況 建，聶美容

（貴州人文資源開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550000）

一般說來，裂隙破碎軟弱礦體具有膨脹性、崩解性、分散性、流變性和易擾動性等工程力學特點。

（1）裂隙破碎礦體的膨脹可分為三種即應力擴容膨脹、內(nèi)部膨脹與外部膨脹。礦山掘進中復合膨脹形態(tài)多為裂隙破碎礦體[1]。

（2）地質(zhì)開采工作進行下礦層節(jié)理裂隙化出現(xiàn)礦體崩解，因地層裂隙發(fā)育不良易引起礦層局部張力集中的片幫、崩裂狀態(tài)[2]。

（3）裂隙破碎帶軟弱夾層帶礦井的流變性是指礦層受力變形過程中，隨著時間的推移，發(fā)生結(jié)構(gòu)面閉合、擴容和滑移變形的，強度隨時間變化而降低現(xiàn)象。

（4）裂隙破碎體的易擾動性指由于礦體裂隙發(fā)育，吸水膨脹等特性，導致抗外部環(huán)境擾動的能力極差。對卸荷松動、施工震動等極為敏感，而且具有吸濕膨脹軟化、暴露風化的特點[3]。

為了克服不良地質(zhì)條件下因開挖而引起的大變形，防止軟弱夾層因過度變形而產(chǎn)生坍塌，發(fā)生塌方事故，必須采用一些施工技術(shù)措施，加固礦層或阻止礦層變形。目前，比較實用的技術(shù)方法是以管棚超前支護或注漿為主體的綜合技術(shù)措施。

因此，根據(jù)甲瑪?shù)V區(qū)井巷工程以及工程地質(zhì)實際情況，重點研究提出了中深孔注漿，小導管注漿，小管棚超前支護等掘進施工技術(shù)。

1 中深孔注漿技術(shù)研究

1.1 作用原理

井下中深孔注漿的原理實際上是利用電化學、氣壓、液壓將存在凝膠能力的礦漿經(jīng)過管道流入到礦層裂隙與空隙中，將礦層空洞中的空氣和水文擠出，漿液經(jīng)擴散、凝固、硬化，將裂隙破碎的巖層膠結(jié)起來，以達到改善巖層性能降低巖層的滲透性；提高巖層的強度與承載能力；減少礦層的變形的一種施工方法[4]。

1.2 中深孔注漿設計

中深孔注漿管的管徑89mm～999mm，長度大于6m。中深孔注漿又可分為小直徑注漿管（89mm～199mm）和大直徑注漿管（199mm～999mm），常用的為小直徑注漿管。

1.2.1 參數(shù)選擇

注漿管采用熱軋無縫金屬管，外徑為D=76mm～108mm，長度為L=15m～30m，分段安裝，每分段長度為4m～6m，兩段之間用“V”型對焊或絲扣連接，絲扣長不小于15cm。鋼管上鉆注漿孔，孔徑為10mm～16mm，孔間距為20cm，呈梅花型布置，金屬管尾部留有不鉆孔的止?jié){段，掘進進尺確定在0.5m～2.0m。支護采用工字形拱架，加強型可用格柵金屬架，或工字形金屬架與格柵金屬架間隔使用。間距：按等級考慮軟弱礦層，間距0.75m～1.0m，特殊情況下可加密，搭接長度根據(jù)巷道開挖高度，縱向兩段注漿管間，應有不少于1.5m的搭接長度，一般為2.0m～4.0m。注漿壓力一般情況下，當埋深淺于l0m時，可取較小的注漿壓力值。如采用水泥～砂漿漿液，坍落度一般在25mm～75mm，注漿壓力應選定在1MPa～7MPa范圍內(nèi)，坍落度較小時，注漿壓力可取上限值；如采用水泥～水玻璃雙液快凝漿液，則注漿壓力0.8MPa～2MPa。

