1、2006年第5期/第27卷黃 金GOLD采礦工程21大變形碎裂巖體巷道錨注加固實(shí)踐 收稿日期:2006-02-03作者簡介:樊少武(1964 ,男,山西臨猗人,副教授,博士,主要從事采礦、安全、管理以及教育理論等方面的教學(xué)、研究工作;北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào),北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院393#,100083樊少武1,王玉白2,馮立輝2(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.山東黃金集團(tuán)有限公司玲瓏金礦摘要:針對(duì)玲瓏金礦255m 主運(yùn)巷保護(hù)礦柱受民采破壞的具體條件,分析了巷道破壞原因,并簡單介紹了錨注加固技術(shù),通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行了錨注參數(shù)設(shè)計(jì)。工程應(yīng)用實(shí)踐表明,錨注加固參數(shù)設(shè)計(jì)正

2、確,錨注加固效果明顯,為礦山安全生產(chǎn)提供了保障。關(guān)鍵詞:碎裂巖體巷道;錨注加固;分段多部耦合注漿;玲瓏金礦中圖分類號(hào):TD 353+ 5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1001-1277(200605-0021-030 工程背景玲瓏金礦九曲分礦大開頭礦區(qū),有兩條近乎平行的255m 主運(yùn)輸巷道,服務(wù)整個(gè)九曲分礦的輔助運(yùn)輸,擔(dān)負(fù)礦井運(yùn)料、行人、廢石排棄、排水、通風(fēng)等任務(wù)。兩條巷道間距最小處7m ,平均為10m 。距地表4060m,巷道斜穿10#脈帶的10#支1脈、10#支2脈和48#支脈,礦脈走向?yàn)?0 50 ,傾向?yàn)镾E ,傾角為55 60 ,厚度0.81.5m 。巷道原設(shè)計(jì)斷面為半圓拱形,凈寬2.

3、4m,凈高2.6m,巷道布置見圖1,巷道變形破壞后曾采用砌碹、錨噴和工字鋼棚圓木背頂支護(hù)方式。由于受地質(zhì)構(gòu)造、采動(dòng)破壞和應(yīng)力重新分布的影響,靠近礦脈附近圍巖變形嚴(yán)重,形成松散碎裂巖體,不能滿足安全生產(chǎn)要求。圖1 255m 巷道布置平面圖2004年3月,根據(jù)巷道表面位移監(jiān)測和水準(zhǔn)測量,發(fā)現(xiàn)新巷最小寬度不到1m ,巷道底板下沉塌陷,老巷局部出現(xiàn)錨噴支護(hù)開裂、底臌等礦壓顯現(xiàn)。采取干式充填對(duì)下部采空區(qū)處理后,巷道變形仍持續(xù)增長、流變顯著,維護(hù)極其困難,巷道幾乎瀕臨報(bào)廢,嚴(yán)重影響了礦井運(yùn)輸和生產(chǎn)的正常進(jìn)行;若繼續(xù)改棚翻修,巷道變形仍難控制,且施工安全條件差,翻修費(fèi)用極高;若另掘巷道,難以找到合適的位置,

4、其掘進(jìn)支護(hù)費(fèi)用很高。如果不采取果斷措施處理,一旦老巷破壞,將導(dǎo)致全礦井的生產(chǎn)中斷。因此,迫切要求對(duì)新巷進(jìn)行修復(fù)加固。1 巷道破壞原因分析(1兩條巷道中間裂隙發(fā)育、圍巖性質(zhì)差、自承能力低。(2地質(zhì)構(gòu)造因素。巷道穿越的礦脈附近斷層發(fā)育,在自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力雙重作用下,導(dǎo)致巷道壓力大,變形劇烈。(3巷道支護(hù)方式不合理。工字鋼支架的結(jié)構(gòu)和形式過于單一,混凝土砌碹支護(hù)屬于被動(dòng)支護(hù),難以充分發(fā)揮其承載能力。(4民采造成保護(hù)礦柱破壞,巷道下方采空區(qū)大、巷道沿節(jié)理和斷層面發(fā)生斷裂,導(dǎo)致下沉,整體扭轉(zhuǎn)變形造成老巷底臌嚴(yán)重。(5水動(dòng)力作用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)巷道上覆礦脈已采空并用碎石充填,有的地方形成空硐,巷道兩幫有的地方

