宮國(guó)慧，付 煜，陳繼宏，任美霖

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司弓長(zhǎng)嶺礦業(yè)公司，遼寧 遼陽(yáng) 111007；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

弓長(zhǎng)嶺井下礦是我國(guó)最早開(kāi)采的大型地下鐵礦山之一，在生產(chǎn)過(guò)程中曾試用過(guò)多種采礦方法，但一直存在采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)選優(yōu)，現(xiàn)今已全面使用具有卸壓功能的無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采[1-2]，開(kāi)采深度達(dá)640m。隨著采深的逐漸增加，采準(zhǔn)工程出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)的部位逐步增多，巷道破壞的范圍越來(lái)越大。目前正在生產(chǎn)的-280m中段，每一分段的采準(zhǔn)工程都出現(xiàn)多處較大規(guī)模的塌方冒頂現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行[3]。在此情況下，礦山開(kāi)展了采場(chǎng)地壓控制方法的研究工作，提出采用噴錨網(wǎng)支護(hù)取代金屬拱架支護(hù)形式，并根據(jù)巖體性質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造條件，試驗(yàn)確定了不同巖性的支護(hù)參數(shù)。本文系統(tǒng)地介紹弓長(zhǎng)嶺井下礦支護(hù)形式的改進(jìn)過(guò)程及采場(chǎng)地壓的控制效果。

1 圍巖特征及支護(hù)形式變革

弓長(zhǎng)嶺井下礦為沉積變質(zhì)礦床，包括上、下盤(pán)兩條含鐵帶，共6層礦體，礦體全長(zhǎng)4850m，單層厚度2～30m，礦體傾角65～90°。礦石主要為磁鐵礦，f為8～20，礦體節(jié)理發(fā)育；上、下盤(pán)基巖主要為混合巖、斜長(zhǎng)角閃巖與硅質(zhì)巖層，f為6～12；礦體與上下盤(pán)基巖之間，斷續(xù)出露綠泥片巖，松軟破碎，f為3～4，容易片落。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育(圖1)。

從圖1可以看出，礦體中存在多個(gè)橫斷層(表1)，這些斷層不僅造成巖體錯(cuò)動(dòng)，而且嚴(yán)重地降低了巖體強(qiáng)度，當(dāng)巷道和采場(chǎng)形成后，斷層附近圍巖容易出現(xiàn)塌方冒頂現(xiàn)象。此外，在礦體上、下盤(pán)出露的綠泥片巖，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，穩(wěn)定性級(jí)別低，揭露后巖體極易吸濕膨脹，強(qiáng)度隨時(shí)間不斷降低，也會(huì)導(dǎo)致巷道持續(xù)垮塌。

在礦山實(shí)際生產(chǎn)中，遇到斷層破碎帶和綠泥片巖時(shí)，巷道需要采取必要的支護(hù)措施，以保持其穩(wěn)定性。在淺部無(wú)底柱分段崩落法的采場(chǎng)中，位于軟破巖層中的采準(zhǔn)巷道，掘進(jìn)后3～7天，距離工作面7～15m的位置開(kāi)始發(fā)生冒落，冒落長(zhǎng)度一般在3～10m，一旦發(fā)生冒落，冒落高度可迅速達(dá)到2～3m。

Q-第四系；O1-下奧陶系；M-上下混合巖；S-硅質(zhì)巖層；Am-斜長(zhǎng)角閃巖層；K-黑云變粒巖(K層)；SPS-鈉長(zhǎng)角閃巖、綠泥角閃片巖；PSP-綠泥云母片巖、綠泥角閃片巖；Hb-底部角閃巖；Fe-磁鐵礦石；H-綠泥石石榴巖、綠泥片巖；π-長(zhǎng)英巖脈；N1，N2，N3，N4，N5，N7，N8，N10，F(xiàn)，F(xiàn)1，F(xiàn)6-斷層圖1 弓長(zhǎng)嶺井下礦地質(zhì)平面圖

