锚注技术在破碎矿柱加固中的应用

秦秀山，陈何，罗先伟，周炳任

（1.北京矿冶研究总院，北京100070；2.广西华锡集团股份有限公司铜坑矿，广西南丹547207）

我国矿产资源整体赋存状况差，由于受开采条件和技术条件制约，众多有色金属矿山均存在大量复杂难采残留矿体，无法正常回收［1－3］。这些残留矿石资源回采技术复杂、安全条件差，造成矿产资源的严重浪费。

广西华锡集团股份有限公司铜坑矿存在大量深部复杂难采残留矿石无法正常回收［4－5］。为实现残矿回收，需要在残留矿石附近的矿柱布置出矿巷道。由于深部开采应力较大，试验区内的部分矿柱破碎情况严重，无法正常掘进出矿巷道，需要对其进行超前加固支护［6］。

锚杆加固和注浆加固这两种方法在维护巷道围岩稳定性方面应用都极为普遍，然而它们都有各自的适用范围，在特殊条件下将不能发挥其加固的有效性［7－9］。

复式锚注加固技术将注浆与锚杆的支护作用有机结合在一起，是维护围岩稳定性的有效方法［10］。该技术具有注浆加固和锚杆支护的双重作用，其控制围岩变形的效果比单独使用锚杆或者注浆效果要好得多，可以大大提高围岩的稳定性，扩大注浆和锚固的使用范围［11］。

开展破碎矿柱超前加固问题的试验研究，对铜坑矿安全生产具有重要意义。

1 现场注浆试验

根据现场地质情况调查、注浆加固方案设计、注浆材料性能研究、地表模拟注浆试验、施工设备以及现场条件，综合考虑确定适合现场情况的施工计划、施工方法和管理标准。

1.1 钻孔设备选择

采用立柱式潜孔钻机，配用冲击器型号为CIR90，该钻机适合f＝8～16的坚硬岩石，成孔直径为65～130mm，钻孔深度为0～30m，使用风压为0.5～0.7MPa，基本能适应施工要求。

某些特殊地段，岩体极为破碎，无法正常成孔，经常造成卡钻、塌孔等现象。考虑各种因素，提出采用偏心跟管钻进成孔工艺。

1.2 注浆设备选择

选用2TGZ－60／210型双液调速高压注浆泵。该泵具有如下几个独有特点：

1）注浆泵压力高，可满足井下各种不同条件对注浆压力的要求；

2）柱塞的往复次数有四个速度，可随意改变排浆量和注浆压力，能有效扩大浆液的充填半径，提高注浆效果；

3）轻便灵活，使注浆工艺由繁变简。

1.3 现场设备布置

现场所需设备及其布置如图1所示。

图1 井下试验现场设备布置图Fig.1 Equipment arrangement in underground

1.4 注浆孔施工

1）注浆孔采用Φ90mm钻头钻进。当遇岩体极破碎、正常钻进无法成孔时，采用Φ108mm偏心钻带套管钻进；

2）钻孔施工时，沿断面轮廓周边钻凿一圈注浆孔，每个孔孔深均为6m；

3）注浆孔与巷道中心线夹角为30°，根据现场情况，沿设计的巷道轮廓线合理布置；

4）设计注浆试验一个循环的巷道加固长度为6m。当遇岩体破碎长度较长时，待该循环掘支成巷后，重复上述步骤。

1.5 观测孔施工

为监测浆液的流动情况以及考察设计参数的合理性，对施工钻孔进行检测。

为防止干扰，观测孔内分别根据孔深下入不同深度塑料管，用于观察相关位置浆液的到达情况，如图4所示。

观测孔布置如图5所示，图中N1为注浆孔，G1—G6为观测孔。

G1—G4孔深依次增大，4个孔与N1孔的距离相同，用于观察等距条件下不同深度的浆液流动情况。

图2 注浆孔设计纵剖面图 ／mmFig.2 Vertical profile of grouting holes design

图3 注浆孔设计横断面图 ／mmFig.3 Cross－sectional map of grouting holes design

图4 观测孔内布置图Fig.4 Arrangement in observation holes

图5 观测孔布置断面图Fig.5 Sectional map of observation holes arrangement

G4—G6孔深相同，3个孔距N1孔的距离依次增大。用于观察等深条件下，浆液扩散半径随时间的变化情况。

1.6 井下锚注施工

1）当注浆设备布置好后，在孔内下入2根钢筋，孔口下注浆管连接件。按设计的浆液配比搅拌好水泥浆和水玻璃浆液做准备。

2）将注浆管推到孔内并拧上孔口螺丝，管路按照设计要求顺序连接。先用清水对注浆系统进行测试，确保一定压力下不爆管、不跑浆。

3）如准备妥当，即可进行高压注浆。高压注浆过程中，开始时先使用单液浆，然后用水灰比2∶1的稀浆充填毛细裂隙，使注浆半径先扩大。

注浆过程中随时注意观测孔中的浆液出现情况，并记录相应时间。

4）当最外围的观测孔出现浆液时，改用水灰比为1∶1的浓液注浆，之后按注浆配比加入一定量水玻璃，使水泥加速凝结，达到既能有效加强破碎岩体的强度又能使扩散半径控制在理想范围内的目的。

