錨索在崩落法轉(zhuǎn)充填法開采隔離層支護中的應用

王奇?zhèn)?/p>

(武鋼資源集團有限公司)

錨索在崩落法轉(zhuǎn)充填法開采隔離層支護中的應用

王奇?zhèn)?/p>

(武鋼資源集團有限公司)

某地下鐵礦山試行崩落法轉(zhuǎn)充填法開采，過渡期對隔離層穩(wěn)定性有高強度要求，采用錨索高強度的支護方式，有效解決了該隔離層的穩(wěn)定性問題，保障了礦山安全生產(chǎn)。

錨索支護 崩落法轉(zhuǎn)充填法 隔離層

長期以來，由于礦體埋藏條件、設備能力和開采經(jīng)濟性等因素限制，我國地下鐵礦山大多采用崩落法或空場法開采。然而，隨著地下鐵礦山塌陷區(qū)越來越大，尾礦庫擴容越來越多，以及國家對提升礦產(chǎn)資源利用率和加強礦山環(huán)境保護的要求不斷提高，礦山土地征用及搬遷成本迅速增加，礦山面臨的環(huán)保和生產(chǎn)成本增加的雙重難題日益顯現(xiàn)。為此，部分地下鐵礦山嘗試由崩落采礦法轉(zhuǎn)為充填采礦法。如河北鋼鐵石人溝鐵礦、馬鋼和睦山鐵礦、武鋼大冶鐵礦等[1]。

為實現(xiàn)崩落法向充填法的平穩(wěn)過渡，綜合考慮礦山生產(chǎn)礦量平衡和施工安全的條件下，開采過程中保留一定厚度的隔離層，該礦層在充填法開采首中段全部完成后才采用無底柱分段崩落法進行回采。過渡期內(nèi)隔離層上部崩落法開采，下部充填法開采，在沒有穩(wěn)固巖層提供懸吊支點的薄層狀巖層中，可利用錨索拉力將地層組合起來，形成組合梁結(jié)構(gòu)進行支護，保存較長時間。為此，需根據(jù)巖體的穩(wěn)固情況采取高強度的支護手段，防止隔離層在此期間受到嚴重破壞，最終實現(xiàn)礦山采礦方法的順利過渡。

1 錨索支護技術

1.1 錨索支護技術的發(fā)展

錨索支護已有90多a的歷史，最早于1934年在阿爾及利亞舍爾法大壩的加固工程中應用，并獲得成功。1970年以后，隨著錨索理論的不斷發(fā)展，錨索支護技術有了新的發(fā)展。近幾十年來，我國的錨索技術研究和使用也得到了長足的進步，1980年以來，許多有色金屬礦采用錨索作為充填法采場頂板的預先支護[2]，一些煤礦也采用錨索作為煤系地層和穿層斜巷的巷道支護，均取得了良好效果。錨索支護[3]示意見圖1。

圖1 錨索支護示意圖[3]

1.2 錨索支護機理

錨索結(jié)構(gòu)與普通砂漿錨桿基本相同，但長度大于砂漿錨桿，且鉆孔直徑大，通過向礦巖中已鉆好的中深孔放入一根或多根鋼絲繩或鋼絞線，向孔中注入水泥砂漿，實現(xiàn)錨固作用。錨索錨固范圍大，通過多根組合，可以實現(xiàn)多種支護作用，國內(nèi)外比較公認的是擠壓理論、懸吊理論和減跨理論。

1.2.1 擠壓加固拱理論

主要體現(xiàn)在預應力錨索中，松散巖石在預應力作用下圍繞每根錨索的周圍形成一個兩頭帶圓錐的筒形擠壓區(qū)或壓縮應力區(qū)，在系統(tǒng)排列的錨索群中，這些擠壓區(qū)或壓縮應力區(qū)便組成了一個具有相當寬厚的均勻壓縮加固帶(如圖2所示)，相當于一種承載結(jié)構(gòu),可支承相當大的載荷。

1.2.2 懸吊理論

巷道開挖之后，巷道中部分區(qū)域的巖層可能發(fā)生松動和破裂，錨索錨入巖體內(nèi)部后，利用其較強的抗拉能力將松軟巖層懸吊于深部穩(wěn)定的巖層之上[5]，如圖3所示。

圖2 錨索擠壓理論應力場示意[4]

圖3 懸吊理論示意

1.2.3 減跨理論

當巷道頂板為層狀巖層時，錨索穿入巖層內(nèi),增加頂板組合巖層的支點，縮短梁或板的跨距，減小其中因橫力而產(chǎn)生的彎距及因彎距產(chǎn)生的彎曲應力，從而有效減小頂板整體變形程度，提高頂板的整體穩(wěn)定性[6]，如圖4所示。

圖4 減跨理論示意

2 工程應用

2.1 工程概況

國內(nèi)某礦山目前采用無底柱分段崩落采礦法，隨著開采深度的加深，礦山地表塌陷區(qū)警界線日益擴展，尾礦存儲量日益增加，給礦山帶來了征地、拆遷補償、尾礦庫庫容告急等一系列難題。在綜合考慮技術、成本及經(jīng)濟效益后，該礦嘗試將使用充填采礦法，并選擇西Ⅰ區(qū)25線(東)～19-1線(西)-368～-396 m水平的701、703礦塊為充填試采區(qū)域，其中-354 m水平以上采用無底柱分段崩落法，-368 m 水平以下采用階段空場嗣后充填采礦法。為確保本次設計范圍內(nèi)礦體的安全生產(chǎn)，同時考慮崩落采礦法與充填采礦法的銜接，設計在充填法礦塊之上預留一個分段(高度14 m)的頂柱作為隔離層，701礦塊采至-354 m水平，703礦塊采至-368 m 水平(如圖5)，待試采礦塊充填后，運用無底柱分段崩落采礦法對隔離層進行回收。

