馬生徽，王文杰，馬雄忠

(1.武漢鋼鐵集團(tuán)開圣有限責(zé)任科技公司, 湖北武漢 430062；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北武漢 430074)

深部高硫破碎礦巖巷聯(lián)合錨桿支護(hù)技術(shù)研究

馬生徽1，王文杰2，馬雄忠2

(1.武漢鋼鐵集團(tuán)開圣有限責(zé)任科技公司, 湖北武漢 430062；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北武漢 430074)

研究采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，應(yīng)用于深部高硫破碎巷道支護(hù)，克服金屬管縫錨桿易腐蝕、錨固力不足和支護(hù)時(shí)效短等問題。通過高峰礦深部高硫破碎巷道現(xiàn)場聯(lián)合錨桿支護(hù)試驗(yàn)表明，聯(lián)合錨桿支護(hù)有效保持巷道長久穩(wěn)定，即先采用管縫錨桿掛網(wǎng)、后采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，能充分發(fā)揮兩種錨桿的優(yōu)勢，有效控制巷道礦壓。

錨桿支護(hù)；管縫錨桿；玻璃鋼錨桿；聯(lián)合支護(hù)

0 前 言

礦山深部開采面臨礦山地壓顯著增大、地質(zhì)及礦巖條件逐漸惡劣等難題,對井巷支護(hù)提出更高要求[1-2]。礦山常用的金屬材質(zhì)錨桿及支護(hù)形式在支護(hù)過程中出現(xiàn)如下問題:錨固力低；容易受地質(zhì)環(huán)境影響發(fā)生腐蝕而失效[3-4]；在巷道變形破壞后進(jìn)行二次返修維護(hù)時(shí)不易對金屬錨桿進(jìn)行清除[5-6]。

玻璃鋼錨桿作為一種非金屬錨桿,具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),能有效消除礦巖硫化物對錨桿的腐蝕作用,從而提高錨桿支護(hù)效果[7-10]。有效地解決了金屬礦山采用金屬錨桿支護(hù)中存在的問題。但是玻璃鋼錨桿支護(hù)在礦巖破碎巷道使用中存在明顯的不足,主要體現(xiàn)在單獨(dú)采用玻璃鋼錨桿支護(hù)難以快速固定金屬網(wǎng)和快速達(dá)到錨固強(qiáng)度,從而不能滿足初期施工安全要求,給支護(hù)初期的錨網(wǎng)施工作業(yè)帶來安全隱患。

綜上所述,本文結(jié)合金屬錨桿和玻璃鋼錨桿的特點(diǎn),研究采用全螺紋玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù),并在高峰礦進(jìn)行試驗(yàn)。

1 工程概況

高峰礦主要回采水平為0～-200 m水平,井口海拔為+700 m,屬于深部開采,受地質(zhì)構(gòu)造作用影響,礦體出現(xiàn)多個(gè)破碎帶,局部礦巖破碎,巷道穩(wěn)定性較差,維護(hù)困難。高峰礦主要采用錨桿支護(hù)技術(shù)維護(hù)巷道及采場穩(wěn)定性,支護(hù)形式有錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)等,采用的錨桿主要是直徑40 mm、長度2000 mm的金屬管縫式錨桿。

從現(xiàn)場錨網(wǎng)支護(hù)破壞現(xiàn)象來看,高峰礦巷道礦壓的顯現(xiàn)形式主要是巷道表層圍巖破壞,表層圍巖隨金屬網(wǎng)一起脫落或垮冒,高峰礦發(fā)生垮冒的地段,所支護(hù)的錨網(wǎng)支護(hù)體也發(fā)生破壞,部分支護(hù)錨桿隨巖層一起脫落。這說明,現(xiàn)用的管縫式錨桿在支護(hù)中所提供的錨固力不足,不能有效阻擋離層巖體和金屬網(wǎng)的脫落；總之,現(xiàn)用管縫式錨桿錨頭破壞后錨固力不足,不能有效錨固并懸吊破碎冒落圍巖或形成有效擠壓拱；高峰礦為硫化物礦床,加之礦巖條件破碎,現(xiàn)用金屬錨桿易被腐蝕而失去有效支護(hù)作用,導(dǎo)致巷道易發(fā)生變形垮冒。

因此結(jié)合高峰礦實(shí)際支護(hù)現(xiàn)狀,支護(hù)方式依然沿用錨網(wǎng)支護(hù),支護(hù)錨桿則選擇非金屬錨桿與金屬錨桿配合使用,即采用管縫錨桿固定金屬網(wǎng),再采用玻璃鋼錨桿形成完整支護(hù)結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮非金屬錨桿耐腐蝕、高強(qiáng)度、支護(hù)時(shí)效長的優(yōu)點(diǎn)以及金屬錨桿支護(hù)見效快、工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)。