中深孔全斷面注漿施工圖可參見圖1。

1.2.2 注漿材料的選擇

固結(jié)注漿一般采用水泥漿液或水泥-水玻璃類漿液。水泥漿液的水灰比一般為1:1～0.5:1；水泥與水玻璃的體積比為1:0.5～1:1，常用1:0.5。水玻璃模數(shù)n=2.4～3.4。波美度Be'=30～40，常用Be'=35。

1.2.3 擋漿墻

為了防止注漿過程中裂隙水或漿液在高壓作用下倒?jié)B，注漿施工前應對注漿工作面進行封閉，加固擋漿巖墻或施作現(xiàn)澆混凝土擋漿墻，擋漿巖墻的厚度一般取5m～10m?，F(xiàn)澆混凝土擋漿墻的厚度一般取1.0m～3.0m，對于接近矩形的擋漿墻，可根據(jù)地質(zhì)條件及注漿壓力按下式確定。

式中：δ—擋漿墻的厚度，m；

P0—設計注漿壓力，MPa；

A—巷道斷面積，m2；

[σ]—混凝土的容許抗壓強度，MPa；B—巷道寬度，m；

k—安全系數(shù)，取1.4～1.5。

1.2.4 注漿效果評估

在礦層中注漿用量Q可根據(jù)擴散半徑及礦層裂隙率進行粗略估算，作為施工參考。

式中：r—漿液擴散半徑，m；

H—壓漿段長度(m)；

η—礦層裂隙率，一般取1%～5%；

β—漿液裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，約0.3～0.9，視礦層性質(zhì)而定。

出現(xiàn)較大的礦物滑落、礦體溶裂、礦層溶洞區(qū)域，η＞5%時，礦漿的注入量無法估算，所以，在這種狀態(tài)下，采用注漿壓力將注漿量控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)較適合，注漿量需要根據(jù)注漿壓力的總量與規(guī)定值所決定。

注漿壓力達到設計終壓時，雙液（水泥～水玻璃漿液）吸漿率為18L/min～35L/min，單液（水泥漿）為7L/min～20L/min，穩(wěn)定約20min即可結(jié)束。

1.3 中深孔注漿施工流程

（1）超前鉆探：使用探孔對礦山井巷進行注水與探測，具體位置為在巷道掘進工作面前方30m左右，這種鉆探方式為超前鉆探。

（2）鉆注漿孔：對井巷進行鉆注漿孔時，首先要確定鉆孔位置，選擇靠近礦物層面的位置，避免出現(xiàn)鉆桿振動；其次，鉆進過程使用清水，開孔時控制出水量，將速度減慢，確保注漿孔的鉆進質(zhì)量；更換鉆桿時重點檢查鉆桿有無彎曲現(xiàn)象，中心孔是否流暢。

（3）注漿：依照所規(guī)定用量的漿液，將調(diào)配好的水泥漿用1mm篩網(wǎng)進行過篩，進行注漿強先檢查注漿管是否存在漏點，確保無安全隱患后連接上注漿系統(tǒng)。將孔口混合器與注漿系統(tǒng)連接上，確定能夠使用后，將閥門打開，開啟注漿泵，將其調(diào)試為注入量先大后小、先稀后稠，初期注入水泥單液后期注入雙液漿，當注漿壓力值符合所設計注漿值時，維持3秒左右，注入量達到設計注漿值即可停止。

（4）每循環(huán)注漿長度8m～15m，預留2m～5m止?jié){巖盤。

（5）檢查注漿效果：當注漿孔被填滿后，檢驗一下注漿效果，對礦井鉆進口出現(xiàn)滲水量超過0.2L/min點、漿液流動量較弱點或滲水量超過10L/min的點，需要增加鉆進口、補加漿液。

