平均厚度近70 m,最大平均厚度近190 m,最小平均厚度為15 m;南區礦體賦存在標高-600～800 m,呈東南偏南走向,共長1.3 km,傾角約為40°,向東北傾斜,礦體平均厚度近90 m。

該鐵礦南北兩區均已經開始建設,南區設計階段標高為160 m,主要運輸水平為-460 m 水平,-340 m水平為輔助段,兼作為北區第一進風井口,-325 m 水平為專用回風水平,與北風井直接相連。在-250～-340 m 水平之間建設一組開采坡道,以便于上下通行無軌設備。采礦區沿穿脈方向為80 m,巖溜井間距采礦區為400 m,采場結構參數調整為18.7 m×20 m。

本文以某鐵礦為研究對象,設計基于水平旋噴施工技術的礦山地質工程建設方法。由于礦區規模龐大,采集整個礦區的所有地質數據比較有難度,因此,結合礦山目前實際開采情況,以南區-300～-400 m水平的全部地質資料以及生產設計資料為參照,在該工程區域應用水平旋噴施工技術,對礦山地質圍巖進行超前預加固,提高礦山地質工程的整體穩定性,順利完成施工任務。

3 基于水平旋噴施工技術的礦山地質工程建設方法

3.1 設計水平旋噴樁

若想將水平旋噴施工技術成功應用到礦山地質工程建設中,首先需要確定水平旋噴樁的各項技術參數,其中包括樁體孔距、樁體外插角、樁體長度以及直徑,并布置樁位[3]。基于這些技術參數設計適用于該工程建設的水平旋噴技術。

1) 計算水平旋噴樁樁體孔距

樁體布孔孔距與旋噴樁固結體的交聯關系如圖1所示。

圖1 樁體布孔孔距與旋噴樁固結體交聯圖

計算樁體布孔孔距(e)為

式中,e表示布孔孔距,單位為米;R表示旋噴樁的交圈半徑,單位為米;L表示旋噴樁孔位長度,單位為米。

通常情況下,水平旋噴樁在礦山地質中的交圈半徑為0.5～1.0 m,根據施工現場實際情況和安全儲備,取R=0.25 m、L=0.3 m,根據式(1)可計算出樁體布孔孔距為0.4 m。在礦山地質工程建設過程中,30 cm 厚的“C30 噴射混凝土+鋼筋”防護可以承受荷載土的靜止土壓力,在回填注漿初期,旋噴樁形成的固結體會出現不同程度的形變,在24 h 內位移最大變化量可達到5 cm,相對應噴混凝土表面會出現不同程度的裂痕;注漿回填完畢后,前期旋噴樁支護變形明顯變小,并逐漸達到穩定狀態[4]。因此,本文選取“40 cm 厚的旋噴樁樁體+超前注漿小導管”聯合加固支護,其在礦山地質圍巖開挖支護的過程中完全可以承擔覆蓋層的靜止土壓力。

2) 計算旋噴樁外插角(仰角)

調整DK355 +494～ DK355 +517 旋噴樁中段長h=23 m,調整DK355 +494 處受到前期加固支護、旋噴機鉆頭速度與動力等因素的影響,旋噴樁的樁心距離支護內輪廓線為15 cm,至調整～DK355 +517 時旋噴樁下輪廓線剛好與前期支護外邊緣線相碰觸,則基于這一要求,樁體的外插角計算公式為

式中,a表示樁心位置到前期加固支護內邊緣線的距離(cm);b表示鉆機臂長,取27 cm;h表示旋噴樁最大工作高度,取23 m[5]。將以上數據代入式(2)中可得到旋噴樁的外插角度數為θ=10.35°。

3) 計算旋噴樁長度

旋噴樁的長度是在旋噴樁外插角的基礎上求得的,計算公式為

將h=23 m,θ=10.35°代入上式中,得到旋噴樁的長度為23.38 m。

4) 確定樁體直徑

水平旋噴樁沖擊巖層的能力與樁體直徑的大小有關,因此可以根據礦山土質、開采方法來選擇旋噴樁的最佳直徑。旋噴樁直徑設計見表1。

N表示旋噴樁標準貫入擊數。針對礦山的不同土質,旋噴樁的直徑有單管法、雙重管法和三重管法三種設計方法,根據對施工現場的勘查可知,該礦山南北兩區的土質多以砂土為主,深層礦土為少量黏性土[6],因此根據現場施工條件并結合現場試驗得出的數據可知,旋噴樁的旋噴方式選擇雙重管法,旋噴樁在黏性土中的貫入擊數為6～10,在砂土中的貫入擊數為11～21,所以,對比表1可以確定旋噴樁的樁體直徑為1.0 m。

