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        緩傾斜中厚礦體頂板安全管理研究

        2021-03-02 06:13:10劉敏
        采礦技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:錨桿

        劉敏

        (北京博鼎誠(chéng)工程設(shè)計(jì)有限公司涿州分公司, 河北 涿州市 072750)

        0 引言

        湖北宜昌地區(qū)的礦山對(duì)以緩傾斜薄至中厚礦體一般采用房柱法、全面法等空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行地下開(kāi)采[1],隨著礦山開(kāi)采深度逐步加深,其采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性是急需解決的主要問(wèn)題。

        宜昌某磷礦Ph22礦層的頂板穩(wěn)定性較差,尤其是遇斷層破碎帶時(shí)更易出現(xiàn)塌頂事件,必須予以高度重視并采取有效的頂板管理措施。在保證回采作業(yè)安全的前提下,提出頂板巖體分級(jí)管理制度,針對(duì)不同級(jí)別的采場(chǎng)頂板采用不同的支護(hù)方式。

        1 開(kāi)采技術(shù)條件

        該磷礦自上而下依次賦存 Ph22、Ph21及 Ph133個(gè)磷礦層,其中Ph22為本礦段主要工業(yè)磷礦層,其平均厚度為9.32 m,礦體傾角為4°~10°,屬緩傾斜薄至中厚礦體。

        本礦段的水文地質(zhì)邊界條件較復(fù)雜,屬無(wú)限補(bǔ)給的邊界類型。工業(yè)磷礦層頂板圍巖以堅(jiān)硬~半堅(jiān)硬碳酸鹽巖為主,直接頂板為層狀?yuàn)A薄層狀泥質(zhì)云巖和云質(zhì)泥巖,其中較軟或相對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育,屬于穩(wěn)定性較差圍巖。

        礦山于 2011年開(kāi)工建設(shè),經(jīng)建設(shè)施工揭露,發(fā)現(xiàn)礦段內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜,礦巖結(jié)構(gòu)及穩(wěn)固性較差,斷裂構(gòu)造復(fù)雜且控制程度較低,坑內(nèi)涌水量大。

        2 采場(chǎng)頂板安全管理

        2.1 采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分級(jí)

        影響礦巖穩(wěn)定性的因素不僅多而且較復(fù)雜,大部分參數(shù)不能被準(zhǔn)確的量化。在回采過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際揭露后的巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面特征和破碎程度,參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)、《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719—91)中關(guān)于巖體分級(jí)的規(guī)定,將該礦段頂板巖體穩(wěn)固性分為3個(gè)級(jí)別[2],見(jiàn)表1。

        在回采前加強(qiáng)探礦工作,明確頂板軟硬、穩(wěn)固程度、地質(zhì)構(gòu)造和破碎程度、頂板的透水情況等地質(zhì)條件,對(duì)巖體完整性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估。參照頂板巖體級(jí)別分類表,將揭露的頂板巖體劃分等級(jí),按照頂板安全管理制度采取相應(yīng)的支護(hù)方式。

        2.2 頂板支護(hù)方式

        通過(guò)理論計(jì)算,并參照類似礦山采場(chǎng)頂板支護(hù)方式及其支護(hù)參數(shù),推薦采場(chǎng)頂板的主要支護(hù)方式為錨桿+長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)。針對(duì)穩(wěn)定性較差的頂板,采用鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土配合錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)頂板巖體分級(jí),不同級(jí)別的頂板采用不同的支護(hù)參數(shù)[3]。

        2.3 支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)的確定

        2.3.1 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

        根據(jù)普氏理論及秦氏公式,上覆巖層壓力按公式(1)計(jì)算。

        表1 頂板巖體的分級(jí)

        式中,P為上覆巖層壓力,kN;a為采場(chǎng)寬度的二分之一,m;b為坍落拱的高度,m;γ為上覆巖層的體積密度,kN/m3;L為采場(chǎng)長(zhǎng)度,m;h為采場(chǎng)高度,m;φ為巖石的內(nèi)摩擦角,°;f為普氏堅(jiān)固性系數(shù)。