（6）注漿結(jié)束標準：①單孔結(jié)束標準：礦井巷道鉆孔注漿壓力高于設計壓力，然后，將注漿泵壓下調(diào)至設計注漿量，同時在該設計值上停留10秒鐘；完成注漿時注入量小于20L/min；排查注孔涌水量是否小于0.2L/min；檢查注漿孔內(nèi)的漿液是否填充滿。②全段結(jié)束標準：當注漿的各項指標符合全部設計約束條件，并且沒有注漿泄露狀況出現(xiàn)；完成注漿涌水量預測；注漿完成后漿液的涌出量每天不超過1立方米；確保注入量符合設計標準；經(jīng)過注漿后礦井巷道洞壁會更加穩(wěn)定。

（7）注漿質(zhì)量標準：①注漿結(jié)石體7天單軸抗壓強度不小于5MPa；②加固注漿厚度滿足設計要求。

2 小導管注漿技術(shù)研究

2.1 小導管注漿加固方案

小導管注漿加固機理主要是以滲入性注漿，對具有孔隙、裂隙的巖體，在注漿壓力的作用下，使水泥漿液滲入到孔隙、裂隙中，以水泥漿為膠結(jié)物將破碎巖塊進行膠結(jié)，形成有必要支護剛度的整體，以組成巖層自承拱。

具體做法是，將掘進巷道劃分為4m～4.5m的若干小段，每一小段作為一個施工單元。對于首個施工單元，先用噴射混凝土將迎頭封閉，封閉厚度不小于300mm，其作用一是起止?jié){墻作用，二是在進行注漿作業(yè)時防止迎頭破碎巖塊垮塌；然后在開挖輪廓線上按一定的外插角向前方鉆鑿注漿管管孔，插入注漿花管，注漿；注漿凝固后采用短掘短砌的方式進行掘進；再用噴射混凝土將迎頭封閉，之后砌筑永久支架。再從鉆鑿注漿管管孔開始，逐個單元的施工，直到軟弱破碎礦層段的巷道掘進完畢。

小導管注漿加固方案如圖2所示。

圖2 小導管注漿加固方案示意圖

2.2 小導管注漿參數(shù)設計

2.2.1 參數(shù)設計

根據(jù)灌漿技術(shù)的特點，為了滿足施工現(xiàn)場的要求，小管道直徑一般為32mm～50mm，太大的直徑不適合簡單的鉆進工具；直徑太小不能起到支撐管道和灌漿渠道的作用。該方案使用直徑34mm，壁厚3mm的無縫金屬管。小管道的長度取決于開挖的長度和礦體的自穩(wěn)定性。沉積物的自穩(wěn)定性取決于礦體的內(nèi)部摩擦角。導管的長度可以通過以下公式計算。

L=1+Hcotφ+0.5

式中：L—小導管長度，m；

φ—礦體塌落角度，°；

H—礦體塌落高度，m。

φ角的大小反映了掘進工作面礦體的穩(wěn)定性，φ角越大，說明礦體的自穩(wěn)能力越強。在φ角確定的情況下，H越大，工作面處礦體的坍塌可能性就越大。應避免造成小導管外露長度過大，致使小導管由于長度或剛度不夠而脫落或彎曲，導致小導管施做失敗。

在施工中，一般塌落角度φ＞60°，根據(jù)以上計算，小導管長度控制在3.5m～6m之間，小導管太短，起不到應有的支撐作用，導管太長則多余。礦體較差時，長度取大值，礦體相對較好時，長度取小值。

設計小導管長4.5m，管壁每隔15cm交錯鉆眼，眼孔直徑6mm，小導管頂端為尖錐型以利導管打入礦壁鉆孔內(nèi)小導管加工見圖3。

用鑿礦機將小導管頂入管孔，管體后尾端外露15cm，以便聯(lián)結(jié)輸料管。

圖3 注漿花管加工圖

小導管頂入管孔后，用塑膠泥（40°Be′水玻璃拌525號水泥）將花管周圍孔隙封堵密實。注漿完畢的花管口也要用塑膠泥封堵嚴實。

2.2.2 外插角度的確定

在實際工程中，小導管的注漿半徑一般取0.5m。本方案采用雙層注漿管注漿，雙層注漿管管孔開口均在栱、幫開挖輪廓線上，孔間距300mm，相鄰兩孔一孔外插角30°，組成上層注漿管；另一孔外插角10°，組成下層注漿管。

