郭良銀，安 龍

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 煙臺 261438；2.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

金屬礦山開采是金屬重要的來源，把握著國民工業(yè)命脈[1]。近幾十年來，隨著金屬礦山的逐步開采，大部分淺部礦產(chǎn)資源被開發(fā)利用完畢，逐漸向深部開采是現(xiàn)在及未來礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)綠色礦山、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[2]。但是，目前金屬礦山深部開采仍存在很多難題，由于深部開采地應(yīng)力過大，導(dǎo)致巷道斷面變形大、頂板下沉量大、片幫嚴(yán)重、巖爆事故，嚴(yán)重限制著金屬礦山的開采[3-5]。為了解決深部金屬礦山巷道變形嚴(yán)重的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者利用錨桿、錨索、錨網(wǎng)等多種方式混合支護(hù)控制深部巷道[6-9]。全斷面錨網(wǎng)支護(hù)由于價格低廉、支護(hù)效果好、安全性強(qiáng)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但是全斷面錨網(wǎng)支護(hù)對錨桿預(yù)緊力和金屬網(wǎng)強(qiáng)度之間的耦合關(guān)系要求較高，所以正確認(rèn)識全斷面錨網(wǎng)支護(hù)、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，對深部金屬礦山的開采具有重大意義[10-13]。基于此，本文以新城金礦為工程背景進(jìn)行研究，預(yù)期減少成本，控制巷道變形，改進(jìn)并提出了適合具體工程現(xiàn)場全斷面錨網(wǎng)噴技術(shù)參數(shù)。

1 工程背景

新城金礦是山東黃金集團(tuán)有限公司單體生產(chǎn)規(guī)模最大的礦山之一，該礦山位于山東省萊州市境內(nèi)。當(dāng)前開采深度已達(dá)到-1 030 m，開拓深度接近-1 070 m。該礦山巖石具有典型的蝕變特征，其類型主要為鉀長石化、黃鐵絹英巖化和碳酸鹽化，并且還存在綠泥石、高嶺土化等。

隨著礦山開采深度的增加，特別是開采深度大于-900 m后，受高地應(yīng)力以及相鄰采場頻繁爆破擾動影響，巷道圍巖變形明顯，破壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生，極大程度地影響了巷道的穩(wěn)定性，為深部礦山安全高效回采帶來隱患。

通過現(xiàn)場實地踏勘，統(tǒng)計新城金礦深部巷道變形破壞特征可知，巷道開挖后，頂板圍巖破碎，錨網(wǎng)形成網(wǎng)兜，有整體下沉現(xiàn)象，局部下沉量較大；片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，個別巷道出現(xiàn)整體垮塌，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。分析新城金礦深部巷道圍巖變形破壞的特征與規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1) 巷道所受地應(yīng)力水平較高。閆振雄等[14]研究了新城金礦地應(yīng)力特征，發(fā)現(xiàn)其具有以下特點：巖體垂直壓力與所處深度成正比，巷道埋藏越深，所受垂直應(yīng)力越大；水平應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造運動有關(guān)，地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)水平應(yīng)力要明顯高于垂直應(yīng)力；新城金礦-930 m及以下中段最大主應(yīng)力均超過了30 MPa，-1 030 m中段最大主應(yīng)力超過42 MPa，屬于較高地應(yīng)力狀態(tài)；最大主應(yīng)力方位角介于260°～285°之間，傾角在4°～16°之間，以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

2) 無法實現(xiàn)耦合支護(hù)。錨網(wǎng)支護(hù)作為一種主動支護(hù)方式，優(yōu)點是支護(hù)效果好、支護(hù)成本低、成巷速度快、斷面利用率高，但是很多情況下錨桿無法發(fā)揮出支護(hù)作用巷道就已經(jīng)被破壞，其主要原因是巷道支護(hù)參數(shù)不合理，無法實現(xiàn)巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的耦合支護(hù)，存在支護(hù)參數(shù)不合理使得錨桿附近圍巖脫落產(chǎn)生的錨桿錨空的現(xiàn)象；鋼筋金屬網(wǎng)強(qiáng)度和剛度較低，使得錨桿無法有效發(fā)揮作用，不能有效控制圍巖變形。

3) 原有支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。原方案沒有對巷道圍巖的薄弱部位進(jìn)行針對性結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，圍巖條件比較差，節(jié)理裂隙大量發(fā)育時，原有錨網(wǎng)支護(hù)質(zhì)量無法保證，難以在巷道淺部圍巖形成穩(wěn)定、有效的承載結(jié)構(gòu)，難以控制破碎圍巖巷道的急劇變形，最終巷道頂板下沉嚴(yán)重，兩幫破壞，無法滿足安全生產(chǎn)要求。

