蘇 環(huán) 蔣宗旋

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司新城金礦)

充填體內(nèi)巷道永久支護(hù)方案的優(yōu)選及設(shè)計

蘇 環(huán) 蔣宗旋

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司新城金礦)

為保證充填體內(nèi)巷道穩(wěn)定，給二次資源開采創(chuàng)造條件，須在充填體內(nèi)成巷后采取有效的永久性支護(hù)。分析了充填體內(nèi)巷道變形特征，借鑒國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果，結(jié)合新城金礦充填體自身特點，在“技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理”的前提下，提出了符合礦山實際情況的后期支護(hù)方法：現(xiàn)澆鋼筋混凝土砌碹，并應(yīng)用太沙基理論對該支護(hù)方式的重要參數(shù)進(jìn)行計算，為現(xiàn)場施工提供了技術(shù)參考。

充填體 巷道 永久支護(hù) 太沙基理論

隨著資源的大規(guī)模開采，淺部資源逐步減少，而深部資源開采難度大，越來越多的礦山開始關(guān)注淺部老采區(qū)內(nèi)的殘礦開采[1]?；夭蛇@部分資源存在諸多問題，其中最主要的是安全問題。

由于我國使用充填法采礦的礦山很多，特別是黃金礦山，殘留礦體多處于充填體內(nèi)，要回采這部分資源，必須在充填體內(nèi)掘進(jìn)巷道。根據(jù)充填體力學(xué)特征可知，充填體內(nèi)巷道變形呈現(xiàn)蠕變特征，具有明顯的時間效應(yīng)。初期來壓快，收斂變形大，巷道自穩(wěn)能力很差，如不加支護(hù)，很快會發(fā)生頂板冒落、邊墻彎曲，最終導(dǎo)致巷道破壞。依據(jù)“先柔后剛”的支護(hù)方式，以適應(yīng)巷道初期變形量大，后期需要較大支護(hù)阻力的特點[2-4]，借鑒國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的掘進(jìn)施工經(jīng)驗，提出了符合礦山實際情況的充填體內(nèi)巷道后期支護(hù)方法。

1 永久性支護(hù)

1.1 方案選擇的基本原則

(1)充分利用圍巖的自身強(qiáng)度。雖然充填體是散體結(jié)構(gòu)，但仍具有一定的承載力，采空區(qū)用充填體處理，正是借助了充填體的自承力。因此，進(jìn)行充填體內(nèi)巷道的支護(hù)設(shè)計應(yīng)充分考慮充填體的自承力，采用主動支護(hù)形式，盡量使圍巖恢復(fù)三向受力狀態(tài)，以提高其承載強(qiáng)度，尤其是承載拱集中受力的邊墻部位，以防止發(fā)生剪切破壞。

(2)巷道在預(yù)支護(hù)作用下發(fā)生一定變形后，后期永久支護(hù)結(jié)構(gòu)要具有足夠的強(qiáng)度，能有效地阻止充填體圍巖的過分變形。同時，永久支護(hù)應(yīng)立刻施工，防止圍巖弱化而失去自承力。

(3)支護(hù)形式要經(jīng)濟(jì)合理、工藝簡單，既要保證礦體回采結(jié)束前巷道的穩(wěn)定，又要保證施工工藝簡單易于掌握、經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 永久支護(hù)

支護(hù)在圍巖發(fā)生一定位移但尚未弱化的時間內(nèi)進(jìn)行永久支護(hù)，以保證在支護(hù)結(jié)構(gòu)不被破壞的情況下提供最小的支護(hù)抗力，以滿足服務(wù)年限的要求。

1.2.1 永久支護(hù)方案

國內(nèi)外研究表明，松軟破碎不穩(wěn)定介質(zhì)的永久支護(hù)，常見的形式有混凝土砌碹、鋼筋混凝土砌碹、混凝土砌塊、料石拱毛石砌碹等。各種拱形砌碹支架結(jié)構(gòu)類型與適用范圍見表1所示。

