長錨索預錨固控頂在謙比希銅礦中的應用*

施發伍，王貽明，劉曉輝，張晉軍，胡文達

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.中色非洲礦業有限公司，贊比亞，基特韋)

1 引言

中國有色集團非洲礦業有限公司謙比希銅礦位于世界著名的贊比亞－剛果銅礦帶上，其由主礦體、西礦體以及東南礦體三個礦床組成，主礦體位于卡伏埃背斜西翼，謙比西－恩卡納盆地的北翼。礦體走向近東西，傾向南，傾角 15～75°，走向長約2280m。目前，主礦體已開采至地下900m，主要采礦方法包括上向分層充填法，分段崩落法以及嗣后充填法。其中，分層充填采礦法被應用于500m以上東區及500m～700m以西部分礦體，在開采過程中，由于上盤圍巖節理裂隙發育，在采動影響、爆破震動以及地下水的作用下，極易導致頂拱的坍塌和上盤圍巖失穩，單純的錨桿支護難以滿足要求，有效的頂板支護措施成為亟待解決的問題。

2 工程概況

2.1 開采技術條件及結構參數

目前，分層充填法采場主要集中于礦體500m～700m以西部分礦體。此區段內礦體傾角小于55°，平均厚度3～10m，且位于剪切破碎帶內，礦巖穩固性較差，區段內礦石品位一般高于3%，甚至達4%。礦體直接上盤圍巖是礦化泥質板巖，該巖層厚度約10m，其巖性與礦體相近，穩定性較差。直接下盤為礫巖，包括泥質石英巖、卵石礫巖等，穩定性較差。采場沿走向布置，長60m，每2個采場間留3m永久間柱，每2個采場為一個盤區。采場分層高度3.3m，每5個分層為一個分段，分段高度16.5m。回采進路沿礦體走向布置，斷面為3.6×3.3m，然后回刷至礦體水平厚度。

2.2 采場頂板冒落形式

根據地質資料分析，謙比希礦體屬于沉積型礦床，其礦體和圍巖均為未風化的堅硬巖石，層理極其發育，層理面非常平整，其間充填有蝕變礦物，在水的作用下，將轉變為既有滑膩性，無任何強度的物質，對巖層之間的穩定起到一定的“潤滑”作用。在地壓活動、采動影響及爆破震動條件下，將造成巖層之間無剪切力作用。通過現場調查，采場頂板破壞形式主要表現為以下兩種:(1)在巷道剛開挖之后，由于傾斜層狀節理的存在以及與礦體走向正交節理的存在，剪切傾斜層狀節理，通常造成采場頂板出現倒楔形巖體冒落;(2)在層理發育的層狀巖體中，上盤圍巖巖體沿層理弱面發生剪切破壞或拉壞，形成局部塌落，如圖1所示。

圖1 頂板破壞形式

2.3 支護現狀

礦山目前采取的支護方式主要為管縫錨桿+金屬網條支護，如圖2所示。現場支護效果表明，此種支護方式與區域內巖體的破壞類型明顯不符，支護之后，由于節理裂隙切割巖體，同時受爆破震動及自重的影響，在錨桿周圍出現松散破壞，造成絕大部分錨桿“懸掛”在巖體表面，其支護作用不能得到充分發揮，如圖3所示。因此，探尋有效的頂板支護措施成為亟待解決的問題。

3 長錨索預錨固控頂技術

近年來，長錨索護頂技術不論在巷道還是在采場均得到越來越廣泛的應用[1－2]。會澤鉛鋅礦在頂板不穩定的采場中應用長錨索護頂，基本杜絕了大塊冒落事故的發生，提高了礦石回收率[3]。南京棲霞山鉛鋅礦通過長錨索護頂，有效地控制了上向分層充填采場的頂板冒落問題，礦石回收率達到85%以上，礦石貧化率在3%以下[4]。此外，在紅透山銅礦，銅錄山銅鐵礦，金川等礦山，長錨索亦取得了明顯的應用效果[5]。由此，根據以上礦山實踐經驗，結合謙比希礦具體情況，決定采用長錨索對礦體頂板圍巖進行預先錨固，從而提高采場頂板穩固性，控制采場頂板冒落問題。

3.1 長錨索預錨固控頂原理

所謂長錨索預錨控頂，就是在礦塊回采之前，利用長錨索對礦體的頂板圍巖預先進行錨固，然后在其預先錨固的頂板圍巖下進行礦石的回采。由于長錨索是在頂板原巖應力狀態下錨固的，這就使得在礦塊開采過程中，長錨索一直起著限制巖塊位移，調整巖層內部應力場，以及使頂板圍巖及時形成完整穩固巖體的作用，有效提高了采場頂板圍巖的穩定性[6－7]。

在采場頂板圍巖揭露后進行支護，由于原巖應力分布的變化，支護前已經產生單個巖塊的移動，松弛和機理裂隙的膨脹等，其結果是降低了節理巖塊之間的結合強度，使支護后采場頂板圍巖的整體穩固性，遠不如在原巖應力狀態下長錨索預先錨固的整體穩固性好[8]。

