施發(fā)伍，王貽明，劉曉輝，張晉軍，胡文達

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083;2.中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞，基特韋)

1 引言

中國有色集團非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦位于世界著名的贊比亞－剛果銅礦帶上，其由主礦體、西礦體以及東南礦體三個礦床組成，主礦體位于卡伏埃背斜西翼，謙比西－恩卡納盆地的北翼。礦體走向近東西，傾向南，傾角 15～75°，走向長約2280m。目前，主礦體已開采至地下900m，主要采礦方法包括上向分層充填法，分段崩落法以及嗣后充填法。其中，分層充填采礦法被應用于500m以上東區(qū)及500m～700m以西部分礦體，在開采過程中，由于上盤圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在采動影響、爆破震動以及地下水的作用下，極易導致頂拱的坍塌和上盤圍巖失穩(wěn)，單純的錨桿支護難以滿足要求，有效的頂板支護措施成為亟待解決的問題。

2 工程概況

2.1 開采技術條件及結(jié)構參數(shù)

目前，分層充填法采場主要集中于礦體500m～700m以西部分礦體。此區(qū)段內(nèi)礦體傾角小于55°，平均厚度3～10m，且位于剪切破碎帶內(nèi)，礦巖穩(wěn)固性較差，區(qū)段內(nèi)礦石品位一般高于3%，甚至達4%。礦體直接上盤圍巖是礦化泥質(zhì)板巖，該巖層厚度約10m，其巖性與礦體相近，穩(wěn)定性較差。直接下盤為礫巖，包括泥質(zhì)石英巖、卵石礫巖等，穩(wěn)定性較差。采場沿走向布置，長60m，每2個采場間留3m永久間柱，每2個采場為一個盤區(qū)。采場分層高度3.3m，每5個分層為一個分段，分段高度16.5m。回采進路沿礦體走向布置，斷面為3.6×3.3m，然后回刷至礦體水平厚度。

2.2 采場頂板冒落形式

根據(jù)地質(zhì)資料分析，謙比希礦體屬于沉積型礦床，其礦體和圍巖均為未風化的堅硬巖石，層理極其發(fā)育，層理面非常平整，其間充填有蝕變礦物，在水的作用下，將轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔谢佇裕瑹o任何強度的物質(zhì)，對巖層之間的穩(wěn)定起到一定的“潤滑”作用。在地壓活動、采動影響及爆破震動條件下，將造成巖層之間無剪切力作用。通過現(xiàn)場調(diào)查，采場頂板破壞形式主要表現(xiàn)為以下兩種:(1)在巷道剛開挖之后，由于傾斜層狀節(jié)理的存在以及與礦體走向正交節(jié)理的存在，剪切傾斜層狀節(jié)理，通常造成采場頂板出現(xiàn)倒楔形巖體冒落;(2)在層理發(fā)育的層狀巖體中，上盤圍巖巖體沿層理弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞，形成局部塌落，如圖1所示。

圖1 頂板破壞形式

2.3 支護現(xiàn)狀

礦山目前采取的支護方式主要為管縫錨桿+金屬網(wǎng)條支護，如圖2所示。現(xiàn)場支護效果表明，此種支護方式與區(qū)域內(nèi)巖體的破壞類型明顯不符，支護之后，由于節(jié)理裂隙切割巖體，同時受爆破震動及自重的影響，在錨桿周圍出現(xiàn)松散破壞，造成絕大部分錨桿“懸掛”在巖體表面，其支護作用不能得到充分發(fā)揮，如圖3所示。因此，探尋有效的頂板支護措施成為亟待解決的問題。

3 長錨索預錨固控頂技術

近年來，長錨索護頂技術不論在巷道還是在采場均得到越來越廣泛的應用[1－2]。會澤鉛鋅礦在頂板不穩(wěn)定的采場中應用長錨索護頂，基本杜絕了大塊冒落事故的發(fā)生，提高了礦石回收率[3]。南京棲霞山鉛鋅礦通過長錨索護頂，有效地控制了上向分層充填采場的頂板冒落問題，礦石回收率達到85%以上，礦石貧化率在3%以下[4]。此外，在紅透山銅礦，銅錄山銅鐵礦，金川等礦山，長錨索亦取得了明顯的應用效果[5]。由此，根據(jù)以上礦山實踐經(jīng)驗，結(jié)合謙比希礦具體情況，決定采用長錨索對礦體頂板圍巖進行預先錨固，從而提高采場頂板穩(wěn)固性，控制采場頂板冒落問題。

3.1 長錨索預錨固控頂原理

所謂長錨索預錨控頂，就是在礦塊回采之前，利用長錨索對礦體的頂板圍巖預先進行錨固，然后在其預先錨固的頂板圍巖下進行礦石的回采。由于長錨索是在頂板原巖應力狀態(tài)下錨固的，這就使得在礦塊開采過程中，長錨索一直起著限制巖塊位移，調(diào)整巖層內(nèi)部應力場，以及使頂板圍巖及時形成完整穩(wěn)固巖體的作用，有效提高了采場頂板圍巖的穩(wěn)定性[6－7]。