注漿后應等待4h～8h方可開挖，開挖長度應按設計循環(huán)進尺的規(guī)定，以保留1.5m左右的用于噴射混凝土封閉迎頭，這也是超前注漿的最短超前量。

2.2.3 注漿參數(shù)的選取

采用425普通硅酸鹽水泥水泥漿，同時添加一定的水玻璃作為早強劑的單液漿材。水灰比0.8:1、1:1，添加2%的38～40°Be′水玻璃。

利用小導管滲入性注漿方式，注漿壓力0.5MPa～1.5MPa。注漿時注漿濃度和注漿壓力由低到高。

在注漿過程中，要注意觀察注入壓力的相對變化，實質(zhì)上注入壓力的相對變化反映了注入效果的好壞。

2.2.4 注漿量

小導管注漿單管漿液擴散半徑一般為0.5m～1.0m。單孔注漿量可用以下公式計算

Q0=3.1416R2·L·η

式中：Q0—單孔注漿量，m3；

R—漿液擴散半徑，m?？紤]到注漿范圍相互重疊的原則，擴散半徑取(0.6～0.7)S，S為小導管中心距離，m；

L—小導管有效長度，m；

η—塌體空隙率，%；取5%。

因此。小導管單管注漿量

3.14 1.6×（0.65×0.3）2×3×0.05=0.018m3。

實際施工中因鉆孔偏差或孔內(nèi)的地質(zhì)原因，有可能出現(xiàn)注漿液竄漿或跑漿，因此考慮漿液損耗系數(shù)1.2，則小導管注漿單管注漿量Q=1.2×0.018=0.22m3。

3 小管棚超前支護技術(shù)研究

3.1 小管棚超前支護的作用原理

管棚超前支護是一種可以靠近或遠離的支護方法。它指的是在弱的或破碎的弱夾層沉積物中挖掘巷道工作面之前沿道路頂部和側(cè)面以及沿道路縱向軸線的擴散孔布局，以及打入一定直徑的金屬管，通過金屬管道支撐礦井巷道的支撐所實現(xiàn)的一一種方法。

3.2 小管棚超前支護設計

小管棚參數(shù)設計：

（1）小管棚鋼管直徑：為滿足施工現(xiàn)場的要求，管棚鋼管的直徑一般取32mm～76mm，管徑太大則不易于鉆孔和安裝，管徑太小則起不到管棚的支撐的作用。

（2）管棚鋼管的長度：小導管長度一般控制3.0m～6.0m之間，小導管太短，起不到應有的支撐作用，導管太長則多余。礦層較差時，長度取大值，礦層相對穩(wěn)定時，長度取小值。

（3）外插角度：由于破碎的礦床地質(zhì)條件較差，鉆井時管棚會下沉，不能保證巷道開挖段保持不變，施工期間管棚將以一定的角度抬高。如果劇變太大，管棚的支撐效果會降低，有效支撐長度會縮短；如果劇變太小，管棚下沉和彎曲可能會影響巷道的開挖和安全，因此確定管棚合理的仰角是非常重要的。設計提出管棚內(nèi)金屬管的外插角度為5°到10°。在具體操作中，應盡可能精確地控制外推角的大小。

（4）管棚金屬管環(huán)向間距：對于埋深淺、軟弱夾層礦井破碎的巷道，管棚金屬管宜采用密排方式，間距可取0.15m～0.3m。管棚金屬管間距越小，開挖后兩管間礦體破壞成拱間距越小，但現(xiàn)場施工須考慮其施做難易程度。

