王志遠(yuǎn)
(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)
金川鎳礦是我國(guó)最大的硫化銅鎳礦床,礦區(qū)經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷裂構(gòu)造縱橫交錯(cuò),節(jié)理裂隙十分發(fā)育,水平構(gòu)造應(yīng)力高,礦巖破碎,穩(wěn)定性極差。該礦床以埋藏深、地應(yīng)力高、礦體厚大和礦巖松軟破碎且有蠕變性等特點(diǎn)著稱,這些特點(diǎn)給礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)與采礦生產(chǎn)帶來(lái)極大困難。針對(duì)金川鎳礦復(fù)雜的開(kāi)采技術(shù)條件,金川鎳礦與國(guó)內(nèi)外科研院所和高等院校合作,對(duì)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、礦巖力學(xué)特性、礦區(qū)地應(yīng)力等工程地質(zhì)和賦存環(huán)境展開(kāi)研究,深入研究了礦區(qū)破碎巖體在高地應(yīng)力環(huán)境中的力學(xué)特性,客觀評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量,合理確定力學(xué)與變形參數(shù),為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、回采工藝、巷道支護(hù)、充填體強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。本文簡(jiǎn)要介紹金川鎳礦建礦多年來(lái)對(duì)巷道支護(hù)開(kāi)展的技術(shù)攻關(guān)成果,對(duì)金川鎳礦高應(yīng)力破碎圍巖變形控制及巷道支護(hù)的工程經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)等進(jìn)行總結(jié),并在此基礎(chǔ)上介紹礦山目前采用的巷道圍巖強(qiáng)化技術(shù),為金川深部巷道支護(hù)提供經(jīng)驗(yàn),也為國(guó)內(nèi)外同類(lèi)礦山巷道支護(hù)提供借鑒和參考。
金川礦區(qū)由于經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用、變質(zhì)作用和多期巖漿的侵入,給礦區(qū)留下以斷裂為主的構(gòu)造形跡,形成了復(fù)雜多變的圍巖結(jié)構(gòu),這使得礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育、節(jié)理縱橫交錯(cuò),形成大量層間擠壓破碎帶。礦區(qū)礦體圍巖破碎,各級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育,構(gòu)造破碎帶、接觸破碎帶比較發(fā)育,地應(yīng)力大。礦區(qū)的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主導(dǎo),已有地下工程的變形破壞跡象也表明礦區(qū)以受水平作用的構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。應(yīng)力值隨深度增加而增大,在200~500 m深度最大主應(yīng)力值一般為20~30 MPa,最高達(dá)50 MPa。二礦區(qū)深部最大主應(yīng)力隨深度呈非線性規(guī)律遞增,總體上以NNE- NE向?yàn)橹鳎诓糠謪^(qū)域也有所不同,具有一定的復(fù)雜性。
礦區(qū)內(nèi)巖漿巖脈極為發(fā)育,是影響工程地質(zhì)條件的一個(gè)重要因素。這些巖漿巖形態(tài)十分復(fù)雜,大的呈巖墻,小的呈巖枝等;由于侵入形式與方式不同,對(duì)圍巖的破壞不同。二礦區(qū)F17、Fc斷層多期巖漿的侵入,巖漿巖和斷層的交替作用,使斷層帶內(nèi)的巖礦塊呈散體結(jié)構(gòu),這些部位巖體穩(wěn)定性很差。
根據(jù)以往工程地質(zhì)研究成果,金川礦區(qū)巖體劃分為六個(gè)巖帶、十一個(gè)工程地質(zhì)巖組。在礦山工程建設(shè)中,巷道圍巖主要為多種巖漿巖頻繁穿插的中薄層大理巖組(Ⅲ3)、片麻巖組(Ⅱ),受到這些圍巖影響的主要是豎井、斜坡道、運(yùn)輸平巷、溜礦井等工程。生產(chǎn)采準(zhǔn)工程中,巷道工程圍巖以含礦超基性巖帶(Ⅵ)、多種巖漿巖頻繁穿插的中薄層大理巖組(Ⅲ3)為主。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),開(kāi)拓工程的32%通過(guò)上述不良巖層,85%以上的片幫冒頂發(fā)生在斷層破碎帶、節(jié)理密集帶、構(gòu)造片巖帶和脈巖接觸帶及巖礦破碎的富水地段。
