超前錨桿預支護在梅山鐵礦軟巖巷道的應用

鹿　魁

(南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

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超前錨桿預支護在梅山鐵礦軟巖巷道的應用

鹿魁

(南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

摘要在礦山井巷施工中，經常要穿過松軟巖層、斷層及破碎帶，由于巷道頂板松散破碎，圍巖自穩時間極短，往往一掘即冒，為有效約束圍巖在爆破后的一定時間內不發生坍塌,從而為工程正常開挖和系統支護提供安全的作業時間，在梅山鐵礦二期延伸工程軟巖巷道施工中，采用超前錨桿預支護技術對巷道頂板提前進行加固，在其保護下進行后續開挖、出渣和襯砌等作業，有效避免了巷道冒頂事故的發生。現場實踐表明，實施超前錨桿預支護對于提升松軟破碎巖石巷道施工安全和加快施工進度具有顯著作用和重要意義。

關鍵詞軟巖巷道超前錨桿預支護循環進度

梅山鐵礦是目前國內最大的黑色冶金地下礦山之一，屬于礦漿貫入、氣液交代型鐵礦床，賦存于梅山短軸背斜N W冀的輝長閃長玢巖與安山巖的接觸帶內。礦體頂板為矽化、高嶺土化輝石安山巖及凝灰巖，底板為輝長閃長玢巖，由于受殘余氣液交代作用影響，巖石具有強烈的硅化、碳酸鹽化、高嶺土化、黃鐵礦化，尤其高嶺土化使巖體強度明顯降低，容易失穩。礦區節理裂隙發育，圍巖具有不同程度的破碎，巖體整體性較差。隨著開采深度的加大，地壓顯現日益嚴重。礦山二期延伸工程北風井-405 m水平1#通風石門巷設計凈斷面寬4.5 m,高3.6 m，三心拱，1/3拱高，巷道圍巖為硅化、黏土化凝灰巖，f=4～6，受斷層控制，巖石節理裂隙發育，圍巖破碎，整體性差，爆破后數小時即出現垮冒，給施工安全帶來極大影響。

1超前錨桿預支護機理

超前錨桿預支護機理：超前錨桿與破碎體組成一個中間部位剛度極低的梁，而沿巷道周邊的這種梁，在變形過程中調整上部破裂塊體，使其形成三維拱殼結構，充分發揮圍巖自承能力，形成人為拱效應，達到預支護的目的[1]。在推進方向上，各錨桿的作用范圍相互疊加，形成支承拱，并隨巷道向前推進而推進，從而使超前錨桿群形成一個整體，增加了超前錨桿群對巷道圍巖的支承能力。

2超前錨桿支護參數設計

依據北風井-405 m水平1#通風石門巷具體工程地質條件、現場施工狀況及支護要求選取超前錨桿及支護參數。

2.1錨桿種類

超前錨桿可采用鋼筋水泥砂漿錨桿或縫管式錨桿，根據現場使用情況，選擇梅山鐵礦基建巷道支護中普遍使用的全長黏結型鋼筋水泥砂漿錨桿，其具有適用范圍廣、成本低、取材便利、易推廣的特點。為了盡早發揮超前錨桿的預支護作用，采用早強砂漿作為錨桿桿體與巖層孔壁的膠結物。

2.2錨桿材質

為提高錨桿的錨固力，桿體材料采用20MnSi Ⅱ級建筑用左旋無縱筋螺紋鋼，其表面有凹凸紋理，不需要做任何處理即能夠保證錨桿與錨固劑之間較高的黏結強度。Ⅱ級建筑螺紋鋼錨桿屈服強度為335 MPa，極限強度為510 MPa，普通Q235圓鋼錨桿屈服強度為240 MPa，極限強度為380 MPa，前者強度顯著提高。

2.3錨桿桿徑與錨孔直徑

對于全長黏結型鋼筋砂漿錨桿，桿體直徑一般為16～25 mm。選擇φ18 mm螺紋鋼錨桿，屈服力Ps=85 kN，平均破斷力Pb=129 kN。考慮到孔徑與桿徑的合理匹配，選擇錨孔直徑為40 mm,采用φ38 mm釬頭鉆鑿。

電壓變換電路的作用是將整流電路輸出的直流電壓轉換為系統供電所需的12 V直流電壓。電壓變換電路包括MOSFET功率開關管、功率二極管、脈沖發生器、儲能電感、濾波電容、負載等組成,其中負載選用10 Ω電阻,電路仿真模型如圖5所示。電路輸入端接整流電路輸出的直流電壓,輸出電壓加載在負載R上,通過測量儀表檢測負載兩端電壓電流情況。

2.4錨桿外插角及桿體長度

超前外插角過小，錨固體的抗彎強度減少，無法很好發揮“梁”的作用， 但如果外插角過大 ，則超前錨桿加固范圍 (控頂距) 會減少，同樣也會影響工程進度。根據礦山現場情況，取15°～30°較為合適。

桿體長度應根據圍巖地質條件、開挖循環進度、外插角、鉆孔機械類型等因素綜合考慮確定[2]。可用下式估算：

(1)