        錨索設(shè)計(jì)承載力Nt、錨索錨固力Nm分別按式(3)、式(4)計(jì)算。

        式中,Nt為錨索設(shè)計(jì)承載力,N;Nm為錨索錨固力,N;m為錨索張拉應(yīng)力控制系數(shù);n為鋼絞線根數(shù);S為單根鋼絞線參考截面面積,mm2;Rm為鋼絞線抗拉強(qiáng)度,MPa。

        應(yīng)用懸吊理論,按式(5)計(jì)算錨索支護(hù)數(shù)量。

        式中,n為錨索數(shù)量,根;P為采場(chǎng)內(nèi)錨索應(yīng)承受總壓力,kN;Ns為預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后的預(yù)應(yīng)力值,kN。預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后的預(yù)應(yīng)力值不應(yīng)小于設(shè)計(jì)值的90%。

        預(yù)應(yīng)力錨索主要包括內(nèi)錨固段、張拉段、外錨頭3部分,錨索長(zhǎng)度按式(6)確定:

        其中內(nèi)錨固段長(zhǎng)度按式(7)確定:

        式中,L1為內(nèi)錨固段長(zhǎng)度,m;γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù),0.9;ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù),0.95;γd為結(jié)構(gòu)系數(shù),1.3;γc為黏結(jié)強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù),1.2;γp為單根預(yù)應(yīng)力錨索張拉力分項(xiàng)系數(shù),1.15;Pm為單根預(yù)應(yīng)力錨索超張拉力,kN;D為錨索孔直徑,mm;c為膠結(jié)材料與孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度,MPa,取 1.2~0.8;L2為自由端長(zhǎng)度,按被錨固圍巖的厚度計(jì)算,m;L3為外錨頭長(zhǎng)度,m,取0.75~1.0。

        2.3.2 支護(hù)參數(shù)確定

        施工前首先要探明礦層直接頂板內(nèi)泥質(zhì)泥晶白云巖厚度及位置,根據(jù)軟弱層的厚度,調(diào)整錨桿及錨索網(wǎng)度;根據(jù)軟弱層的賦存深度,調(diào)整錨桿長(zhǎng)度,保證錨桿能夠穿過(guò)軟弱層并有足夠的錨固長(zhǎng)度。錨桿的錨固深度應(yīng)深淺不一,類似鋸齒狀,避免錨桿端部形成應(yīng)力集中。

        針對(duì)不同的頂板分級(jí)采取相應(yīng)的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù),見(jiàn)表2。

        3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

        運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)采場(chǎng)頂板錨桿、錨索支護(hù)進(jìn)行了模擬分析,通過(guò)比較頂板的沉降量可看出,采場(chǎng)頂板錨桿、錨索支護(hù)效果明顯,能有效地提高頂板穩(wěn)定性[6-7]。

        頂板最大沉降量出現(xiàn)在采場(chǎng)頂板中部,頂板未支護(hù)時(shí)最大沉降量達(dá)到 3.52 cm,采用短錨桿、長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)后,采場(chǎng)頂板沉降量明顯減小,最大沉降量減小為 1.95 cm,而且頂板巖層受開(kāi)采擾動(dòng)的范圍明顯縮小,頂板穩(wěn)定性得到有效提高。采場(chǎng)頂板未出現(xiàn)明顯的破壞。

        頂板在支護(hù)與不支護(hù)情況下,頂板各監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板沉降量見(jiàn)表3。

        4 結(jié)語(yǔ)

        采用頂板分級(jí)管理制度,針對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的差異采用相應(yīng)的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù),頂板位移減少30%,圍巖收斂率降低,有效解決了采場(chǎng)冒落和坍塌問(wèn)題,提高了工人作業(yè)安全性;礦石損失率減少11%,貧化率降低20%,采場(chǎng)支護(hù)成本降低7%,既節(jié)約支護(hù)成本又達(dá)到理想的支護(hù)效果,提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益。

        表2 頂板支護(hù)參數(shù)

        表3 支護(hù)與不支護(hù)情況下頂?shù)陌宄两盗?/p>

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