5）当压力表在低档注浆下达到3MPa并能稳定一段时间后，即可停止注浆。

2 锚注加固效果评价

测试技术是验证岩土工程设计合理性和保证施工质量的重要手段。采用声波测试技术对岩体进行波速测定，通过同一位置岩体波速的变化情况分析锚注加固的效果。

测试所用仪器主要有SY—1声波测试仪、测试探头及信号连接线等。通过双孔孔中测定法进行岩体声波测试。测试范围为注浆区段的掌子面，对该岩体在注浆施工前后分别进行了原位岩体波速测试。

1）声波测试结果分析

现场声波测试结果如表1所示。

表1 岩体声波测试结果Table 1 Rock sonic test results

由表1可绘柱状图，如图6。

注浆前岩体波速较小，说明声波在该岩体中衰减速度较快；而注浆后岩体波速明显增大，说明其岩体完整性变好。

2）岩体完整程度分析

岩体完整程度的定量指标，采用岩体完整性指数Kv表示。

图6 注浆前后岩体波速变化Fig.6 Rock wave velocities before and after grouting

Kv值按下式计算：

式中：Vpm——岩体弹性纵波速度，km／s；Vpr——岩石弹性纵波速度，km／s。

岩体完整性指数Kv与定性划分的岩体完整性程度的对应关系见表2。

表2 Kv与岩体完整程度的对应关系Table 2 Corresponding relationship between Kvand rock mass integrity

本次岩体完整指数，采用与测试岩体对应的地质岩芯的纵波波速测试结果进行计算。计算结果和评价指标见表3。

表3 岩体完整程度评价表Table 3 Assessment form of rock mass integrity

3）测试数据分析

（1）注浆前岩体波速较小，说明声波在该岩体中衰减速度较快；而注浆后岩体波速明显增大，说明该岩体完整性变好。

（2）注浆前岩体完整性指数较低，属于较破碎状态；而注浆后岩体完整性指数增大、完整性程度变好，属于完整状态。

3 结论

1）采用高压锚注加固支护，能够提高围岩的整体性，改善其受力状态，从而提高围岩的自承能力和稳定性。

2）每个注浆孔都可获得3m左右的有效扩散，巷道周围的锚注孔连起来，则在巷道周围形成了一个连为整体的灌注桩群，它可以有效地保护巷道的周边稳定。

3）通过试验，确定了合理的施工技术参数、锚注加固工艺、加固效果检测和安全措施等，这对整个工程的施工效果有非常重要的影响。

4）利用SY－1型声波测试仪等采用超声波速对比法进行了现场加固效果评价，结果表明对破碎矿柱的高压锚注加固取得了较好的效果。

综合分析可知，锚注技术对铜坑矿破碎矿柱的加固具有显著的效果。

［1］ 吴 徽，王中奎.注浆技术应用及发展［J］.辽宁交通科技，2004（10）：82－84.

［2］ 王杰，杜嘉鸿，陈守庸.注浆技术的发展与展望［J］.沈阳建筑工程学院院报，1997，13（1）：59－64.

［3］ 高大钊.岩土工程的回顾与前瞻［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］ 秦德先，范柱国.铜坑矿92号矿体及其顶板围岩工程地质调查研究报告［R］.2004.

［5］ 韦方景，陈 何.铜坑矿细脉带特大事故隐患区环境监测与控制技术［J］.有色金属（矿山部分），2009，61（4）：62－65.

［6］ 王湖鑫，陈 何，孙忠铭.地下残矿回收方法研究［J］.矿冶，2008，17（2）：24－26.

［7］ 秦秀山，梁飞林.金竹山矿区软岩掘进中注浆技术的应用［J］.有色金属（矿山部分），2010，62（6）：6－8.

［8］ 陈 何，韦方景.铜坑矿细脉带特大事故隐患区火区治理技术与工程实施［J］.中国矿业，2009（11）：52－55.

［9］ 孙兆明.不稳固岩层中的巷道掘进与支护实践［J］.有色金属（矿山部分），2009，61（4）：17－18.

［10］ 王万秋，梁志荣，史世杰，等.大巷严重破坏段围岩加固技术研究［J］.能源技术与管理，2006（1）：27－28.

［11］ 熊厚金.国际岩土锚固与灌浆新进展［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.