易風化破碎巖體巷道機械化高效支護技術研究

韓 斌,湯 麗，江懷春，王少勇

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083 ；2.昆明冶金高等專科學校，云南 昆明 650033)

錦豐金礦工程地質條件復雜，礦區劃分為三個工程地質巖組，即松散巖組、砂巖夾黏土巖半堅硬-軟弱巖組和黏土巖夾砂巖半堅硬-軟弱巖組。礦體及頂底板圍巖以薄至中厚層砂巖與薄層黏土巖為主，其單軸抗壓強度一般在21.6～59.5MPa之間。礦區地質構造發育，風化作用強烈，黏土巖軟弱層及斷裂破碎帶分布廣，易發生垮塌和遇水泥化等現象，屬軟弱層狀碎屑巖類礦床，巷道變形表現出明顯的軟巖特性。在礦山建設初期，巷道支護全部采用“管縫式錨桿+鋼網”支護。工程實踐表明，采用該種支護方式，存在下述問題：①該礦礦巖風化作用明顯，遇水易泥化，采用管縫錨桿+鋼網支護，支護強度低，礦巖易出現掉塊和逐層片落，甚至引起巷道冒頂等事故。隨著巷道服務時間的延長，這一現象逐漸加劇。②該支護工藝支護成本高，施工速度慢，每個掘進循環周期長，臺車效率不能充分發揮。③該礦礦巖呈層狀結構，節理裂隙發育，掘進過程中巷道成型差，采用管縫式錨桿+鋼網支護，巷道表面粗糙，既不利于巷道穩定，也增大了巷道通風阻力。

針對巷道支護存在的問題，該礦研發了我國黃金礦山首套基于濕噴混凝土臺車為核心的濕噴支護新工藝，研制了機械化安裝專用樹脂錨桿及配套工具，采用濕噴混凝土+樹脂錨桿支護取代了管縫錨桿+鋼網支護，很好的解決了易風化破碎巖體巷道支護存在的問題，對國內地下礦山同類巖體巷道支護具有重要參考作用。

1 濕噴混凝土與樹脂錨桿支護

1.1 濕噴混凝土

1.1.1 配合比優化

合理的配合比是決定濕噴混凝土成敗的關鍵之一。該礦為篩選最佳配合比，選用了L9(34)正交表，以水泥、纖維、減水劑和速凝劑為關鍵因素，開展了基于正交設計的最佳配合比篩選現場工業試驗，分別測定了不同配合比的7d、28d單軸抗壓強度和抗彎拉強度[1-4]，試驗結果見表1。

表1 濕噴混凝土配合比試驗試塊力學強度測試結果

根據上述研究結果，結合錦豐金礦實際工程支護要求，確定了濕噴混凝土最佳配合比，如表2所示。

表2 濕噴混凝土最優配合比

1.1.2 濕噴混凝土工藝

制漿及運輸。采用HZS25型混凝土攪拌系統配制濕噴混凝土，砂石配料采用PLD800型配料機，水泥計量采用高精度電子秤及螺旋給料機，減水劑添加采用時間繼電器控制流量泵。該配料系統具有物料計量準確、電器控制系統自動/手動控制模式自由切換、料漿攪拌質量好等優點。當混凝土料漿在攪拌槽攪拌均勻后，裝入混凝土罐車，送往井下噴漿作業點[5-7]。

現場噴漿。噴漿采用帶遙控手柄控制的濕噴車。當濕噴車進入待噴作業點后，首先采用高壓水沖洗受噴面，之后混凝土罐車尾部下料口對準濕噴車受料口，開始放料。操作人員采用遙控手柄控制濕噴車機械手噴漿作業，直至待噴巷道全部噴射完畢，之后轉移濕噴車與混凝土攪拌車至其他待噴巷道繼續作業。當噴漿工作結束后，清洗濕噴車及混凝土攪拌車。據統計，濕噴車噴漿前的平均準備時間10～15min，一個工作面平均噴射混凝土一罐(3.5～4m3)，噴漿能力一般為15m3/h左右。

1.1.3 特點

濕噴混凝土與干噴混凝土綜合技術經濟指標比較，見表3。

表3 干、濕噴混凝土技術經濟比較

考慮噴射混凝土回彈等綜合因素，濕噴和干噴混凝土兩者成本基本持平，但濕噴混凝土具有以下優點：

1)主要材料相同條件下，濕噴混凝土平均強度比干噴混凝土平均強度高45%～85%。混凝土強度的提高，改善了巷道支護剛度，減小了圍巖松動圈的擴大，保證了巷道支護的工程質量，從而可延長工程的使用壽命和達到運營安全的目的，具有良好的經濟效益和社會效益。

2)在正常情況下，若采用干噴混凝土，其回彈損耗一般在30%以上，但采用濕噴混凝土作業，回彈損耗約為5%～15%，節約了材料，降低了成本。同時，濕噴混凝土混凝土質量穩定，強度分布均勻。

3)干噴作業一般均在井下完成水泥、砂石料及速凝劑的配制，并采用人工上料和噴漿工藝，上述過程會產生大量的粉塵。現場實測表明，干噴作業時形成的粉塵是濕噴工藝粉塵濃度的2～8倍，可見采用濕噴工藝顯著改善了井下作業環境。

4)干噴混凝土作業時，工人在現場攪拌混合干料，噴射手懷抱噴槍作業，勞動強度高，噴射混凝土能力一般約3～4m3/h；采用濕噴混凝土作業，由于其施工機械化程度高、速度快，實際平均作業效率比一般比干噴法高4～5倍；同時由于有效使用各種外加劑材料，一次噴射厚度最大可達到80mm以上，與干噴混凝土相比，同等厚度的噴射次數可顯著減少，加快了施工進度。