式中，L為超前錨桿長度，m；α為錨桿外插角，根據1#通風石門巷圍巖地質條件，取25°；L1為循環進度，根據圍巖條件和施工組織確定，一般每循環控制在1.5～2.0 m，取1.6 m；L2為桿體外露水平投影長度，取0.1 m；L3為桿體留在循環進度外巖體中的水平投影長度，不宜小于0.4 m,取0.5 m。

計算得出L≥2.43 m，取L=2.5 m。

2.5錨桿布置

根據北風井-405m水平1#通風石門巷現場情況，超前錨桿沿拱基線以上巷道輪廓線按中線對稱布置。錨桿橫向間距為0.5 m，錨桿徑向間距(排距)為1.6 m，與循環進尺相同，每環錨桿數量為13根。超前錨桿支護設計參數見表1。

表1　北風井-405 m水平1#通風石門巷

3超前錨桿預支護施工

超前錨桿預支護施工工藝流程：交接班→頂板噴漿臨時支護→登碴打超前錨桿眼→安裝錨桿→出矸石→錨網永久支護→迎頭鉆炮眼→裝藥放炮→通風→進行下一循環。

超前錨桿施工需與光爆錨噴施工有機結合。超前錨桿預加固后，再進行斷面開挖。

開挖采用光面爆破，盡量減少爆震裂隙和圍巖表面凹凸不平，避免應力高度集中;必須做好爆破藥量控制，減少爆破對圍巖的擾動。爆破后進行機械通風不少于30 min。待炮煙散盡后進入工作面撬毛。撬毛結束，即對頂板進行噴射混凝土臨時支護，能及時對圍巖提供抗力，早強密貼，并可在噴入裂隙一定深度內對巖體加固，抵抗巖石的剪切，提高圍巖的承載能力，有效防止圍巖松動失穩。為保證臨時支護效果，噴射厚度不得小于50 mm。

噴好拱后，登碴打超前錨桿眼，安裝錨桿。打眼時，必須嚴格按照設計孔位、深度和傾角進行施工。錨桿安裝前，應用高壓風清孔，將孔內的巖粉、碎屑吹干凈。砂漿的配合比直接影響著砂漿強度、注漿密實度。采用42.5級早強水泥，中細砂粒徑不應大于2.5 mm，使用前過篩。施工時，水泥：砂控制在(1∶1)～(1∶1.2)，水灰比控制在0.38～0.45。水灰比過小，可注性差，也容易堵管，影響注漿作業；水灰比過大，桿體插入后，砂漿易往外流淌，孔內砂漿不飽滿，影響錨注效果，尤其對于頂板超前錨桿更須注意。砂漿必須拌和均勻，隨拌隨用。為保證注漿質量，采用先注后錨的方法，注漿時，注漿管應插至距孔底50～100 mm，隨砂漿的注入緩慢勻速拔出，避免拔管過快而造成孔內砂漿脫節，保證錨桿全長被足夠飽滿的砂漿所握裹。桿體插入后，若孔口無砂漿溢出，應及時補注。錨桿端部必須推至孔底，尾端露出巖面的長度不得大于150 mm。

超前錨桿打注完成后，出渣,噴墻，并在前一循環的超前錨桿加固處進行按常規打徑向錨桿、掛金屬網、噴混凝土至永久支護厚度的噴錨網聯合支護，如此循環。

為保證施工安全，在進行超前錨桿加固作業及后續作業時，安排專人時刻觀察頂板圍巖的變形情況。超前錨桿預支護示意見圖1。

4應用效果

北風井-405 m水平1#通風石門巷破碎帶長30 m，實施超前錨桿預支護，循環進度控制在1.6 m以內，共設置超前錨桿21排，有效避免了巷道冒頂事故的發生，保障了施工安全；采用滾班作業，平均3 d 2個循環，1個月順利通過，加快了破碎帶施工進度。超前錨桿采用淺孔鑿巖設備鉆孔，所需機械設備、材料沒有特殊要求，工藝簡單，取材方便，成本低。對破碎帶頂板提前加固，避免冒落，相比破壞后修復省時省工，經濟效果好。

5結語

(1)實踐證明，實施超前錨桿預支護，能夠有效控制頂板變形，避免巷道冒頂事故的發生，對于提升松軟破碎巖石巷道施工安全和加快

圖1　北風井-405 m水平1#通風石門巷超前錨桿預支護示意(單位：mm)施工進度具有顯著作用和重要意義。

(2)超前錨桿支護參數選擇、施工順序和施工質量是超前支護成敗的關鍵，必須根據礦山工程實際選取合理的支護參數，并做好施工質量控制工作。

(3)超前錨桿預支護適用于不含水或含水較小的松散破碎巖層；對于含水較大的松散破碎巖層，必須采取綜合防治水措施，盡量疏干后開挖，必要時采

取預注漿等加固措施。

參考文獻

[1]陶龍光，侯公羽.超前錨桿預支護機理的模擬試驗與成拱力學模型研究[J].中國礦業大學學報，1995，24(3)：35-42.

[2]周橋，高謙，許海濤.破碎帶工程圍巖超前錨桿加固外插角研究[J].煤炭學報，2009(12)：1594-1598.

(收稿日期2015-12-28)

鹿魁(1972—),男，工程師,210041 江蘇省南京市雨花臺區西善橋。