（5）環(huán)向布置范圍：一般在拱腳以上部分為環(huán)向加固范圍，在礦體具有膨脹性或側(cè)壓力比較大的情況下考慮在側(cè)墻部分設置小管棚。

3.3 小管棚的施工

常用鉆孔法施工，即先采用鑿礦機成孔，然后用鑿礦機頂入金屬管形成管棚。

小管棚施工的幾點要求有：

①根據(jù)設計的超前小管棚位置，用全站儀進行管棚位置的測量放樣工作，并用紅油漆在掘進工作面上標記開孔位置。鉆孔直徑應大于設計導管直徑3mm～5mm，一般鉆孔直徑50mm，孔深大于設計長度10cm。②一般采用鑿礦機，如YT-28鉆孔，以設計的外插角向外鉆孔，一般為3°～5°。為保證超前小導管的有效搭接長度，施工過程中嚴格控制巷道的掘進進尺，以使下一循環(huán)的施工順利進行。③終孔后，要檢查錨桿的位置、孔深、方向和外插角，然后用高壓風將鉆孔吹洗干凈。鉆孔完成后及時安設管棚金屬管，避免出現(xiàn)塌孔。④鉆孔完成后及時安設管棚金屬管，避免出現(xiàn)塌孔。

3.4 超前小管棚組合加固技術(shù)措施

（1）管棚管內(nèi)穿置金屬支撐物。具體做法是，在需穿置金屬支撐物的管內(nèi)先注入水泥砂漿，然后向金屬管內(nèi)打入φ22的螺紋支撐物。其長度等于管長度。

（2）網(wǎng)噴初期支護。金屬支撐物管網(wǎng)為用φ5盤條按網(wǎng)度50mm×50mm點焊而成，可自行加工。噴射混凝土厚度150mm，分兩次噴射施工。

4 裂隙破碎帶軟弱夾層礦體超前加固方法的選擇

4.1 巷道超前加固方法的評價

目前從國內(nèi)外現(xiàn)有的礦山工程施工來看，使用較普遍的巷道加固與超前支護方法包括：中深孔注漿、水平旋噴預支護、小導管注漿及中深孔注漿加小導管補充注漿等支護方式。

（1）小導管注漿。小導管注漿法是短管棚超前支護的一種基礎型式，在超前預支護中這是一種最近的支護方法，通常適用于掘進工作面可以在最短時間內(nèi)穩(wěn)定礦層、缺水礦層也能保持穩(wěn)定，經(jīng)常將外露端至于巷道開挖后方的金屬拱架上，一起構(gòu)成預制支護系統(tǒng)，對于礦層變形控制效果并不明顯，操作較為簡單、有廣泛的適用性并且不需要投入過多資金。

（2）中深孔注槳。中深孔注漿是長管棚超前預支護中的另一種基礎型式，與小導管注漿法相比，它是一種長距離超前預支護方法，由于超前距離長，剛度大，適用于掘進工作面不能自穩(wěn)、含水的地層，常與金屬拱架共同組成預支護系統(tǒng)，控制礦體變形的效果較好，防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高，技術(shù)復雜，需用大型設備，造價高。

（3）中深孔注漿+小導管補充注槳。此法除具有上述（2）的特點外，能夠防止管棚下方三角礦體的坍落，這種長短結(jié)合的預支護效果更好，造價也更高。

4.2 巷道超前加固方法的選擇

軟弱破碎巷道超前支護及加固方法的選擇堅持有效性、可靠性、適用性、經(jīng)濟性原則。

為此，本次重點研究并推薦了三種方法，即①中深孔注漿，②小導管注漿，③小管棚超前支護。其中，在裂隙破碎且含水不大的礦體中掘進施工，一般情況下使用小管棚超前支護方法，必要時管棚金屬管內(nèi)加筋、增加網(wǎng)噴初期支護，形成以小管棚超前支護為基礎的巷道組合加固法。在含水較大溶蝕強烈的地段使用小導管注漿加固法。中深孔注漿法主要用于井巷穿過溶洞、塌方、泥石流等極為特殊的弱地質(zhì)段的掘進施工。

因此，本次提出的三種軟弱破碎礦體超前支護及加固方法的適用度排序為，小管棚超前支護～小導管注漿～中深孔注漿。