2 聯(lián)合支護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)

為了在工程實(shí)踐中檢驗(yàn)采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合使用后的支護(hù)效果,在高峰礦井下進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn),通過監(jiān)測巷道收斂變形量和觀測裂隙發(fā)育程度驗(yàn)證玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的可行性。

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)巷道選擇在高峰礦-123 m水平平巷和-151 m水平脈外巷。試驗(yàn)巷道圍巖為礁灰?guī)r,礦巖節(jié)理裂隙不發(fā)育,但在構(gòu)造作用下,圍巖相對較破碎,采用管縫式錨桿壓金屬網(wǎng)支護(hù),形成典型的錨網(wǎng)支護(hù)形式,以維護(hù)其安全性。

試驗(yàn)方案一:管縫錨桿護(hù)頂,玻璃鋼錨桿支護(hù)兩幫。該方案下,每排錨桿的頂板2～3根錨桿安裝管縫式錨桿,并對金屬網(wǎng)進(jìn)行固定,然后在巷道兩幫金屬網(wǎng)上安裝玻璃鋼錨桿,從而完成整排錨桿的安裝支護(hù)。該試驗(yàn)方案地點(diǎn)位于-123 m水平東側(cè)的脈外巷,巷道斷面為2.7m×2.8m,巷道斷面不平整,巷道圍巖為中等穩(wěn)固巖體。

試驗(yàn)方案二:管縫錨桿固定金屬網(wǎng),玻璃鋼錨桿主體支護(hù)。即先采用管縫錨桿在金屬網(wǎng)片四周將金屬網(wǎng)進(jìn)行固定,再安裝玻璃鋼錨桿進(jìn)行主體掛網(wǎng)支護(hù)的施工順序。此試驗(yàn)方案下,為充分發(fā)揮和驗(yàn)證玻璃鋼錨桿的支護(hù)效果,每張金屬網(wǎng)錨固的管縫錨桿數(shù)量不宜過多,以固定金屬網(wǎng)為主,每張金屬網(wǎng)片安裝的管縫式錨桿最好不超過3根。此試驗(yàn)方案在-151 m水平脈外巷進(jìn)行,巷道走向與礦體走向一致。巷道斷面為3.2 m×2.9 m,巷道表面有破壞巖石,屬于不穩(wěn)固巷道。

錨桿及金屬網(wǎng)安裝后,為了監(jiān)測兩種支護(hù)方案下巷道支護(hù)效果及變形程度,在試驗(yàn)巷道中布置相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行巷道收斂變形監(jiān)測。

2.2 試驗(yàn)巷道收斂監(jiān)測

巷道的變形與破壞都是地壓作用的結(jié)果,巷道變形監(jiān)測采用收斂計(jì)測量,收斂監(jiān)測是井巷工程中重要監(jiān)測內(nèi)容之一,是巷道掘進(jìn)和采場回采過程中,評定巷道穩(wěn)定性及支護(hù)效果的一種重要尺度。本次現(xiàn)場試驗(yàn)使用JSS20A型數(shù)顯收斂計(jì)監(jiān)測巷道變形。

根據(jù)試驗(yàn)巷道長度不同,布置的測點(diǎn)監(jiān)測斷面排數(shù)也不同。每排監(jiān)測斷面安裝3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)A、B、C,每個(gè)測點(diǎn)安裝一根測桿,測桿插入圍巖300 mm以上。根據(jù)所選擇的試驗(yàn)進(jìn)路實(shí)際長度情況確定測點(diǎn)位置。布置好測點(diǎn)后,分別按巷道編號(hào)對測點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),以便于數(shù)據(jù)記錄。測點(diǎn)布置見圖1。監(jiān)測目的是為了摸清在高峰礦復(fù)雜應(yīng)力破碎礦段條件下巷道變形特征,研究玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對控制巷道礦壓顯現(xiàn)的可行性。

圖1 收斂監(jiān)測點(diǎn)布置

在試驗(yàn)巷道掘進(jìn)并完成相應(yīng)的錨網(wǎng)支護(hù)后,根據(jù)收斂監(jiān)測點(diǎn)布置方式布置好相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn),由于試驗(yàn)巷道掘進(jìn)與支護(hù)完成的時(shí)間不同,相應(yīng)的監(jiān)測時(shí)間也不同。高峰礦在-123 m水平和-151 m水平試驗(yàn)巷道均采用了玻璃鋼錨桿與管縫式錨桿聯(lián)合支護(hù)方式,只是玻璃鋼錨桿與管縫錨桿使用數(shù)量比例不一致。不同試驗(yàn)巷道的不同監(jiān)測位置上巷道收斂變形數(shù)據(jù)記錄見表1～表4。