表1 弓長(zhǎng)嶺井下礦主要斷層產(chǎn)狀

編號(hào)斷層類(lèi)別分布范圍走向傾向及傾角斷層特征N1第一橫斷層1線以西10～40m北東50°北西,71°該斷層斜穿上含鐵帶,使上盤(pán)巖層向西南移動(dòng),水平斷距25mN2第二橫斷層2線以西20～100m北東50°北西,83°該斷層通過(guò)上含鐵帶,上盤(pán)巖層相對(duì)向西南錯(cuò)動(dòng),水平斷距30～50mN3第三橫斷層3～5線之間北東58°南東,85°該斷層通過(guò)整個(gè)茨溝組,上盤(pán)巖層相對(duì)向北移動(dòng),水平斷距30～50mN4第四橫斷層5～6線之間北東58°南東,80°該斷層通過(guò)整個(gè)茨溝組,上盤(pán)巖層相對(duì)向南西移動(dòng),水平錯(cuò)距30～45mN5第五橫斷層8線東南15～25m上含鐵帶北東20°南東,80°上盤(pán)巖層向北東錯(cuò)動(dòng),水平斷距10～20mN7第七橫斷層12線近南北西,75°該斷層切斷了上含鐵帶,水平斷距5～20mN8第八橫斷層12～12B線之間北西12°南西,85°該斷層切斷了上含鐵帶,水平斷距5～30mN10第十橫斷層14+84m線上含鐵帶及硅質(zhì)巖層中北東30～50°北西,80°該斷層上盤(pán)相對(duì)向南西錯(cuò)動(dòng),水平錯(cuò)距10～15mF寒嶺斷裂從礦區(qū)西北端通過(guò)70～80°南東,70～85°該斷層為區(qū)域性大斷裂,是逆斷層F1偏嶺斷裂二礦區(qū)與老弓長(zhǎng)嶺區(qū)的分界線北東南東,65～90°該斷層是礦區(qū)最大斷層,上盤(pán)相對(duì)往北東錯(cuò)動(dòng),其水平錯(cuò)距在百米以上F6F6斷層21～24線之間近東西南,傾角68°該斷層切斷了上含鐵帶,其上盤(pán)巖層相對(duì)向西移動(dòng),下盤(pán)向東移動(dòng),水平錯(cuò)距180～200m

為控制巷道冒落破壞，現(xiàn)場(chǎng)需及時(shí)對(duì)冒落部位提供一定的支撐力。在此情況下，架棚支護(hù)形式因其支護(hù)效果良好與施工方便被廣泛應(yīng)用，先后由木棚支護(hù)發(fā)展到金屬拱架支護(hù)，并在生產(chǎn)過(guò)程中，逐步優(yōu)化工字鋼支架的承力結(jié)構(gòu)，使其在支護(hù)中更好地發(fā)揮作用。但是，隨著采深的增加，地壓逐漸增大，圍巖變形形式與方向也變得復(fù)雜化，沿脈采準(zhǔn)工程出現(xiàn)地壓顯現(xiàn)的部位開(kāi)始增多，地壓破壞的范圍也越來(lái)越大，支架支護(hù)的缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)，主要表現(xiàn)為：大范圍的支架支護(hù)，施工周期長(zhǎng)，支護(hù)成本高和巷道回采困難；支護(hù)效果不佳，經(jīng)常發(fā)生扭曲失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致巷道破壞報(bào)廢。特別是-280m中段，支架支護(hù)后，每一分段都出現(xiàn)多處大規(guī)模的巷道破壞塌冒現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了礦山的正常生產(chǎn)。

從圖2中的破壞形式可以看出，金屬拱架支護(hù)是一種被動(dòng)的支護(hù)方式，無(wú)法適應(yīng)深部圍巖變形與施力方向的復(fù)雜化，若想有效控制深部地壓?jiǎn)栴}，需采用一種主動(dòng)的支護(hù)方式，既能夠充分加固圍巖，提高圍巖自身承載力，又能順應(yīng)地壓活動(dòng)規(guī)律。為此，礦山對(duì)多種支護(hù)方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，最終確定采用噴錨網(wǎng)支護(hù)取代金屬拱架支護(hù)形式，并根據(jù)不同巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件，確定了合理的支護(hù)級(jí)別與支護(hù)參數(shù)。

