李曉飛 陳楨宇 趙興東

（1.山東黃金集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

深部開拓過程中，已揭露巷道受爆破振動影響，可產(chǎn)生隱蔽含有高壓水的破碎構(gòu)造帶導(dǎo)通。由于巖體極其松軟破碎，且破碎帶中含水時，極易引起突水事故的發(fā)生和巷道頂板的持續(xù)垮冒，給施工人員帶來嚴(yán)重的安全隱患。該類巖體一旦發(fā)生垮落則難于控制，垮落后的空間常常遠(yuǎn)大于設(shè)計巷道尺寸，難于維護(hù)，更加劇了巖體的破碎程度。針對這一問題，國內(nèi)外工程技術(shù)人員開展了大量的研究。目前，針對穿過高地壓、高溫、高壓涌水的破碎構(gòu)造帶的方法可分為改善圍巖自身受力和直接對圍巖提供輔助支護(hù)兩大類，而改善圍巖自身受力的支護(hù)方法中針對上述復(fù)雜地質(zhì)條件的方法主要采用注漿支護(hù)，但當(dāng)前較成熟的傳統(tǒng)水泥注漿技術(shù)成本高、效率低、勞動強(qiáng)度大［1］。由此可見，對含水破碎段治理及支護(hù)方式是深井施工面臨的一項問題。

本研究在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)之上［2］，總結(jié)當(dāng)前技術(shù)經(jīng)驗，學(xué)習(xí)研究國內(nèi)外針對穿過高地壓、高溫、高壓涌水的破碎構(gòu)造帶的新技術(shù)、新理論和新方法，提出復(fù)雜地質(zhì)條件“化學(xué)漿封堵淋水+U型鋼+化學(xué)漿加固空區(qū)”支護(hù)方案新技術(shù)，解決高壓含水破碎巷道施工難度大的問題。

1 工程背景

焦家金礦焦家分礦斜坡道下掘，14中段運輸巷、14中段配電室、14中段石門巷等工程多處出現(xiàn)頂幫大面積涌水情況，并隨著工程的延伸不斷新增，涌水量合計約150.88 m3/h，采場范圍內(nèi)主要為裂隙滲透水，無涌水，局部有淋水現(xiàn)象，對巖石的穩(wěn)固性有一定影響。圖1為其中一個淋水點示意。

2 巖石力學(xué)調(diào)查

在出水點前后各20 m處進(jìn)行巖石力學(xué)調(diào)查工作［3］，采用測線法進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)收集，見圖2，由巖石力學(xué)工程師對測線法測得的相關(guān)參數(shù)結(jié)果，運用RMR巖石質(zhì)量分級方法對淋水點附近巖石進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分類［3］。

2.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD

RQD值為測線法測得超過10 cm完整部分的長度總和與測線總長度比值［4］，可以廣泛應(yīng)用于評價巖體的完整性。對現(xiàn)場巷道測量來說，該方法簡單可靠，可有效評估巖體質(zhì)量［4］，將不同區(qū)域分析得到的RQD值填入相關(guān)表1中。

2.2 節(jié)理調(diào)查結(jié)果

對巷道周邊巖石情況、周邊環(huán)境以及圍巖情況進(jìn)行調(diào)查，將調(diào)查結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場節(jié)理分析，各區(qū)段巖體調(diào)查點、節(jié)理裂隙見圖3。

3 化學(xué)注漿堵水

-630 m大巷運輸巷道巖石整體破碎，涌水量較大。為保證巷道穩(wěn)定，在對大出水點進(jìn)行了水泥注漿后，頂板小裂隙淋水和滴水難以處理，整個巷道淋水量約為30 m3/h，為此設(shè)計了化學(xué)漿封堵淋水，化學(xué)漿采用聚氨酯類HK9105和LW化學(xué)注漿素材［5］。施工工具采用ZBQS氣動雙液注漿泵?；瘜W(xué)漿封堵淋水方案措施：采用YT-28風(fēng)動鑿巖機(jī)進(jìn)行打孔，通過打孔找到裂隙水源，孔深1.5 m為大約裂隙深度，然后埋設(shè)孔口管，將裂隙水堵住。然后根據(jù)裂隙水情況，進(jìn)行化學(xué)漿封堵淋水先施工頂板注漿孔，然后施工兩幫注漿孔，對裂隙進(jìn)行有效封堵。

