深井高应力破碎岩体支护技术研究与应用

刘允秋 肖益盖 李同鹏 武 飞 陆玉根 曹 帅李正灿 姜培根 曲发科

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000;2.中钢集团南京华忻科技有限公司,江苏 南京 211106;3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116;4.北京科技大学土木与资源工程学院,北京100083;5.山东黄金矿业(鑫汇)有限公司,山东 青岛 266700;6.福建省政和县源鑫矿业有限公司,福建 南平 353600)

目前我国金属矿和煤矿的开采深度正以每年8～12 m的速度增加,经过持续开采,浅部矿产资源部分已枯竭,正向全面深部进军。根据相关统计,金属矿采深达到或超过1000 m的矿山有夹皮沟金矿(1 500 m)、红透山铜矿(1 600 m)、思山岭铁矿(1 506 m)、三山岛金矿(2 300 m)、鑫汇金矿(1 100 m)、磁西铁矿(1 350 m)、釜鑫金矿(1 500 m)、程潮铁矿(1 160 m)、冬瓜山铜金矿(1 100 m)、阿舍勒铜矿(1 242m)、会泽铅锌矿(1 526m)等。地下开采煤矿有采屯矿、赵各庄矿、张小楼矿、冠山矿、孙村矿、门头沟矿等的开采深度均已超过1 000m。进入深部开采以后,硬岩矿山面临的岩爆问题、破碎围岩矿山面临的支护破坏大变形问题越来越突出。在超千米深井掘进施工过程中,遇极松软破碎岩体,由于变形工程埋深较大,地应力显现严重,易造成深部井巷工程产生持续变形破坏[1-5]。近年来,中国矿业大学黄庆显[6]、张超[7]、韩志婷[8]、魏建军[9]、荆升国[10]、张帆舸[11]、聂军委[12]、苏祥坤[13]等,中国矿业大学(北京)李永恩[14]、张辉[15]等,山东科技大学张学生[16]、孟庆彬[17]等众多单位的不少学者、技术人员对深部极松软破碎岩体变形规律及其应对技术措施进行了深入研究,成果丰硕,但在非煤矿山的相关研究与应用涉及较少。本研究以山东黄金集团鑫汇金矿井下-1 070 m破碎岩体为例,结合现场调研、巷道变形破坏特征分析、围岩松动圈探测等进行深井高应力破碎岩体支护技术研究与应用。

1 研究背景

鑫汇金矿-1 070 m石门巷道位于松软破碎岩体中,巷道围岩以绿帘石和大理岩为主,岩石极其松软破碎,裂隙面较多,裂隙中充填有绿帘石化碎裂岩,局部充填大理岩,分界面不规则,受风化影响非常严重,稳定性极差。造成石门巷道的掘进与支护施工难度大、成本高,若支护设计不合理,也在很大程度上增加了安全隐患。经过现场踏勘,目前-1 070 m巷道支护情况如图1所示。

图1 -1 070 m水平原支护地点Fig.1 Original support site of-1 070 m level

2 围岩变形破坏特征与巷道支护现状

-1 070 m水平巷道岩层受风化侵蚀影响严重,爆破开挖后未能及时支护,围岩发生了自然掉落,几乎无自稳能力,其特征如图2、图3所示。

图2 泥化松散围岩Fig.2 Argillaceous loose surrounding rock

图3 工作面揭露的碎块状岩层Fig.3 Fragmentary rock stratum exposed in working face

-1 070 m水平巷道变形破坏特征为:①变形量大,两帮位移量约600 mm、底板臌出量约400 mm;②支护体破坏失效严重,出现扭曲等现象;③围岩破裂破坏严重,顶板局部垮坍冒落。巷道变形破坏特征见图4。

图4 -1 070 m水平巷道围岩变形破坏特征Fig.4 Characteristics of surrounding rock deformation and failure of-1 070m roadway

3 围岩松动圈探测分析

3.1 探地雷达检测

本研究用于围岩松动圈探测的设备为瑞典RAMAC探地雷达,选择500 MHz屏蔽天线(图5),探测结果如图6所示。由图6解译分析可知:-1 070 m水平巷道围岩松动圈厚度为右帮2.1 m左右,右肩为1.8～2.0 m,左肩为2.0～2.3 m。

