許金成， 張紹江， 李 崗， 楊明東

(南京安吉特礦山工程有限公司， 江蘇 南京 211100)

1 前言

隨著資源的深部開發(fā)，深部地壓災(zāi)害頻發(fā)，巷硐圍巖穩(wěn)定性問題日益凸顯。圍繞巖爆、圍巖大變形破壞等限制安全生產(chǎn)的重大課題，許多專家學(xué)者開展了許多工作，并取得豐碩成果[1-5]，實現(xiàn)了重大突破。特別是在巷道圍巖破壞機理及穩(wěn)定性分析方面，冷建民等[6]對三山島金礦千米巷道變形破壞機理進行了深入探究，認為高應(yīng)力下進行開挖卸荷后導(dǎo)致的應(yīng)力松弛使得巷道出現(xiàn)大變形破壞。由偉等[7]運用彈塑性力學(xué)理論對新城金礦滕家礦區(qū)巷道圍巖的塑性區(qū)破壞范圍進行了力學(xué)解析，并以此為基礎(chǔ)對巷道圍巖穩(wěn)定性進行了模擬分析。楊括宇等[8]以金山店鐵礦東區(qū)為工程背景，對破碎巖體中巷道圍巖破壞機理進行了研究，提出采礦活動引發(fā)破碎巖體附近斷層活化，從而使得破碎圍巖巷道變形加劇，并對圍巖支護參數(shù)選擇與支護方式優(yōu)化展開探討。吳磊[9]針對冬瓜山銅礦深部硬巖巷道，通過現(xiàn)場實踐，提出基于靜力、能量及動量等多角度的支護體評價與設(shè)計方法，并得到成功推廣應(yīng)用。李江[10]將陳耳金礦作為研究背景，通過理論分析、室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對巷道破碎圍巖支護進行了參數(shù)優(yōu)化，并提出濕法錨網(wǎng)噴結(jié)合的支護方式，在現(xiàn)場取的較好支護效果。翁磊等[11]針對玲瓏金礦巷道圍巖出現(xiàn)冒落松散問題，有針對性地提出了一種聯(lián)合支護對策，應(yīng)用后使圍巖變形得到有效控制。上述研究在圍巖破壞機理及深部巷道支護等方面均取得了豐碩成果，但是對于金屬礦山復(fù)雜賦存條件下的深部巷道圍巖大變形破壞機理研究以及支護參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計研究鮮有報道，某金礦開采深度大，裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，圍巖變形規(guī)律復(fù)雜，地壓更難以控制，本文對其支護進行設(shè)計優(yōu)化，以期實現(xiàn)對破碎巷道的圍巖有效支護，為相似地質(zhì)條件礦山提供參考。

2 巷道圍巖變形破壞特征

隨著開采深度的下降，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜程度增高，巷道高地壓現(xiàn)象突出，通過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)深部巷道的圍巖變形破壞特征主要出現(xiàn)幫部片狀或板狀剝落，具體如圖1所示。通過現(xiàn)場勘察可以獲得以下認知：①深部中段的巷道中多數(shù)節(jié)理以平行礦體的節(jié)理組為主，節(jié)理比較發(fā)育，圍巖較為破碎。深部巷道的圍巖變形破壞特征主要出現(xiàn)幫部片狀或板狀剝落；②巷道圍巖巖性以絹英化花崗巖為主，局部存在深度變質(zhì)的片麻狀花崗巖，巷道拉開后，圍巖受壓導(dǎo)致片理化明顯，表面成薄片形態(tài)剝落；③變形嚴重區(qū)域多存在于巷道交叉點，這些位置由于開挖導(dǎo)致應(yīng)力向四周轉(zhuǎn)移，而拉開巷道成為了很好地釋壓空間，因此巷道圍巖處應(yīng)力集中明顯。

圖1 巷道圍巖破壞狀態(tài)

3 破碎巷道圍巖支護優(yōu)化設(shè)計

3.1 松動圈理論

當?shù)叵驴臻g開挖后，巷道圍巖應(yīng)力改變重新分布，巷道周邊切應(yīng)力最大，徑向應(yīng)力為0，圍巖強度急劇下降。巷道周邊應(yīng)力隨巖體破碎逐漸向內(nèi)部降低，破碎區(qū)也逐步向內(nèi)擴展。因此，根據(jù)松動圈大小不同，決定了支護系統(tǒng)的設(shè)計。依據(jù)圍巖松動圈的大小，可將圍巖分為三大類：穩(wěn)定巖層(LP<0.4 m)；中等穩(wěn)定巖層(LP=0.4～1.5 m)；不穩(wěn)定巖層(LP≥1.5 m)。圍巖支護方法和支護參數(shù)也根據(jù)松動圈大小進行分類， 松動圈厚度0.4～1.0 m、1.0～1.5 m、1.5～2.0 m的圍巖類別分別為Ⅱ級(穩(wěn)定圍巖)、Ⅲ(一般圍巖)、Ⅳ(不穩(wěn)定圍巖)，Ⅱ級、Ⅲ級圍巖可采用錨桿結(jié)合局部噴層支護；Ⅳ級圍巖一般采用錨桿、金屬網(wǎng)并結(jié)合噴層支護。

