破碎軟巖中長錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用*

劉斯忠，王洪江，吳愛祥，黃明清

(北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

1 引言

長錨索支護(hù)技術(shù)在世界上已有90年歷史［1］。最早使用錨索技術(shù)的國家是阿爾及利亞，1933～1935年該國用其加固舍爾法大壩，并一舉獲得成功。進(jìn)入70年代以后，由于錨索理論有了較大發(fā)展，世界各國應(yīng)用錨索相關(guān)理論指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)，使錨索支護(hù)技術(shù)又有了新的發(fā)展。澳大利亞蒙特艾薩礦［2-3］1973年以后引進(jìn)了長錨索支護(hù)技術(shù)，開始對(duì)分層充填法中的頂板進(jìn)行預(yù)加固，在實(shí)踐中獲得成功并改善了經(jīng)濟(jì)效益;位于芬蘭中部的科塔拉蒂礦［4-5］對(duì)兩盤圍巖進(jìn)行長錨索加固后，回采的實(shí)際貧化率比原有不加固時(shí)減少將近一倍，有效的提高了企業(yè)效益，改善了安全條件。

近幾十年來，我國的長錨索技術(shù)研究和使用也得到了長足的進(jìn)步［6］。焦家金礦破碎頂板用注漿長錨索預(yù)加固，錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，對(duì)防止頂板冒落、確保安全生產(chǎn)、提高礦石回收率等方面均取得了良好的效果［7］。此外，我國的鳳凰山、銅錄山、湘西金礦、金川有色金屬公司、紅透山銅礦及安慶銅礦［8］均在長錨索應(yīng)用方面做了突出的研究和實(shí)踐。云南某銅礦4#礦體和上盤圍巖均為黑色碳泥質(zhì)白云巖夾板巖，較破碎且含泥量高，均不穩(wěn)固。經(jīng)過礦山多年的摸索和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)行的淺孔留礦法及中深孔分段礦房法對(duì)開采4#礦體雖有一定的適用性，但仍然存在鑿巖成孔率低、礦石損失分化率高、采場放礦困難等一系列問題。為了改善現(xiàn)場施工條件、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，考慮采用長錨索預(yù)加固技術(shù)對(duì)其上盤圍巖、巷道頂板及頂柱進(jìn)行支護(hù)。

4#礦體回采之前，用長錨索加固礦體上盤圍巖，然后在預(yù)錨固的圍巖下回采礦石，長錨索能在礦塊回采過程中限制巖體位移，調(diào)整巖層內(nèi)部應(yīng)力場，能有效提高采場頂板圍巖的穩(wěn)固性;同時(shí)，錨索注漿過程中對(duì)破碎巖體加以膠結(jié)也能提高巖體自身的強(qiáng)度。

2 長錨索預(yù)加固作用機(jī)理分析

長錨索本身具有柔性、能充分利用錨索較高的抗拉強(qiáng)度、增大正向拉力、改善巖體力學(xué)性質(zhì)、增加巖體的抗剪強(qiáng)度、提高抗震性能，錨入礦巖的錨索沿其全長與礦巖之間的粘結(jié)力或摩擦力進(jìn)行錨固，改變了礦巖自身的力學(xué)狀態(tài)，防止了巖層節(jié)理分離，增強(qiáng)了整體性和穩(wěn)定性，提高了礦巖的自身支承能力，控制或阻止礦巖變形、移動(dòng)，防止礦巖的破壞和冒落。

破碎礦巖進(jìn)行長錨索預(yù)加固后，注入的砂漿能與破碎礦巖膠結(jié)成一體，增加礦巖抗拉能力，且其裂隙將被所穿過的長錨索縫合起來，增強(qiáng)礦巖整體性和穩(wěn)定性。通過注漿泵注入的水泥砂漿有些沿著孔內(nèi)壁滲入到一些張開的斷層，裂隙之中發(fā)生膠結(jié)凝固，從而增加了構(gòu)造弱面的內(nèi)摩擦力。

通過錨索加固綜合作用，能提高礦巖自支承能力，起到控制或阻止礦巖變形和移動(dòng)、防止礦巖破壞和冒落的作用。

3 支護(hù)材料選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)材料與設(shè)備

(1)錨索。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算實(shí)際費(fèi)用發(fā)現(xiàn)，清洗和處理舊鋼繩的費(fèi)用幾乎抵消了廢舊鋼繩的明顯成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也認(rèn)為用專門購置的新鋼繩制造長錨索是比較價(jià)廉和更有效的。因此試驗(yàn)采用新購置的6 ×25TSFC 結(jié)構(gòu)鋼絞繩。

(2)注漿材料

根據(jù)《水利水電地下工程噴錨支護(hù)施工技術(shù)規(guī)范》要求，采用32.5R 滇北水泥，骨料為經(jīng)過2.5mm 過篩后的中細(xì)沙。純水泥漿漿液水灰比:1∶2～1∶2.5;水泥砂漿為:水泥:砂=1∶1～1∶2，水泥:水=1∶0.38～1∶0.45。