對淋水量較大的出水點，加固破碎帶四周時需要謹(jǐn)慎處理，防止化學(xué)漿堵水后因裂隙導(dǎo)通使水源擴(kuò)散到別處，增加堵水處理難度。如果出水點或預(yù)留引水管位置破碎，則需在完好巖壁打引水泄壓孔，制造可控出水通道，同時封堵處理原破碎出水點，再進(jìn)行高壓灌漿封堵。

4 化學(xué)注漿支護(hù)

4.1 第一階段的U型鋼加固

巷道頂板雖然經(jīng)過化學(xué)注漿封堵加固，但在深部高應(yīng)力作用下頂板仍然可能出現(xiàn)塌方，為保證施工安全［6］，對該巷道進(jìn)行U型鋼支護(hù)，要求U型鋼支護(hù)間距為1 m/架，為保證車輛正常施工，其中高度4 200 mm，寬度4 400 mm，U型鋼支架截面厚度200 mm，半圓拱半徑2 000 mm，柱腿高度1 800 mm，柱窩深度200 mm。

4.2 第二階段的化學(xué)漿支護(hù)

選用廊坊鑫美源化工建材有限公司生產(chǎn)的井下注漿聚合物（美多寶），利用原材料A、B組份混合膨脹的原理對空區(qū)進(jìn)行充填，材料自動膨脹到位，對任何一個裂隙自動回填，可以使膨脹材料與巖體及U型鋼結(jié)合為一個整體，性能穩(wěn)定。而且專用材料抗靜電阻燃效果極佳，膨脹后不會縮小，經(jīng)久耐用，數(shù)年后不會腐爛，遇明火不燃，無毒無害不會產(chǎn)生有害氣體，充填主要材料為酚醛樹脂［7］，井下空區(qū)使用有效膨脹率在10倍左右，黏結(jié)強(qiáng)度大于＞0.5 MPa，阻燃性能為不燃。

施工工藝為首先對U型鋼支架頂部用土工布及金屬網(wǎng)進(jìn)行密封，然后向空區(qū)內(nèi)注入環(huán)?；瘜W(xué)材料井下注漿聚合物（美多寶），由內(nèi)到外逐步注入直到空區(qū)完全充實。通過該工藝可充填加固已支護(hù)U型鋼支架上部空區(qū)的巷道，使其頂板不再發(fā)生變化，提高巷道穩(wěn)定性［8］。

通過在高壓含水破碎段運用高效注漿堵水新技術(shù)，迅速封堵淋水后，采用U型鋼+化學(xué)漿加固空區(qū)，在破碎巖體內(nèi)人工形成了一個穩(wěn)定的頂板，可有效防止松動塊的塌落，改善圍巖的受力狀態(tài)，提高深部開拓工程的施工進(jìn)度。方案的工藝示意見圖4。

5 效果

為了對該中段運輸大巷注漿加固后的破碎巖體整體穩(wěn)定性進(jìn)行有效評價，在巷道頂板進(jìn)行了鉆孔取芯工作［9］。通過鉆孔取得的巖心可以看出化學(xué)漿封堵淋水不僅僅起到了封堵涌水的作用，還對破碎巖體起到了一定的加固作用，見圖5。采用化學(xué)漿加固U型鋼支護(hù)空區(qū)，從取樣結(jié)果來看，整個空區(qū)充填均勻，具有一定的強(qiáng)度，屬于柔性支護(hù)，使得巷道頂板整個破碎巖體性能得到了提高?；瘜W(xué)漿液在空區(qū)進(jìn)行膨脹形成的聚合物具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，經(jīng)過點荷載試驗儀進(jìn)行實驗，計算的其抗壓強(qiáng)度達(dá)到52 MPa，且黏聚性比較好，能夠承受較大應(yīng)力，不產(chǎn)生變形破壞。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

