新城金礦深部全斷面錨網噴支護技術研究

郭良銀，安 龍

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438；2.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

金屬礦山開采是金屬重要的來源，把握著國民工業(yè)命脈[1]。近幾十年來，隨著金屬礦山的逐步開采，大部分淺部礦產資源被開發(fā)利用完畢，逐漸向深部開采是現在及未來礦產資源開發(fā)利用過程中的重要環(huán)節(jié)，也是實現綠色礦山、實現可持續(xù)發(fā)展的必然要求[2]。但是，目前金屬礦山深部開采仍存在很多難題，由于深部開采地應力過大，導致巷道斷面變形大、頂板下沉量大、片幫嚴重、巖爆事故，嚴重限制著金屬礦山的開采[3-5]。為了解決深部金屬礦山巷道變形嚴重的問題，國內外專家學者利用錨桿、錨索、錨網等多種方式混合支護控制深部巷道[6-9]。全斷面錨網支護由于價格低廉、支護效果好、安全性強等優(yōu)點被廣泛應用。但是全斷面錨網支護對錨桿預緊力和金屬網強度之間的耦合關系要求較高，所以正確認識全斷面錨網支護、優(yōu)化支護參數，對深部金屬礦山的開采具有重大意義[10-13]?；诖耍疚囊孕鲁墙鸬V為工程背景進行研究，預期減少成本，控制巷道變形，改進并提出了適合具體工程現場全斷面錨網噴技術參數。

1 工程背景

新城金礦是山東黃金集團有限公司單體生產規(guī)模最大的礦山之一，該礦山位于山東省萊州市境內。當前開采深度已達到-1 030 m，開拓深度接近-1 070 m。該礦山巖石具有典型的蝕變特征，其類型主要為鉀長石化、黃鐵絹英巖化和碳酸鹽化，并且還存在綠泥石、高嶺土化等。

隨著礦山開采深度的增加，特別是開采深度大于-900 m后，受高地應力以及相鄰采場頻繁爆破擾動影響，巷道圍巖變形明顯，破壞現象頻繁發(fā)生，極大程度地影響了巷道的穩(wěn)定性，為深部礦山安全高效回采帶來隱患。

通過現場實地踏勘，統(tǒng)計新城金礦深部巷道變形破壞特征可知，巷道開挖后，頂板圍巖破碎，錨網形成網兜，有整體下沉現象，局部下沉量較大；片幫現象嚴重，個別巷道出現整體垮塌，嚴重影響生產。分析新城金礦深部巷道圍巖變形破壞的特征與規(guī)律，得到以下結論。

1) 巷道所受地應力水平較高。閆振雄等[14]研究了新城金礦地應力特征，發(fā)現其具有以下特點：巖體垂直壓力與所處深度成正比，巷道埋藏越深，所受垂直應力越大；水平應力與地質構造運動有關，地質條件復雜的地區(qū)水平應力要明顯高于垂直應力；新城金礦-930 m及以下中段最大主應力均超過了30 MPa，-1 030 m中段最大主應力超過42 MPa，屬于較高地應力狀態(tài)；最大主應力方位角介于260°～285°之間，傾角在4°～16°之間，以水平構造應力為主。

2) 無法實現耦合支護。錨網支護作為一種主動支護方式，優(yōu)點是支護效果好、支護成本低、成巷速度快、斷面利用率高，但是很多情況下錨桿無法發(fā)揮出支護作用巷道就已經被破壞，其主要原因是巷道支護參數不合理，無法實現巷道圍巖與支護結構間的耦合支護，存在支護參數不合理使得錨桿附近圍巖脫落產生的錨桿錨空的現象；鋼筋金屬網強度和剛度較低，使得錨桿無法有效發(fā)揮作用，不能有效控制圍巖變形。

3) 原有支護結構不合理。原方案沒有對巷道圍巖的薄弱部位進行針對性結構補償，圍巖條件比較差，節(jié)理裂隙大量發(fā)育時，原有錨網支護質量無法保證，難以在巷道淺部圍巖形成穩(wěn)定、有效的承載結構，難以控制破碎圍巖巷道的急劇變形，最終巷道頂板下沉嚴重，兩幫破壞，無法滿足安全生產要求。