(3)主要施工設(shè)備。在現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)、工程模擬的基礎(chǔ)上確定采用的最佳鉆孔、注漿設(shè)備分別為YGZ-90 鑿巖機(jī)和UB3C型壓力注漿機(jī)。

3.2 長錨索支護(hù)參數(shù)

(1)錨索長度。礦山現(xiàn)采用中深孔鑿巖分段礦房法，采場尺寸長× 寬× 高=36m × 礦體厚度×60m，其中礦房長24m，分層高度10m;回采進(jìn)路垂直走向布置，規(guī)格為2 ×2m。

錨索長度視礦體形態(tài)、采場布置參數(shù)和距上盤圍巖高度而定。對(duì)于上盤圍巖預(yù)加固錨索，錨索必須打入上個(gè)分層上盤圍巖內(nèi)，一般不小于1m，切割平巷設(shè)計(jì)尺寸為3m ×3m，故其距上個(gè)分層圍巖高度為7m，為安全起見，錨索尺寸設(shè)計(jì)為10m，打入上個(gè)分層圍巖的錨索長度可達(dá)到2m～3m;對(duì)于礦體分層錨固錨索，鑿巖巷道距上個(gè)分層距離為7m，錨索長度根據(jù)邊孔角大小設(shè)計(jì)為7m～9m 不等;而對(duì)于頂柱預(yù)加固錨索，長度設(shè)計(jì)原理與礦體分層錨固錨索類似，為13m～15m。

(2)錨固間距。依據(jù)普氏松散體理論，認(rèn)為在采場頂部(或巷道頂部)會(huì)形成自然平衡拱，在這個(gè)拱內(nèi)礦巖的重力即為作用在設(shè)計(jì)計(jì)算的長錨索上的力。則普氏計(jì)算式中沿采場長度方向頂部1m 長度的頂壓為:

式中:a 為采場寬度之半，m;b 為冒落拱的高度，b=a;r 為礦巖的體重，t/m3;f 為普氏硬度系數(shù)。則:

在采場往往會(huì)碰到礦巖組分分布的不均勻性，也就是r 值會(huì)有不均衡性，這時(shí)應(yīng)對(duì)壓力公式進(jìn)行修正，其修正公式為:

式中:k 為礦巖的不均勻系數(shù)，0 ＜k ≤1。

采場頂部的總壓力P 為:

式中:L 為采場的長度，m。

在采場頂部礦巖中安裝錨索就是要承受住頂部的總壓力P，則采場頂部需要安裝錨索的根數(shù)為:

式中:m 為安全系數(shù)，取m=1.5;R 為鋼繩破斷拉力，t。則:

錨索網(wǎng)度D 為:

式中:S 為采場頂部面積(S=2 × L × a)，m2。

在4#礦體的礦巖條件下，采場寬度為20m，故a=10m，礦巖的體重r=2.8/m3，普式系數(shù)f=5。不均勻系數(shù)k 和安全系數(shù)m 分別取0.6 和1.5。錨索眼直徑為65mm，錨索破斷力按6 ×19 -Φ23 的鋼繩計(jì)算，R=34.2t。錨索的設(shè)計(jì)安裝網(wǎng)度通過計(jì)算得出:

由以上公式可計(jì)算出，4#礦體錨索的理論安裝網(wǎng)度為1.9m ×1.9m，即錨索排距和間距均為1.9m，為達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度要求，巷道內(nèi)錨索排距設(shè)計(jì)為1.9m，由于扇形布置的錨索錨固沒有垂直布置效果好，錨索孔底間距應(yīng)小于1.9m，故孔底間距設(shè)計(jì)為1～1.9m，且從扇形中央至兩側(cè)孔底間距逐漸遞減，切割平巷內(nèi)每個(gè)扇形面布置7 根錨索，鑿巖巷道內(nèi)一個(gè)扇形面布置9 根，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 錨索布置參數(shù)設(shè)計(jì)表

4 工程布置及其施工

4.1 長錨索支護(hù)工程布置

應(yīng)用長錨索加固頂部礦巖，視礦巖的情況而定，只有采場頂部礦巖局部需要加固時(shí)作局部布置，整個(gè)頂部礦巖都需加固時(shí)作全面布置，僅僅只需要加固個(gè)別松脫塊體時(shí)，可作單根(或少數(shù)幾根)點(diǎn)布置。4#礦體的上盤圍巖較破碎，為防止開采過程中新爆露出來的圍巖發(fā)生冒落，降低出礦品位，采用長錨索預(yù)加固技術(shù)，在每個(gè)分層的切割平巷中布置數(shù)排錨索，與礦體走向垂直的那個(gè)面的錨索呈扇狀布置，如圖1 所示。

圖1 圍巖預(yù)支護(hù)開采采場長錨索設(shè)計(jì)圖(上下分段錨索交錯(cuò)布置)

