復雜條件下的地下工程施工技術

1工程及工程地質概論1.1南南工程施工困難望兒山黑山項目的地下開發采用北翼主縱軸和南翼回風井兩側的單一翼開采模式。工程于1996年10月開始進行建設,1998年6月南風井在-230m和-310m兩水平中段拉開52m、58m左右巷道后,因井下涌水量過大,導致工程施工速度緩慢,施工成本居高不下和建設單位工程投資大幅度增加等方面的原因,而暫時放棄了南風井一側的平巷開拓工程施工,最后由主豎井一側在-310m水平實施與南風井的貫通施工。此后,南風井一直處于淹沒狀態,井筒中最高水位達300余米。貫通工程采用了井下鉆孔放水、巷道直接貫通的施工方案,如圖1所示。當主回風巷道(即貫通巷道)施工至距原設計貫通點48m位置時,不慎揭露一張性斷裂,斷裂內大量涌水從巷道頂板涌出,導致工程施工受阻而暫停施工。安全快速通過該斷裂區域,是保證望兒山金礦南風井及早順利貫通的關鍵,也是該礦南風井貫通工程實施時首先遇到的技術難題。筆者作為該礦南風井貫通工程的前期技術負責,提出并負責實施了巷道強行通過、引水封堵構造、巷道永久支護和注漿堵水并加固巷道圍巖的施工工藝。1.2含導水斷裂治理在相關科研院所的合作下,南風井貫通工程重新恢復施工,在首先對-310m水平主井側回風巷已施工的210m巷道的三處涌水點進行了注漿封堵后,展開了對巷道工作面所揭露的含、導水斷裂的治理工作。經現場編錄,該斷裂為一張性斷裂,走向約340°左右,傾角近于直立,寬度約300～400mm左右,斷裂內地下水從巷道頂板涌出,涌水量約60～70m3/h。斷裂兩側巷道圍巖裂隙較發育,破碎帶影響帶范圍內巖石破碎,承載力低。2巷道圍巖加固在對工程地質條件現場進行勘察后,經過認真分析,對工作面前方采用3m長釬桿進行了探水作業,發現探測長度范圍內沒有新的出水點,且巷道圍巖特性趨于好轉,決定采用巷道強行通過、引水封堵構造、巷道永久支護和注漿堵水并加固巷道圍巖的施工工藝。2.1巷道進尺控制巷道強行掘進分兩步驟進行。第一步:按1.5m×1.8m規格小斷面向前掘進巷道,巷道進尺控制在1.5～2m左右,直至穿過構造影響帶(本工程僅施工了1.5m左右);第二步:按光爆要求對小斷面巷道刷大至設計掘進寬度與高度。2.2巷道頂板注漿及泄水壓力由于地下水全部從巷道頂板揭露的構造涌出,涌水量達60～70m3/h,因而構造封堵難度很大。經現場分析,在距構造約1.5m左右的位置,以與水平面夾角為45°～50°的方向采用7655型鑿巖機施工3個直徑為42mm的引水孔。引水孔穿透構造后,按注漿要求在引水孔中安裝注漿孔口管。在構造下方搭建工作平臺。然后將一根下端裝有球閥的直徑為50mm(長約1.2m)的鋼管置入構造內部并用木楔固定牢固。然后,將不同規格的木楔采用碎布片包裹后,排緊依次釘入構造內,直至構造開口部位全部用木楔封閉,大部分涌水從三個引水管及?50mm的鋼管中流出。利用一個引水管作為注漿孔口管,連接好注漿管路及設備,對構造進行注漿封堵。注漿時,由于構造采用木楔封堵后,木楔之間仍存在一定的間隙,注入構造的漿液會在水流的沖刷下從木楔的間隙中流出,故對構造的封堵注漿須采用水泥-水玻璃雙液漿,并采用間歇式注漿方式,以促使漿液提前凝固,減少被水流沖出的漿液量。當木楔間的水流量急劇減小,并有較濃的漿液流出時,即可采用連續注漿方式繼續注漿,若?50mm的鋼管中有漿液流出時,立刻關閉鋼管下端的球閥繼續注漿。當剩余兩個引水管中有漿液流出時,即可停止注漿作業,拆除注漿管路,并利用構造內涌水的自身壓力,疏通注漿管,使三個引水管全部實現引水的功能,以降低水壓對巖體作用力。經過6d的緊張施工,巷道頂板的集中出水構造被封住,泄水達到了要求。但因破碎帶范圍巖石破碎,待注體不能承受頂水注漿壓力,故決定先對破碎帶影響范圍的4m巷道實施永久支護,然后進行頂水注漿作業,達到對構造及涌水徹底治理的目的。2.3支架及混凝土澆筑為加快施工速度,考慮到巷道支護后的頂水注漿壓力較大,對于該段巷道的永久支護設計了型鋼混凝土支護結構。該支護結構是以型鋼支架代替普通鋼筋混凝土中的鋼筋而形成的支護材料,對巷道圍巖實施有效支護,其具體結構與施工工藝如下:進行引水封堵構造期間,先按圖2所示的結構與尺寸,采用15kg/m的鋼軌提前加工支架。