3.2 開挖后圍巖松動圈測試及分析

為了弄清巷道圍巖塑性區(qū)范圍、頂板軟弱夾層的及圍巖裂隙發(fā)育情況，采用鉆孔多功能成像分析儀CXK12探測巷道圍巖鉆孔內(nèi)部的裂隙分布和發(fā)育特征，鉆孔多功能成像儀如圖2所示。

圖2 鉆孔多功能成像儀

1)具體窺視位置

為詳細掌握巷道不同位置圍巖變形破壞情況，在巷道頂板中間、頂板靠近左幫、頂板靠近右?guī)?、左幫中部和右?guī)椭胁康炔煌恢貌贾勉@孔進行巷道圍巖深部位移監(jiān)測結(jié)構(gòu)探測，在巷道內(nèi)至少布置2個鉆孔窺視站，單個窺視站需進行至少3次以上窺視，以便提高圍巖窺視效果。具體的窺視測站鉆孔布置位置如圖3所示。

圖3 窺視孔布置位置圖

2)窺視結(jié)果分析

在測站采用鉆孔多功能成像儀分別對巷道五個鉆孔進行窺視，通過結(jié)果可知，頂板三個鉆孔內(nèi)圍巖破壞情況基本相類似，破壞程度比較小，而在幫部的破壞較頂部而言破壞程度有所加深。圖4所示為具體窺視結(jié)果。

圖4 鉆孔窺視結(jié)果

從鉆孔的窺視結(jié)果可知：巷幫2 m內(nèi)異常破碎，在2～3 m存在小范圍的破碎區(qū)，3～5 m相對完整。因此，要特別重視該區(qū)域支護方式和支護參數(shù)的選擇。按照圍巖松動圈理論，對大于1.5 m時的松動圈，需高強度的聯(lián)合支護方案。

3.3 支護參數(shù)的確定

在采礦過程中，圍巖破碎巷道采用傳統(tǒng)的錨桿掛網(wǎng)支護方式，巷道變形破壞嚴重，巷道很難維護?；谒蓜尤χёo理論結(jié)合頂板巖性，為了保證巷道的支護效果，同時盡量減少支護成本，設(shè)計選用巷道錨桿+短錨索+金屬網(wǎng)支護方案。

1)錨桿支護參數(shù)計算

錨桿長度可按式(1)確定：

Lmg=Lb+Le+Lo

(1)

式中：Lmg——錨桿長度，m；

Lb——錨固長度，一般取0.5 m；

Le——有效長度，m；

Lo——外露長度，一般取0.2 m。

在錨桿失效的情況下，其潛在的冒落高度應(yīng)按松動圈高度疊加計算，那么錨桿有效長度應(yīng)為1.5 m，錨桿總長度應(yīng)為2.2 m。

按照覆巖重量及單根錨桿的支護能力計算，取錨桿間排距為取0.7 m×0.6 m。

2)短錨索支護參數(shù)

短錨索支護時錨固端應(yīng)位于穩(wěn)定巖層中，因此巷道圍巖穩(wěn)定巖層位置直接影響短錨索長度。根據(jù)現(xiàn)場實際情況選短錨索長度為5 m。在此支護方案中錨索的主要作用是懸吊作用，需與錨桿共同作用起到組合拱作用，在錨桿中間進行錨索懸吊，設(shè)計錨索設(shè)計直徑21.6 mm，間排距為2 m×2 m。

在錨索施工時，利用7655氣腿式鑿巖機鉆進4.8 m，打入短錨索至預(yù)制深度，檢查排氣管和注漿管暢通情況。然后對進行分段注漿，每拔出4～5根套管注一次漿。錨索外露20 cm，通過張拉機具進行預(yù)應(yīng)力加載，預(yù)應(yīng)力應(yīng)不小于100 kN。

(3)金屬網(wǎng)采用直徑4 mm鐵絲編織而成，網(wǎng)孔85 mm×85 mm，單片金屬網(wǎng)寬1 000 mm、長3 000 mm。

(4)支護使用寬200 mm、長4 300 mm、厚3 mm的W鋼帶，并在鋼帶腹部開錨索孔，開孔位置與錨索間排距相適應(yīng)，錨索孔直徑40 mm。

3.4 主要支護參數(shù)校核

3.4.1錨桿主要支護參數(shù)校核

1)錨桿長度校核

圍巖支護使用的錨桿長度包括有效長度、錨固段長度以及錨桿外露長度構(gòu)成。巷道設(shè)計跨度為3.5 m，采用基于組合拱原理得到錨桿長度為

(2)