6.1 工業(yè)試驗地點

根據(jù)確定的焦家金礦高壓含水破碎段采用化學(xué)注漿堵水與支護(hù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗，驗證所提出支護(hù)方案的合理性。選取附近巷道，該巷道與原巷道距離30 m，涌水情況，巖石主要技術(shù)參數(shù)基本一致。

6.2 工業(yè)試驗結(jié)果

在-630 m運輸巷采用“化學(xué)漿封堵淋水+U型鋼+化學(xué)漿加固空區(qū)”方案施工結(jié)束（圖6）后，在巷道頂板1、2，兩幫1、2，安裝6處巷道圍巖收斂變形監(jiān)測系統(tǒng)，對巷道圍巖進(jìn)行收斂變形觀測，評價支護(hù)效果［10-11］。該巷道施工完畢后對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，開始進(jìn)行支護(hù)方案的現(xiàn)場工業(yè)試驗，巷道收斂變形監(jiān)測周期為2019年12月30日—2020年2月8日，共計約1個月。

圖7顯示了加固空區(qū)前后收斂變形監(jiān)測斷面頂板和兩幫監(jiān)測結(jié)果。從圖中曲線可以看出，在巷道施工中，起點為進(jìn)行封堵淋水后，巷道兩幫及頂板變形量逐步增大，當(dāng)采用U型鋼支護(hù)后直至化學(xué)漿加固空區(qū)，巷道基本處于穩(wěn)定，但2 d后巷道兩幫及頂板仍出現(xiàn)變形，變形量約為5 mm，兩幫約為2 mm。當(dāng)采用化學(xué)漿加固空區(qū)后，兩幫及頂板基本趨于穩(wěn)定。整個過程可以看出最大變形量為6 mm出現(xiàn)在兩幫，頂板圍巖最大變形量為25 mm。自2019年12月30日—2020年2月8日，該巷道進(jìn)行化學(xué)漿封堵淋水+U型鋼+化學(xué)漿加固空區(qū)支護(hù)后，巷道中所設(shè)的監(jiān)測點的圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，并在后期監(jiān)測中一直保持穩(wěn)定，圍巖累計變形量不再增加。由此可以得出結(jié)論，該支護(hù)方式以及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)的選取能夠有效保證焦家金礦高壓含水破碎帶構(gòu)造頂板兩幫在一定時期的穩(wěn)定性。

7 結(jié)論

采用環(huán)保的化學(xué)材料替代水泥對涌水點進(jìn)行注漿，效率高、成本低，同時在注漿范圍破碎巖體內(nèi)人工形成了一個穩(wěn)定的頂板，形成一個人工假頂。在破碎不規(guī)則巷道，采用U型鋼支架后，會形成不同大小的空區(qū)，因工期原因往往不能及時澆筑，導(dǎo)致U型鋼支架難以最大限度承受荷載，使其不能將作用發(fā)揮最大，當(dāng)頂板來壓，容易出現(xiàn)塌方，導(dǎo)致U型鋼毀壞。用改性聚氨酯注漿材料填充U型鋼支架空區(qū)不僅速度快而且改善了圍巖本身的力學(xué)性能，使得U型鋼與化學(xué)漿材料及周邊巖體形成一體，提高了圍巖的自支撐能力。另一方面，改變U型鋼支護(hù)的狀態(tài)，使得U型鋼被填充層均勻地加壓，使得周圍的巖石填料與U型鋼可以形成共同的載體。通過壁后填充，減少了巷道圍巖的應(yīng)變速率，使巷道變形得到了有效的控制。改性聚氨酯注漿材料的填充不僅填充壓實，而且效果好，施工過程簡單，技術(shù)要領(lǐng)易于掌握，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，加快了開挖速度。

通過化學(xué)漿封堵淋水+U型鋼+化學(xué)漿加固空區(qū)方案新技術(shù)，在迅速堵水后，于破碎巖體內(nèi)人工形成了一個穩(wěn)定的頂板，提高巷道穩(wěn)定性。同時能夠節(jié)約注漿成本、降低排水電耗。