2 深部全斷面錨網噴支護技術研究

支護參數是影響錨網支護效果的重要因素，錨桿長度、錨桿預緊力等參數明顯影響錨網支護效果。為改善新城金礦深部錨網噴支護結構，獲得適合新城金礦深部地質條件的支護參數，采用FLAC3D數值分析軟件就錨桿長度和錨桿預緊力對錨網支護的影響展開模擬研究，并針對新城金礦深部工程特點，對原有工程軟弱位置加強支護，改善受力結構，為深部安全開采提供保障。開展室內和現場巖石力學試驗，得到了計算模型所需的圍巖物理力學參數見表1。參考文獻[15]給出樹脂錨桿材料的計算力學參數，見表2。

表1 圍巖物理力學參數Table 1 Principal and mechanical parameters of surrounding rock

表2 錨桿材料參數Table 2 Bolt mechanical parameters

2.1 錨桿長度對支護效果的影響

已有研究結果表明，對錨桿支護而言，錨桿長度在某種程度上將決定錨桿形成的承載結構的厚度。為分析錨桿長度對錨網支護承載結構穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D軟件5.0建立數值模型，對比研究錨桿長度為1.5 m、1.8 m、2.3 m、2.8 m時試驗巷道圍巖應力變化規(guī)律，不同錨桿長度下圍巖主應力分布云圖如圖1所示。當錨桿長度為1.5 m時，巷道淺部存在明顯低應力區(qū)，且圍巖表面出現拉應力，達到了0.94 MPa；隨著錨桿長度增加，巷道淺部低應力區(qū)范圍逐漸減小，圍巖表面拉應力減小至0.10 MPa。

圖1 不同錨桿長度下圍巖主應力分布Fig.1 Principal stress distribution of surrounding rock under different bolt length

不同錨桿長度下圍巖變形情況如圖2所示。隨著錨桿長度的增加，巷道頂板和兩幫的變形量呈現減小趨勢，其中，頂板變形量由37.86 mm減小至32.43 mm，頂板變形量由47.59 mm減小至40.26 mm。說明增加錨桿長度對錨固效果具有一定影響，但并非呈正比關系。錨桿長度增加可以改善圍巖的受力環(huán)境，除了可以限制巖體的徑向和切向滑移之外，通過將錨桿錨固端打入深部穩(wěn)固巖層，可以起到懸吊作用及組合梁作用。但是錨桿長度也不是越長越好，只要能夠保證錨桿錨固端可以越過松動圈或者破碎帶即可，既能起到錨固效果，又可兼顧經濟效益。

圖2 不同錨桿長度下圍巖變形量Fig.2 Deformation of surrounding rock under different bolt length

新城金礦現行支護方案中錨桿長度為1.5 m，經現場調查發(fā)現，試驗巷道存在諸多片幫地段，片幫深度超過錨桿長度，導致支護完全失效。新城金礦在后期支護中，根據工程情況試驗1.8 m和2.3 m錨桿，取得了較好支護效果。

2.2 錨桿預緊力對支護效果的影響

據統(tǒng)計，新城金礦深部錨網支護中錨桿間排距一般在1.0 m左右，但是許多錨網支護的巷道發(fā)生冒頂垮塌、片幫破壞時錨桿受力卻很小。經調查發(fā)現，這些巷道發(fā)生破壞并不是因為錨桿支護密度和錨桿強度不夠，預緊力不足是導致錨桿失效的重要因素。

在巷道圍巖中，錨桿由于受到拉、剪、扭等多種力的共同作用，加上受采動影響，其發(fā)揮作用的機理比較復雜。預緊力在錨網支護中的作用可總結為以下幾點：①提供足夠的表面支護阻力，限制圍巖早期變形、表面破壞，抑制圍巖剪脹變形的繼續(xù)發(fā)展；②預緊力通過錨桿作用于圍巖，阻礙圍巖巖體裂隙發(fā)育、增大滑移面摩擦阻力，可以有效提高破碎區(qū)圍巖巖體的整體性；③圍巖殘余強度同圍壓密切相關，通過增大錨桿預緊力增大圍壓可以有效增大巷道圍巖巖體的殘余強度；④施加合適的預緊力，可以使得支護體中錨桿和圍巖共同發(fā)揮作用，避免因受力不同步，無法形成統(tǒng)一的支護結構而被各個擊破，提高支護體的最大受力水平，達到耦合支護的效果。為了研究不同預緊力對錨網支護作用效果的影響，根據新城金礦深部的實際地質條件對預緊力分別為0 kN、30 kN、100 kN、200 kN不同情況的錨網支護巷道進行模擬，數值模擬結果如圖3所示。

