超前錨桿預(yù)支護(hù)在梅山鐵礦軟巖巷道的應(yīng)用

鹿　魁

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

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超前錨桿預(yù)支護(hù)在梅山鐵礦軟巖巷道的應(yīng)用

鹿魁

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

摘要在礦山井巷施工中，經(jīng)常要穿過松軟巖層、斷層及破碎帶，由于巷道頂板松散破碎，圍巖自穩(wěn)時(shí)間極短，往往一掘即冒，為有效約束圍巖在爆破后的一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生坍塌,從而為工程正常開挖和系統(tǒng)支護(hù)提供安全的作業(yè)時(shí)間，在梅山鐵礦二期延伸工程軟巖巷道施工中，采用超前錨桿預(yù)支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道頂板提前進(jìn)行加固，在其保護(hù)下進(jìn)行后續(xù)開挖、出渣和襯砌等作業(yè)，有效避免了巷道冒頂事故的發(fā)生?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，實(shí)施超前錨桿預(yù)支護(hù)對(duì)于提升松軟破碎巖石巷道施工安全和加快施工進(jìn)度具有顯著作用和重要意義。

關(guān)鍵詞軟巖巷道超前錨桿預(yù)支護(hù)循環(huán)進(jìn)度

梅山鐵礦是目前國內(nèi)最大的黑色冶金地下礦山之一，屬于礦漿貫入、氣液交代型鐵礦床，賦存于梅山短軸背斜N W冀的輝長閃長玢巖與安山巖的接觸帶內(nèi)。礦體頂板為矽化、高嶺土化輝石安山巖及凝灰?guī)r，底板為輝長閃長玢巖，由于受殘余氣液交代作用影響，巖石具有強(qiáng)烈的硅化、碳酸鹽化、高嶺土化、黃鐵礦化，尤其高嶺土化使巖體強(qiáng)度明顯降低，容易失穩(wěn)。礦區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖具有不同程度的破碎，巖體整體性較差。隨著開采深度的加大，地壓顯現(xiàn)日益嚴(yán)重。礦山二期延伸工程北風(fēng)井-405 m水平1#通風(fēng)石門巷設(shè)計(jì)凈斷面寬4.5 m,高3.6 m，三心拱，1/3拱高，巷道圍巖為硅化、黏土化凝灰?guī)r，f=4～6，受斷層控制，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，整體性差，爆破后數(shù)小時(shí)即出現(xiàn)垮冒，給施工安全帶來極大影響。

1超前錨桿預(yù)支護(hù)機(jī)理

超前錨桿預(yù)支護(hù)機(jī)理：超前錨桿與破碎體組成一個(gè)中間部位剛度極低的梁，而沿巷道周邊的這種梁，在變形過程中調(diào)整上部破裂塊體，使其形成三維拱殼結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖自承能力，形成人為拱效應(yīng)，達(dá)到預(yù)支護(hù)的目的[1]。在推進(jìn)方向上，各錨桿的作用范圍相互疊加，形成支承拱，并隨巷道向前推進(jìn)而推進(jìn)，從而使超前錨桿群形成一個(gè)整體，增加了超前錨桿群對(duì)巷道圍巖的支承能力。

2超前錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)北風(fēng)井-405 m水平1#通風(fēng)石門巷具體工程地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工狀況及支護(hù)要求選取超前錨桿及支護(hù)參數(shù)。

2.1錨桿種類

超前錨桿可采用鋼筋水泥砂漿錨桿或縫管式錨桿，根據(jù)現(xiàn)場使用情況，選擇梅山鐵礦基建巷道支護(hù)中普遍使用的全長黏結(jié)型鋼筋水泥砂漿錨桿，其具有適用范圍廣、成本低、取材便利、易推廣的特點(diǎn)。為了盡早發(fā)揮超前錨桿的預(yù)支護(hù)作用，采用早強(qiáng)砂漿作為錨桿桿體與巖層孔壁的膠結(jié)物。

2.2錨桿材質(zhì)