表1 旋噴樁直徑設計

5) 布置樁位

根據上述計算得出的旋噴樁的主要技術參數,通過現場考察確定支護范圍,可以確定旋噴樁在施工中的位置,具體如圖2所示。

圖2 水平旋噴樁樁位布置圖

根據水平旋噴樁在礦區內的樁位布置圖可知,改變DK355 +494 旋噴樁的孔位間距為50 cm,交圈半徑為45 cm,咬合寬度為40 cm。

通過計算旋噴樁的樁體孔距、外插角、旋噴樁長度以及確定樁體直徑,獲得旋噴樁的技術參數,根據施工要求與施工條件合理布置旋噴樁樁位,使得成樁后對礦區圍巖的超前加固效果更好,進而降低礦山地質工程施工風險,也提高了工程的整體質量[7]。

3.2 確定施工工藝

本文通過理論分析與現場考察,獲取了旋噴樁超前預加固施工的設計參數,并布置好樁位,采用雙漿液雙重管法進行大范圍旋噴,接下來研究旋噴樁的施工工藝。水平旋噴操作必須保持整個過程是連續的,若在中途中斷,則需要重新噴射施工,因此有必要在施工準備時制定一個全面、齊全的施工工藝流程,確保旋噴施工技術的支護效果以及礦山地質工程的質量。水平旋噴工藝流程如圖3所示。

圖3 水平旋噴機工藝流程

1) 設止漿墻

在封閉掌子面范圍建設60 mm 厚的“C30 噴射混凝土+鋼筋”止漿墻,建設完畢后,需將止漿墻放置48 h,確保止漿墻完全凝固且沒有塌陷。參照旋噴樁孔位布置圖,在止漿墻上標記出旋噴樁的布孔位置。確定旋噴樁的仰角。利用旋噴機鉆頭鉆穿止漿墻,將孔口管放入布孔中,向孔內注入水泥-水玻璃混合液體,注液壓力控制在0.8 MPa,令液體完全覆蓋孔口管與止漿墻之間的間隙。在旋噴前要加固工作面,采用的方法是加網噴混凝土封閉法,目的是防止掌子面在旋噴機噴射過程中由于沖擊力過大而發生塌陷現象。利用φ20 mm 錨桿,長度為60 cm,錨桿間距為150 cm ×200 cm,布置類型為梅花形。在工作面上下兩端分別設置兩塊鋼筋網片,規格統一為φ10 mm。

2) 水平旋噴機就位

在礦山的開采坡道上放置旋噴機,其中鋪設的導軌選擇型鋼,枕木的尺寸為30 cm×30 cm,同時保證坡道內邊緣與掌子面的距離在50 cm 以內,與礦山中線互相垂直,且頂面要呈水平[8]。將旋噴機沿坡道軌道來回勻速移動幾次,將軌道壓實,便于施工時旋噴機能順利進出工程范圍。在移動過程中利用水平儀校正旋噴機的高程。根據旋噴樁的孔位位置,利用專用測量尺測量鉆塔的離地高度、仰角以及擺角,使鉆塔的中軸線在外插角的角平分線上,角度誤差允許范圍是±1°。最頂端1 號孔位需要利用經緯儀調整鉆桿的角度。確定旋噴機位置后,要進行旋噴機測量放樣,方法是每個斷面均鉆30 個旋噴孔。

3) 鉆孔

進行鉆孔操作時,先鉆旋噴機頂端的1 號孔,然后每次間隔兩個空位依次向下交替鉆孔。鉆孔的速度與頂推力根據礦山地層的土質進行選擇,該礦山的土質以砂土和黏性土為主,因此本工程中選擇的鉆孔速度不低于2 m/min,頂推力不小于5 kN。在鉆孔的同時配合低流量的清水,以防不易分解的雜物流入噴嘴中,導致旋噴機堵塞。搭接鉆桿時,要確定接頭口沒有雜物,并拼接好鉆頭的密封套,輕輕旋轉鉆桿,保證接口處連接緊實后方可開始鉆進。

