董亚宁 李国平 孙茂贵 殷登才

(安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司,安徽 马鞍山 243111)

钟九铁矿隶属于安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司,其二期建设工程是复杂地层中的一项典型工程。 矿区水文地质条件复杂,矿床顶、底板是以姑山组和周冲村组为主,矿区围岩主要由Ⅳ类基岩组成,岩体完整性较差,岩石硬度系数为2～9,为软弱岩组。 目前,该矿工程副井正在施工井下开拓工程,其中-550 m 水平4#与6#交岔点、中央变电所及水泵房硐室已完成初步施工。 在变电所施工过程中,揭露的围岩相对较稳定,加之修复及时,整体未发生大面积的喷混凝土开裂现象。 然而在2022 年8 月2 日水泵房1.2～2.7 m 掘进过程中顶板及右肩部发生岩层冒落,采取了喷浆封闭冒落区、锚网索喷支护等措施,对冒落区围岩进行了注浆加固;9 月19 日,水泵房27 m左肩处在锚索钻孔施工过程中发生涌水,涌水量达4.2 m3/h,对23～27 m 处顶板围岩进行了注浆加固及封水施工;9 月27 日,29 m 处掘进过程中左侧顶板再度出水,涌水量达到7.5 m3/h,造成顶板局部冒落范围达3 200 mm×1 000 mm×1 200 mm(长×宽×高),喷混凝土封闭后,对冒落段进行锚网索支护,并对该区域顶板进行注浆封堵及导水处理。 目前,水泵房上部及第1 次拉底施工结束,平均高度为5.2 m;前0～20 m 完成第2 次拉底,平均高度为7.5 m。 由于水泵房断面跨度大且围岩破碎,加之周边水仓爆破扰动,导致-550 m 水平中央变电所与水泵房连接处的顶帮围岩出现不同程度的开裂、变形、沉降,甚至有冒落的风险。 针对上述问题,本研究结合现场调查及相关理论分析,充分融合帷幕注浆与锚索支护技术优势,提出了帷幕注浆—长锚索联合支护技术,通过设计详细的技术方案,并进行数值建模耦合分析,验证其科学性和有效性。

1 支护与加固总体思路

针对-550 m 水平中央变电所与水泵房连接处的工程特点,提出采用帷幕注浆—长锚索联合支护与加固技术,如图1 所示。 方案总体思路为:① 在中央变电所及水泵房连接斜坡处前后5 m 范围内进行顶帮围岩的壁后注浆加固,作为后续帷幕注浆的止浆垫。② 在中央变电所及水泵房连接区域的中间位置设置木垛防止施工作业过程中发生顶板冒落;③ 在中央变电所临近连接处5 m 处的硐室内设置注浆孔,以一定的角度施工钻孔,通过帷幕注浆加固连接处15 m范围内的顶帮围岩,以提高其整体性与承载能力。④ 对中央变电所与水泵房连接处15 m 及其前后5 m范围内施加加强锚索补强,再对其进行扩刷。 ⑤ 加固完连接处之后,再对中央变电所和水泵房顶帮围岩均进行深浅孔—高低压耦合注浆加固。 对于尚未拉底的区域,待浆液凝固形成整体结构后,再对其底板进行拉底处理,然后对拉底区域进行锚网喷与注浆加固。 ⑥ 经过一段时间(20～30 d)后,如果中央变电所和水泵房硐室围岩变形较小且趋于稳定,则进行全断面锚网喷加强支护,并砌筑底板设备基础;如果中央变电所和水泵房变形较大、稳定性较弱,则进行全断面钢筋混凝土砌碹(包含底板设备基础)加强支护,确保硐室围岩长期稳定。

图1 中央变电所及水泵房连接斜坡处加固方案示意(单位:mm)Fig.1 Schematic of the reinforcement scheme of the central substation and the connecting slope of the pump room