由于4#礦體穩(wěn)固性差、較破碎，因而對(duì)其進(jìn)行分層整體錨固，提高巖體的完整性，從而提高巖體的抗應(yīng)變能力，保護(hù)巖體穩(wěn)定。錨索布置在每個(gè)分層的兩條鑿巖巷道內(nèi)，布置方式與切割平巷內(nèi)的錨索布置方式相似，只是邊孔角和錨索長度發(fā)生略微變化，如圖2 所示。

圖2 采場分層錨固錨索設(shè)計(jì)圖(上下分段錨索交錯(cuò)布置)

為維護(hù)礦房開采完畢后頂柱的穩(wěn)定與安全，與支護(hù)上盤圍巖方法一樣，采用長錨索預(yù)加固技術(shù)，對(duì)每個(gè)中段最上一個(gè)分層與頂柱進(jìn)行聯(lián)合錨固，以避免掘進(jìn)頂柱護(hù)巷巷道，錨索布置方式如圖3 所示，其中錨孔水平投影圖與分層錨固類似，不予重復(fù)給出。

圖3 采場頂柱長錨索支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4.2 長錨索支護(hù)施工工藝

長錨索施工過程示意圖如圖4 所示。施工工藝如圖5 所示。

圖4 普通錨索安裝示意圖

圖5 錨索施工工藝圖

采用礦山已有的YGZ -90 鉆機(jī)垂直向上進(jìn)行鉆孔;為排出孔壁上的巖粉，采用空開鉆機(jī)清孔;孔塞的規(guī)格尺寸如圖6 所示，孔塞上邊要鉆三個(gè)孔，一個(gè)用來插入排氣管，一個(gè)用來插入錨索，一個(gè)用來插入注漿管。

圖6 錨索孔塞工作原理示意圖

5 分析與討論

長錨索加固時(shí)間為3 天，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10 天。由于加固前采場保留有足夠的存礦，錨索加固并未對(duì)出礦進(jìn)度造成影響。

根據(jù)觀測(cè)孔的數(shù)據(jù)，頂板加固區(qū)非常穩(wěn)定，最大垮落高度小于1m;爆破作用下上盤圍巖冒落得到明顯改善，礦石貧化率顯著降低;鑿巖巷道完整性良好，未發(fā)生明顯變形。進(jìn)行注漿預(yù)支護(hù)或長錨索錨固后，接近上盤的由于欠挖欠爆進(jìn)而造成永久損失的礦體可以得到回采，礦石損失率得到一定程度的控制;注漿加固后爆破礦石含泥量降低、流動(dòng)性增加，有利于采場放礦;同時(shí)，出礦后工人可以安全的在已受錨固的頂板下進(jìn)行作業(yè)，因而提高了采場的回采效率。

試驗(yàn)礦塊支護(hù)后結(jié)果表明，與礦山現(xiàn)行方案相比，采用新方案礦石回收率可從55% 提高到近75%，即回收率提高近20%;礦石貧化率由之前的25%降為17%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。長錨索支護(hù)所創(chuàng)造的安全作業(yè)條件也必將減少現(xiàn)場的人員傷亡，踐行生產(chǎn)過程中人本主義的思想。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)礦巖性質(zhì)，試驗(yàn)采用圍巖預(yù)支護(hù)、分層整體錨固及頂板長錨索加固進(jìn)行統(tǒng)籌布置;

(2)錨索采用扇形布置，理論網(wǎng)度為1.9m ×1.9m，為達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度要求，孔底間距設(shè)計(jì)為1～1.9m，且從扇形中央至兩側(cè)孔底間距逐漸遞減。切割平巷內(nèi)每個(gè)扇形面布置7 根錨索，鑿巖巷道內(nèi)每個(gè)扇形面布置9 根。

(3)長錨索對(duì)礦巖進(jìn)行加固后，作業(yè)條件得到明顯改善，回收率從55%提高到75%，礦石貧化率由25%降為17%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(4)長錨索支護(hù)的技術(shù)關(guān)鍵之一是把好施工質(zhì)量關(guān)，應(yīng)安排有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員進(jìn)行組織監(jiān)督。砂漿配合比是影響錨固效果和經(jīng)濟(jì)成本的主要因素，因此有必要對(duì)砂漿最佳配合比作進(jìn)一步研究。

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［3］S.bywater.Cable support of lead open stope hanging walls at Mount Ias Mines Limited［C］.澳大利亞支護(hù)國際會(huì)議，1983，9.

［4］SM.Matthowe.A modified cable bolt system for support of underground openings［C］.澳大利亞支護(hù)國際會(huì)議，1983，9.

［5］SM.Matthowe.A modified cable bolt system for support of underground openings［C］.澳大利亞支護(hù)國際會(huì)議，1983，9.

［6］余斌，曹連喜，李源泉.采礦工程中長錨索護(hù)頂技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.礦業(yè)快報(bào)，2000，(15):1 -4.

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