5、木頭填塞不實(shí),造成雨季時(shí)圍巖淋水嚴(yán)重,水的浸蝕使巖石軟化、崩解和膨脹,巷道變形急劇增長。根據(jù)現(xiàn)場工程調(diào)查和地質(zhì)編錄分析,造成255m 主運(yùn)巷破壞下沉的主要原因是民采將10#脈帶的10#支1脈、10#支2脈和48#支脈礦柱采空,引起上部充填體下沉和周圍巖體失穩(wěn)跨落。采空區(qū)影響見圖2。2 錨注加固2.1 錨注加固技術(shù)簡介注漿加固法是大型工程破裂巖體加固的有效方法之一,是加固巖體的主要措施之一1。灌漿技術(shù)的使用可以追溯到1802年,當(dāng)時(shí),法國工程師22 采礦工程黃 金G Beri g ny 首次使用這種方法對(duì)D iepe 閘基進(jìn)行了加固。發(fā)展到現(xiàn)在,國內(nèi)外在灌漿材料、灌漿方法和灌工藝、灌漿機(jī)具和設(shè)備

6、、灌漿效果檢查及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等諸多方面都取得長足進(jìn)步。瑞士開發(fā)的灌漿強(qiáng)度值工法(G routing Intensity Nu m ber ,G I N ,日本開發(fā)的裂隙定向控制工法(Fracture D irecti o n Contro lled M ethod,FDC ,尤其引人注意。特別值得提出的是國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)于1995年對(duì)巖石特性、灌漿材料、灌漿設(shè)計(jì)、灌漿施工和效果檢查等方面進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的分析和總結(jié)2。 圖2 采動(dòng)影響范圍示意圖清華大學(xué)周維垣教授等曾在二灘大壩現(xiàn)場取得的不同膠結(jié)形式的注漿加固體上進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn),得到了不同膠結(jié)形式下注漿加固體的破壞形式3。煤炭科學(xué)研究院及焦作礦業(yè)學(xué)院

7、曾在化學(xué)注漿加固煤體以及注漿加固后效果評(píng)價(jià)方面做過一些研究,得出了注漿加固后巖體的強(qiáng)度和波速都有所提高。東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心(C enter for Rook I nsta b ility and Se i s m icity R esearch Northeastern Un i v ersity ,CR I SR 唐春安教授等人開發(fā)的巖石破裂過程分析數(shù)值計(jì)算軟件RFPA !3D 軟件系統(tǒng)在滲流、加固、穩(wěn)定性分析等方面對(duì)錨注效果分析取得了明顯效果。這些為錨注加固工程提供了理論依據(jù)。2.2 錨注加固參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1 注漿固結(jié)體強(qiáng)度錨注施工時(shí),影響注漿效果的參數(shù)很多,如:注漿壓力、注

8、漿時(shí)間、注漿量、水灰比、水玻璃濃度、封孔質(zhì)量、注漿孔深度等。通過合理設(shè)計(jì)與控制這些注漿參數(shù),最終都希望達(dá)到一個(gè)共同的目標(biāo):使?jié){液在一定范圍內(nèi)擴(kuò)散,將漿液注入破碎巖體和圍巖裂隙中,使?jié){液和圍巖形成注漿固結(jié)體,以實(shí)現(xiàn)控制巷道變形。一般用注漿固結(jié)體強(qiáng)度這一綜合指標(biāo)來衡量加固效果。通過FLAC 數(shù)值模擬表明,當(dāng)圍巖強(qiáng)度提高55%65%時(shí),圍巖位移量顯著減少,此后,再提高注漿體強(qiáng)度,圍巖位移量減少幅度不大。因此,圍巖強(qiáng)度提高60%較合理。2.2.2 注漿孔深度注漿孔深度會(huì)影響注漿范圍(圍巖加固范圍的大小。在確定時(shí),根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論、漿液擴(kuò)散半徑、鉆孔與巷道中心線夾角設(shè)計(jì),同時(shí)考慮到兩條巷道間距小,為防