2 技术方案与参数设计

2.1 连接处前后5 m 范围壁后注浆加固

根据变电所与水泵房硐室断面实际情况,在巷道帮部和顶部打孔,安装注浆管,并进行喷浆封闭;而后采取全断面壁后注浆方式对硐室顶帮围岩进行加固,从而形成对围岩与原锚杆和锚索支护的再加固,提高锚固结构的可靠性。 注浆孔间排距为1 500 mm×1 400 mm。 注浆管使用ϕ38 mm 钢管制作,规格为ϕ38 mm×500 mm,采用风钻打眼,孔径ϕ45 mm,孔深5 000 mm。 注浆管构造如图2 所示,全断面注浆孔布置如图3 所示。

图2 注浆管及止浆塞剖面示意(单位:mm)Fig.2 Schematic of the profile of grouting tube and stopper

图3 连接处前后5 m 全断面注浆孔布置(单位:mm)Fig.3 Layout of 5 m full section grouting holes before and after the joint

喷射混凝土强度等级为C20,配合比为1 ∶2 ∶2,掺3%～5%速凝剂,厚度约30 mm,保证注浆管孔口外露长度不少于30 mm,以便于后期进行注浆加固[1-3]。

注浆采用单液水泥—水玻璃浆液,水泥使用42.5 级普通硅酸盐水泥,水灰比控制在0.8～1.0,水玻璃掺量为水泥用量的3%～5%。 浆液结石率不低于92%,浆液固结体强度不低于20 MPa,注浆压力控制在2.0 MPa 以内,保证喷层不发生开裂[1-3]。

2.2 连接处15 m 范围帷幕注浆加固

为了对中央变电所及水泵房连接斜坡处的顶帮围岩与支护结构进行修复式加固,使其产生的裂隙及空洞得到有效充填,从而使连接处的顶帮围岩和支护结构形成一个加固帷幕体,并为下一步进行加长预应力锚索加固提供施工条件,有必要在中央变电所端对连接处开展帷幕注浆加固[4-6]。

注浆钻孔前端安装2.0～3.0 m 长孔口管,孔口管安装段钻孔直径为130 mm,孔口管采用ϕ108 mm的无缝钢管制作,后期同时作为注浆管使用,注浆时外接ϕ108 mm 变ϕ32 mm 的变径管;孔口管的管尾位置设置两道止浆垫片,下管时用麻丝、棉纱缠紧。注浆钻孔及复孔延伸时直径为89.0 mm。 固管止浆通过注双液浆反向扩散来实现。 为保证注浆效果,宜将孔口管制作成花管,孔口管孔口300～500 mm 为实心管、端头1 500～1 700 mm 为带孔花管(孔口管设若干溢浆孔,孔径为ϕ8 mm,孔距为0.5 m,按梅花形排列)。 注浆管细部构造如图4 所示。

图4 注浆管及止浆塞剖面示意(单位:mm)Fig.4 Schematic of the profile of grouting tube and stopper

沿孔口管扫孔,第1 组浅孔距离连接处2 m 左右,深度控制在11. 0 m 左右,切向轮廓线倾角约45°,从而保证孔底落在距离连接处顶板5 m 左右。逐孔注浆加固后,开展第2 组深孔施工。 第2 组深孔距离连接处1 m 左右,孔深约17.0 m,切向轮廓线倾角约30°,确保孔底落在距离连接处顶板5 m 左右,如图5 所示。

图5 中央变电所—水泵房连接处帷幕注浆布孔(单位:mm)Fig.5 Layout of the curtain grouting holes at central substation-water pump room connection

注浆过程中的主要技术参数设计为:渗透注浆材料以高渗透性、高强度的水泥浆液为主,可采用42.5级普通硅酸盐水泥,根据现场情况尽量将水灰比设定为0.5～0. 6,掺加水泥量0. 7%的NF 高效减水剂。浆液的结石率不低于95%,强度不低于30 MPa。 为避免高压注浆造成围岩破坏,施工时注浆压力宜控制在5.0～8.0 MPa,横向加固范围可以控制在5.0 m 左右[1-2]。