3.2 錨索支護參數

長錨索的長度在使用時應針對具體情況的支護要求進行確定。謙比西礦分層充填采場分段高度為16.5m，第1分層回采時采幅控制在5m以內，則上部分層的高度為12m左右，礦體傾角為55°左右，為保證注漿質量，設計一次支護能夠保證上部2個分層的回采，即錨索長度為6.5～9m。同時，根據采場頂板揭露的地質情況，綜合考慮節理、裂隙發育程度、礦體內接觸面分離狀態等因素，結合國內其他礦山經驗，設計確定施工網度為:錨索排距為3m，孔口間距2.0 ～2.4m，孔底距不大于 3.0m，錨孔傾角 60～70°，如圖4 所示。

3.3 錨索布置方案

根據上述分析，則錨索布置方案如圖4所示，為保證施工安全，第1分層回采時采幅控制在5m以內，充填到要求的高度后(2m)，采用手抱鉆施工到設計寬度，即可進行錨孔施工;第3分層回采完充填到要求高度后，即進行上兩分層支護施工。

圖4 長錨索布置方案

4 長錨索施工工藝

4.1 材料要求及施工設備

錨索孔采用YQ－90型鉆機施工，錨孔直徑56～60mm。長錨索采用Ф15.2mm鋼絲繩。托板尺寸為200mm×200mm×8mm的方形托盤，采用Q235鋼板或其他同等強度鋼材;注漿管內徑應不小于18mm，最大承壓能力應大于1.5MPa，以防止注漿過程中造成爆管傷人事故，其長度在1.5m左右;排氣管內徑應大于10mm，采用硬質塑料管，長度與錨索長0.5m。注漿用水泥砂漿采用標號為425的普通硅酸鹽水泥、水和細砂組成，水灰比為0.4～0.45;灰砂比為1∶1 ～1∶1.5。砂漿的攪拌及注漿采用GSV40B變量灌漿泵，該機器自帶攪拌裝置，能實現攪拌和注漿同時進行，注漿壓力為0.5～1Mpa。

4.2 施工工藝

施工時根據設計確定的錨孔網度、直徑、孔深、傾角進行施工。錨孔孔位誤差應小于20cm，傾角誤差在±5°內。錨索與水平面的夾角一般應為90°，不宜小于75°，終孔后應使用壓縮空氣或壓力水進行清洗，以免孔壁上的粉塵影響注漿質量。

安裝前應將排氣管、注漿管以及錨索進行綁扎，安裝過程中，注漿管應塞入孔內0.8～1m，排氣管則需插入孔底，距孔底距離在0.5m之內，并用紗布、編織袋、木楔等材料封口和固定鋼絞線，確保注漿過程中無漏漿。錨索采用前進式連續注漿，當稀漿從排氣管中流出時，表示水泥漿已充滿鉆孔。

注漿完成24小時以后，再安裝墊板和錨具。錨具安裝時，利用千斤頂進行張拉，可以使長錨索立即承載，充分發揮錨索的支護作用，避免由于錨具安裝不合格導致錨索失效的弊病。

5 支護效果

經過長錨索錨固后的礦塊，頂板穩固性有顯著提高，但由于礦巖的節理裂隙、斷層發育，采場爆破震動的影響，在錨索之間仍有發生小的礦石掉塊，因此，在實踐中采用管縫錨桿進行輔助支護，錨桿直徑為40mm，長 2.0m，網度(排距 × 間距)為 1.2 ×1.2m，對于局部極不穩定地段加鋼筋條網，如圖5所示。經過長錨索和錨桿聯合對頂板進行主動加固，頂板掉塊的現象大大減少，極大地提高了采場作業的安全程度，提高了采場的出礦能力。

圖5 長錨索+錨桿(網)聯合支護效果

6 結束語

(1)長錨索預錨固控頂技術在謙比希礦的應用實踐表明，該控頂技術有效地控制了上向水平分層充填采場的頂板冒落問題，取得了較好的支護效果，解決了分層采場頂板暴露面積過大帶來的安全問題。

(2)施工質量是確保錨索支護性能的關鍵因素，應嚴格控制水灰比，注漿長度等參數。同時，在安裝錨具時，必須利用千斤頂進行張拉，使長錨索立即承載，充分發揮其支護作用。

(3)對于較破碎的礦巖，由于節理裂隙、斷層發育，采場爆破震動的影響，在錨索之間仍有發生小的礦石掉塊，在實踐中應輔以錨桿及鋼條聯合支護，確保頂板穩定性。

[1]王新民，趙彬，張欽禮.采場頂板冒落機理及控頂技術探討[J].中國礦業，2007，16(11).

[2]高元，楊照群.長錨索預控頂技術在上向進路充填采礦法的應用[J].萊鋼科技，2008(4).

[3]余斌，曹連喜.長錨索護頂技術試驗研究[J].湖南有色金屬，2001(1):1－4.

[4]焦鵬，錢義貴，佟磊，等.長錨索錨網聯合支護在上向分層充填采場的應用[J].采礦技術，2012，12(3):37－38，114.

[5]鄒賢季，楊小聰.大直徑深孔采礦法采場頂板長錨索加固[J].有色金屬(礦山部分)，2006(5):17－20.

[6]郭利杰，楊小聰.大直徑深孔采礦法采場頂板長錨索加固穩定性分析[J].礦冶，2007(2):1－4.

[7]葉綠.基于巖石強度的長錨索支護錨固規律研究[J].現代礦業，2011，27(6):31－32.

[8]愈德慶.應用長錨索加固技術提高礦巖自支承能力[J].有色礦山，2001，30(6):4－7.