楊景華

(首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責(zé)任公司, 河北 灤南 063501)

0 引言

馬城鐵礦屬于新建采選一體的特大型充填法地下開采礦山，礦山設(shè)計(jì)年產(chǎn)量2 200 萬t，年生產(chǎn)精礦粉737.9 萬t，礦山于2015年2月份開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2023年底采選局部投產(chǎn)，2025年達(dá)到設(shè)計(jì)采選能力，目前正進(jìn)行地采井巷工程與選礦系統(tǒng)建設(shè)。礦山礦體為礦區(qū)頂板強(qiáng)孔隙含水層越流補(bǔ)給的裂隙大水礦床，礦區(qū)斷裂構(gòu)造破碎帶及裂隙發(fā)育，礦區(qū)水文地質(zhì)條件偏復(fù)雜，華北有色勘察院預(yù)計(jì)礦坑最大涌水量達(dá)7 m3/d，馬城鐵礦定位為大水礦山，含水層斷層構(gòu)造破碎帶及裂隙發(fā)育。在進(jìn)入Ⅱ號(hào)礦體巷道施工過程中，建設(shè)單位對(duì)富水區(qū)進(jìn)行探水、注漿作業(yè)，在探水過程中揭露部分巖段為破碎帶砂層，采用常規(guī)掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)難以通過破碎帶，因此需要對(duì)反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用。

1 工程地質(zhì)

馬城礦區(qū)地處灤河沖洪積扇頂部，礦體深埋于上百米厚的第四系松散堆積物之下，賦存于太古界單塔子群白廟組變質(zhì)巖中，礦體走向近南北，傾向西，傾角50°～60°，礦體為磁鐵石英巖，圍巖為混合花崗巖、混合巖、黑云變粒巖、輝綠巖等，均屬堅(jiān)硬脆性巖石。礦區(qū)地處司馬長(zhǎng)復(fù)式向斜褶皺帶中，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，各斷層均具多期次、重復(fù)性活動(dòng)特點(diǎn)，在強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)過程當(dāng)中，礦區(qū)地層巖性變化復(fù)雜，近NE向平行展布的F1、F3斷層規(guī)模較大，且對(duì)礦區(qū)主礦體均有穿插破壞作用，斷層帶巖石極度破碎，松散軟弱層厚度大，斷層影響帶較寬，且發(fā)育深度大，特別是F1、F3組成的復(fù)合影響帶富含基巖裂隙承壓水，且具較強(qiáng)的導(dǎo)水性，斷層及其影響帶增強(qiáng)了礦床與第四系之間的水力聯(lián)系，地下水具有較大的靜水壓力，2021年3月3#回風(fēng)井-540 m水平435 m處發(fā)生涌水量超1 000 m3/h巷道突水，突水點(diǎn)位距離F2斷層50m左右，現(xiàn)-540 m水平巷道掘進(jìn)工程已進(jìn)入基巖中等富水區(qū)，即將通過F2斷層及影響帶區(qū)域，區(qū)域水平長(zhǎng)度約200 m，在上述地質(zhì)條件下的掘進(jìn)工程，建設(shè)單位掘進(jìn)效率低，除采取長(zhǎng)探帷幕注漿治水措施外，還需采取超前管棚加固、反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)等措施。

2 巷道底鼓破壞及應(yīng)對(duì)措施

馬城鐵礦屬于大水礦山，隨著礦井向深部延伸，巷道圍巖的特征復(fù)雜多變，尤其當(dāng)巷道布置在構(gòu)造應(yīng)力高、圍巖軟弱、含有泥化膨脹成分、水害嚴(yán)重等復(fù)雜工程環(huán)境時(shí)，巷道支護(hù)異常困難，常規(guī)支護(hù)方法效果較差，同時(shí)巷道水災(zāi)害在巷道底板危害也逐漸顯現(xiàn)，如3#回風(fēng)井-900 m水平回風(fēng)石門在治水過程中，底板水害較頂板及邊幫更難以處理，極易出現(xiàn)巷道底鼓破壞，造成巷道變形及不易治理，因此在復(fù)雜工程環(huán)境的井巷工程施工，尤其要注重巷道底鼓破壞防治措施。

巷道底鼓破壞在采礦中常常使用“巷道底板涌水”或“底板巖層涌出”的概念進(jìn)行描述,按照前蘇聯(lián)采礦學(xué)者L.繆勒-薩爾茲堡的定義, 巷道底鼓是指由于水而引起的底板鼓出,特別是含有白云母-伊利石的粘士,當(dāng)其含水時(shí)體積增大,業(yè)內(nèi)稱之為底板膨脹。關(guān)于巷道底鼓國(guó)內(nèi)外許多專家提出了不同的看法，如前蘇聯(lián)的M·JI·茲包爾什奇克等認(rèn)為:巷道底板巖層突然鼓起是由于底板中塑性層對(duì)下部移動(dòng)的阻力,以及底板巖層暴露的面積與周長(zhǎng)的比例急劇變化時(shí)巖層儲(chǔ)存的彈性能釋放的結(jié)果造成;再如我國(guó)學(xué)者康紅普經(jīng)過分析計(jì)算得出結(jié)論,底鼓是由于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲,偏應(yīng)力作用下的擴(kuò)容,巖層自身的遇水膨脹。

