姚高輝，吳愛(ài)祥，王洪江，杜子建

（北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

軟弱破碎巖石巷道由于層理及節(jié)理裂隙發(fā)育，易風(fēng)化剝落，導(dǎo)致其一次支護(hù)困難，甚至是已支護(hù)的巷道短時(shí)間又出現(xiàn)垮塌。針對(duì)這類不穩(wěn)定巖石巷道，國(guó)內(nèi)主要用于干噴、潮噴或氣動(dòng)錨桿安裝機(jī)打錨桿等進(jìn)行支護(hù)，存在施工環(huán)境差、強(qiáng)度低和進(jìn)度慢等問(wèn)題。黔西南某金礦采用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行濕噴，并引進(jìn)瑞典Atlas Copco公司生產(chǎn)的雙臂液壓錨桿臺(tái)車，開(kāi)展高效錨桿安裝。目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有與液壓錨桿臺(tái)車相配套的錨桿支護(hù)技術(shù)，并且以往主要采用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)、管縫式錨桿+鋼網(wǎng)+普通噴射混凝土兩種主要支護(hù)方式。由于這兩種支護(hù)方式存在支護(hù)成本偏高、濕噴混凝土支護(hù)強(qiáng)度較低、適用范圍有限等不足，需在濕噴混凝土性能改良、支護(hù)工藝優(yōu)化及支護(hù)參數(shù)確定等方面開(kāi)展工作。因此，開(kāi)展高效低成本巷道支護(hù)技術(shù)的研究對(duì)解決類似軟弱破碎巷道支護(hù)技術(shù)難題有積極的意義。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)斷裂褶皺構(gòu)造發(fā)育，礦體和圍巖層理及節(jié)理裂隙發(fā)育，礦體和圍巖主要為巖石及黏土巖，受構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓作用，完整性受到破壞，強(qiáng)度降低。易風(fēng)化破碎，巖石單軸抗壓強(qiáng)度普遍小于20 MPa，屬軟弱破碎巖石。根據(jù)已揭露工程情況，井巷工程圍巖易風(fēng)化剝落或垮塌。由于地下礦山處于開(kāi)拓期，保證各類服務(wù)性巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定對(duì)今后大范圍采礦至關(guān)重要，因此，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)要求高。井下作業(yè)機(jī)械化水平較高，在礦巖穩(wěn)固性較差的情況下，實(shí)現(xiàn)了井巷工程的快速掘進(jìn)和支護(hù)，月進(jìn)尺600 m，單掌子面掘進(jìn)進(jìn)尺100 m。

2 巷道支護(hù)方式分類

礦區(qū)可劃分為三個(gè)工程地質(zhì)巖組，即松散巖組、黏土巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組和黏土巖夾砂巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組。主要由黏土巖夾砂巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組組成，砂巖薄至中厚層，半堅(jiān)硬，抗風(fēng)化性強(qiáng)，但因受構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓作用，完整性受到破壞，強(qiáng)度降低。黏土巖質(zhì)軟強(qiáng)度低，抗水抗風(fēng)化性弱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，確定現(xiàn)場(chǎng)巖體Q值一般在0.2～15之間，不同區(qū)段巖體Q值變化比較大。其中，Q值在0.2～0.4范圍內(nèi)的局部破碎巖體相對(duì)較少，Q值在0.4～4范圍內(nèi)的巖體所占比例較大，此外是Q值大于4的巖體。

按照該礦巷道的用途及運(yùn)行設(shè)備的大小，斷面共分為4類：① 主斜坡道5.5 m×5.5 m；② 沿脈及運(yùn)礦聯(lián)絡(luò)道5.0 m×5.5 m；③ 通風(fēng)聯(lián)絡(luò)道及穿脈道4.2 m×4.5 m；④ 采礦進(jìn)路5.0 m×5.0 m。通過(guò)Barton巖體分級(jí)Q值與巷道支護(hù)之間的關(guān)系（圖1），可以確定巷道的加固類型有 （4）、（5）和（6）三種。對(duì)于良好巖體 （0.2＜Q＜0.4），混凝土噴層厚度設(shè)計(jì)為25～30 mm；一般巖體 （0.4≤Q＜4），設(shè)計(jì)為50～60 mm；破碎巖體 （Q≥4），設(shè)計(jì)為60～65 mm?？紤]到低成本和支護(hù)效果等因素，設(shè)計(jì)巷道兩幫離底板1.5 m以下，噴射厚度全部為25 mm，只起到封閉巖面防止風(fēng)化作用。