為提高錨桿的錨固力，桿體材料采用20MnSi Ⅱ級(jí)建筑用左旋無縱筋螺紋鋼，其表面有凹凸紋理，不需要做任何處理即能夠保證錨桿與錨固劑之間較高的黏結(jié)強(qiáng)度。Ⅱ級(jí)建筑螺紋鋼錨桿屈服強(qiáng)度為335 MPa，極限強(qiáng)度為510 MPa，普通Q235圓鋼錨桿屈服強(qiáng)度為240 MPa，極限強(qiáng)度為380 MPa，前者強(qiáng)度顯著提高。

2.3錨桿桿徑與錨孔直徑

對(duì)于全長黏結(jié)型鋼筋砂漿錨桿，桿體直徑一般為16～25 mm。選擇φ18 mm螺紋鋼錨桿，屈服力Ps=85 kN，平均破斷力Pb=129 kN。考慮到孔徑與桿徑的合理匹配，選擇錨孔直徑為40 mm,采用φ38 mm釬頭鉆鑿。

電壓變換電路的作用是將整流電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)供電所需的12 V直流電壓。電壓變換電路包括MOSFET功率開關(guān)管、功率二極管、脈沖發(fā)生器、儲(chǔ)能電感、濾波電容、負(fù)載等組成,其中負(fù)載選用10 Ω電阻,電路仿真模型如圖5所示。電路輸入端接整流電路輸出的直流電壓,輸出電壓加載在負(fù)載R上,通過測量儀表檢測負(fù)載兩端電壓電流情況。

2.4錨桿外插角及桿體長度

超前外插角過小，錨固體的抗彎強(qiáng)度減少，無法很好發(fā)揮“梁”的作用， 但如果外插角過大 ，則超前錨桿加固范圍 (控頂距) 會(huì)減少，同樣也會(huì)影響工程進(jìn)度。根據(jù)礦山現(xiàn)場情況，取15°～30°較為合適。

桿體長度應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、開挖循環(huán)進(jìn)度、外插角、鉆孔機(jī)械類型等因素綜合考慮確定[2]。可用下式估算：

(1)

式中，L為超前錨桿長度，m；α為錨桿外插角，根據(jù)1#通風(fēng)石門巷圍巖地質(zhì)條件，取25°；L1為循環(huán)進(jìn)度，根據(jù)圍巖條件和施工組織確定，一般每循環(huán)控制在1.5～2.0 m，取1.6 m；L2為桿體外露水平投影長度，取0.1 m；L3為桿體留在循環(huán)進(jìn)度外巖體中的水平投影長度，不宜小于0.4 m,取0.5 m。

計(jì)算得出L≥2.43 m，取L=2.5 m。

2.5錨桿布置

根據(jù)北風(fēng)井-405m水平1#通風(fēng)石門巷現(xiàn)場情況，超前錨桿沿拱基線以上巷道輪廓線按中線對(duì)稱布置。錨桿橫向間距為0.5 m，錨桿徑向間距(排距)為1.6 m，與循環(huán)進(jìn)尺相同，每環(huán)錨桿數(shù)量為13根。超前錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　北風(fēng)井-405 m水平1#通風(fēng)石門巷

3超前錨桿預(yù)支護(hù)施工

超前錨桿預(yù)支護(hù)施工工藝流程：交接班→頂板噴漿臨時(shí)支護(hù)→登碴打超前錨桿眼→安裝錨桿→出矸石→錨網(wǎng)永久支護(hù)→迎頭鉆炮眼→裝藥放炮→通風(fēng)→進(jìn)行下一循環(huán)。

超前錨桿施工需與光爆錨噴施工有機(jī)結(jié)合。超前錨桿預(yù)加固后，再進(jìn)行斷面開挖。

開挖采用光面爆破，盡量減少爆震裂隙和圍巖表面凹凸不平，避免應(yīng)力高度集中;必須做好爆破藥量控制，減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。爆破后進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)不少于30 min。待炮煙散盡后進(jìn)入工作面撬毛。撬毛結(jié)束，即對(duì)頂板進(jìn)行噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)，能及時(shí)對(duì)圍巖提供抗力，早強(qiáng)密貼，并可在噴入裂隙一定深度內(nèi)對(duì)巖體加固，抵抗巖石的剪切，提高圍巖的承載能力，有效防止圍巖松動(dòng)失穩(wěn)。為保證臨時(shí)支護(hù)效果，噴射厚度不得小于50 mm。

