高应力破碎巷道锚注补强支护技术*

2014-10-29 03:05刘晓辉王贻明胡文达
铜业工程 2014年3期
关键词:分段浆液裂隙

周 亮,刘晓辉,王贻明,胡文达

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083;2.中色非洲矿业有限公司,基特韦 赞比亚)

1 引言

赞比亚谦比希铜矿隶属于中国有色金属集团非洲矿业有限公司(NFCA),其主要由西矿体、主矿体、东南矿体及下盘矿体4个矿床组成,目前生产能力达130万t/a,平均品位1.8%,年产铜金属约为2.5万t[1]。其中,主矿体目前已开采至地下800余米,对于700ml~900ml之间的深部资源,主要采用分段嗣后充填采矿法进行回采。回采过程中,由于矿体埋深较大,受高地应力和开采工艺的影响,巷道掘出后其围岩产生严重的应力集中问题,造成下盘脉外分段巷道片帮及垮冒现象频发,已严重威胁井下人员设备的安全。因此,对分段巷道的二次补强支护成为亟待解决的问题。

2 工程背景

主矿体深部主要采用下向深孔分段嗣后充填采矿法进行回采,采场分段高33m,长20m,宽度根据矿体厚度变化,一般为6~8m。分段运输巷道布置于矿体下盘的长石石英岩及泥质石英岩中,工程地质调查结果显示:该岩体完整性较差,稳定性分级为中等[2],分段巷道规格为4m×4m。根据开采设计要求,矿石回采结束后,应立即利用进行废石充填,但在实际生产过程中,由于井下废石溜井系统不太完善,常常造成充填不及时,加之废石充填体的接顶效果较差,从而导致空区暴露时间过长,造成围岩应力集中,巷道破坏及片帮现象严重,如图1所示。分段巷原采用长为1.8m的管缝锚杆进行支护,间排距为1.5m×2m,从对支护后岩体的破坏调查发现,岩石主要是发生松动破坏,即在支护之后,由于节理裂隙切割岩体,爆破震动以及自重的影响,在锚杆周围出现松散破坏,造成绝大部分锚杆出现“悬挂”在岩体表面的现象,如图2所示。随着回采活动加剧,巷道松动圈进一步扩大,巷道片帮、垮冒的频次及规模都愈发严重,成为井下生产安全的严重隐患。

图1 分段巷应力集中

图2 片帮严重

3 锚注支护机理

经过分析论证,提出采用锚注支护技术对分段巷道进行二次加固。即利用高强度螺纹钢锚杆对巷道进行锚固,同时通过注浆机具,将水泥浆经钻孔压入、扩散到破碎岩体裂隙内,从而提高围岩整体性。其作用如下[3-5]:

(1)根据组合拱原理,锚注支护使围岩形成一个松散的组合拱并允许其有一定的变形,再通过对围岩的注浆加固获取足够的岩体强度来抗抵围岩的变形,达到巷道围岩的稳定。

(2)注浆加固改善了岩体的力学性态,提高了岩体的黏结力和内摩擦角,增加了岩体的强度和完整性,有效地改善应力分布状况,使较高应力向深部转移,缓解了应力集中;同时,也改善了工程岩体的水理环境和为补强支护创造较好的锚固环境,使巷道的维护环境大为改观。

(3)利用浆液封堵围岩裂隙,隔绝空气,防止围岩风化,且能防止灌浆水对锚固区的浸入。

4 支护参数

4.1 锚杆长度

砂浆锚杆采用高强度螺纹钢,直径为Φ20mm,钻孔为 Φ37mm,托盘用 A3碟形钢板,尺寸大于120mm×120mm×6mm。锚杆长度通常按下式计算[6]:

式中:L1-锚杆外露长度,其值主要取决于锚杆类型及锚固方式,一般L1=0.1m;L2-锚杆锚固段长度,一般端锚时 L3=0.3~0.4m,由拉拔试验确定,当围岩松软时,L3还应加大,本文取0.4m。L3-锚杆的有效长度,可由普氏冒落拱理论确定。根据普氏冒落拱理论,在松散介质中开挖巷道后,其上方会形成一个抛物线形自然平衡拱,该平衡拱曲线上方的地层处于自平衡状态,其下方是潜在的破裂范围。该理论将平衡拱内的围岩作为支护对象,支护荷载只是冒落拱内的岩石重量,即有效长度L2应大于冒落拱高度h,其可由式(2)进行计算:

