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(武鋼資源集團(tuán)有限公司)

錨索在崩落法轉(zhuǎn)充填法開采隔離層支護(hù)中的應(yīng)用

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(武鋼資源集團(tuán)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(qiáng)度要求，采用錨索高強(qiáng)度的支護(hù)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(hù) 崩落法轉(zhuǎn)充填法 隔離層

長期以來，由于礦體埋藏條件、設(shè)備能力和開采經(jīng)濟(jì)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(kuò)容越來越多，以及國家對提升礦產(chǎn)資源利用率和加強(qiáng)礦山環(huán)境保護(hù)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(shí)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行支護(hù)，保存較長時間。為此，需根據(jù)巖體的穩(wěn)固情況采取高強(qiáng)度的支護(hù)手段，防止隔離層在此期間受到嚴(yán)重破壞，最終實(shí)現(xiàn)礦山采礦方法的順利過渡。

1 錨索支護(hù)技術(shù)

1.1 錨索支護(hù)技術(shù)的發(fā)展

錨索支護(hù)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(yīng)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(hù)技術(shù)有了新的發(fā)展。近幾十年來，我國的錨索技術(shù)研究和使用也得到了長足的進(jìn)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(yù)先支護(hù)[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(hù)，均取得了良好效果。錨索支護(hù)[3]示意見圖1。

圖1 錨索支護(hù)示意圖[3]

1.2 錨索支護(hù)機(jī)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(shí)現(xiàn)錨固作用。錨索錨固范圍大，通過多根組合，可以實(shí)現(xiàn)多種支護(hù)作用，國內(nèi)外比較公認(rèn)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(yù)應(yīng)力錨索中，松散巖石在預(yù)應(yīng)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(yīng)力區(qū)，在系統(tǒng)排列的錨索群中，這些擠壓區(qū)或壓縮應(yīng)力區(qū)便組成了一個具有相當(dāng)寬厚的均勻壓縮加固帶(如圖2所示)，相當(dāng)于一種承載結(jié)構(gòu),可支承相當(dāng)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(qiáng)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(yīng)力場示意[4]

圖3 懸吊理論示意

1.2.3 減跨理論

當(dāng)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(diǎn)，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(yīng)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(yīng)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(kuò)展，尾礦存儲量日益增加，給礦山帶來了征地、拆遷補(bǔ)償、尾礦庫庫容告急等一系列難題。在綜合考慮技術(shù)、成本及經(jīng)濟(jì)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(shè)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(shè)計在充填法礦塊之上預(yù)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(yùn)用無底柱分段崩落采礦法對隔離層進(jìn)行回收。

工程初期，采用噴錨網(wǎng)方式對9#進(jìn)路進(jìn)行全進(jìn)路支護(hù)，但是因地質(zhì)條件較差和錨桿長度過短、支護(hù)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(jìn)度和作業(yè)安全。

圖5 充填采場剖面示意

圖6 9#進(jìn)路現(xiàn)場垮冒

2.2 支護(hù)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(zāi)害事故，研究采用錨索支護(hù)，施工中以1 m為間隔，交叉輔以錨桿聯(lián)合支護(hù)，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(hù)參數(shù)

按照組合梁理論,錨索支護(hù)采用上向扇形布置，排距2 m，每排分布5根錨索；為加強(qiáng)錨索的作用范圍和相鄰進(jìn)路錨索的聯(lián)合效應(yīng)，錨索邊孔設(shè)計為±25°和±45°，深度要求相鄰巷道錨索對接；錨桿支護(hù)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(hù)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(hù)布置

表1 錨索及錨桿支護(hù)參數(shù)

2.2.2 材料選擇

(1)錨索?；趶?qiáng)度、延展性、松弛值和價格4項指標(biāo)，及便于運(yùn)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(diǎn)和本支護(hù)工程的指標(biāo)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(xì)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(jī)井下現(xiàn)場攪拌。

2.3 支護(hù)施工

在-368 m水平采準(zhǔn)進(jìn)路，按照設(shè)計方案從進(jìn)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(shè)1排扇形錨索，并在錨索排前后1 m間距位置布設(shè)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(fēng)動注漿機(jī)錨孔注漿，按照施工準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)工序逐排施工，施工過程中嚴(yán)格遵守相關(guān)作業(yè)規(guī)程，確保施工質(zhì)量。

2.4 支護(hù)效果

支護(hù)施工完成后，對隔離帶巷道頂板進(jìn)行了數(shù)月跟蹤檢查，隔離層穩(wěn)定，層內(nèi)進(jìn)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(hù)作用明顯，實(shí)現(xiàn)了預(yù)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(yù)留的隔離層的穩(wěn)定性對于新采礦方法實(shí)施和礦山安全生產(chǎn)有重大影響。通過對隔離層施加高預(yù)應(yīng)力錨索-錨桿組合支護(hù)，很大程度上提高了巖體支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)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(hù)技術(shù)具有施工簡單、工期短、錨固范圍大、錨固力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)化層的節(jié)理、裂隙，與破碎帶風(fēng)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(lǐng)域的頂板支護(hù)，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(shù)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(hù)參數(shù)設(shè)計及其應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2013(2)：29-32.

[3] 俞德慶.應(yīng)用長錨索加固技術(shù)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(qiáng).錨索支護(hù)傳力機(jī)制與應(yīng)力分布的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報，2008,33(1)：1-6.

[5] 侯 琴.錨索支護(hù)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(hù)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(jì)師，助理工程師，430080 湖北省武漢市青山區(qū)建設(shè)六路107號。