9、止跑漿鉆孔,終孔位位置不超過巷道間距的一半,設(shè)計(jì)時(shí)考慮35m 。由于整個(gè)錨注加固段長度67m,考慮到鉆孔在破碎區(qū)域施工困難,設(shè)計(jì)采用分段多部耦合注漿施工工藝,鉆孔深度保證在13m 以上,為了安全和加固質(zhì)量起見,實(shí)際施工時(shí)鉆孔深度應(yīng)控制在2130m 。2.2.3 孔內(nèi)加固鋼筋選擇加固鋼筋采用 25的螺紋鋼筋制作,每根長度4.5m,根據(jù)鉆孔實(shí)際深度現(xiàn)場焊接,每孔同時(shí)下2根并焊接牢靠,并用人工或鉆機(jī)把鋼筋推進(jìn)。2.2.4 注漿壓力注漿壓力受到圍巖特性、漿材性能、注漿方式等因素的影響和制約。若注漿壓力過小,漿液難以向圍巖中擴(kuò)散,達(dá)不到預(yù)期注漿效果;若注漿壓力過大,很可能導(dǎo)致在注漿過程中老巷道、止?jié){墻往

10、采空區(qū)跑漿,造成材料損失,增加施工成本。根據(jù)破碎巖體滲流理論和施工經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)注漿壓力為25MPa ,如果兩條巷道間的鉆孔出現(xiàn)跑漿情況,注漿終壓應(yīng)取2MPa ,否則,應(yīng)盡量保證在5M Pa 以上。2.2.5 注漿孔布置為了保證注漿效果,注漿孔在止?jié){墻分內(nèi)外兩圈孔布置,鉆孔終孔間距一般取為注漿擴(kuò)散半徑的1.5倍,注漿孔直徑為90mm,外圈孔孔深為1518m,內(nèi)圈孔孔深為2130m,在巷道上下方各補(bǔ)充4個(gè)注漿加固孔。注漿孔布置如圖3所示。2.2.6 注漿材料由于255m 新巷以前主要采用木棚、工字鋼棚和混凝土砌碹等多種被動(dòng)支護(hù)方式,多次翻修,受采動(dòng)影響巷道圍巖松動(dòng)圈大,圍巖空硐多、裂隙多,巷道下部采

11、空區(qū)連通廣,塌陷區(qū)廢石充填不密實(shí),因此預(yù)計(jì)注漿工程量大。根據(jù)施工現(xiàn)場材料供應(yīng)情況,利用選2006年第5期/第27卷采礦工程23礦尾砂和粉煤灰作為添加劑運(yùn)輸費(fèi)用高、總成本高,最終選定水泥-水玻璃注漿材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)水泥-水玻璃注漿材料的流動(dòng)性、析水性、結(jié)石率以及強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究,水灰比在0.650.70時(shí)漿液的流動(dòng)性最好,水灰比為11時(shí)結(jié)石效果較佳,注漿材料28d齡期的抗壓強(qiáng)度最大4,且能滿足注漿固結(jié)體強(qiáng)度要求。水玻璃波美度取25Be#39Be#,為了達(dá)到擴(kuò)散范圍,初始注漿采用單液漿,觀察壓力表有變化時(shí),開始加水玻璃,波美度取25Be#35B e#,在鉆孔塌孔嚴(yán)重、跑漿或破碎區(qū)注漿時(shí),應(yīng)加大水

