白朝陽(yáng) 賈西鋒 白 偉 白向陽(yáng)

（1.陜西太白黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司；3.陜西五洲礦業(yè)股份有限公司）

井巷工程支護(hù)技術(shù)是地下礦山井巷施工與安全回采的一項(xiàng)核心技術(shù)，安全、有效的井巷支護(hù)是保證地下礦山高效產(chǎn)出的前提條件。井巷工程支護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了從單一型支護(hù)到多種技術(shù)聯(lián)合支護(hù)的發(fā)展過程。最早支護(hù)多以木材作為井巷工程及回采工作面的預(yù)支護(hù)材料，隨著支護(hù)材料和技術(shù)的提升，逐步采用錨網(wǎng)、混凝土、鋼筋混凝土等支護(hù)形式，木材支護(hù)材料耗費(fèi)大且受圍巖條件影響，支護(hù)效果有限。隨著礦山開采深度的加大，地質(zhì)條件惡化，破碎巖體增多，地應(yīng)力增大，為了進(jìn)一步提升井巷工程的安全性和穩(wěn)定性，行業(yè)中出現(xiàn)了多種支護(hù)理論及支護(hù)方式。

本研究通過對(duì)太白金礦板巖型巷道圍巖進(jìn)行力學(xué)分析，闡述了錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在板巖巷道中的施工工藝，并通過對(duì)比不同支護(hù)方式，證明錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)具有較為理想的支護(hù)效果，可以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 支護(hù)理論國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初期，以海姆（A.Haim）和朗金（W J M Rankine）為主要代表人物，用古典材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)來分析研究巷道支護(hù)問題［1］。他們認(rèn)為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)，巖石工程上的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均等于單位面積上覆巖層重力，開挖后自然形成坍落拱，支架上的壓力等于坍落拱內(nèi)巖石的重力。

20世紀(jì)50年代，芬納（R.Fenner）和塔羅勃（J Talobre）將彈塑性力學(xué)方法引入巷道支護(hù)研究中，并應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)理論推導(dǎo)了著名的R Fenner-J Talobre公式［2］。奧地利專家臘布希維茨（L V Rabcewicz）總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，提出一種新的隧道施工方法，即新奧法［3］，核心是利用圍巖的自承作用來支撐隧道，使圍巖成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分而與支護(hù)體共同形成支撐環(huán)，提出了“研究工程圍巖的穩(wěn)定性必須了解原巖應(yīng)力和開挖后圍巖的自承作用強(qiáng)度變化”及“節(jié)理裂隙對(duì)巖石工程穩(wěn)定性的影響較大”等觀點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代薩拉蒙（M.D.Salamon）提出能量支護(hù)理論［4］，認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共同變形，在變形過程中，圍巖釋放一部分能量，支護(hù)結(jié)構(gòu)吸收一部分能量，但總能量沒有變化。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)巷道支護(hù)理論研究較晚，但研究成果比較顯著，尤其是煤炭系統(tǒng)對(duì)支護(hù)的研究，已由過去單一的支護(hù)形式，逐步發(fā)展為各種多次支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)形式，主要以“圍巖松動(dòng)圈理論”和“聯(lián)合支護(hù)理論”為主。

2 影響板巖巷道的穩(wěn)定性因素

2.1 巖性因素

太白金礦賦礦圍巖板巖由泥巖或者粉砂巖等經(jīng)過區(qū)域淺變質(zhì)作用形成，巖性致密，板狀劈理發(fā)育，巖層層理明顯，但巖層間褶曲變形量較小。巖性因素是影響板巖巷道安全的根本原因。板巖巷道圍巖塑性變形與巖石的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程密切相關(guān)。巷道在受到擠壓并破壞的過程中，圍巖通常會(huì)相繼出現(xiàn)3種過度變形和狀態(tài)［5］（圖1，圖2）:彈性范圍和彈性狀態(tài)（OA段）、塑性范圍和塑形狀態(tài)（AB）、裂隙范圍和裂隙狀態(tài)（BC）。