圖1 巖體Q值與支護(hù)等級(jí)[3]

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論

地下巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖應(yīng)力將發(fā)生顯著變化，巷道周邊徑向應(yīng)力 （σr）為0，圍巖強(qiáng)度明顯下降，圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果集中應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖將處于彈塑性狀態(tài)。當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度之后，巷道周邊被破壞，并逐漸向深部擴(kuò)展，直至在一定深度取得三項(xiàng)應(yīng)力平衡為止。此時(shí)，圍巖已過(guò)渡到破碎狀態(tài)，圍巖中產(chǎn)生的這種松弛破碎帶被定義為圍巖松動(dòng)圈。由于松動(dòng)圈大小不同，錨桿的作用也就不同，所以在現(xiàn)場(chǎng)施工中，只要測(cè)出圍巖松動(dòng)圈的大小，就可以合理地選擇支護(hù)參數(shù)。按圍巖松動(dòng)圈的大小，可粗略地將圍巖分為三大類：穩(wěn)定巖層（LP＜0.4 m）；中等穩(wěn)定巖層（LP=0.4～1.5m）；不穩(wěn)定巖層 （LP≥1.5m）。LP不同，采用的支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)也不同。[1，2]這樣便可用圍巖松動(dòng)圈大小這個(gè)綜合指標(biāo)，對(duì)圍巖的支護(hù)難易程度進(jìn)行分類，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 部分圍巖松動(dòng)圈支護(hù)分類

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和井下巷道垮冒情況，可以推斷各類巷道松動(dòng)圈大小位于0.4～2.0 m之間，屬于Ⅱ～Ⅳ圍巖，絕大多數(shù)圍巖節(jié)理比較發(fā)育，破碎比較明顯。針對(duì)不同級(jí)別的圍巖，分別采用懸吊理論和組合拱理論確定支護(hù)參數(shù)[4，5]。

（1）在中等穩(wěn)定圍巖中，按懸吊理論選取錨桿參數(shù)

式中：LP-圍巖松動(dòng)圈尺寸，m；h1-錨入松動(dòng)圈以外巖體的長(zhǎng)度，取0.5 m；h2-錨桿的外露長(zhǎng)度，取0.1 m。

以主斜坡道為例，對(duì)于一般巖體，假設(shè)松動(dòng)圈為最不利時(shí)LP=1.5 m，得L=1.5+0.5+0.1=2.1 m。

錨桿間、排距根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石重量確定，即錨桿懸吊的巖石重量等于錨桿的錨固力。則有：

式中：a-錨桿間距，初選間、排距相等，m；Q-錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kg；γ-圍巖密度，kg/m3；K-安全系數(shù)，一般根據(jù)巷道的重要程度及服務(wù)年限，取K=2～3。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，錨桿布置采用樹(shù)脂錨桿，設(shè)計(jì)錨固力為150k N，圍巖密度為2600kg/m3，K值取2，LP=1.5 m。因此，主斜坡道一般巖體錨桿間、排距a=1.4 m。在實(shí)際施工中，確保圍巖穩(wěn)定，在拱部布置6根樹(shù)脂錨桿，錨桿長(zhǎng)度取2.4 m，間距1.2 m，排距1.6 m。

（2）在不穩(wěn)定巖層中，采用組合理論設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)

式中：l-錨桿有效長(zhǎng)度；△1-錨桿端部壓花長(zhǎng)度；△2-錨桿尾部露出巖面的長(zhǎng)度。

式中：d-組合拱厚度；α-錨桿對(duì)破裂巖體的控制腳，一般為45°，對(duì)松散體比較安全。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)于主斜坡道破碎巖體，K值取3，假設(shè)松動(dòng)圈為最不利時(shí)LP=2 m，因此，主斜坡道破碎巖體錨桿間、排距a=0.98 m。由于組合拱厚d=LP-a=1.02 m，可求得錨桿全長(zhǎng)L=2+0.50+0.1=2.6 m。