巷道主要的工程地質(zhì)問(wèn)題體現(xiàn)在:拱頂混凝土剝落,沿長(zhǎng)軸方向開(kāi)裂;拱腰或拱腳發(fā)生斜向或縱向的剪切開(kāi)裂;側(cè)墻內(nèi)鼓、張裂,并有不同程度的縱向裂縫;拱頂下垂,甚至被壓平;底板鼓起等[1]。
巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)是高應(yīng)力碎裂圍巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要手段。金川利用水準(zhǔn)儀、收斂?jī)x和GPS等對(duì)采場(chǎng)巷道圍巖、充填體和地表進(jìn)行長(zhǎng)期的全方位變形監(jiān)測(cè),在獲得了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)采場(chǎng)圍巖與充填體變形規(guī)律進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[2-3]。動(dòng)壓巷道的長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明,采動(dòng)應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)是影響采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的重要因素,據(jù)此提煉出二次支護(hù)和巷道返修支護(hù)宜強(qiáng)不宜弱的控制理念,為深部大量返修巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工工藝提供了依據(jù)[4]。
有學(xué)者對(duì)金川礦區(qū)地下巷道圍巖變形破壞的本質(zhì)進(jìn)行研究,指出巷道圍巖的變形破壞主要是結(jié)構(gòu)面在圍巖動(dòng)態(tài)過(guò)程中一系列復(fù)雜的時(shí)間相關(guān)性力學(xué)行為和力學(xué)響應(yīng)所致,即地下巷道固巖動(dòng)態(tài)本質(zhì)是結(jié)構(gòu)性流變,巷道變形破壞是圍巖結(jié)構(gòu)性流變的最終和必然結(jié)果。雖表現(xiàn)出強(qiáng)烈的流變特性,但其機(jī)制與軟巖流變是截然不同的;軟巖流變主要由巖石流變引起,而高應(yīng)力區(qū)的結(jié)構(gòu)性流圍巖的流變是動(dòng)態(tài)過(guò)程圍巖內(nèi)結(jié)構(gòu)面隨時(shí)間變形所致[5]。
相關(guān)學(xué)者對(duì)二礦區(qū)1 218 m水平采準(zhǔn)巷道圍巖進(jìn)行分析,得出圍巖的各向異性是造成金川鎳礦巷道變形破壞的主要因素之一,并據(jù)此對(duì)噴錨支護(hù)相關(guān)參數(shù)給出優(yōu)化建議[6]。
礦山建礦初期對(duì)金川礦巖力學(xué)特性和圍巖質(zhì)量缺乏深刻認(rèn)識(shí),巷道支護(hù)型式主要以木材、預(yù)制混凝土塊、鋼筋混凝土和金屬支架為主。這種被動(dòng)支護(hù)難以適應(yīng)不良的破裂圍巖,導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)和使用過(guò)程中發(fā)生大量垮冒,給礦山建設(shè)和采礦生產(chǎn)帶來(lái)困難。
20世紀(jì)80年代,在金川二礦區(qū)進(jìn)行采準(zhǔn)巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),首次引進(jìn)噴錨支護(hù)技術(shù),取得良好的支護(hù)效果,是金川巷道支護(hù)技術(shù)重大改革和創(chuàng)新性實(shí)踐。在二礦區(qū)1 198 m水平對(duì)處在不良巖層的分段道進(jìn)行錨注支護(hù)試驗(yàn),使用空心錨桿兼做注漿管,實(shí)現(xiàn)了“錨注一體化”,使錨桿與注漿各自的圍巖加固效果得到充分發(fā)揮。其支護(hù)效果表明,錨注支護(hù)適用于金川高應(yīng)力碎裂巖體的巷道變形控制,是高應(yīng)力碎裂圍巖巷道合理支護(hù)型式之一[7]。
對(duì)1 098 m分段巷道圍巖進(jìn)行收斂變形監(jiān)測(cè),以此為基礎(chǔ)分析探討了一次支護(hù)、二次支護(hù)以及其它支護(hù)類(lèi)型的支護(hù)時(shí)機(jī)問(wèn)題,為二礦區(qū)深部巷道的支護(hù)技術(shù)研究提供了有價(jià)值的借鑒[8]。
