李曉剛 熊賢亮 張小波

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.煙臺(tái)東方冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

無(wú)論新建、擴(kuò)建或生產(chǎn)礦井中，都需要開掘大量井巷工程[1]。當(dāng)圍巖較破碎時(shí)，就需對(duì)開挖的巷道施加支護(hù)措施。巷道支護(hù)是一個(gè)傳統(tǒng)課題，目前主要的圍巖穩(wěn)定性控制理論有新奧法[2]、共同支護(hù)理論[3]、能量支護(hù)理論[4]等。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，在采礦巷道支護(hù)理論與實(shí)踐中，仍有許多問題值得研究。

1 礦山簡(jiǎn)介

霍邱某鐵礦南北走向長(zhǎng)約4 000 m，為均衡生產(chǎn)規(guī)劃，礦山以7#勘探線為界，沿礦體走向?qū)⒌V區(qū)分為南、北2個(gè)采區(qū)進(jìn)行開采。井下生產(chǎn)集中在南區(qū)。礦山采用豎井開拓，設(shè)出礦、鑿巖、運(yùn)輸和回風(fēng)水平。出礦水平有-290、-410、-530 m，鑿巖有-170、-230、-290、-350、-410、-470 m；回風(fēng)水平有-170、-350 m。

1.1 存在的問題

(1)生產(chǎn)揭露中發(fā)現(xiàn)，礦山南區(qū)圍巖較破碎(圖1)，巖體完整性較差，采掘過(guò)程中易發(fā)生垮落現(xiàn)象。

圖1 南區(qū)破碎圍巖

(2)鑿巖過(guò)程中常發(fā)生堵孔，卡鉆，開孔困難等情況，局部地區(qū)掘進(jìn)鑿巖困難，施工效率較低。

1.2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

(1)礦山原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。礦山沿脈巷尺寸為4.5 m×3.5 m，穿脈巷尺寸為3.6 m×3.2 m，設(shè)計(jì)采用錨噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 礦山巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

(2)礦山采取的措施。沿脈巷規(guī)格縮小至4.0 m×3.33 m，穿脈巷道尺寸為3.3 m×3.1 m。錨桿間排距減小至500 mm×500 mm，但支護(hù)工程量依然很大，成本較高，效果并不理想。巷道存在變形大、頂板掉塊的現(xiàn)象，見圖2。

圖2 巷道現(xiàn)狀(頂板處掉塊)

2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及模擬分析

2.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

從圖2可以看出，錨桿大致位于巷道頂板冒落塊的中心位置，推測(cè)原因是錨桿長(zhǎng)度不足，未能完全將破碎的巖體整體錨固在完整巖體上。此外，從落下的冒落塊呈破碎狀來(lái)看，施工的噴混凝土可能強(qiáng)度不夠，如圖3所示。

圖3 碎狀冒落混凝土塊

2.1.1 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

錨桿長(zhǎng)度L按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

L=L1+L2+L3,

(1)

式中,L1為錨頭長(zhǎng)度，mm；L2為自由段長(zhǎng)度，mm；L3為錨固段長(zhǎng)度(深入堅(jiān)固巖體長(zhǎng)度)，mm。

(1)L1的計(jì)算。錨頭由錨桿外露長(zhǎng)、托盤厚度、螺母厚度3個(gè)部分構(gòu)成。根據(jù)規(guī)定，錨桿外露長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)10～50 mm。該礦山選用的錨桿托盤尺寸為120 mm×120 mm×10 mm；螺紋鋼用螺母厚度為30 mm。經(jīng)計(jì)算，L1長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)90 mm，取90 mm。

(2)L2的計(jì)算。錨桿自由段長(zhǎng)度L2的計(jì)算方法較多，由于礦山南區(qū)巖體較為破碎，局部區(qū)域曾發(fā)生過(guò)多次冒落，因此L2的值以實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南區(qū)冒落巖體厚度為1.5～2.3 m，且多數(shù)冒落區(qū)可見堅(jiān)固巖體；為了確保安全，L2取3 m。

(3)L3的計(jì)算。L3按錨固力(π×D×Tc×L3)等于桿體屈服/拉斷承載力(π×D2×σ/4)進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算式如下。

L3=(D×σ)/(4×Tc) ,

(2)

式中，D為錨桿直徑，22 mm；σ為錨桿屈服強(qiáng)度，取235 MPa[5]；Tc為錨桿與砂漿強(qiáng)度，取2.0 N/mm2[6]。

經(jīng)計(jì)算，L3=646 mm。

所以L=3 746 mm，取4 000 mm，則L3=900 mm。

2.1.2 確定錨桿間距

原設(shè)計(jì)錨桿間排距為600 mm×600 mm，后縮減為500 mm×500 mm，優(yōu)化設(shè)計(jì)擬對(duì)這2種方案進(jìn)行模擬。

2.1.3 噴混凝土質(zhì)量

原設(shè)計(jì)采用C20混凝土，噴混凝土厚度50 mm，滿足規(guī)范要求，不作改變。最終確定支護(hù)參數(shù)如表1。

表1 巷道支護(hù)方案參數(shù)

2.2 模擬分析

(1)模擬模型建立。為便于分析并減少模型邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型邊界距開挖邊界選取3倍左右巷道大小。選擇+170 m中段鑿巖硐室建立模擬模型(圖4)。

圖4 +170 m中段鑿巖硐室模型

(2)模擬結(jié)果分析。在模擬過(guò)程中，就+170 m中段鑿巖巷道內(nèi)表面布置21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，巷道不支護(hù)時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值在3.0～4.0 cm，此時(shí)巷道可能已經(jīng)發(fā)生破壞。當(dāng)采用支護(hù)方案Ⅰ、Ⅱ進(jìn)行模擬時(shí)，巷道內(nèi)表面沉降值有大幅下降，而支護(hù)方案Ⅰ效果最好。

圖5 不同模擬方案支護(hù)結(jié)果曲線

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)以上模擬結(jié)果，確定在礦山南區(qū)+170 m中段鑿巖硐室采用方案Ⅰ進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，確定方案Ⅰ能夠滿足生產(chǎn)要求，如圖6所示。

圖6 +170 m中段鑿巖硐室實(shí)際支護(hù)效果

4 結(jié) 論

(1)礦山南區(qū)圍巖破碎，導(dǎo)致錨桿長(zhǎng)度計(jì)算不足。經(jīng)調(diào)整至4 m后，達(dá)到了較好的支護(hù)效果。

(2)礦山原設(shè)計(jì)錨桿間排距600 mm×600 mm，滿足支護(hù)要求，因破碎圍巖尺寸較小，需掛網(wǎng)支護(hù)。

(3)經(jīng)模擬，采用2種支護(hù)方案，巷道頂板變形值均不超過(guò)，滿足要求。

(4)礦山最終選擇方案Ⅰ進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，取得了較好的效果。