1.2.2 永久支護(hù)方案選擇

為實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，減輕工人的勞動強(qiáng)度，并保證有較高的強(qiáng)度和耐久性，優(yōu)先選用現(xiàn)澆混凝土砌碹(如圖1所示),雖沒有現(xiàn)澆鋼筋混凝土砌碹強(qiáng)度高，但在滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)合算。

圖1 現(xiàn)澆混凝土砌碹支護(hù)方案

2 支護(hù)方案設(shè)計

2.1 支護(hù)厚度計算

對于軟弱破碎巖體以及土體，在埋深很淺的情況下，可以采用太沙基理論計算圍巖壓力。太沙基認(rèn)為，在這種巖體中，坑道開挖后，由于自重應(yīng)力的作用，坑道兩幫發(fā)生剪切破壞，形成直達(dá)地表的破裂面OC和O′C′并引起巖體柱ABB′A′下沉產(chǎn)生垂直破裂面AB和A′B′，如圖2所示。

圖2 太沙基理論計算簡圖

巖柱的下沉將對坑道支架產(chǎn)生均布壓力qv，但qv并不等于坑道頂板以上整個巖柱所產(chǎn)生的鉛垂應(yīng)力，因為巖柱ABB′A′必須克服AB和A′B′面上的抗剪力才能下沉。

當(dāng)埋深不大時，從微積分的觀點研究微單元體的平衡，積分后可得到作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的垂直壓力值：

(1)

a1=a+Hcot(45°+φ/2) ,

(2)

式中，γ為巖體容重；c為巖體黏結(jié)力；λ為側(cè)應(yīng)力系

數(shù)；H1為巷道所處深度；φ為巖體內(nèi)摩擦角。

當(dāng)巖體埋深較大時，可以認(rèn)為：

(3)

太沙基理論全面考慮了巖體工程的尺寸、埋深、巖石的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角等對巖體穩(wěn)定性的影響。通常情況下，可用該理論進(jìn)行埋深較淺的壓力計算和穩(wěn)定分析。

2.2 混凝土拱支護(hù)厚度的計算

作用在混凝土完整拱結(jié)構(gòu)上的圍巖應(yīng)力可用式(3)確定，由彈性力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)只受外力，內(nèi)力為0，結(jié)構(gòu)所提供的支護(hù)抗力為：

(4)

式中,d為混凝土拱厚度；τ為混凝土抗剪強(qiáng)度；r0為巷道半徑；φ1為混凝土內(nèi)摩擦角。

混凝土拱所提供的最小抗力應(yīng)能承受上覆巖層壓力，即支護(hù)拱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度至少等于圍巖壓力，由ph≥qv可得出混凝土拱最小厚度為：

(5)

為確保安全，對于松散介質(zhì)進(jìn)行混凝土拱加固時，根據(jù)典型工程經(jīng)驗，取修正系數(shù)K(K=1.225～1.250)，所以混凝土拱的安全厚度為：

(6)

經(jīng)計算，厚度取0.2～0.25 m。

3 結(jié) 論

針對充填體內(nèi)巷道變形特征，提出采用現(xiàn)澆混凝土砌碹支護(hù)，并應(yīng)用太沙基理論對砌碹層厚度進(jìn)行了計算分析，得出砌碹層厚度取0.2～0.25 m，為現(xiàn)場施工提供了依據(jù)。

[1] 于潤滄.采礦工程師手冊：下冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[2] 馬 光,張小剛,朱 偉.充填體內(nèi)開挖巷道的數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(18):70-71.

[3] 馮盼學(xué),楊小聰,解聯(lián)庫,等.常規(guī)支護(hù)技術(shù)在充填體巷道或硐室中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].有色金屬:礦山部分,2014(1):1-4.

[4] 崔 亮.Mouska金礦充填體內(nèi)部應(yīng)力分布及強(qiáng)度設(shè)計研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2013.

2014-09-12)

蘇 環(huán)(1989—)，男，助理工程師，261438 山東省萊州市。