图6 -1 070m水平巷道围岩松动圈雷达探测结果Fig.6 Radar detection results of loose zone in surrounding rock of 6-1 070 m roadway

3.2 钻孔探测

本研究钻孔探测设备采用华泰公司生产的YTJ20型岩层探测记录仪,该套探测设备由摄像头、主机等组成(图7)。

图7 钻孔摄像测试围岩松动圈系统Fig.7 Borehole camera testing system for loose zone of surrounding rock

本研究在-1 070 m水平巷道内垂直于巷道轴线方向布置了1个钻孔进行摄影探测,探测深度为5.0 m,探测结果如图8所示。由图8可知:0～1 m内围岩非常破碎,围岩松动破裂范围约2.2 m;其环向裂缝宽度为10～50 mm,形成较大范围及规模的裂隙分布。本次探测结果与地质雷达探测结果基本一致。

图8 -1 070 m钻孔摄像实拍图片Fig.8 Actual photoes of-1 070m borehole camera

综合上述雷达探测与钻探探测结果分析可知:-1 070 m巷道围岩松动圈厚度普遍达到2.0m,属于松动圈较大的范畴;围岩松动圈局部达到、甚至超过2.5 m,对巷道稳定极为不利。

4 围岩变形失稳分析与支护方案设计

4.1 围岩变形失稳分析

本研究结合现场调研及相关理论分析,-1 070 m水平巷道围岩失稳因素分析如下:

(1)岩性劣化。围岩表现出松散、软弱、碎胀和膨胀等特性,开挖一段时间后,风化程度更加严重,埋深超过1 100 m,受高应力影响,加剧了围岩蠕变效应。

(2)水的侵蚀作用。-1 070 m新掘进岩层中普遍含有裂隙水,加之生产用水存在,劣性围岩受水的侵蚀影响,围岩裂隙进一步加大,围岩吸水膨胀,强度逐渐降低,导致围岩整体发生失稳破坏。

(3)支护结构与参数设计不合理。巷道原支护方案不合理表现为:①钢拱架支护是被动支护,不符合矿山岩石力学原理;②围岩未及时封闭,导致围岩风化、弱化;③巷道原支护结构方式和参数取值不合理;④未能有效发挥锚杆、锚索、注浆加固作用(主动支护);⑤巷道关键部位未加强支护,存在岩层断裂带;⑥支护结构未形成协同支护体,未能有效发挥围岩的承载能力;⑦巷道底板没有进行有效支护。

4.2 支护方案设计

巷道围岩处于松散破碎状态时,支护难度大,本研究设计的巷道断面为三心拱、反底拱形式,采用预留变形、超前支护和二次支护方式。每施工20～50m进行收敛变形观测,根据收敛变形量确定二次支护时间并调整相关的参数。

4.2.1 巷道预留变形量及断面尺寸

设计预留变形量100 mm。巷道净断面尺寸2 500 mm×2 600 mm;考虑预留变形量100 mm,以及支护厚度150 mm,因此,爆破断面尺寸设计为3 000 mm×2 850 mm。

4.2.2 锚杆超前支护

采用φ40 mm管缝式锚杆,长度2 500 mm,沿巷道拱部布置,间距300 mm,锚杆向上角度 10°～15°。当前支护条件下设计1 m/进尺,每个循环均进行锚杆超前支护,因此锚杆重叠长度为1.5 m。

4.2.3 锚网喷注初次支护

锚网喷注初次支护的施工顺序为挂网→打注浆锚杆→喷浆→注浆。钢筋网采用φ6 mm钢筋焊接,网片规格为1 720mm×920mm,网孔规格为100mm×100 mm,网片搭接长度不小于100 mm。