2 深部全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)研究

支護(hù)參數(shù)是影響錨網(wǎng)支護(hù)效果的重要因素，錨桿長度、錨桿預(yù)緊力等參數(shù)明顯影響錨網(wǎng)支護(hù)效果。為改善新城金礦深部錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，獲得適合新城金礦深部地質(zhì)條件的支護(hù)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件就錨桿長度和錨桿預(yù)緊力對錨網(wǎng)支護(hù)的影響展開模擬研究，并針對新城金礦深部工程特點，對原有工程軟弱位置加強(qiáng)支護(hù)，改善受力結(jié)構(gòu)，為深部安全開采提供保障。開展室內(nèi)和現(xiàn)場巖石力學(xué)試驗，得到了計算模型所需的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。參考文獻(xiàn)[15]給出樹脂錨桿材料的計算力學(xué)參數(shù)，見表2。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Principal and mechanical parameters of surrounding rock

表2 錨桿材料參數(shù)Table 2 Bolt mechanical parameters

2.1 錨桿長度對支護(hù)效果的影響

已有研究結(jié)果表明，對錨桿支護(hù)而言，錨桿長度在某種程度上將決定錨桿形成的承載結(jié)構(gòu)的厚度。為分析錨桿長度對錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D軟件5.0建立數(shù)值模型，對比研究錨桿長度為1.5 m、1.8 m、2.3 m、2.8 m時試驗巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，不同錨桿長度下圍巖主應(yīng)力分布云圖如圖1所示。當(dāng)錨桿長度為1.5 m時，巷道淺部存在明顯低應(yīng)力區(qū)，且圍巖表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，達(dá)到了0.94 MPa；隨著錨桿長度增加，巷道淺部低應(yīng)力區(qū)范圍逐漸減小，圍巖表面拉應(yīng)力減小至0.10 MPa。

圖1 不同錨桿長度下圍巖主應(yīng)力分布Fig.1 Principal stress distribution of surrounding rock under different bolt length

不同錨桿長度下圍巖變形情況如圖2所示。隨著錨桿長度的增加，巷道頂板和兩幫的變形量呈現(xiàn)減小趨勢，其中，頂板變形量由37.86 mm減小至32.43 mm，頂板變形量由47.59 mm減小至40.26 mm。說明增加錨桿長度對錨固效果具有一定影響，但并非呈正比關(guān)系。錨桿長度增加可以改善圍巖的受力環(huán)境，除了可以限制巖體的徑向和切向滑移之外，通過將錨桿錨固端打入深部穩(wěn)固巖層，可以起到懸吊作用及組合梁作用。但是錨桿長度也不是越長越好，只要能夠保證錨桿錨固端可以越過松動圈或者破碎帶即可，既能起到錨固效果，又可兼顧經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 不同錨桿長度下圍巖變形量Fig.2 Deformation of surrounding rock under different bolt length

新城金礦現(xiàn)行支護(hù)方案中錨桿長度為1.5 m，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試驗巷道存在諸多片幫地段，片幫深度超過錨桿長度，導(dǎo)致支護(hù)完全失效。新城金礦在后期支護(hù)中，根據(jù)工程情況試驗1.8 m和2.3 m錨桿，取得了較好支護(hù)效果。

2.2 錨桿預(yù)緊力對支護(hù)效果的影響

據(jù)統(tǒng)計，新城金礦深部錨網(wǎng)支護(hù)中錨桿間排距一般在1.0 m左右，但是許多錨網(wǎng)支護(hù)的巷道發(fā)生冒頂垮塌、片幫破壞時錨桿受力卻很小。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些巷道發(fā)生破壞并不是因為錨桿支護(hù)密度和錨桿強(qiáng)度不夠，預(yù)緊力不足是導(dǎo)致錨桿失效的重要因素。

在巷道圍巖中，錨桿由于受到拉、剪、扭等多種力的共同作用，加上受采動影響，其發(fā)揮作用的機(jī)理比較復(fù)雜。預(yù)緊力在錨網(wǎng)支護(hù)中的作用可總結(jié)為以下幾點：①提供足夠的表面支護(hù)阻力，限制圍巖早期變形、表面破壞，抑制圍巖剪脹變形的繼續(xù)發(fā)展；②預(yù)緊力通過錨桿作用于圍巖，阻礙圍巖巖體裂隙發(fā)育、增大滑移面摩擦阻力，可以有效提高破碎區(qū)圍巖巖體的整體性；③圍巖殘余強(qiáng)度同圍壓密切相關(guān)，通過增大錨桿預(yù)緊力增大圍壓可以有效增大巷道圍巖巖體的殘余強(qiáng)度；④施加合適的預(yù)緊力，可以使得支護(hù)體中錨桿和圍巖共同發(fā)揮作用，避免因受力不同步，無法形成統(tǒng)一的支護(hù)結(jié)構(gòu)而被各個擊破，提高支護(hù)體的最大受力水平，達(dá)到耦合支護(hù)的效果。為了研究不同預(yù)緊力對錨網(wǎng)支護(hù)作用效果的影響，根據(jù)新城金礦深部的實際地質(zhì)條件對預(yù)緊力分別為0 kN、30 kN、100 kN、200 kN不同情況的錨網(wǎng)支護(hù)巷道進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，通過對錨桿施加預(yù)緊力，巷道表面圍巖拉應(yīng)力減小。當(dāng)預(yù)緊力由0 kN增加至100 kN時，巷道表面圍巖拉應(yīng)力由0.21 MPa減小至0.16 MPa；當(dāng)預(yù)緊力由100 kN增加至200 kN時，巷道表面圍巖拉應(yīng)力沒有變化，其量值仍然為0.16 MPa。由此可知，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為100 kN時，錨桿錨固效果最好。