在實(shí)際施工中，為確保圍巖穩(wěn)定，在拱部布置6根樹(shù)脂錨桿，錨桿長(zhǎng)度取3 m，間距1.2 m，排距0.8 m。

3.3 噴層厚度的確定

噴層厚度采用兩種方法計(jì)算[6]，取較大一種。

（1）按沖切破壞作用計(jì)算

地下巷道多為三心拱巷道斷面，為計(jì)算方便以半圓拱斷面為例。按不利條件 （最大可能的危石），即軸線方向1 m圍巖，從拱基線A、B兩點(diǎn)開(kāi)始按70°角方向 （拱基線與裂縫交角）交于C點(diǎn)為危巖，來(lái)計(jì)算沖切破壞危巖的重量G。如圖2所示。

危巖的周邊長(zhǎng)S=πr+2r/cos70°=2472c m

圖2 沖切強(qiáng)度驗(yàn)算

（2）按黏結(jié)破壞作用計(jì)算

式中： [R]—噴射混凝土的抗剪強(qiáng)度，kg/c m2；G—圍巖自重，kg；b—巷道寬度，m；r—半圓拱半徑，m；S—圍巖周邊長(zhǎng)度，c m； [Ru]—噴射混凝土計(jì)算的黏結(jié)強(qiáng)度，3kg/c m2；K—巖石彈性拉伸系數(shù)，1×104kg/c m2；E—巖石的彈性模量，4.41×105kg/c m2。

在工程應(yīng)用中，對(duì)于主斜坡道，一般巖體拱部噴層厚度設(shè)計(jì)值為65 mm，兩幫為50 mm；破碎巖體拱部噴層厚度設(shè)計(jì)值為65 mm，兩幫為60 mm。

3.4 巷道圍巖穩(wěn)定性分析[7，8]

（1）按懸吊理論計(jì)算巷道圍巖穩(wěn)定性系數(shù)

式中：L0-錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，取2.4 m。

（2）按組合拱理論錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)

式中：W—巷道跨度，取5.5 m；L0-錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，取3 m。

按 《錨噴規(guī)范》圍巖分類，設(shè)計(jì)圍巖穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)大于1.1，按上述兩種理論計(jì)算得到N值均大于1.1，說(shuō)明錨噴聯(lián)合支護(hù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)符合圍巖安全穩(wěn)定的要求。

4 噴錨支護(hù)工業(yè)試驗(yàn)

4.1 濕噴混凝土工藝

（1）主要原材料

水泥：P.O42.5硅酸鹽水泥。為保證濕噴混凝土的質(zhì)量和回彈率，水泥要現(xiàn)拌。

細(xì)骨料：為保證混凝土強(qiáng)度，選擇細(xì)度模數(shù)大于2.5的中粗砂。細(xì)顆粒太少，可以使用較多的水泥予以補(bǔ)償。細(xì)顆粒過(guò)多，主要通過(guò)加大減水劑的使用量來(lái)彌補(bǔ)。

粗骨料：從技術(shù)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，人們常常期望使用更大粒徑的混凝土。為防止噴射混凝土?xí)r堵管和減少回彈，選用5～10 mm粒徑的機(jī)制碎石，要求連續(xù)粒級(jí)，并堅(jiān)硬耐久。[9]

外加劑：外加劑對(duì)混凝土拌合物性能起關(guān)鍵作用，施工中經(jīng)過(guò)多次比較和試驗(yàn)，最終選用上海華登建材公司生產(chǎn)的星標(biāo)HP400減水劑和星標(biāo)A700速凝劑。

波形聚丙烯纖維：長(zhǎng)度一般選擇50 mm增強(qiáng)防裂型，每包1kg。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，該套系統(tǒng)要求混凝土塌落度為140～160 mm、粗骨料最大粒徑10 mm，噴射效果最佳。目前，礦山使用砂石級(jí)配曲線如圖3所示?？梢钥闯觯撉€位于兩條推薦級(jí)配曲線之間，合乎施工要求。

圖3 礦山使用的砂石級(jí)配曲線

（2）配合比確定

水泥：砂石比例為400∶1724，聚羧酸系列減水劑添加量為水泥摻量的0.75% （3kg）。噴巷道頂板時(shí)，無(wú)堿速凝的添加量為水泥摻量的8%（32kg）；噴巷道側(cè)幫時(shí)，無(wú)堿速凝劑的添加量為水泥摻量的6% （24kg）。塑料纖維摻量為2kg/m3，如表2所示。

（3）試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所采用的試件是從現(xiàn)場(chǎng)制作的試塊（400 mm×400 mm×100 mm）切割而成的?？箟汉团言嚰叽鐬?（100 mm×100 mm×100 mm），抗彎折試件尺寸為 （100 mm×100 mm×400 mm）。