從表1和表2監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,-123 m水平平巷采用聯(lián)合支護(hù)后,巷道變形量都較小,其中,1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)頂板變形量最大不超過1 mm,而兩幫變形量最大不超過0.2 mm；而2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)頂板最大變形量沒有超過2 mm,兩幫最大變形量沒有超過0.5 mm。說明-123 m水平試驗(yàn)巷道內(nèi)巷道變形不明顯,巷道整體較穩(wěn)定,而較小的巷道變形量對整體巷道穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。

表1 -123m水平脈外巷1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)變形量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1和2的數(shù)據(jù),整理出-123 m水平試驗(yàn)巷道內(nèi)各測點(diǎn)的兩幫累計(jì)變形量和頂板下沉量的曲線,如圖2和圖3所示。

表2 -123 m水平脈外巷2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)變形量統(tǒng)計(jì)

表3 -151 m水平脈外巷1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)收斂變形量統(tǒng)計(jì)

表4 -151 m水平脈外巷2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)收斂變形量統(tǒng)計(jì)

從表3和表4監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,-151 m水平脈外巷采用聯(lián)合支護(hù)后,巷道整體變形量也都較小。其中,1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)在41 d時(shí)發(fā)生較大變形,其頂板變形量達(dá)到54 mm,與其他測量值相差太大,應(yīng)為試驗(yàn)員操作失誤導(dǎo)致,而其它時(shí)間內(nèi),其頂板變形量均較平穩(wěn),最大變形量不超過5 mm；整個(gè)監(jiān)測期內(nèi),兩幫變形量比較平穩(wěn),最大變形量沒超過2 mm。2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)頂板變形量隨時(shí)間增長有所增大,其最大變形量為16.33mm,兩幫最大變形量為0.57mm。因此, 從-151 m水平試驗(yàn)巷道變形量來看,雖然在第41 d 時(shí)1號(hào)監(jiān)測點(diǎn)頂板變形量有突然增大現(xiàn)象,但其后監(jiān)測周期內(nèi)其頂板變形量都較平穩(wěn),而2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)以及整個(gè)巷道兩幫變形均較小,這說明高峰礦采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)后,巷道變形不明顯,巷道整體較穩(wěn)定。

圖2 -123m水平試驗(yàn)巷道兩幫累計(jì)變形量曲線

圖3 -123m水平試驗(yàn)巷道頂板累計(jì)變形量曲線

根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù),整理出-151 m水平試驗(yàn)巷道內(nèi)各測點(diǎn)的兩幫累計(jì)變形量和頂板下沉量的曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 -151 m水平試驗(yàn)巷道兩幫累計(jì)變形量曲線

圖5 -151 m水平巷道頂板累計(jì)變形量曲線

2.3 聯(lián)合錨桿支護(hù)效果分析

高峰礦采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)后,巷道變形較小,能有效維護(hù)巷道穩(wěn)定性。從試驗(yàn)巷道支護(hù)后現(xiàn)場可以看出,高峰礦采用聯(lián)合支護(hù)后,巷道沒有發(fā)生大的巖體冒落或巷道變形,其支護(hù)的玻璃鋼錨桿也未見發(fā)生松動(dòng)或脫落現(xiàn)象,玻璃鋼錨桿尾部螺母托盤也未見發(fā)生滑絲及破壞現(xiàn)象,現(xiàn)場試驗(yàn)表明,試驗(yàn)巷道穩(wěn)定性狀態(tài)良好。

3 結(jié) 論

高峰礦玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)及監(jiān)測分析表明,在高硫破碎礦巖巷道條件下,采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)可以有效控制巷道礦壓顯現(xiàn),有效維護(hù)巷道穩(wěn)定性,試驗(yàn)中玻璃鋼錨桿支護(hù)中沒有發(fā)生錨桿被拉斷或剪斷現(xiàn)象,說明玻璃鋼錨桿桿體本身力學(xué)性質(zhì)能滿足支護(hù)要求,玻璃鋼錨桿與管縫錨桿也沒有發(fā)生松動(dòng)脫落或任何破壞現(xiàn)象,試驗(yàn)巷道收斂變形量較小。因此,采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全性上都是可行的。

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2014-11-22)