如图1所示,令巷道宽为2b1,高为h0,冒落形成的压力拱跨度为2b2,拱高为h,根据普氏压力拱理论,则有

式中:φk-岩石内摩擦角,°;f-围岩坚固性系数,其值由式(3)进行计算。根据工程揭露情况,分段巷主要布置于下盘泥质石英岩中,根据大量试验统计结果及现场实际情况,有fk=3,2b1=4m,h0=4m,φk=19.2°。则计算巷道潜在的冒落拱 h 为1.61m,即 L2=1.61m ,由式(1)计算得 L=2.11m,因此设计砂浆锚杆长度为2.1m。

4.2 注浆参数

①注浆压力

注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力,直接影响了注浆加固的效果[7]。注浆压力的大小受围岩性质、渗透条件、浆液的流动力学性质、渗透范围和注浆方式等因素的影响和制约。注浆压力过小,浆液难以向围岩中扩散,达不到预期的效果;如果注浆压力过大,有可能致裂围岩,尤其是在强度较低的围岩中注浆时,要防止注浆破坏围岩。参照以往类似工程,注浆终压确定为1~1.5MPa。

②浆液扩散半径的估算

浆液的扩散半径是确定注浆孔布置和孔深的重要依据。影响扩散半径大小的因素很多,但主要取决于注浆压力、围岩力学性质、裂隙密度及开度、浆液的流动力学参数及初凝时间等[8]。参照类似工程,取浆液扩散半径为1.5m。

③注浆量估算

由于围岩的裂隙发育程度、围岩松动程度和岩体结构的差异,单位体积围岩的注浆量差别也比较大。从保证巷道围岩裂隙被充填密实的角度出发,原则上注到不吃浆为止[9,10]。但为了节省经济开支和确保注浆加固的效果,注浆量的初步估算可用公式:

式中:Q-平均弹孔注浆量,kg;A-浆液的损耗系数,取1.02;R-浆液有效扩散半径,取1.5m;H-注浆段长度,取2.0m;n-孔隙率,取1.0%;B-浆液充填系数,取0.9;k-平均重复注浆系数,取1.2;M-浆液密度,取1200kg/m3。由以上计算得单孔注浆量Q约为130kg。

4.3 支护方案及施工工艺

根据以上计算结果,设计如下支护方案:砂浆锚杆长度为2.1m,排距为3m,每排4根锚杆,单孔注浆量为130kg,注浆压力为3MPa。钻孔采用Boomer281凿岩台车进行打眼,且钻孔宜垂直裂隙面,间距应小于每孔的扩散半径。施工前,现场要敲帮问顶,排出巷道帮壁上的浮石后再打眼施工。

注浆采用该矿自行改造的支护服务车,其配备有GSV40B变量灌浆泵,可同时进行砂浆的搅拌及注浆,注浆压力为1.0~2.0MPa,如图4所示。注浆液由标号为325的普通硅酸盐水泥、水及细砂混合组成,水灰比为0.4 ~0.45,灰砂比为1∶1 ~1∶1.5。注浆压力保持在1~1.2MPa,最大不超过1.5MPa。注浆过程中应密切关注泵的压力和吸浆量的变化,保证浆液不吸空,压力较高时可暂停一会儿再注。当注浆孔不进浆时,停止注浆,注完浆后,注浆泵、管路及阀门等要彻底冲洗干净。封孔采用软木塞套在锚杆上,然后缠上废旧编织袋,将其与锚杆一起伸入注浆孔内,在孔口用工具将软木塞楔牢,并加上锚杆托盘,如图4所示。对于局部顶板稳定性极差的区域,采用长为4.5m的注浆锚索进行支护,进一步确保巷道的稳定性。

图4 “一体化”注浆服务车

图5 注浆锚杆

5 支护效果

通过对巷道围岩进行注浆加固,岩体的完整性得到改善,强度大幅提高,由此给锚杆提供了坚实的着力基础,充分发挥了其锚固作用,支护效果如图6所示。现场调查显示:锚注加固技术有效抑制了分段巷道的片帮现象,巷道稳定性得到了明显改善。

图6 支护效果

6 结论

(1)利用锚注支护方法加固分段巷道围岩,系统简单,施工方便,技术上可行,经济上合理。

(2)注浆材料的选取极为关键,应严格控制各组分的配比要求,保证浆液的粘稠性。同时,注浆压力的选择也至关重要,压力过低不利于注浆效果,过高则会导致松散岩体更加破碎。合理的施工工艺能够确保巷道加固效果。

(3)锚注支护技术大幅提高了围岩强度,控制了破碎巷道的片帮问题,是改善高应力破碎巷道稳定性的有效途径,具有广阔的推广应用前景。

[1]杨清平,腾丙娟,张晋军,等.谦比西铜矿西矿体工程地质调查与评价[J].铜业工程,2012(3):30-33.

[2]王文杰,任凤玉.谦比西铜矿岩体稳定性分级机锚杆支护参数优化[J].中国矿业,2008(7):58-61.

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