圖3 不同預(yù)緊力條件下最大主應(yīng)力分布圖Fig.3 Distribution diagram of maximum principal stress under different pre-tightening conditions

2.3 斷面尺寸影響作用分析

新城金礦深部斜坡道及中分段大巷屬于大斷面拱形巷道，巷道尺寸為4.5 m×4.0 m，為了探究大斷面巷道相對于小斷面巷道的軟弱位置從而進(jìn)行針對性支護(hù)，分別模擬3.2 m×2.8 m巷道和4.5 m×4.0 m巷道進(jìn)行對比分析。不同斷面巷道圍巖主應(yīng)力分布特征與塑性區(qū)分布特征如圖4和圖5所示。對比不同斷面巷道圍巖主應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，小斷面巷道淺部低應(yīng)力區(qū)范圍明顯小于大斷面巷道，其圍巖表面拉應(yīng)力為0.001 MPa，而大斷面巷道為0.010 MPa，這主要是由于大斷面巷道深部圍巖受到的開挖擾動更為劇烈。

圖4 不同斷面巷道圍巖主應(yīng)力分布云圖Fig.4 Distribution nephogram of principal stress in roadways with different sections

圖5 不同斷面巷道塑性區(qū)分布圖Fig.5 Plastic zone distribution map of roadways with different sections

由圖4可知，小斷面巷道幫部、頂板、底板塑性區(qū)深度分別為3.75 m、2.30 m、4.50 m，大斷面巷道塑性區(qū)深度分別為7.30 m、3.50 m、70.00 m，巷道四周塑性區(qū)范圍明顯增大，其中幫部塑性區(qū)增加的程度最大，頂板次之，底板最小，因此對于大斷面巷道支護(hù)時應(yīng)針對性加強(qiáng)兩幫和肩窩位置的支護(hù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)樹脂模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際施工條件，針對深部巖體高地應(yīng)力破碎的現(xiàn)狀，在深部巷道掘進(jìn)過程中，采用1.8 m樹脂錨桿Φ6 mm金屬網(wǎng)+噴漿的全斷面支護(hù)方式，在圍巖破碎區(qū)段，進(jìn)一步優(yōu)化深部工作面聯(lián)合支護(hù)施工工藝：在破碎區(qū)域出渣前對頂板及兩幫素噴3～5 cm，出渣結(jié)束后繼續(xù)向前施工炮孔，并在素噴區(qū)域施工樹脂錨桿鉆孔；爆破后，對已素噴區(qū)域進(jìn)行全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)(噴漿厚度10 cm)，并對新掘巷道素噴3～5 cm，工作面進(jìn)入下一循環(huán)。通過優(yōu)化施工工藝，為施工人員提供全斷面支護(hù)作業(yè)條件，保證施工安全。

現(xiàn)場施工效果如圖6所示，采用新的支護(hù)方案后，巷道圍巖沒有發(fā)生明顯的變形和破壞，保持了巷道的穩(wěn)定性。

圖6 現(xiàn)場施工效果Fig.6 Site construction effect

4 結(jié) 論

1) 錨桿長度與錨桿錨固效果并非呈正比關(guān)系，當(dāng)錨桿長度超過2.3 m時，錨桿錨固效果不再發(fā)生明顯變化，因而錨桿長度只要能夠保證錨桿錨固端可以越過松動圈或者破碎帶即可，既能起到錨固效果,又可兼顧經(jīng)濟(jì)效益。

2) 預(yù)緊力不足是導(dǎo)致錨桿失效的重要的因素，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為100 kN時，錨桿錨固效果最好。

3) 小斷面巷道圍巖表面拉應(yīng)力明顯小于大斷面巷道，且其破壞區(qū)范圍更小。

4) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，提出了全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)，從現(xiàn)場實踐結(jié)果可以看出，采用全斷面錨網(wǎng)噴支護(hù)方案后，巷道圍巖沒有發(fā)生明顯的變形和破壞，能夠保持巷道的穩(wěn)定性。