深部高硫破碎礦巖巷聯合錨桿支護技術研究

馬生徽，王文杰，馬雄忠

(1.武漢鋼鐵集團開圣有限責任科技公司, 湖北武漢 430062；2.武漢科技大學資源與環境工程學院, 湖北武漢 430074)

深部高硫破碎礦巖巷聯合錨桿支護技術研究

馬生徽1，王文杰2，馬雄忠2

(1.武漢鋼鐵集團開圣有限責任科技公司, 湖北武漢 430062；2.武漢科技大學資源與環境工程學院, 湖北武漢 430074)

研究采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護技術，應用于深部高硫破碎巷道支護，克服金屬管縫錨桿易腐蝕、錨固力不足和支護時效短等問題。通過高峰礦深部高硫破碎巷道現場聯合錨桿支護試驗表明，聯合錨桿支護有效保持巷道長久穩定，即先采用管縫錨桿掛網、后采用玻璃鋼錨桿支護，能充分發揮兩種錨桿的優勢，有效控制巷道礦壓。

錨桿支護；管縫錨桿；玻璃鋼錨桿；聯合支護

0 前 言

礦山深部開采面臨礦山地壓顯著增大、地質及礦巖條件逐漸惡劣等難題,對井巷支護提出更高要求[1-2]。礦山常用的金屬材質錨桿及支護形式在支護過程中出現如下問題:錨固力低；容易受地質環境影響發生腐蝕而失效[3-4]；在巷道變形破壞后進行二次返修維護時不易對金屬錨桿進行清除[5-6]。

玻璃鋼錨桿作為一種非金屬錨桿,具有輕質、高強、耐腐蝕等優點,能有效消除礦巖硫化物對錨桿的腐蝕作用,從而提高錨桿支護效果[7-10]。有效地解決了金屬礦山采用金屬錨桿支護中存在的問題。但是玻璃鋼錨桿支護在礦巖破碎巷道使用中存在明顯的不足,主要體現在單獨采用玻璃鋼錨桿支護難以快速固定金屬網和快速達到錨固強度,從而不能滿足初期施工安全要求,給支護初期的錨網施工作業帶來安全隱患。

綜上所述,本文結合金屬錨桿和玻璃鋼錨桿的特點,研究采用全螺紋玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護,并在高峰礦進行試驗。

1 工程概況

高峰礦主要回采水平為0～-200 m水平,井口海拔為+700 m,屬于深部開采,受地質構造作用影響,礦體出現多個破碎帶,局部礦巖破碎,巷道穩定性較差,維護困難。高峰礦主要采用錨桿支護技術維護巷道及采場穩定性,支護形式有錨桿支護、錨網支護、噴錨網支護等,采用的錨桿主要是直徑40 mm、長度2000 mm的金屬管縫式錨桿。

從現場錨網支護破壞現象來看,高峰礦巷道礦壓的顯現形式主要是巷道表層圍巖破壞,表層圍巖隨金屬網一起脫落或垮冒,高峰礦發生垮冒的地段,所支護的錨網支護體也發生破壞,部分支護錨桿隨巖層一起脫落。這說明,現用的管縫式錨桿在支護中所提供的錨固力不足,不能有效阻擋離層巖體和金屬網的脫落；總之,現用管縫式錨桿錨頭破壞后錨固力不足,不能有效錨固并懸吊破碎冒落圍巖或形成有效擠壓拱；高峰礦為硫化物礦床,加之礦巖條件破碎,現用金屬錨桿易被腐蝕而失去有效支護作用,導致巷道易發生變形垮冒。

因此結合高峰礦實際支護現狀,支護方式依然沿用錨網支護,支護錨桿則選擇非金屬錨桿與金屬錨桿配合使用,即采用管縫錨桿固定金屬網,再采用玻璃鋼錨桿形成完整支護結構,充分發揮非金屬錨桿耐腐蝕、高強度、支護時效長的優點以及金屬錨桿支護見效快、工藝簡單的優點。

2 聯合支護現場試驗

為了在工程實踐中檢驗采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合使用后的支護效果,在高峰礦井下進行了現場工業試驗,通過監測巷道收斂變形量和觀測裂隙發育程度驗證玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護技術的可行性。

2.1 試驗方案

試驗巷道選擇在高峰礦-123 m水平平巷和-151 m水平脈外巷。試驗巷道圍巖為礁灰巖,礦巖節理裂隙不發育,但在構造作用下,圍巖相對較破碎,采用管縫式錨桿壓金屬網支護,形成典型的錨網支護形式,以維護其安全性。

試驗方案一:管縫錨桿護頂,玻璃鋼錨桿支護兩幫。該方案下,每排錨桿的頂板2～3根錨桿安裝管縫式錨桿,并對金屬網進行固定,然后在巷道兩幫金屬網上安裝玻璃鋼錨桿,從而完成整排錨桿的安裝支護。該試驗方案地點位于-123 m水平東側的脈外巷,巷道斷面為2.7m×2.8m,巷道斷面不平整,巷道圍巖為中等穩固巖體。