2.3 连接处15 m 范围长锚索加强支护与扩刷

本研究采用ϕ18.9 mm×12 000 mm 端锚式锚索对变电所与水泵房连接处15 m 范围内进行预应力锚索加强支护,孔径为ϕ28 mm,间排距为1 500 mm×1 500 mm;采用1 卷快速2350 型和2 卷中速2350 型树脂药卷加长锚固;锚索极限承载力为353 kN,设计锚固力为280 kN,张拉预应力为设计锚固力的20%左右,为后续锚索变形留有充足的空间;用高球形托盘(300 mm×300 mm×15 mm(长×宽×高)和专用锚具与设备进行张拉、固定和切割,尾部配高强度锚具,如图6 所示。

图6 中央变电所—水泵房连接处锚索布置(单位:mm)Fig.6 Layout of anchor cables at the junction of central substation and water pump house

锚索支护完成后,需要对硐室连接处的围岩进行扩刷施工,直至达到设计断面尺寸。 扩刷过程中需及时清理外露锚索,并利用加长锚索及时进行二次预应力锚固,结合锚喷支护实现对围岩的有效控制。

3 数值模拟验证

3.1 超前帷幕注浆效果

基于多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics,以实际工程尺度构建多孔介质注浆模型。 由于超前帷幕注浆孔在岩体中是以一定的倾角和切向角进行施工的,是一群空间直线,因此在基体内的注浆作业选择三维模型进行分析。 本研究建立尺寸为50 m×50 m×50 m 的三维多孔介质模型,按照设计的钻孔布置进行注浆孔建模。 共建立了超前注浆孔31个,设计孔径10 cm,并达到设计孔深,如图7(a)所示。 模型采用了自由三角形网格划分,共划分成101 996 个单元,平均单元质量达0.66,网格单元质量合格,如图7(b)所示。

图7 数值模型Fig.7 Numerical model

根据技术方案设计,首先对一序孔进行注浆模拟,如图8(a)所示。 由浆液扩散范围可以看出,一序孔注浆主要在连接处浅部形成了加固帷幕,能够保证工作面后续注浆作业安全稳定。 然后进行二序孔注浆模拟,如图8(b)所示。 二序孔注浆与一序孔注浆的帷幕相互结合,在连接处顶板及两帮形成了大范围的加固帷幕,极大地改善了连接处的围岩性质,为后续长锚索支护施工奠定了基础[7-13]。

图8 浆液扩散示意Fig.8 Schematic of slurry diffusion

3.2 整体支护效果

本研究采用有限差分软件FLAC3D[13-15]模拟分析不同回采阶段中锚杆(索)支护下的采矿进路围岩变形、应力以及塑性区演化规律。 模型四周限制法向位移,底部固定,顶部根据工作面埋深施加边界荷载,利用Cable 单元模拟长锚索,分别模拟了支护前后连接处的围岩响应[11-12]。 数值计算模型如图9 所示,中央变电所与水泵房连接处的竖直位移云图、最大主应力云图以及塑性区云图如图10 所示。

图9 数值计算模型Fig.9 Numerical calculation models

由图9 和图10 可知:未进行支护的围岩竖向位移、最大主应力以及塑性区范围较大;而进行支护后,竖向位移、最大主应力减小,塑性区范围也大幅减小,施工条件得到了明显改善,说明长锚索发挥了有效的作用。

4 结 语

为有效解决安徽钟九铁矿-550 m 水平中央变电所与水泵房连接处的围岩破碎与顶板冒落问题,提出了帷幕注浆—长锚索联合支护技术。 对支护技术方案及相应的关键技术参数取值进行了合理设计,并采用数值模拟耦合分析技术,论证了所提技术方案的有效性与科学性,对于类似矿山围岩支护加固有较好的借鉴意义。