由圖3可知，通過對錨桿施加預緊力，巷道表面圍巖拉應力減小。當預緊力由0 kN增加至100 kN時，巷道表面圍巖拉應力由0.21 MPa減小至0.16 MPa；當預緊力由100 kN增加至200 kN時，巷道表面圍巖拉應力沒有變化，其量值仍然為0.16 MPa。由此可知，當錨桿預緊力為100 kN時，錨桿錨固效果最好。

圖3 不同預緊力條件下最大主應力分布圖Fig.3 Distribution diagram of maximum principal stress under different pre-tightening conditions

2.3 斷面尺寸影響作用分析

新城金礦深部斜坡道及中分段大巷屬于大斷面拱形巷道，巷道尺寸為4.5 m×4.0 m，為了探究大斷面巷道相對于小斷面巷道的軟弱位置從而進行針對性支護，分別模擬3.2 m×2.8 m巷道和4.5 m×4.0 m巷道進行對比分析。不同斷面巷道圍巖主應力分布特征與塑性區(qū)分布特征如圖4和圖5所示。對比不同斷面巷道圍巖主應力分布圖可以發(fā)現，小斷面巷道淺部低應力區(qū)范圍明顯小于大斷面巷道，其圍巖表面拉應力為0.001 MPa，而大斷面巷道為0.010 MPa，這主要是由于大斷面巷道深部圍巖受到的開挖擾動更為劇烈。

圖4 不同斷面巷道圍巖主應力分布云圖Fig.4 Distribution nephogram of principal stress in roadways with different sections

圖5 不同斷面巷道塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plastic zone distribution map of roadways with different sections

由圖4可知，小斷面巷道幫部、頂板、底板塑性區(qū)深度分別為3.75 m、2.30 m、4.50 m，大斷面巷道塑性區(qū)深度分別為7.30 m、3.50 m、70.00 m，巷道四周塑性區(qū)范圍明顯增大，其中幫部塑性區(qū)增加的程度最大，頂板次之，底板最小，因此對于大斷面巷道支護時應針對性加強兩幫和肩窩位置的支護。

3 現場應用

根據樹脂模擬結果，結合現場實際施工條件，針對深部巖體高地應力破碎的現狀，在深部巷道掘進過程中，采用1.8 m樹脂錨桿Φ6 mm金屬網+噴漿的全斷面支護方式，在圍巖破碎區(qū)段，進一步優(yōu)化深部工作面聯(lián)合支護施工工藝：在破碎區(qū)域出渣前對頂板及兩幫素噴3～5 cm，出渣結束后繼續(xù)向前施工炮孔，并在素噴區(qū)域施工樹脂錨桿鉆孔；爆破后，對已素噴區(qū)域進行全斷面錨網噴支護(噴漿厚度10 cm)，并對新掘巷道素噴3～5 cm，工作面進入下一循環(huán)。通過優(yōu)化施工工藝，為施工人員提供全斷面支護作業(yè)條件，保證施工安全。

現場施工效果如圖6所示，采用新的支護方案后，巷道圍巖沒有發(fā)生明顯的變形和破壞，保持了巷道的穩(wěn)定性。

圖6 現場施工效果Fig.6 Site construction effect

4 結 論

1) 錨桿長度與錨桿錨固效果并非呈正比關系，當錨桿長度超過2.3 m時，錨桿錨固效果不再發(fā)生明顯變化，因而錨桿長度只要能夠保證錨桿錨固端可以越過松動圈或者破碎帶即可，既能起到錨固效果,又可兼顧經濟效益。

2) 預緊力不足是導致錨桿失效的重要的因素，當錨桿預緊力為100 kN時，錨桿錨固效果最好。

3) 小斷面巷道圍巖表面拉應力明顯小于大斷面巷道，且其破壞區(qū)范圍更小。

4) 根據數值模擬結果，結合現場實際條件，提出了全斷面錨網噴支護，從現場實踐結果可以看出，采用全斷面錨網噴支護方案后，巷道圍巖沒有發(fā)生明顯的變形和破壞，能夠保持巷道的穩(wěn)定性。