針對(duì)二礦區(qū)1 178 m分段巷道的圍巖特性和地壓特點(diǎn),相關(guān)學(xué)者在分析現(xiàn)有支護(hù)型式的基礎(chǔ)上,首次采用了錨索網(wǎng)綜合支護(hù)型式進(jìn)行高應(yīng)力圍巖的變形控制,并進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[9]。部分學(xué)者認(rèn)為高應(yīng)力碎裂圍巖巷道必須進(jìn)行錨索支護(hù),并重視對(duì)底板的控制,通過(guò)數(shù)值模擬研究,提出噴錨網(wǎng)+錨索+底部錨桿支護(hù)型式,能夠有效維持高應(yīng)力碎裂圍巖巷道的穩(wěn)定[10]。通過(guò)對(duì)不同支護(hù)型式、不同采動(dòng)影響系數(shù)和不同支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響的分析,為噴錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
為延長(zhǎng)高應(yīng)力碎裂圍巖巷道安全穩(wěn)定的使用周期,減少巷道返修率,降低礦山生產(chǎn)成本,金川積極引入已經(jīng)在煤礦軟巖巷道成功應(yīng)用的鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù),并結(jié)合現(xiàn)有支護(hù)型式對(duì)1 000 m試驗(yàn)巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),取得良好的效果。
部分學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)兩次支護(hù)的強(qiáng)度和支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)多角度的論證,對(duì)“先讓后抗”和“先抗后讓”兩種不同的支護(hù)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行剖析,得出金川高應(yīng)力碎裂圍巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的核心是讓與抗的時(shí)間,而讓與抗的時(shí)間,關(guān)鍵在于對(duì)高應(yīng)力碎裂圍巖變形特性與釋放過(guò)程有正確的認(rèn)識(shí)和深刻理解。
在大量前人研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,隨著對(duì)金川礦區(qū)的開(kāi)采技術(shù)條件認(rèn)識(shí)得逐漸加深,其巷道支護(hù)技術(shù)逐漸發(fā)展成熟,形成一套行之有效的理論和方法,在整個(gè)礦區(qū)得到推廣和應(yīng)用。
采礦工程是一個(gè)多步驟的開(kāi)挖過(guò)程,每次開(kāi)采都會(huì)對(duì)臨近的工程產(chǎn)生復(fù)雜的影響,也就是會(huì)處于加載或卸載的變化狀態(tài),由于巖體特征不同,其空間效應(yīng)也不同,尤其是對(duì)金川的不良巖層應(yīng)予以重視,因?yàn)榻鸫ú涣紟r層具有重塑性和應(yīng)變軟化特征。巷道布置除考慮地質(zhì)條件和工藝要求外,還應(yīng)做好以下兩點(diǎn):
(1)巖層的陡緩和巖層走向與巷道軸線的交角,要避免緩傾角和小交角,盡可能使其大于30°。
(2)調(diào)整巷道軸線方向,盡量使側(cè)壓力系數(shù)接近于1,這樣可使巷道均勻受壓,對(duì)發(fā)揮巖石強(qiáng)度十分有利。
根據(jù)不同的圍巖狀況,給出不同的支護(hù)型式,現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)揭開(kāi)的巷道圍巖狀況,酌情考慮各種支護(hù)型式。
1)雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)
雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)適用于完整性較好的混合巖、較穩(wěn)固的巖體地段。2次支護(hù)均采用錨桿- 金屬網(wǎng)- 噴射混凝土,第1次支護(hù)隨掘進(jìn)工作面推進(jìn),待巖體放壓后,實(shí)施第2次支護(hù)。錨桿排距、間距一般為1.0 m×1.0 m,緊固段采用輥軋直螺紋,并配套相應(yīng)的加厚螺帽,以確保錨桿的整體強(qiáng)度;錨桿采用水泥砂漿全長(zhǎng)錨固;巖體破碎時(shí),可適當(dāng)減小排距及間距,增加錨桿數(shù)量。噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25,采用濕噴技術(shù);每次支護(hù)厚度為100 mm;封底混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30;一般應(yīng)與第2次支護(hù)同時(shí)進(jìn)行。