查閱國(guó)內(nèi)外各種控制底鼓措施,提出治理措施如下:

1)在設(shè)計(jì)上盡量將巷道布置在遠(yuǎn)離地質(zhì)構(gòu)造帶或應(yīng)力集中區(qū)域。

2)控制施工期間的涌水,通過疏、堵、截措施，如工作面預(yù)注漿工程，減少水對(duì)巷道圍巖的侵蝕。

3)在巷道斷面設(shè)計(jì)上,從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),充分考慮巷道的變形量,力求最優(yōu)化。

4)采取科學(xué)合理的支護(hù)形式。支護(hù)強(qiáng)度也是影響底板鼓起的因素,一些巷道支護(hù)只注重巷道頂板與兩幫,未對(duì)底板進(jìn)行任何有效的支護(hù)。

3 反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)與施工工藝

本次課題調(diào)研以馬城鐵礦3#副井-570 m水平下盤沿脈運(yùn)輸巷(南)376～391 m掘進(jìn)段為例，重點(diǎn)從反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)和施工工藝兩個(gè)方面進(jìn)行研究與實(shí)踐。

3#副井-570 m水平運(yùn)輸巷(南)圍巖級(jí)別為II級(jí)，支護(hù)采用素噴支護(hù)形式，2021年7月7日-570 m水平下盤沿脈運(yùn)輸巷(南)377～380m工作面壓頂完成，爆破后工作面378～380 m 巖體破碎，巖體整體性差，有淋水現(xiàn)象。7月8日夜班頂板出現(xiàn)大面積冒落，冒落范圍377～379 m頂部，冒落最高處高出2.5 m，并且頂板巖石不穩(wěn)定，不間斷有冒落現(xiàn)象，巖體為混合巖，巖體破碎，含泥，有淋水現(xiàn)象。后現(xiàn)場(chǎng)勘察認(rèn)證，對(duì)工作面冒頂區(qū)進(jìn)行了注漿充填管棚加固?，F(xiàn)注漿充填管棚加固工程已經(jīng)結(jié)束，具備巷道掘進(jìn)條件，為確保施工安全，在地質(zhì)巖性勘探的基礎(chǔ)上，376～391 m為富水區(qū)軟弱破碎圍巖，為避免出現(xiàn)巷道變形，設(shè)計(jì)采用反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.1 反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)工藝，其包含掘進(jìn)過程中采用的超前導(dǎo)管支護(hù)、噴錨網(wǎng)加U型拱架加固、巷道全周砌碹(鋼筋混凝土)聯(lián)合支護(hù)方式，本支護(hù)形式適用于加強(qiáng)該段巷道支護(hù)的密閉防水性，同時(shí)抵抗巖體破碎帶對(duì)巷道的破壞，在含水層掘支該段巷道時(shí)，應(yīng)采用工作面預(yù)注漿的方式進(jìn)行止水，可以依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整超前管棚設(shè)計(jì)。

斷面設(shè)計(jì)為三心拱斷面，鋼筋混凝土支護(hù)，掘進(jìn)高度5 250 mm，掘進(jìn)寬度6 100 mm，巷道掘進(jìn)斷面面積28.05 m2，凈斷面20.43 m2，U型鋼支架采用29U型鋼支架，鋼支架間距1.0 m，鋼支架與拉桿之間采用焊接連接，金屬網(wǎng)布置鋼支架外側(cè)，網(wǎng)片規(guī)格為1 m×2 m，網(wǎng)格間距150 mm×150 mm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度100 mm。鋼支架固定采用低預(yù)應(yīng)力樹脂卷錨桿，錨桿規(guī)格為φ25 mm×1.0 m，每跨支架頂拱與墻部共15根，沿巷道縱向錨桿排距與支架間距相同，錨桿環(huán)向間距1.0 m，排距1.0 m。噴射混凝土采用C25噴射混凝土，支護(hù)厚度200 mm。砌碹(鋼筋混凝土)支護(hù)強(qiáng)度等級(jí)為C25(含底板)，支護(hù)厚度450 mm, 環(huán)向鋼筋采用φ25 mm螺紋鋼筋，材質(zhì)HRB400，間距200 mm, 縱向鋼筋采用φ22 mm螺紋鋼筋，材質(zhì)HRB400,間距200 mm,拉筋采用φ10 mm圓鋼,材質(zhì)HPB300，間排距400 mm×400 mm，鋼筋搭接采用鋼筋套筒連接時(shí)，要符合《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》JGJ107中有關(guān)規(guī)定的等級(jí)，鋼筋采用焊接連接時(shí)，搭接長(zhǎng)度10 d。拱部輪廓線布置超前鋼管管棚φ32 mm×3 mm，長(zhǎng)度4 m，角度10°～30°，環(huán)向間距0.3 m，每隔一架打注一排，管棚鋼管前部注漿孔徑6～8 mm，間距150 mm呈梅花形布置，尾部長(zhǎng)度不小于30 mm，鋼管充填入鉆孔后，使用1：1漿液進(jìn)行注漿充填加固。