工程初期，采用噴錨網(wǎng)方式對9#進路進行全進路支護，但是因地質(zhì)條件較差和錨桿長度過短、支護作用范圍小等原因，出現(xiàn)了較大面積垮冒(如圖6)，影響了工程施工進度和作業(yè)安全。

圖5 充填采場剖面示意

圖6 9#進路現(xiàn)場垮冒

2.2 支護方案

為有效提高隔離層的穩(wěn)固性，防止上部崩落法松散覆蓋巖層貫通下部充填區(qū)(如圖7所示)，引起廢石混入、沖擊氣壓和井下泥石流等重大災害事故，研究采用錨索支護，施工中以1 m為間隔，交叉輔以錨桿聯(lián)合支護，防止隔離層內(nèi)巷道頂板脫落。

圖7 充填采場礦石隔離帶冒穿剖面示意

2.2.1 支護參數(shù)

按照組合梁理論,錨索支護采用上向扇形布置，排距2 m，每排分布5根錨索；為加強錨索的作用范圍和相鄰進路錨索的聯(lián)合效應，錨索邊孔設計為±25°和±45°，深度要求相鄰巷道錨索對接；錨桿支護包括邊幫及頂幫，采用雙中心扇形布局，排距2 m，與錨索隔排施工。具體支護形式和參數(shù)分別如圖8和表1所示。

圖8 錨索及錨桿支護布置

表1 錨索及錨桿支護參數(shù)

2.2.2 材料選擇

(1)錨索?；趶姸?、延展性、松弛值和價格4項指標，及便于運輸與安裝的考慮，工程中常見的錨索材料有鋼絲、鋼絞線以及精軋螺紋鋼筋。根據(jù)不同材料的特點和本支護工程的指標要求，選用φ18 mm(1×7)型鋼絞線。

(2)注漿。選用普通硅酸鹽水泥、中細河沙及水組成，水灰比0.38～0.5，灰砂比(質(zhì)量比)為1∶1，使用攪拌機井下現(xiàn)場攪拌。

2.3 支護施工

在-368 m水平采準進路，按照設計方案從進路端部礦體上盤交界帶開始沿巷道由內(nèi)向外，每2 m 間距布設1排扇形錨索，并在錨索排前后1 m間距位置布設一排扇形錨桿，直至礦體下盤礦巖交界帶。選用141臺車鉆孔，風動注漿機錨孔注漿，按照施工準備、造孔、錨索(桿)制作與安裝、注漿、錨索(桿)張拉鎖定與封錨的標準工序逐排施工，施工過程中嚴格遵守相關作業(yè)規(guī)程，確保施工質(zhì)量。

2.4 支護效果

支護施工完成后，對隔離帶巷道頂板進行了數(shù)月跟蹤檢查，隔離層穩(wěn)定，層內(nèi)進路輪廓完好，沒有出現(xiàn)明顯開裂或冒落情況，隔離層下部可形成穩(wěn)定的充填空場，保障了井下現(xiàn)場出礦和充填作業(yè)安全，錨索支護作用明顯，實現(xiàn)了預期效果。

3 結(jié) 語

地下礦山在崩落法轉(zhuǎn)充填法過渡期中，預留的隔離層的穩(wěn)定性對于新采礦方法實施和礦山安全生產(chǎn)有重大影響。通過對隔離層施加高預應力錨索-錨桿組合支護，很大程度上提高了巖體支護強度和支護范圍，提升了深部巖體的承載能力，有效地控制了巷道圍巖的變形，為下部充填空場的形成和充填提供了安全保障。錨索支護技術具有施工簡單、工期短、錨固范圍大、錨固力強的優(yōu)點，能夠充分發(fā)揮其擠壓、懸吊、減跨及組合梁作用，并且施工過程中注入孔內(nèi)的砂漿沖入巖體風化層的節(jié)理、裂隙，與破碎帶風化層形成一體，自身穩(wěn)固性得到提高，對“三下”開采、露天轉(zhuǎn)地下等礦山領域的頂板支護，有著很好的借鑒意義。

[1] 江 兵，吳 珊.大冶鐵礦崩落法轉(zhuǎn)充填法過渡區(qū)開采技術研究[J].有色金屬：礦山部分，2014,66(3)：23-25.

[2] 劉斯忠，王洪江，吳愛祥，等.破碎軟巖中長錨索支護參數(shù)設計及其應用[J].銅業(yè)工程，2013(2)：29-32.

[3] 俞德慶.應用長錨索加固技術提高礦巖自支承能力[J].有色礦山，2011,30(6)：4-7.

[4] 王金華,康紅普，高富強.錨索支護傳力機制與應力分布的數(shù)值模擬[J].煤炭學報，2008,33(1)：1-6.

[5] 侯 琴.錨索支護理論及參數(shù)確定方法探討[J].山西建筑，2006,32(21)：88-90.

[6] 王瑞星，孫洪洲，劉志義.基于松散介質(zhì)理論長錨索支護網(wǎng)度優(yōu)選[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014,538(2)：141-142.

2015-05-20)

王奇?zhèn)?1985—)，男，經(jīng)濟師，助理工程師，430080 湖北省武漢市青山區(qū)建設六路107號。