式中：L——長度，m；

k——影響系數(shù)，取值范圍0.9～1.2，圍巖穩(wěn)定取小值、不穩(wěn)定取大值；

B——巷道設(shè)計跨度，取3.5 m。

經(jīng)計算得到L=1.92 m<2.2 m。

經(jīng)過理論分析以及前期測試發(fā)現(xiàn)，當巷寬3.5 m時，選擇使用2.2 m長錨桿可滿足圍巖支護需要。

2)錨桿間距校核

校驗公式為

(3)

式中：a——間距，m；

Q——錨固力，即最大抗拉拔力；取50 kN；

H——松動圈厚度，取2.4 m；

r——懸吊巖體容重，實測均值為26 400 kN/m3；

K——安全系數(shù)，取1.5。

代入相關(guān)參數(shù)求得a=0.817 m。設(shè)計的錨桿間距0.7 m<0.817 m，錨桿間距設(shè)計參數(shù)可滿足要求。

3)錨桿排距校核

排距校驗公式為

(4)

式中：b——錨桿排距，m；

n——頂錨桿數(shù)，3根；

N——錨桿錨固力，50 kN；

L2——破碎帶深度，取2.4 m計算。

將上述參數(shù)帶入公式求得b=0.676 m，設(shè)計的錨桿間距0.6 m，可滿足要求。

3.4.2短錨索主要支護參數(shù)校核

1)短錨索長度校驗

為確保支護安全，在確定短錨索長度時，取短錨索長度最大值，以便更好控制圍巖變形。

基于組合拱原理得到短錨索長度為

(5)

式中：L——短錨索長度，m；

k——影響系數(shù)，取0.9～1.2；

B——巷道設(shè)計跨度，取3.5 m；

代入?yún)?shù)，得：L=1.92 m。因此，短錨索長度選擇5 m合理。

2)間距校驗

間距校驗公式為

(6)

式中：a——間距，m；

Q——錨固力，取500 kN；

H——松動圈厚度，取2.4 m；

r——被懸吊巖層的容重，取26 400 kg/m3；

K——安全系數(shù)，取1.5。

計算得到a=2.31 m，設(shè)計短錨索間距2.0 m，支護參數(shù)滿足要求。

3)短錨索排距校驗

短錨索排距校驗公式為：

(7)

式中：b——排距，m；

n——短錨索根數(shù)，2根；

N——錨固力，250 kN；

r——巖體容重，26 400 kN/m3；

B——巷道設(shè)計跨度，3.5 m；

L2——松動圈深度，取2.4 m。

把以上數(shù)據(jù)代入公式得：b=2.25 m；短錨索排距設(shè)計2.0 m小于2.25 m，符合要求。

4 支護效果

如圖5所示，在監(jiān)測期間巷道位移逐漸趨平，其頂板最大下沉量為102 mm，左幫收縮量為69 mm，右?guī)褪湛s量為60 mm。與設(shè)計優(yōu)化前相比，頂板下沉量減小了46%，兩幫移近量減小了49%，說明由于頂板錨索的增加，圍巖的強度和整體性明顯提高，支護方案能有效控制圍巖變形。

圖5 測點監(jiān)測結(jié)果圖

由圖6所示，應(yīng)力監(jiān)測分別布置于頂板、左幫及右?guī)吞?，編?～3號測點。0～10 d內(nèi)，測點錨桿預(yù)應(yīng)力都是以較緩慢的速率平穩(wěn)上升，錨索+錨桿支護的共同作用下，內(nèi)部形成穩(wěn)定的承載應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，圍巖強度增加，取得了比較滿意的支護效果。

圖6 錨桿應(yīng)力監(jiān)測圖

5 結(jié)論

(1)通過鉆孔窺視儀確定了破碎巷道圍巖松動圈范圍。巷頂松動范圍小于巷幫松動范圍，巷幫2 m內(nèi)異常破碎，在2～3 m存在小范圍的破碎區(qū)，3～5 m相對完整。因此，要特別重視該區(qū)域支護方式和支護參數(shù)的選擇。

(2)根據(jù)松動圈支護理論，設(shè)計選用巷道錨桿+短錨索+金屬網(wǎng)支護方案。設(shè)計錨桿總長度應(yīng)為2.2 m，間排距為取1 m×1.5 m。設(shè)計錨索長度應(yīng)為5 m，間排距為取2 m×2 m。金屬網(wǎng)采用直徑4 mm鐵絲編織而成，網(wǎng)孔85 mm×85 mm，單片金屬網(wǎng)寬1 000 mm、長3 000 mm。

(3)通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力上升緩慢，在錨索+錨桿支護的共同作用下，內(nèi)部形成穩(wěn)定的承載應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)，10 d內(nèi)巷頂頂板最大下沉量為102 mm，左幫收縮量為69 mm，右?guī)褪湛s量為60 mm，支護設(shè)計應(yīng)用效果良好。