在采場頂板圍巖揭露后進行支護，由于原巖應力分布的變化，支護前已經(jīng)產(chǎn)生單個巖塊的移動，松弛和機理裂隙的膨脹等，其結(jié)果是降低了節(jié)理巖塊之間的結(jié)合強度，使支護后采場頂板圍巖的整體穩(wěn)固性，遠不如在原巖應力狀態(tài)下長錨索預先錨固的整體穩(wěn)固性好[8]。

3.2 錨索支護參數(shù)

長錨索的長度在使用時應針對具體情況的支護要求進行確定。謙比西礦分層充填采場分段高度為16.5m，第1分層回采時采幅控制在5m以內(nèi)，則上部分層的高度為12m左右，礦體傾角為55°左右，為保證注漿質(zhì)量，設計一次支護能夠保證上部2個分層的回采，即錨索長度為6.5～9m。同時，根據(jù)采場頂板揭露的地質(zhì)情況，綜合考慮節(jié)理、裂隙發(fā)育程度、礦體內(nèi)接觸面分離狀態(tài)等因素，結(jié)合國內(nèi)其他礦山經(jīng)驗，設計確定施工網(wǎng)度為:錨索排距為3m，孔口間距2.0 ～2.4m，孔底距不大于 3.0m，錨孔傾角 60～70°，如圖4 所示。

3.3 錨索布置方案

根據(jù)上述分析，則錨索布置方案如圖4所示，為保證施工安全，第1分層回采時采幅控制在5m以內(nèi)，充填到要求的高度后(2m)，采用手抱鉆施工到設計寬度，即可進行錨孔施工;第3分層回采完充填到要求高度后，即進行上兩分層支護施工。

圖4 長錨索布置方案

4 長錨索施工工藝

4.1 材料要求及施工設備

錨索孔采用YQ－90型鉆機施工，錨孔直徑56～60mm。長錨索采用Ф15.2mm鋼絲繩。托板尺寸為200mm×200mm×8mm的方形托盤，采用Q235鋼板或其他同等強度鋼材;注漿管內(nèi)徑應不小于18mm，最大承壓能力應大于1.5MPa，以防止注漿過程中造成爆管傷人事故，其長度在1.5m左右;排氣管內(nèi)徑應大于10mm，采用硬質(zhì)塑料管，長度與錨索長0.5m。注漿用水泥砂漿采用標號為425的普通硅酸鹽水泥、水和細砂組成，水灰比為0.4～0.45;灰砂比為1∶1 ～1∶1.5。砂漿的攪拌及注漿采用GSV40B變量灌漿泵，該機器自帶攪拌裝置，能實現(xiàn)攪拌和注漿同時進行，注漿壓力為0.5～1Mpa。

4.2 施工工藝

施工時根據(jù)設計確定的錨孔網(wǎng)度、直徑、孔深、傾角進行施工。錨孔孔位誤差應小于20cm，傾角誤差在±5°內(nèi)。錨索與水平面的夾角一般應為90°，不宜小于75°，終孔后應使用壓縮空氣或壓力水進行清洗，以免孔壁上的粉塵影響注漿質(zhì)量。

安裝前應將排氣管、注漿管以及錨索進行綁扎，安裝過程中，注漿管應塞入孔內(nèi)0.8～1m，排氣管則需插入孔底，距孔底距離在0.5m之內(nèi)，并用紗布、編織袋、木楔等材料封口和固定鋼絞線，確保注漿過程中無漏漿。錨索采用前進式連續(xù)注漿，當稀漿從排氣管中流出時，表示水泥漿已充滿鉆孔。

注漿完成24小時以后，再安裝墊板和錨具。錨具安裝時，利用千斤頂進行張拉，可以使長錨索立即承載，充分發(fā)揮錨索的支護作用，避免由于錨具安裝不合格導致錨索失效的弊病。

5 支護效果

經(jīng)過長錨索錨固后的礦塊，頂板穩(wěn)固性有顯著提高，但由于礦巖的節(jié)理裂隙、斷層發(fā)育，采場爆破震動的影響，在錨索之間仍有發(fā)生小的礦石掉塊，因此，在實踐中采用管縫錨桿進行輔助支護，錨桿直徑為40mm，長 2.0m，網(wǎng)度(排距 × 間距)為 1.2 ×1.2m，對于局部極不穩(wěn)定地段加鋼筋條網(wǎng)，如圖5所示。經(jīng)過長錨索和錨桿聯(lián)合對頂板進行主動加固，頂板掉塊的現(xiàn)象大大減少，極大地提高了采場作業(yè)的安全程度，提高了采場的出礦能力。

圖5 長錨索+錨桿(網(wǎng))聯(lián)合支護效果

6 結(jié)束語

(1)長錨索預錨固控頂技術在謙比希礦的應用實踐表明，該控頂技術有效地控制了上向水平分層充填采場的頂板冒落問題，取得了較好的支護效果，解決了分層采場頂板暴露面積過大帶來的安全問題。

(2)施工質(zhì)量是確保錨索支護性能的關鍵因素，應嚴格控制水灰比，注漿長度等參數(shù)。同時，在安裝錨具時，必須利用千斤頂進行張拉，使長錨索立即承載，充分發(fā)揮其支護作用。

(3)對于較破碎的礦巖，由于節(jié)理裂隙、斷層發(fā)育，采場爆破震動的影響，在錨索之間仍有發(fā)生小的礦石掉塊，在實踐中應輔以錨桿及鋼條聯(lián)合支護，確保頂板穩(wěn)定性。

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