為便于加工運輸,按圖示位置將支架加工為三個部分,支架的拱形部分與立柱部分在現場組裝時可采用螺栓與夾板固定的方式,或是直接采用焊接方式,將三部分聯結成整體。在巷道走向上,按0.7～1.0mm的間距布設支架,兩兩支架間以?14～16mm的圓鋼拉桿相連,拉桿的間距不小于1.0m,以保證支架群的整體穩定性為原則。支架安裝結束后,在支架內側按照巷道設計凈寬度,在支架上采用8號鐵絲綁扎木板作為混凝土澆筑模板。為保證巷道凈寬,可在巷道兩側第一層木板之間,按巷道凈寬減去2倍的木板厚度的長度設橫撐,以防止混凝土澆筑時擠壓木板而最終導致支架立柱底部向內移動。隨著木板綁扎高度的不斷加大,按照每澆筑300mm高度混凝土,用振動棒振搗一次的順序,使巷道兩側的混凝土澆筑高度同時升高。模板綁扎時,要注意在巷道拱基線以上采用寬度較小的木板,以利于巷道成形。巷道拱頂部分澆筑時,要注意以下兩方面的問題:1)木板綁扎時,要注意調整木板寬度,盡量使引水注漿管及巷道拱頂的壁后注漿管從兩塊木板的縫隙中穿過,并使管口露出木板100～150mm,以便于后續的注漿作業。在注漿管穿過的部位要按照注漿管的直徑在木板邊上割出缺口,既保證注漿管能夠穿過,又不致澆筑混凝土時漏漿;2)混凝土澆筑時,應自最終封口處,按由遠及近的方式進行,并保證混凝土的最小厚度控制在350～500mm。對于混凝土澆筑面以上的空區,應盡量采用掘進廢石塊堆放接頂,以減少壁后注漿時的漿液消耗量,縮短壁后注漿時間。混凝土在施工現場配制,強度等級為C20。為提高其早強性,縮短注漿等待時間,應按水泥用量的3%～5%摻入混凝土早強劑。2.4砂漿注注法暫時堵塞巷道的壁后注漿與頂水注漿作業均采用2TGZ-60/210型雙液高壓柱塞式注漿泵,漿液攪拌采用自制的0.5m3立式攪拌桶進行。2.4.1巷道支護注漿巷道永久支護結束后3d,利用永久支護時預埋的壁后注漿管,對于巷道頂部空區所堆放的碎石及剩余的空區進行固結和充填。為保證碎石固結和空區充填的效果,巷道壁后注漿時要注意以下方面問題:1)仔細觀察支護襯體兩端,特別是巷道拱基線以上部位混凝土與巷道圍巖的結合程度,對于結合不好的部位,要進行“糊縫”處理,或是采用噴射混凝土進行封閉;2)注漿時要根據注漿管埋入巷道頂板以上的高度,按照由低到高的次序依次注漿。當埋入高度較高的一個注漿管有漿液泄出時,停止注漿,關閉注漿孔閥門,改由有漿液泄出的注漿管繼續注漿,直至注漿結束;3)注漿漿液以單液水泥漿為主,水灰比采用1∶1。注漿結束的標準以最后一個壁后注漿管注漿時,注漿壓力達到2～3MPa為標準。2.4.2管口支護注漿和壓力注漿壁后注漿結束后第三天,即可對構造實施頂水注漿,徹底封堵涌水。由于支護前所引出的六根引水注漿管在構造內相互導通,利用其中的一根引水注漿管進行注漿即可。注漿過程中,為降低初期注漿時的注漿壓力,提高注漿速度,剩余的五個注漿管口的球閥不予關閉,讓其自由泄水,當該五個注漿管口有漿液泄出時,即可迅速關閉球閥,繼續保持注漿,直至注漿結束。頂水注漿時要注意:1)注漿前,要先關閉全部引水注漿管上的閥門并維持0.5h以上,其目的一是觀察巷道支護部位及其附近有無新的出水點。若有新的出水點出現,則必須先對其進行處理后再進行注漿作業,以防注漿時產生“跑漿”;二是進行靜水壓力測定。壓力測定時,可利用管口閥門安裝壓力表或是連接好注漿管路和設備,直接利用注漿設備上的壓力表進行,但前者測定的壓力較準確,后者誤差較大(偏小);2)注漿過程中,采用水灰比為1∶1單液水泥漿連續注漿直至注漿結束。注漿結束的標準為注漿壓力達到靜水壓力的2～3倍并在此壓力下維持注漿3～5min。當漿液消耗量過大或長時間達不到注漿終止壓力時,可采用水泥——水玻璃雙液漿進行注漿。頂水注漿結束3d后,即可恢復巷道的掘進施工。巷道施工時施工中一定要遵循“有疑必探,先探后掘”的原則,采取必要的探水作業。同時,為保護已經取得的成果,爆破作業一定要采取“多打眼、少裝藥”的方式,降低爆破震動。3強化施工方法與經驗巷道強行通過、引水封堵構造、巷道永久支護和注漿堵水并加固巷道圍巖的施工工藝在望兒山金礦南風井貫通工程中的應用,不僅成功解決了該貫通工程施工中所遇到的一大技術難題,而且為類似復雜條件下的地下工程施工提供了可借鑒的施工方法與經驗。1)對于已揭露含、導水構造采用巷道直接通過構造的