試驗方案二:管縫錨桿固定金屬網,玻璃鋼錨桿主體支護。即先采用管縫錨桿在金屬網片四周將金屬網進行固定,再安裝玻璃鋼錨桿進行主體掛網支護的施工順序。此試驗方案下,為充分發揮和驗證玻璃鋼錨桿的支護效果,每張金屬網錨固的管縫錨桿數量不宜過多,以固定金屬網為主,每張金屬網片安裝的管縫式錨桿最好不超過3根。此試驗方案在-151 m水平脈外巷進行,巷道走向與礦體走向一致。巷道斷面為3.2 m×2.9 m,巷道表面有破壞巖石,屬于不穩固巷道。

錨桿及金屬網安裝后,為了監測兩種支護方案下巷道支護效果及變形程度,在試驗巷道中布置相應的監測點進行巷道收斂變形監測。

2.2 試驗巷道收斂監測

巷道的變形與破壞都是地壓作用的結果,巷道變形監測采用收斂計測量,收斂監測是井巷工程中重要監測內容之一,是巷道掘進和采場回采過程中,評定巷道穩定性及支護效果的一種重要尺度。本次現場試驗使用JSS20A型數顯收斂計監測巷道變形。

根據試驗巷道長度不同,布置的測點監測斷面排數也不同。每排監測斷面安裝3個監測點A、B、C,每個測點安裝一根測桿,測桿插入圍巖300 mm以上。根據所選擇的試驗進路實際長度情況確定測點位置。布置好測點后,分別按巷道編號對測點進行編號,以便于數據記錄。測點布置見圖1。監測目的是為了摸清在高峰礦復雜應力破碎礦段條件下巷道變形特征,研究玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護技術對控制巷道礦壓顯現的可行性。

圖1 收斂監測點布置

在試驗巷道掘進并完成相應的錨網支護后,根據收斂監測點布置方式布置好相應的監測點,由于試驗巷道掘進與支護完成的時間不同,相應的監測時間也不同。高峰礦在-123 m水平和-151 m水平試驗巷道均采用了玻璃鋼錨桿與管縫式錨桿聯合支護方式,只是玻璃鋼錨桿與管縫錨桿使用數量比例不一致。不同試驗巷道的不同監測位置上巷道收斂變形數據記錄見表1～表4。

從表1和表2監測數據可以看出,-123 m水平平巷采用聯合支護后,巷道變形量都較小,其中,1號監測點頂板變形量最大不超過1 mm,而兩幫變形量最大不超過0.2 mm；而2號監測點頂板最大變形量沒有超過2 mm,兩幫最大變形量沒有超過0.5 mm。說明-123 m水平試驗巷道內巷道變形不明顯,巷道整體較穩定,而較小的巷道變形量對整體巷道穩定性不會產生影響。

表1 -123m水平脈外巷1號監測點變形量統計

根據表1和2的數據,整理出-123 m水平試驗巷道內各測點的兩幫累計變形量和頂板下沉量的曲線,如圖2和圖3所示。

表2 -123 m水平脈外巷2號監測點變形量統計

表3 -151 m水平脈外巷1號監測點收斂變形量統計

表4 -151 m水平脈外巷2號監測點收斂變形量統計

從表3和表4監測數據可以看出,-151 m水平脈外巷采用聯合支護后,巷道整體變形量也都較小。其中,1號監測點在41 d時發生較大變形,其頂板變形量達到54 mm,與其他測量值相差太大,應為試驗員操作失誤導致,而其它時間內,其頂板變形量均較平穩,最大變形量不超過5 mm；整個監測期內,兩幫變形量比較平穩,最大變形量沒超過2 mm。2號監測點頂板變形量隨時間增長有所增大,其最大變形量為16.33mm,兩幫最大變形量為0.57mm。因此, 從-151 m水平試驗巷道變形量來看,雖然在第41 d 時1號監測點頂板變形量有突然增大現象,但其后監測周期內其頂板變形量都較平穩,而2號監測點以及整個巷道兩幫變形均較小,這說明高峰礦采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護后,巷道變形不明顯,巷道整體較穩定。

圖2 -123m水平試驗巷道兩幫累計變形量曲線

圖3 -123m水平試驗巷道頂板累計變形量曲線

根據表3和表4的數據,整理出-151 m水平試驗巷道內各測點的兩幫累計變形量和頂板下沉量的曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 -151 m水平試驗巷道兩幫累計變形量曲線

圖5 -151 m水平巷道頂板累計變形量曲線

2.3 聯合錨桿支護效果分析

高峰礦采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護后,巷道變形較小,能有效維護巷道穩定性。從試驗巷道支護后現場可以看出,高峰礦采用聯合支護后,巷道沒有發生大的巖體冒落或巷道變形,其支護的玻璃鋼錨桿也未見發生松動或脫落現象,玻璃鋼錨桿尾部螺母托盤也未見發生滑絲及破壞現象,現場試驗表明,試驗巷道穩定性狀態良好。

3 結 論

高峰礦玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護現場試驗及監測分析表明,在高硫破碎礦巖巷道條件下,采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護可以有效控制巷道礦壓顯現,有效維護巷道穩定性,試驗中玻璃鋼錨桿支護中沒有發生錨桿被拉斷或剪斷現象,說明玻璃鋼錨桿桿體本身力學性質能滿足支護要求,玻璃鋼錨桿與管縫錨桿也沒有發生松動脫落或任何破壞現象,試驗巷道收斂變形量較小。因此,采用玻璃鋼錨桿與管縫錨桿聯合支護技術在技術、經濟、安全性上都是可行的。

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2014-11-22)