2.2 時(shí)間因素

板巖巷道變形程度與時(shí)間關(guān)系密切，時(shí)間越久變形程度越大。巷道在開挖后，形變過程可以分為3個(gè)階段［6］:初始形變、等速形變和加速形變。初始階段在壓力和時(shí)間的作用下，巷道圍巖以極小的速度發(fā)生塑性變形，并逐漸穩(wěn)定下來，速度趨零。在等速階段，巷道圍巖開始出現(xiàn)裂隙，并逐漸轉(zhuǎn)換為加速階段。加速階段末期，圍巖最終破壞失穩(wěn)。因此支護(hù)板巖型巷道首先要確定板巖巷道的變形階段，然后采取相應(yīng)措施防止發(fā)展到加速階段。

2.3 工程布置因素

工程布置因素主要包括①工程所在的方位，例如是否靠近采空區(qū)、處于構(gòu)造薄弱帶等；②斷面面積和開挖方法、支護(hù)形式及時(shí)間等因素。

3 錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)工藝

太白金礦的容礦巖石為鈉質(zhì)構(gòu)造角礫巖，圍巖為層狀鈉質(zhì)板巖，板巖內(nèi)沉積構(gòu)造較為發(fā)育，多見水平層理、斜層理等，破碎帶不發(fā)育。開拓系統(tǒng)多在板巖之中。因板巖的性質(zhì)，及受構(gòu)造影響，圍巖在開挖后形成的斷面較為松散，但一般不出現(xiàn)大面積片幫、冒頂?shù)仁鹿?，主要是松散浮石。若采用常?guī)支護(hù)耗材大，費(fèi)工也費(fèi)時(shí)，后續(xù)維護(hù)頻繁。

錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以控制巷道變形和防止裂隙化圈層內(nèi)的浮石掉落，首先使用錨桿固定巖石，然后通過掛網(wǎng)使整個(gè)錨網(wǎng)與巖壁成為整體，達(dá)到初次支護(hù)，再對(duì)巷道進(jìn)行噴漿，進(jìn)而錨網(wǎng)漿與破碎巷道成為整體，從而使破碎巖壁平整均勻，增強(qiáng)抗彎抗剪切能力。

3.1 錨網(wǎng)時(shí)間確定

板巖巷道在按照設(shè)計(jì)要求完成施工后不宜立即進(jìn)行掛錨噴漿，應(yīng)擱置一斷時(shí)間再進(jìn)行。因?yàn)榫蜻M(jìn)后形成的新斷面破壞了原巖石受力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力需要重新分配，必須等待一段時(shí)間才能繼續(xù)施工，但又不能超過等速變形階段，因此確定繼續(xù)施工時(shí)間很重要。大量工程實(shí)踐證明，采用下列計(jì)算公式較為合理［7］。

其中，［U］為巷道變形允許的極限位移，mm；U'為巷道最終位移值，mm。

3.2 錨網(wǎng)施工

打錨桿是錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的第一道工序，其只對(duì)錨固范圍內(nèi)的巖石提供徑向壓力，延伸范圍在裂隙和部分塑形范圍內(nèi)（圖2）。打上錨桿后，巷道圍巖將被錨固并重新回到初始的彈性狀態(tài)。

在施工中要注意錨桿眼深度應(yīng)與錨桿長(zhǎng)度基本一致，并且嚴(yán)格按錨桿長(zhǎng)度打眼。為方便快捷打眼時(shí)先用短釬桿打眼，再換用長(zhǎng)釬，由外向里先頂后幫、先中間后兩邊的順序依次進(jìn)行［8］。然后用高壓水沖洗鉆孔，其次安裝單向左旋螺紋鋼錨桿和掛金屬網(wǎng)，并套上托盤和螺母，把錨桿機(jī)和錨桿鏈接并攪動(dòng)至孔底。錨桿的間排距約為80 mm×80 mm，呈菱形分布。金屬網(wǎng)規(guī)格為60 mm×20 mm，網(wǎng)格為50 mm×65 mm，在其交匯接茬處互相摻入不小于150 mm。最后用扳手或者其他工具擰緊螺母，錨桿掛網(wǎng)安裝完成，此時(shí)錨桿開始發(fā)揮作用。