2 錨桿支護(hù)形式研究

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得出，弓長(zhǎng)嶺井下礦采準(zhǔn)巷道的破壞形式主要有三種：沿弱結(jié)構(gòu)面的拉伸破壞，主要發(fā)生在含有水平和緩傾斜節(jié)理面的巖層中，表現(xiàn)為頂板圍巖層狀掉落；沿結(jié)構(gòu)面剪切破壞，主要發(fā)生在圍巖層理厚度較大，存在X型結(jié)構(gòu)面的巖體中，破壞時(shí)冒落塊度較大，冒落長(zhǎng)度在2～5m，有的可達(dá)7m，冒落高度一般為2～3m；片幫冒頂，一般發(fā)生在層理與節(jié)理比較發(fā)育的巖體中，主要表現(xiàn)為拱角剪切破壞掉落，側(cè)墻受拉應(yīng)力片落及頂板冒落，還有的破壞部位先冒頂后片幫，頂板沿結(jié)構(gòu)面呈楔形體破壞冒落，而后拱角向外擴(kuò)展；這種冒落的長(zhǎng)度一般較大，多為10～30m，一次冒落高度可達(dá)2～3m[4]。在無(wú)底柱分段崩落法的采場(chǎng)中，片幫冒頂破壞為主要的破壞形式，破壞過(guò)程中巷道表層變形不協(xié)調(diào)，支架支撐點(diǎn)隨巷道斷面形狀與填塞程度隨機(jī)性變化，導(dǎo)致支架失穩(wěn)，發(fā)生扭曲破壞。為解決這一問(wèn)題，從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，礦山開(kāi)始試用錨桿支護(hù)代替拱架支護(hù)，先后使用了漲殼式錨桿、楔縫式錨桿、水泥沙漿錨桿和縫管式錨桿，但支護(hù)效果都不夠理想，主要原因是在層理與節(jié)理比較發(fā)育的巖體中，上述錨桿阻止圍巖變形與片落的能力較差，提供給圍巖的支撐力較小，支護(hù)效果不如金屬拱架可靠，其中，漲殼式與楔縫式錨桿的機(jī)械錨頭在錨固過(guò)程中沿孔壁的滑移量較大，水泥沙漿錨桿形成錨固力的時(shí)間較長(zhǎng)，而縫管式錨桿孔口有效錨固的范圍較小，導(dǎo)致這些類(lèi)型的錨桿都不能及時(shí)提供足夠大的支護(hù)抗力，因此，錨桿支護(hù)形式在礦山一直未得到廣泛應(yīng)用。直到近年來(lái)樹(shù)脂錨桿的試驗(yàn)，改變了井下礦原有錨桿支護(hù)效果不佳的局面，取得了較好的支護(hù)效果。樹(shù)脂錨桿以藥卷式高分子合成樹(shù)脂(通用型不飽和聚酯樹(shù)脂)為錨固劑，將錨拉桿的麻花狀內(nèi)端與鉆孔孔壁緊密地粘結(jié)在一起，構(gòu)成錨桿的錨固部分。錨固劑固化時(shí)間只需幾十秒到幾分鐘，固化后，立即產(chǎn)生很高的強(qiáng)度，半小時(shí)后錨固強(qiáng)度就可達(dá)到最終強(qiáng)度的65%～90%。樹(shù)脂錨桿的桿體位移量主要由桿體本身彈塑性變形產(chǎn)生，不會(huì)產(chǎn)生沿孔壁的整體滑移，能夠及時(shí)阻止圍巖膨脹、變形與離層，及時(shí)提供足夠大的支護(hù)抗力。因此，樹(shù)脂錨桿在弓長(zhǎng)嶺井下礦被廣泛應(yīng)用。

分析表明，弓長(zhǎng)嶺井下礦三種常見(jiàn)的破壞形式，冒頂前后采用以樹(shù)脂錨桿為基礎(chǔ)的噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式，能夠有效地控制圍巖進(jìn)一步破壞[5-6]。以樹(shù)脂錨桿為基礎(chǔ)的噴錨網(wǎng)聯(lián)合體中，混凝土主要膠結(jié)加固表層圍巖，提高徑向裂隙的抗剪強(qiáng)度；錨桿起到加固圍巖，增大切向裂隙及斜向裂隙粘結(jié)力與抗剪力的作用；金屬網(wǎng)使噴層內(nèi)力均勻分布，防止噴層收縮開(kāi)裂，增強(qiáng)支護(hù)抗力[7-8]。在樹(shù)脂錨桿、金屬網(wǎng)和混凝土的共同作用下，一定深度的圍巖充當(dāng)支護(hù)聯(lián)合體，形成具有相當(dāng)厚度的三向均勻壓縮應(yīng)力狀態(tài)的組合承載拱，變被動(dòng)承壓為主動(dòng)承壓，改善圍巖的完整性，增強(qiáng)巖體的自身承載力。因此，在弓長(zhǎng)嶺井下礦的礦巖條件下，采用噴錨網(wǎng)支護(hù)形式，可以有效地克服發(fā)生在巷道圍巖中的拉伸破壞與剪切破壞，達(dá)到控制地壓的目的。此外，支護(hù)形式的實(shí)用性不僅取決于支護(hù)效果，還受施工條件和工人技術(shù)水平的影響。鉆孔時(shí)，采用風(fēng)動(dòng)鑿巖設(shè)備；安裝錨桿時(shí)，用桿體將藥卷推進(jìn)錨孔最底端，用套筒連接頭將桿體與鉆機(jī)的主動(dòng)鉆桿連接在一起，攪拌30～60s就可達(dá)到一定的支護(hù)強(qiáng)度，施工操作簡(jiǎn)單，易于工人掌握。因此，在初步試驗(yàn)成功后，從2010年開(kāi)始，弓長(zhǎng)嶺井下礦全面推廣以樹(shù)脂錨桿為主體的噴錨網(wǎng)支護(hù)形式。