表2 濕噴塑料纖維混凝土配合比

通過(guò)室內(nèi)普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維混凝土的28d抗壓強(qiáng)度基本能達(dá)到30 MPa，而普通混凝土略低些。在其它成份摻量不變的情況下，聚丙烯纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度有明顯增加。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，采用聚丙烯纖維混凝土，可以增加一次噴射厚度，減少?gòu)?fù)噴量。說(shuō)明聚丙烯纖維有效提高了混凝土噴層的抗拉、抗裂能力。

（4）工藝流程

采用NORMET噴漿車噴射混凝土，施工流程見(jiàn)圖4。

4.2 樹(shù)脂錨桿安裝工藝

（1）樹(shù)脂錨桿及托盤

樹(shù)脂錨桿直徑不小于φ25 mm，錨桿材料采用HRB335螺紋鋼，長(zhǎng)度一般為2.4 m或3.0 m；樹(shù)脂錨桿托盤采用Q235鋼或同等強(qiáng)度鋼材，厚度不小于6 mm，托盤尺寸不小于150 mm×150 mm。

圖4 噴射工藝流程圖

（2）樹(shù)脂錨固劑

樹(shù)脂錨固劑采用φ28 mm×2000 mm快速藥卷1卷 （用于長(zhǎng)2.4 m的樹(shù)脂錨桿）或采用φ28 mm×2500 mm快速藥卷1卷 （用于長(zhǎng)3.0 m的樹(shù)脂錨桿）；采用全長(zhǎng)錨固方式，樹(shù)脂錨固劑放入孔底；樹(shù)脂錨固劑存放于井下硐室，避免放置于高溫、曬場(chǎng)所。

（3）安裝工藝

孔深要求：孔徑為φ35 mm。安裝2.4 m樹(shù)脂錨桿的孔深為2.35 m，安裝3.0 m樹(shù)脂錨桿的孔深為2.95 m，打孔時(shí)在釬桿上做孔深指示標(biāo)記。

鉆孔方向：錨桿孔垂直于巷道表面或者巖體表面。

安裝步驟：將樹(shù)脂錨固劑放入孔內(nèi)；將錨桿插入孔內(nèi)，一邊插入一邊攪拌，錨桿裝入孔底后，停留10s左右；臺(tái)車鑿巖機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，把錨桿螺母和錨桿之間的連接銷剪斷，然后把螺母擰緊。

樹(shù)脂錨桿外露長(zhǎng)度不小于50 mm，但不大于150 mm，托盤壓緊巖面。

（4）錨桿設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量檢驗(yàn)

每根樹(shù)脂錨桿設(shè)計(jì)拉拔力為150k N；每300根樹(shù)脂錨桿做一組拉拔試驗(yàn)，每組試驗(yàn)錨桿不少于3根。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以主斜坡道為例，以往巷道支護(hù)手段主要采用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)、管縫式錨桿+鋼網(wǎng)+普通混凝土兩種主要支護(hù)方式，通過(guò)噴錨支護(hù)技術(shù)的革新和濕噴工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提出的新支護(hù)方式比以往支護(hù)效果好，并且每米巷道總支護(hù)成本有所下降，如表3所示。采用ZY-20型錨桿拉拔計(jì)，定期對(duì)頂部樹(shù)脂錨桿和兩幫管縫式錨桿進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，多次抽查結(jié)果表明，錨桿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 新舊支護(hù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)Q值與巷道支護(hù)間的關(guān)系對(duì)巷道的加固類型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，對(duì)于良好巖體，混凝土噴層厚度設(shè)計(jì)為25～30 mm；一般巖體設(shè)計(jì)為50～60 mm；破碎巖體設(shè)計(jì)為60～65 mm；巷道兩幫離底板1.5 m以下噴射厚度全部為25 mm。

（2）利用圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論對(duì)噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得到，主斜坡道一般巖體錨桿間、排距為1.4 m，錨桿全長(zhǎng)不小于2.1 m；破碎巖體錨桿間、排距為0.98 m，錨桿全長(zhǎng)不小于2.6 m；破碎巖體噴層厚度不低于4.71 mm。針對(duì)實(shí)際施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性分析，結(jié)果證明支護(hù)參數(shù)是可行的。

（3）通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)研究最終確定了針對(duì)軟弱破碎巖石巷道的濕噴混凝土配合比及鑿巖臺(tái)車錨桿安裝工藝，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。