3.3 錨固強(qiáng)度計(jì)算

假設(shè)每根錨桿的錨固力為Q，錨桿長(zhǎng)為L(zhǎng)，每米巷道使用M根錨桿，斷面基本呈方形，可近似看作圓［9］。那么錨桿給錨固圈內(nèi)側(cè)提供的徑向支護(hù)強(qiáng)度為

其中，a=a1+a2+a3+a4+......+an。

錨桿給錨固圈外側(cè)提供的徑向支護(hù)強(qiáng)度為

其中，a=a1+a2+a3+a4+......+an。

3.4 噴射混凝土

支護(hù)中的混凝土是水泥、砂子、石子和速凝劑的混合物，其中水泥、砂子和石子的比例以1∶2∶2較為合適，石子粒徑要控制在1 cm以下。速凝劑的使用量約為水泥質(zhì)量的2%~3.5%。另外，為防止噴射時(shí)混凝土出現(xiàn)流淌或者黏著力強(qiáng)等情況，及時(shí)調(diào)整加水和速凝劑量。

噴射時(shí)先噴射兩壁再噴射頂部，從巷道底部開始自下而上有序進(jìn)行，并保證噴射槍頭與所噴射巖壁垂直。1次噴射厚度約為2 cm，往返多次直至覆蓋全部金屬網(wǎng)。

4 混凝土與鋼拱架支護(hù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

混凝土一般變形量較小，承受荷載能力較大。但當(dāng)?shù)貕横尫诺揭欢ǔ潭葧r(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)破壞幾乎是毀滅性的，很難再恢復(fù)。另外施工過程復(fù)雜，需要搭建工作平臺(tái)，制作模具現(xiàn)場(chǎng)拌制混凝土，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率也低［10］。

鋼拱架也屬于剛性支護(hù)，通常采用工字鋼、鋼管等。拱架的整體剛度很大，也可以與錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴漿相結(jié)合，構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)形式，其相對(duì)制作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但成本高，并且施工支護(hù)前要進(jìn)行試拼。

5 結(jié)論

太白金礦針對(duì)淺變質(zhì)板巖巷道開展錨網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)試驗(yàn)研究，目前較普遍解決了單一支護(hù)形式達(dá)不到層狀板巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的要求。該技術(shù)的試驗(yàn)研究，為解決層狀板巖型巷道淺變質(zhì)板巖工程的支護(hù)問題，提供了一種新的方法與思路。“錨”，通過圍巖內(nèi)部的錨桿改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，利用錨桿與圍巖共同作用，達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的?！熬W(wǎng)”，網(wǎng)住錨桿間破碎的巖石，提高錨桿之間的整體效果，提高混凝土的柔性，防止噴射混凝土開裂掉塊?！皣姟?，隔絕空氣、水與圍巖的接觸，防止風(fēng)化，并充填圍巖的裂隙、節(jié)理以及凹穴的巖面，提高了圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力。錨網(wǎng)噴支護(hù)將支護(hù)材料與圍巖形成一個(gè)整體，因而使噴射混凝土層與圍巖形成了一個(gè)共同作用的力學(xué)統(tǒng)一體，具有把圍巖載荷轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用，從根本上提升了支護(hù)效果。

這種技術(shù)應(yīng)用6 a以來，井巷完整性、穩(wěn)固性較好，沒有出現(xiàn)明顯變形、片幫冒頂?shù)默F(xiàn)象，理論與實(shí)踐分析證明，斷層破碎帶采用錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)是可行的，它與鋼拱架、鋼筋混凝土等其它支護(hù)相比，優(yōu)勢(shì)在于主動(dòng)支護(hù)，施工工藝簡(jiǎn)單且靈活，施工安全且效率高，人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，支護(hù)成本低。因此錨網(wǎng)噴支護(hù)在斷層破碎帶及不穩(wěn)定圍巖中的應(yīng)用值得推廣。