2)噴錨網(wǎng)+錨注+鋼筋(素)混凝土支護(hù)
支護(hù)型式適用于完整性較差的混合巖及巖性變化的交界等穩(wěn)固性較差地段。第1次支護(hù)采用錨桿- 金屬網(wǎng)- 噴射混凝土,隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)。錨桿錨固劑優(yōu)先采用砂漿錨桿,巖體異常破碎、變形速率高的地段,采用樹(shù)脂藥卷全長(zhǎng)錨固,每根錨桿放置2塊墊板,以改變墊板的受力狀態(tài)。
待巖體放壓后,實(shí)施第2次支護(hù),即單層鋼筋混凝土+注漿?;炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30,厚度一般為350 mm。注漿錨桿采用直徑為32 mm,壁厚6 mm的無(wú)縫鋼管制作,采用純水泥漿液,水灰比為0.6~0.8:1。封底混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30,一般應(yīng)與第2次支護(hù)同時(shí)進(jìn)行。局部遇巖體破碎易冒落段,可增加超前支護(hù)或鋼拱架支護(hù)。
3)噴錨網(wǎng)+鋼筋混凝土+錨注+錨索+封底錨桿支護(hù)
支護(hù)適用于完整性極差、穩(wěn)固性極差的軟弱巖層地段。第1次支護(hù)采用錨桿- 金屬網(wǎng)- 噴射混凝土,錨桿排距、間距一般為0.8 m×0.8 m,錨桿采用樹(shù)脂藥卷全長(zhǎng)錨固,每根錨桿放置2塊墊板,以改變墊板的受力狀態(tài)。
待巖體放壓后,實(shí)施第2次支護(hù),即注漿+中長(zhǎng)錨索+封底錨桿和350 mm厚的單層鋼筋混凝土。封底錨桿長(zhǎng)1.8 m,中長(zhǎng)錨索的長(zhǎng)度6.0 m,索體由兩根直徑為15.24 mm的鋼絞線組成或直徑28 mm的精軋螺紋鋼;中長(zhǎng)錨索要采用全長(zhǎng)錨固式,水泥砂漿灌注;鋼絞線錨索由QLM15- 2型夾片式錨具鎖緊,精軋螺紋鋼錨索采用與之相配套的螺母鎖緊。注漿錨桿采用直徑為32 mm,壁厚6 mm的無(wú)縫鋼管制作,采用純水泥漿液,水灰比為0.6~0.8∶1。封底混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30,一般應(yīng)與第2次支護(hù)同時(shí)進(jìn)行。局部遇巖體破碎易冒落段,可增加超前支護(hù)或鋼拱架支護(hù)。
4)噴錨網(wǎng)+鋼管混凝土支護(hù)
支護(hù)適用于受采動(dòng)影響較大、變形嚴(yán)重、普通支護(hù)效果較差、返修頻次較高的巷道。第1次支護(hù)采用砂漿錨桿- 金屬網(wǎng)- 噴射混凝土- 鋼管混凝土支架聯(lián)合支護(hù)。噴錨網(wǎng)隨掘進(jìn)工作面推進(jìn)實(shí)施,隨掘隨支,鋼管混凝土支架可滯后架設(shè),但不應(yīng)超過(guò)工作面10 m。噴射混凝土厚度為100 mm,強(qiáng)度等級(jí)為C30,錨桿體緊固端要求采用輥軋直螺紋,采用砂漿錨桿。鋼管混凝土支架采用直徑為219 mm的無(wú)縫鋼管制作,安裝鋼管混凝土支架時(shí),應(yīng)保證鋼管混凝土支架緊貼支護(hù)體,鋼管混凝土支架安裝完畢后,采用砂漿錨桿對(duì)支架進(jìn)行錨固,支架安裝錨固后,向空鋼管支架內(nèi)灌注混凝土,灌注混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,確保鋼管支架內(nèi)混凝土充滿后方可停止灌注,鋼管混凝土支架間使用連桿連接。第2次支護(hù)采用噴錨網(wǎng)支護(hù),在2架鋼管混凝土支架中間施工一排錨桿,其他支護(hù)參數(shù)同第1次支護(hù)。鋼管混凝土支護(hù)時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巷道變形情況,第2次支護(hù)也可采用單層鋼筋混凝土支護(hù)+內(nèi)注式注漿錨桿。
1)巷道斷面
調(diào)整巷道斷面形狀,以適應(yīng)原巖應(yīng)力場(chǎng)。直墻半圓拱在金川礦區(qū)應(yīng)用最為廣泛,當(dāng)巷道圍巖較差時(shí),部分采用圓形或橢圓形斷面;底鼓嚴(yán)重的區(qū)域,在底部增加圓弧返拱以增加巷道的穩(wěn)定性。
金川主要巷道的斷面規(guī)格在滿足巷道使用功能的基礎(chǔ)上,預(yù)留一定圍巖收斂變形的空間,留變形量與巷道圍巖性質(zhì)及其所處的地應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān),根據(jù)金川多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn),一般預(yù)留150~300 mm。雖然初期投資少量增加,但降低了后期維護(hù)返修的成本。