圖1 反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖2 超前小導(dǎo)管施工示意圖

3.2 施工工藝

本著“有掘必探，先探后掘”的原則，工作面掘進(jìn)作業(yè)前需要進(jìn)行探水，探水作業(yè)采用工作面超前探水加“一探一掘、短探短掘”的方法進(jìn)行施工，運(yùn)輸巷破碎帶376～391 m掘支作業(yè)順序?yàn)榫蜻M(jìn)4 m，進(jìn)行3.0 m永久支護(hù)，破碎帶巖層施工采用鉆爆法掘進(jìn)，為保證巷道圍巖穩(wěn)定，采取短掘短支，控制空頂距為0.8 m以內(nèi)，每次爆破成巷控制1.0～1.3 m，爆破后進(jìn)行拱部錨網(wǎng)支護(hù)和工作面鋼支架架設(shè)，若掘進(jìn)中圍巖破碎較重，巷道圍巖松散，可適當(dāng)調(diào)整鋼支架間距。進(jìn)入破碎帶要進(jìn)行超前鋼管管棚支護(hù)，管棚深度4 m，每隔一架打注一排，即間隔2 m，交替超前支護(hù)，直到穿過破碎帶。

巷道掘進(jìn)4 m后，進(jìn)行鋼筋混凝土永久支護(hù)3.0 m，前方預(yù)留1.0 m左右，便于人員作業(yè)，破碎帶段進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)及進(jìn)行29U型鋼架的架設(shè)后，實(shí)施底拱施工及全斷面砌碹施工。底拱開挖砌碹澆筑后，先鋪設(shè)底板混凝土至標(biāo)高位置，再進(jìn)行底面以上墻部與拱部的混凝土施工，巷道澆注混凝土采用自制碹胎，兩碹胎間距1.5 m。按照設(shè)計(jì)要求配置相應(yīng)型號(hào)鋼筋，并在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)施工圖鋼筋表中各鋼筋式樣采用鋼筋斷切機(jī)、圍彎?rùn)C(jī)等機(jī)械進(jìn)行加工制作砌碹的鋼骨架，鋼筋連接采用鋼筋套筒連接，特殊區(qū)域采用綁扎連接，套筒連接或者焊接時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行，其中鋼筋綁扎搭接長(zhǎng)度為64 d，鋼筋焊接搭接長(zhǎng)度10 d，保證縱向鋼筋與環(huán)向鋼筋連接牢固，搭接長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求，綁定模板后實(shí)施巷道頂部與邊幫一體式澆筑工藝， 完成一個(gè)循環(huán)的反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)工序。反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)施工順序：清理底板至設(shè)計(jì)規(guī)格—綁扎底板鋼筋—澆筑底板混凝土—養(yǎng)護(hù)底板混凝土—綁扎墻部鋼筋—組立碹胎—支墻體、拱部模板—澆注墻體與拱部—拆碹胎、模板。

圖3 反底拱施工綁筋

圖4 全斷面砌碹綁筋支模

4 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證馬城鐵礦3#副井-570m水平下盤沿脈運(yùn)輸巷(南)376～391 m掘進(jìn)段反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)效果，在施工巷道長(zhǎng)15m內(nèi)采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道位移觀測(cè)，每隔5 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每20天檢查一次，共檢查3次，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在使用該方案治理后，巷道底鼓量顯著降低，最大底鼓量不大于50 mm，巷道變量與淋水問題得到了有效控制，加快了馬城鐵礦井巷工程建設(shè)的步伐。

5 結(jié)語

富水軟弱破碎圍巖掘進(jìn)工程是地下工程中最復(fù)雜的技術(shù)難題之一，本課題通過結(jié)合馬城鐵礦復(fù)雜地質(zhì)條件，分析底鼓產(chǎn)生機(jī)理，提出了反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，在馬城鐵礦3#副井-570 m水平下盤沿脈運(yùn)輸巷(南)376～391 m掘進(jìn)段進(jìn)行研究與應(yīng)用，通過觀測(cè)聯(lián)合支護(hù)效果，表明反底拱與砌碹聯(lián)合支護(hù)技術(shù)針對(duì)馬城鐵礦地質(zhì)條件是可行的，為馬城鐵礦富水軟巖支護(hù)技術(shù)提供了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)類似條件礦區(qū)也有借鑒意義。