12、玻璃流量并提高波美度為39Be#。圖3 注漿鉆孔布置示意圖3 錨注加固施工3.1 注漿設(shè)備注漿設(shè)備主要包括注漿泵、高壓膠管、攪拌機(jī)等。根據(jù)選型計(jì)算,注漿泵選用葫蘆島注漿泵廠生產(chǎn)的2TGZ-60/210型,選用筒式攪拌機(jī)。3.2 錨注加固施工工藝錨注加固施工工藝流程5:施工準(zhǔn)備 鉆孔 下孔口管 安裝鋼筋 造漿 注漿施工 清理設(shè)備。3.3 注漿施工按注漿要求連接好注漿管路,調(diào)節(jié)注漿泵安全閥,經(jīng)試泵一切正常后方可開泵注漿;在攪拌桶中放入適量的水,再倒入34袋水泥,使?jié){液的水灰比控制在0.650.70的范圍。用攪拌機(jī)攪拌漿液,攪拌時(shí)間對(duì)于漿材與水的充分混合有著非常重要的影響,攪拌時(shí)間太短,漿材與水混合

13、不均勻,使?jié){液的流動(dòng)性受到很大影響,因而攪拌時(shí)間定為35m i n;開泵注漿,先關(guān)閉水玻璃閥單液注漿,壓力表有變化時(shí),打開水玻璃閥進(jìn)行雙液注漿,當(dāng)注漿壓力達(dá)到25MPa 時(shí)停止注漿。3.4 錨注加固效果分析2004年7月至2004年12月完成了塌陷區(qū)域充填和第一階段注漿,錨注加固巷道67m,充填廢石487m3,共使用水泥260,t使用水玻璃36t。試驗(yàn)期間對(duì)老巷5個(gè)觀測斷面進(jìn)行位移、底板底臌和沉降測量,注漿前巷道圍巖位移速度加快,底臌明顯,錨噴開裂嚴(yán)重;注漿結(jié)束后位移趨緩、底臌段恢復(fù)、變形趨緩。從巷道開挖看,注漿效果好,廢石開挖困難,炮眼成孔效果好,圍巖裂隙注漿密實(shí),達(dá)到了固結(jié)破碎巖體、加固巷

14、道的目的。4 結(jié) 論針對(duì)大變形碎裂巖體巷道具體條件,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨注參數(shù),結(jié)合現(xiàn)場錨注加固施工,得到以下主要結(jié)論:(1錨注加固參數(shù)設(shè)計(jì)正確,注漿壓力設(shè)計(jì)為25M Pa、注漿孔布置合理,外圈鉆孔深度取15 18m、內(nèi)圈鉆孔深度取2130m。(2監(jiān)測表明,錨注加固后巷道圍巖的兩幫移近速度、底臌速度都有較大程度的減少,巷道變形得到了明顯控制。(3現(xiàn)場施工效果驗(yàn)證表明,錨注加固后漿液在裂隙中充填密實(shí),結(jié)石體強(qiáng)度滿足要求,而且其施工工藝簡單,操作方便、安全。參考文獻(xiàn)1 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專業(yè)委員會(huì).錨固與注漿新技術(shù) 第2屆全國巖石錨固與注漿學(xué)術(shù)會(huì)議論文集C.北京:中

15、國電力出版社,2002.2 杜嘉鴻.地下建筑注漿工程簡明手冊M.北京:科學(xué)出版社,1998.3 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專業(yè)委員會(huì).中國錨固與注漿工程實(shí)錄選M.北京:科學(xué)出版社,1995.4 梁炯均.錨固與注漿技術(shù)手冊M.北京:中國電力出版社,1999.5 楊米加,張農(nóng).破裂巖體注漿加固后本構(gòu)模型的研究J.金屬礦山,1998(5:1114.Practice of anchori n g and grouting in large defor m ationcataclastic rock tunnelsFan Shaowu1,W ang Yubai2,Feng L i h u

16、i2(1.C ivil&E nvironm ental Engineering School,University of Science and T echnology B eijing;2.L inglong Gold M ine,Shandong Gold G roup Co.,L td.Abst ract:As the pr o tecti n g m ain convey tunnels at255m of L i n g long Go ldM i n e w ere destroyed,the paper ana l y zes the reasons for i,t and g i v e a brief intr oducti o n of the anchori n g and grouting techn i q ue.The para m eters o f an chor i n g and grouti n g w ere conducted t h rough num erica l si m ulati o n and lab tes.t Practice sho w s that t