1.2 樹脂錨桿

1.2.1 新型樹脂錨桿研制

為適應樹脂錨桿的鑿巖臺車機械化安裝工藝的要求，該礦研制了專用樹脂錨桿[8-10]。該錨桿具有如下特征：

1)樹脂錨桿頭部異型結構可迅速破壞樹脂錨固劑包裝，并充分攪拌樹脂錨固劑。

2)錨桿桿體波浪結構可以起到充分攪拌樹脂錨固劑的作用，也可以提高錨桿的錨固力。

3)錨桿螺母和錨桿之間獨特的阻尼裝置，可確保臺車旋轉機構帶動錨桿充分攪拌樹脂錨固劑，并使錨桿螺母壓緊托板至巖面。

1.2.2 樹脂錨桿機械化安裝工藝

樹脂錨桿機械化安裝工藝如下：

1)安裝于鑿巖臺車大臂上的錨固劑安裝裝置，將樹脂錨固劑裝入錨桿孔內。

2)將錨桿托盤安裝在錨桿桿體上，并用鑿巖臺車大臂錨桿安裝裝置將錨桿插入孔內。

3)鑿巖臺車機旋轉機構帶動錨桿螺母旋轉，以充分破壞孔內樹脂錨固劑包裝，并充分攪拌樹脂錨固劑。

4)鑿巖臺車旋轉機構停止轉動，數十秒內樹脂錨固劑凝固后，再次啟動臺車旋轉機構，錨桿螺母壓緊托板至巖面。

1.2.3 特點

我國礦山安裝樹脂錨桿的鑿孔工作都采用氣腿式鑿巖機，安裝頂板樹脂錨桿一般在爆堆上作業,操作中有以下缺點:

1)工作人員在安裝樹脂錨桿時，必須要暴露在未支護頂板下作業，工作人員的安全難以保證。

2)樹脂藥卷用人工逐一裝入錨桿孔，前后樹脂藥卷端部會相互重疊，上推困難，勞動強度大。

3)安裝頂板樹脂錨桿必須在爆堆上作業，因此，掘進工藝復雜，生產效率低。

采用鑿巖臺車機械化安裝樹脂錨桿、安裝樹脂錨固劑、安裝錨桿桿體、攪拌樹脂錨固劑、緊固錨桿螺母等各工序均由鑿巖臺車完成。機械化安裝樹脂錨桿具有安裝工藝簡單、工作效率高、操作過程安全、錨桿預應力大等顯著優點。

2 兩種支護方案及其比較

2.1 支護方案

對于斷面規格為5.5m×5.5m的巷道，原管縫錨桿+鋼網支護技術參數如下：

1)錨桿間距1100mm，排距1100mm。

2)管縫錨桿規格為φ47.5mm×2400mm，壁厚3mm，材質為16Mn或20MnSi。

3)錨桿托盤規格(長×寬×高)為300mm×300mm×5mm，材質為Q235。

4)鋼網規格為φ2000mm×4000mm，鋼筋直徑為φ5mm，網孔尺寸100mm×100mm，鋼網表面采用鍍鋅處理。

改進后的濕噴混凝土+樹脂錨桿支護方案[6,10]如下：

1)錨桿間距1200mm，排距1200mm。

2)樹脂錨桿規格為φ25mm×2400mm，材質為HRB335螺紋鋼。

3)錨桿托盤規格(長×寬×高)為150mm×150mm×6mm，材質為Q235普通鋼。

4)錨固劑規格為φ28mm×2000mm，選用快速型。

5)濕噴混凝土選用C30標號，厚度75mm。濕噴混凝土主要技術參數見表2。

2.2 技術經濟比較

錦豐金礦初期巷道全部采用管縫式錨桿+鋼網支護，由于存在鑿巖臺車掛網工藝復雜、施工效率低、掛網工藝導致錨桿消耗大等問題，一直存在支護速度慢、支護成本高的弊病。通過樹脂錨桿+濕噴混凝土支護技術的推廣應用，簡化了支護工藝，加快了支護速度，每米巷道錨桿消耗明顯下降，巷道支護時間由原來的106min/m縮短為55min/m，每米巷道支護成本同時下降了30%。

2.3 支護效果比較

該礦采用樹脂錨桿+濕噴混凝土支護技術后，支護效果得到了顯著改善，與管縫式錨桿+鋼網支護方式相比，其優勢主要表現在以下幾個方面：

1)濕噴混凝土能及時封閉并密貼已開挖的圍巖表面，對圍巖形成徑向的壓力和環向的剪力，阻止了巷道表面塊體的脫落。

2)噴射混凝土還可以填平巷道表面的凹穴，緩和表面的應力集中，有利于表層圍巖環向應力的傳遞。

3)噴射混凝土還可以堵住地下水的通道，防止裂隙充填物的流失，保護裂隙的原始強度。

4)現場實測表明，φ25m×2400mm樹脂錨桿拉拔力平均在20 t以上，明顯大于平均錨固力為10t的φ47.5m×2400mm管縫式錨桿。

3 結語

錦豐金礦為典型的易風化破碎巖體，針對前期管縫式錨桿+鋼網支護存在的不足，采用了濕噴混凝土技術與樹脂錨桿技術，顯著提高了地下礦山的巷道穩定性，縮短了每循環作業時間，改善了掘進效率，降低了生產成本，提高了鑿巖臺車使用效率，為該地下礦的正常生產提供了有利的保證。同時，樹脂錨桿+濕噴混凝土在不良巖體巷道支護中的成功應用，也為相似巖體巷道支護提供了一個良好的范例，對解決該類礦山不良巖體巷道支護具有重要的指導作用。

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