4) 調制雙漿液

利用高速攪拌機調制旋噴機雙漿液,注漿原材料選用規格為P.O42.5 的R(SiO3)n水泥,嚴格遵照配合比的要求進行調制與攪拌,在本工程中漿液比重為W∶C=(0.8～1)∶1,如有需要,可加入外加劑。在攪拌過程中要一個方向連續均勻地攪拌,攪拌時間不宜過長或過短,一般在5～8 min 為宜。在出漿口處安裝過濾網,以防止出漿口出現堵塞現象。

5) 旋噴作業

在旋噴操作前應當檢查高壓注漿泵的讀數是否達到施工要求(45～50 MPa),管內有無漏氣現象以及旋噴機噴嘴是否堵塞。檢查結果均無誤且鉆進到礦山的設計開挖深度時,開始旋噴操作,在旋噴機管孔口底部將高壓噴漿留置3～5 min,在緩緩向外拉出鉆桿,鉆桿每次拔出0.5 m 時向回拖動0.2 m,與此同時進行高壓噴漿。

為了保證旋噴機的旋噴質量,先小范圍旋噴半分鐘,并以15～20 cm/min 的速度后退,在后退時將旋噴轉速調整到35 r/min,旋噴面積達到20 m2時,停止后退,并對旋噴機大頭的回抽速度進行測量校正。在進行旋噴操作時,安排專業人員時刻觀察高壓注漿泵的泵壓變化,當泵壓緩慢下降并趨于穩定,同時鉆桿外拔至圍巖與止漿墻交界線處時停止旋噴,隔離漿液輸送管道,再徹底拔出鉆桿,便于封孔。

6) 封堵孔口

旋噴完畢后,要以最快速度拆卸旋噴管,在拆卸旋噴管之前要結束回抽操作,并反復旋轉旋噴端頭直至沒有漿液噴出再將旋噴管拆卸下來,另外,拆卸之后要立即將輸漿管與旋噴樁端口連接,確認恢復輸漿后反復旋轉旋噴端頭。當每個孔口旋噴到距離旋噴樁旋噴端口1 m 時,將鉆頭緩慢推出,并封堵孔口,防止漿液滲漏。

7) 鉆具清洗

旋噴結束后,向裝漿液的容器中灌入大量清水,同時啟動高壓泵,清洗旋噴機所有管道中的漿液,將旋噴機端頭的砂土一并清理干凈,以防堵塞,等到噴嘴噴出清水后證明清洗完畢。

4 施工結果

經過上述施工過程,水平旋噴施工技術應用完成。為了檢驗旋噴樁預支護加固效果,檢測礦山地質工程的穩定性狀態,根據地質圍巖性質和開采方式等實際情況來驗證樁體的加固效果。在該礦山地質工程DK355 +494 測量點地表下降監測曲線圖如圖4所示。

圖4 DK355 +494 測量點地表下降監測曲線

由圖4可知,礦山在開采后的前3 d 時間里,工程的位移變化量比較大,最大沉降值為0.7 cm。隨著旋噴支護效果的不斷表達,工程的沉降速率在不斷減小,在第15 d 左右,位移變化量也在慢慢趨于穩定,在第15 d 之后,工程位移變化量符合位移變化規律,表明水平旋噴超前預加固效果表達較好,對加固地層和支護礦山地質工程圍巖結構具有良好的效果,可以為礦山地質工程創造出一個安全、穩定的施工環境。

5 結論

水平旋噴預支護加固施工技術是常規旋噴樁注漿技術的發展與延伸。實踐證明,利用水平旋噴技術能夠通過在地層圍巖上鉆孔、大面積噴射雙漿液,在礦山地質工程建設過程中形成一個堅固的固結體空間,該空間通過擠壓壓實作為巖體,以達到提高固結體穩定性的目標,進而提高工程建設的施工安全性。對工程建設后的監測表明,水平旋噴預支護加固施工技術是能越過松散不穩定土質礦山地質工程建設的理想支護加固方法,具有一定的推廣與應用價值。