2)時(shí)間因素
基于巖石的蠕變性能,使用年限不同的巷道采用不同的支護(hù)方式以滿足其在服務(wù)年限內(nèi)安全使用。分層聯(lián)絡(luò)道使用年限較短,以噴錨網(wǎng)支護(hù)為主;分段道和中段巷道使用年限較長(zhǎng),根據(jù)圍巖條件的不同分別選用不同的支護(hù)方式。
二次支護(hù)時(shí)間建立在讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,當(dāng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性不能滿足深部高應(yīng)力巷道圍巖工程的地壓釋放要求時(shí),就需要調(diào)整二次支護(hù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)大變形地壓釋放,實(shí)現(xiàn)讓壓支護(hù)維護(hù)巷道穩(wěn)定性的控制目的。如果二次支護(hù)過(guò)早,巷道讓壓不夠充分,支護(hù)結(jié)構(gòu)需要承受較大的變形地壓。如果二次支護(hù)太遲,圍巖變形釋放超過(guò)圍巖的允許變形值,使圍巖松弛進(jìn)入散體地壓狀態(tài),則應(yīng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行支護(hù),支護(hù)壓力達(dá)到最小狀態(tài),不僅有利于維護(hù)圍巖的自承能力,而且還有效降低圍巖的地壓。根據(jù)金川多年來(lái)的經(jīng)驗(yàn),一般二次支護(hù)在一次支護(hù)后30 d實(shí)施。
1)控制圍巖應(yīng)力
巷道開(kāi)挖后,巖層中的原始應(yīng)力狀態(tài)隨之變化,巷道周邊巖體即圍巖發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移和釋放,導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)二次應(yīng)力,控制圍巖的二次應(yīng)力分布和蠕變變形,是巷道支護(hù)的難點(diǎn)和解決圍巖穩(wěn)定最值得注意的問(wèn)題。通過(guò)在碹體后面充填爐渣灰,或使用臨時(shí)小巷道放壓、待壓跨后再修建正規(guī)斷面巷道,或采用長(zhǎng)、短錨桿調(diào)整圍巖應(yīng)力等卸壓法控制圍巖應(yīng)力,使圍巖二次應(yīng)力小于圍巖二次強(qiáng)度,支護(hù)體剛度大于圍巖二次強(qiáng)度,使巷道支護(hù)取得良好效果。
2)輥軋直螺紋錨桿技術(shù)
錨桿桿體采用輥軋直螺紋,其緊固端螺紋采用滾軋加工技術(shù),即用輥工具進(jìn)行擠壓,使金屬塑性變形而形成螺紋的方法。這樣加工成的錨桿尾部強(qiáng)度高,從而提高了噴錨網(wǎng)支護(hù)的整體支護(hù)效果。
3)雙層錨桿托板
錨桿支護(hù)采用雙層墊板,即在原有墊板外側(cè)放置一塊同樣厚度但尺寸較小的墊板,以改變墊板的受力狀態(tài),有效提高成套錨桿的承載力。
4)錨固劑
金川巷道支護(hù)常用的錨固劑有水泥砂漿、快硬水泥藥卷和樹(shù)脂藥卷三種。針對(duì)節(jié)理裂隙發(fā)育的圍巖,推薦使用水泥砂漿;圍巖比較破碎,需要支護(hù)體快速起作用則優(yōu)先使用樹(shù)脂藥卷。
金川礦區(qū)地應(yīng)力高、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育導(dǎo)致礦巖破碎,表現(xiàn)出巖塊強(qiáng)度高、巖體強(qiáng)度低等特點(diǎn)。金川巖體的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的破壞機(jī)理和破壞模式起控制作用,導(dǎo)致巖體整體特性是“散”而不是“軟”,其巖體在低應(yīng)力環(huán)境下發(fā)生松散垮冒,而在高應(yīng)力環(huán)境中則顯現(xiàn)碎脹蠕變。自建礦以來(lái),巷道工程的穩(wěn)定性維護(hù)一直困擾金川鎳礦的采礦生產(chǎn),礦山的巖石力學(xué)和巷道支護(hù)技術(shù)研究一直伴隨采礦生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)幾代巖石力學(xué)工作者的努力,金川礦區(qū)高應(yīng)力碎裂圍巖支護(hù)技術(shù)逐漸趨于成熟,礦山返修費(fèi)用自2015年以來(lái)逐年降低,為金川礦山深部巷道支護(hù)和類(lèi)似礦山的巷道支護(hù)提供了一定借鑒和參考。