锚杆采用注浆锚杆支护工艺。即采用φ22 mm无缝钢管滚丝制作,杆尾制作成麻花状,既用作注浆又作为锚杆使用,锚杆长度2 200 mm;锚杆间排距800mm×800mm;采用1卷Z2330型树脂药卷临时锚固,预紧力矩达350 N·m以上;托盘采用拱形高强度托盘,规格为150 mm×150 mm×12 mm。注浆采用水泥水玻璃双液浆,水泥使用42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比控制在0.8左右,水玻璃的掺量为水泥用量的3%。浆液固结体强度不低于20 MPa,注浆压力控制在2.0 MPa以内。

喷射混凝土强度等级为C25,掺3%速凝剂,厚度为50 mm。

本研究巷道松散破碎围岩一次支护结构如图9所示。

4.2.4 二次支护

本研究二次支护技术措施为喷射混凝土、强力锚杆和强力锚索,其施工顺序为挂网→喷浆→反底拱→打锚杆→打锚索→复喷。网孔规格为100 mm×100 mm。二次喷射混凝土厚度为70 mm、强度为 C25。

反底拱结构为U29型钢(或16#槽钢)和C30混凝土。反底拱最大厚度为500 mm,型钢排距1 000 mm,反底拱型钢与上部型钢相连形成封闭结构。反底拱利用喷射混凝土回弹料作为垫层,并在下方铺设单层φ6 mm钢筋网,其中搭接长度不小于200 mm。

强力锚杆采用高性能螺纹钢锚杆(BHRB500),规格为φ20 mm×2 200 mm,间排距为800 mm×800 mm,锚杆孔直径为φ28 mm,采用1卷Z2350型和1卷K2350型树脂药卷加长锚固,锚固力不低于110 kN,预紧力矩大于350 N·m;托盘采用拱形高强度托盘;每根锚杆安装一个让压管。巷道局部破碎地段可采用φ14 mm的钢筋梯连接钢筋焊接而成。

锚索采用高强度低松弛预应力钢绞线制作,为拉压分散型预应力锚索。锚索直径为φ22 mm,长度为6 000 mm,孔径为 φ28 mm;采用1卷快速K2350和2卷中速Z2350型树脂药卷加长锚固,其极限承载力为607 kN,伸长率为7%;采用高强度可调心托盘(300 mm×300 mm×16 mm)和专用锚具与设备进行张拉、固定和切割;锚索的预应力不低于150 kN,锚索沿巷道拱部布置3根,间排距为800 mm×1 600 mm。

复喷混凝土厚度为30 mm。

本研究巷道松散破碎围岩二次支护结构如图10所示。

4.3 支护效果

-1 070 m井巷工程支护实践结果证明,在深部破碎带中采用锚网喷注柔性主动支护技术是可行的,该支护方式不但节约成本,而且支护效果好(图11),具有较好的推广应用价值。通过简单计算,目前已为鑫汇金矿节约成本535.6万元,经济效益显著。

图11 -1 070 m中段支护效果Fig.11 Support results of-1 070 m middle section

5 结 论

(1)针对深井开采高应力破碎岩体支护问题,进行了围岩松动圈探测分析、围岩失稳机理分析、巷道支护方案设计研究。即采用地质雷达探测和钻孔摄像相结合的检测方式进行松动圈探测,进而对围岩破坏现状和破坏机理进行分析,最终设计出预留变形量、初次支护联合二次支护的整体设计方案。

(2)通过对深井开采高应力破碎岩体支护问题的分析,采用爆破开挖后第一时间喷浆,及时封闭围岩防止围岩风化的工艺措施,提出了松动圈无损探伤探测方案,采用高强度、高刚度锚杆支护,并通过对其施加高预紧力(350 N·m)来实现喷锚网柔性、主动支护的效果。在巷道预留变形的基础上,提出了巷道全断面二次支护方案及措施,通过围岩注浆和协同锚固技术使围岩形成组合拱结构共同抵抗地层压力,保证了支护效果。

(3)所设计的支护方案在鑫汇金矿-1 070m巷道现场应用后支护效果较为理想,但在现场施工过程中支护周期较长,今后在保证支护效果的前提下继续优化工艺流程,开发新型支护材料,进一步降低矿山支护成本。