噴好拱后，登碴打超前錨桿眼，安裝錨桿。打眼時(shí)，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)孔位、深度和傾角進(jìn)行施工。錨桿安裝前，應(yīng)用高壓風(fēng)清孔，將孔內(nèi)的巖粉、碎屑吹干凈。砂漿的配合比直接影響著砂漿強(qiáng)度、注漿密實(shí)度。采用42.5級(jí)早強(qiáng)水泥，中細(xì)砂粒徑不應(yīng)大于2.5 mm，使用前過篩。施工時(shí)，水泥：砂控制在(1∶1)～(1∶1.2)，水灰比控制在0.38～0.45。水灰比過小，可注性差，也容易堵管，影響注漿作業(yè)；水灰比過大，桿體插入后，砂漿易往外流淌，孔內(nèi)砂漿不飽滿，影響錨注效果，尤其對(duì)于頂板超前錨桿更須注意。砂漿必須拌和均勻，隨拌隨用。為保證注漿質(zhì)量，采用先注后錨的方法，注漿時(shí)，注漿管應(yīng)插至距孔底50～100 mm，隨砂漿的注入緩慢勻速拔出，避免拔管過快而造成孔內(nèi)砂漿脫節(jié)，保證錨桿全長被足夠飽滿的砂漿所握裹。桿體插入后，若孔口無砂漿溢出，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)注。錨桿端部必須推至孔底，尾端露出巖面的長度不得大于150 mm。

超前錨桿打注完成后，出渣,噴墻，并在前一循環(huán)的超前錨桿加固處進(jìn)行按常規(guī)打徑向錨桿、掛金屬網(wǎng)、噴混凝土至永久支護(hù)厚度的噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，如此循環(huán)。

為保證施工安全，在進(jìn)行超前錨桿加固作業(yè)及后續(xù)作業(yè)時(shí)，安排專人時(shí)刻觀察頂板圍巖的變形情況。超前錨桿預(yù)支護(hù)示意見圖1。

4應(yīng)用效果

北風(fēng)井-405 m水平1#通風(fēng)石門巷破碎帶長30 m，實(shí)施超前錨桿預(yù)支護(hù)，循環(huán)進(jìn)度控制在1.6 m以內(nèi)，共設(shè)置超前錨桿21排，有效避免了巷道冒頂事故的發(fā)生，保障了施工安全；采用滾班作業(yè)，平均3 d 2個(gè)循環(huán)，1個(gè)月順利通過，加快了破碎帶施工進(jìn)度。超前錨桿采用淺孔鑿巖設(shè)備鉆孔，所需機(jī)械設(shè)備、材料沒有特殊要求，工藝簡單，取材方便，成本低。對(duì)破碎帶頂板提前加固，避免冒落，相比破壞后修復(fù)省時(shí)省工，經(jīng)濟(jì)效果好。

5結(jié)語

(1)實(shí)踐證明，實(shí)施超前錨桿預(yù)支護(hù)，能夠有效控制頂板變形，避免巷道冒頂事故的發(fā)生，對(duì)于提升松軟破碎巖石巷道施工安全和加快

圖1　北風(fēng)井-405 m水平1#通風(fēng)石門巷超前錨桿預(yù)支護(hù)示意(單位：mm)施工進(jìn)度具有顯著作用和重要意義。

(2)超前錨桿支護(hù)參數(shù)選擇、施工順序和施工質(zhì)量是超前支護(hù)成敗的關(guān)鍵，必須根據(jù)礦山工程實(shí)際選取合理的支護(hù)參數(shù)，并做好施工質(zhì)量控制工作。

(3)超前錨桿預(yù)支護(hù)適用于不含水或含水較小的松散破碎巖層；對(duì)于含水較大的松散破碎巖層，必須采取綜合防治水措施，盡量疏干后開挖，必要時(shí)采

取預(yù)注漿等加固措施。

參考文獻(xiàn)

[1]陶龍光，侯公羽.超前錨桿預(yù)支護(hù)機(jī)理的模擬試驗(yàn)與成拱力學(xué)模型研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，24(3)：35-42.

[2]周橋，高謙，許海濤.破碎帶工程圍巖超前錨桿加固外插角研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009(12)：1594-1598.

(收稿日期2015-12-28)

鹿魁(1972—),男，工程師,210041 江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)西善橋。