3 噴錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)確定

弓長(zhǎng)嶺井下礦無(wú)底柱分段崩落法的巷道斷面尺寸為：高×寬=3.8m×4.3m，噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式如圖2所示，每排打9根錨桿，錨桿間距0.7～0.8m，錨桿排距根據(jù)圍巖穩(wěn)固性確定。樹(shù)脂錨桿基本參數(shù)為：螺紋鋼Φ=20mm，桿體長(zhǎng)1800mm，尾部螺紋長(zhǎng)90mm，托盤(pán)尺寸140mm×140mm×8mm，樹(shù)脂錨固劑藥卷直徑25mm，長(zhǎng)度500mm。金屬網(wǎng)鋼筋Φ=6mm，網(wǎng)格為100mm×100mm的菱形狀?；炷羾婍艡C(jī)型號(hào)為PZ-6B，噴漿厚度20～80mm，當(dāng)噴層厚度超過(guò)50mm時(shí)，分兩次噴漿。

圖2 噴錨網(wǎng)支護(hù)形式示意圖

噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式，主要用于高應(yīng)力區(qū)的沿脈采準(zhǔn)工程，節(jié)理裂隙發(fā)育的綠泥巖體，以及礦化程度較高的富鐵礦中。其他需要支護(hù)的部位，可根據(jù)巖體穩(wěn)定性與礦巖硬度條件適當(dāng)簡(jiǎn)化支護(hù)形式，一般采用噴錨支護(hù)、噴網(wǎng)支護(hù)和素噴混凝土支護(hù)等方式。

弓長(zhǎng)嶺井下礦巖體穩(wěn)定性分級(jí)如表2所示，根據(jù)表中巖體穩(wěn)定性級(jí)別，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定不同巖體的支護(hù)形式及參數(shù)見(jiàn)表3。

弓長(zhǎng)嶺井下礦從2012年6月初開(kāi)始全面推廣噴錨網(wǎng)支護(hù)方案，截至2013年6月，在不穩(wěn)巖層與應(yīng)力集中部位的支護(hù)中，噴射混凝土支護(hù)2992m，噴錨支護(hù)790m，噴錨網(wǎng)支護(hù)630m。這些支護(hù)措施，極大地提高了巷道的穩(wěn)定性(圖3)。

表2 弓長(zhǎng)嶺井下礦巖體穩(wěn)定性分級(jí)

表3 采準(zhǔn)工程支護(hù)參數(shù)

圖3 井下礦噴錨網(wǎng)支護(hù)系列的支護(hù)效果

此外，一些開(kāi)拓巷道，如石門(mén)、上盤(pán)運(yùn)輸巷道和斜坡道等年久失修，表層開(kāi)裂，經(jīng)常發(fā)生掉落情況，生產(chǎn)中采用表層噴漿支護(hù)，噴漿厚度一般在20mm左右，混凝土砂漿能填堵巷道表層的裂縫，并提供一定的支撐力，阻止巷道圍巖的進(jìn)一步破壞。對(duì)于巷道局部破壞，采用錨網(wǎng)支護(hù)就能達(dá)到理想的支護(hù)效果。

實(shí)踐證明，噴錨網(wǎng)支護(hù)是一種性能優(yōu)越、施工簡(jiǎn)便、安全可靠的支護(hù)方式，能夠很好地適應(yīng)弓長(zhǎng)嶺井下礦深部的破碎軟巖。從礦山改變支護(hù)措施以來(lái)，深部地壓?jiǎn)栴}得到了很好的解決，采準(zhǔn)巷道的塌冒現(xiàn)象基本杜絕，保證了礦山生產(chǎn)的順利進(jìn)行。此外，原有的金屬拱架支護(hù)部分改用噴錨網(wǎng)及噴錨支護(hù)后，支護(hù)成本降低一半以上，支護(hù)后效果良好。

4 結(jié)論

1)弓長(zhǎng)嶺井下礦隨采深的增大，采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)部位增多，規(guī)模逐漸增大，一直使用的金屬拱架支護(hù)方式不能很好地適應(yīng)深部巖體的變形條件及破壞特性，支護(hù)后多處出現(xiàn)扭曲失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重地影響了礦山生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2)弓長(zhǎng)嶺井下礦采準(zhǔn)巷道的破壞形式分為三種：頂板拉伸破壞、頂板剪切破壞和片幫冒頂破壞。以樹(shù)脂錨桿為基礎(chǔ)的噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式，能夠很好地解決采準(zhǔn)工程地壓顯現(xiàn)問(wèn)題，達(dá)到理想的支護(hù)效果。

3)生產(chǎn)實(shí)踐表明，在弓長(zhǎng)嶺井下礦巖體條件下，可按照圍巖穩(wěn)定性與應(yīng)力集中區(qū)域確定支護(hù)形式及參數(shù)，合理采用以樹(shù)脂錨桿、噴漿和金屬網(wǎng)為基礎(chǔ)的支護(hù)形式，能夠取得良好的支護(hù)效果。

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