謙比希銅礦大型維修硐支護方案*

楊 鵬，張東紅，王貽明，胡國斌，鄭學敏，陳順滿

（1.中色非洲礦業有限公司 謙比希銅礦；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

1 引言

隨著淺部礦產資源的不斷消耗，越來越多的礦山開始由淺部到深部開采進行過渡。由于深部開采埋深大，相應的開采成本會大大增加。伴隨著計算機和自動化設備的快速發展，越來越多的礦山向自動化、信息化和智能化的方向發展［1-2］。自動化、信息化和智能化礦山的建設與發展，離不開鏟運機、鑿巖臺車、錨桿臺車、錨索臺車等大型設備，需建設大型維修硐室對設備進行維修。由于深部礦山埋深大，若在地表建設維修硐室，其成本較高、效率低，因此，很有必要在井下建設大型維修硐室［3］。大型硐室的服務年限較長，斷面大，其穩定性對保證礦山的安全生產至關重要［4-5］。

國內外學者針對大型維修硐室的特點進行了大量研究，李歲學結合酒鋼西溝礦大型破碎硐室復雜工程地質特點，提出了錨網噴聯合支護方案，應用效果較好［6］。孫和林結合大型硐室支護技術，分析了硐室常用的支護方式有金屬支架支護、錨注支護、錨噴支護、錨網噴支護、錨索支護和錨網索支護［7］。翟會超的研究表明影響大型硐室穩定性的主要因素有地應力、地下水、硐室斷面和硐室形狀等［8］。梁權宇采用數值模擬技術建立深井大斷面硐室三維模型，分析了硐室支護后的應用效果［9］。王辰林以鶴壁四礦主皮帶機頭硐室為研究對象，結合該硐室工程地質條件，提出了錨噴錨索組合支護技術［10］。Yang Yu 對大型軟巖硐室的破壞機理進行了分析，認為巖性和節理裂隙分布是影響硐室穩定性的重要影響因素［11］。Yu Werijian 對曲江煤礦主運輸巷道進行了工程地質調查，認為影響巷道大變形的主要因素為巖石強度、應力狀態、應力釋放形式、支護形式和地下水等［12］。雖然這些研究都解決了大型維修硐室的穩定性問題，但不同工程地質條件下的硐室其影響因素不同，需針對不同的工程地質情況，有針對性的對其影響因素進行分析，提出合理的支護方案。

本文以謙比希銅礦東南礦體井下大型維修硐室為工程研究背景，針對該維修硐室斷面大、埋深大、硐室群多等特點，對其工程地質情況進行調查和巖體質量穩定性評價，并采用BIENIAWSKI強度理論和冒落拱理論對其穩定性進行校核和冒落拱高度預測，提出了該維修硐室的支護方案，可為類似工程提供一定的參考。

2 工程地質概況

謙比希銅礦東南礦區礦體賦存于680ML至1060ML水平，設計采用豎井和平巷聯合開拓方式，地表無斜坡道通井下。設計5個生產運輸中段，分別為680ML、800ML、900ML、980ML和1080ML，生產能力為330萬t/a。為滿足礦山生產需要，并實現將東南礦區建設成為高度自動化、機械化的現代化先進礦山，井下使用大型無軌設備進行生產作業，主要生產設備和輔助設備型號為SANDVIK的DD422I鑿巖臺車、LH514鏟運機、TH540礦卡、DS411支護臺車及GETMAN S3120撬毛臺車等。因此在800ML中段設計大型無軌設備維修硐室，用于井下無軌生產及輔助設備日常檢修、維護和大修，保障無軌設備的高效運行。

通過在現場進行工程地質調查，維修硐室主要賦存在下盤石英巖中，在室內對巖石的物理力學參數進行測試，得到下盤石英巖的物理力學參數如表1所示。如圖1所示為該大型維修硐室的節理裂隙調查情況，測線長度為44.1m，長度超過2m的節理裂隙共79條，節理密度為1.79條/m，即0.56m/條。優勢節理面可分為三組，其產狀為：225°∠62°，323°∠79°，360°∠75°；三組節理互相穿插切割，加大了對圍巖的切割破壞程度。

圖1 節理裂隙調查情況

表1 巖石物理力學參數

根據該大型維修硐室的工程條件，結合室內實驗及現場節理裂隙調查情況，采用RMR分級系統對下盤石英巖進行巖體質量評價，該分級系統考慮了地下水、節理狀態、RQD和巖石強度等指標，得到下盤石英巖的分級結果如表2所示，結果表明下盤石英巖屬于Ⅱ級巖體，屬于相對較好的巖體類型。

表2 謙比希銅礦東南礦體巖體RMR分級結果

3 巖體穩定性分析

根據謙比希銅礦東南礦體800ML中段維修硐室工程的設計情況，該維修硐室是由很多硐室而組成的硐室群，斷面較大，且硐室分布較為密集，為了保證其長期穩定性，采用BIENIAWSKI巖柱強度理論對其設計的硐室尺寸進行穩定性校核［13］，并采用普氏壓力拱理論對其冒落拱高度進行預測，為硐室的支護設計提供理論依據。

3.1 BIENIAWSKI強度校核

如圖2所示為設計的維修硐室群分布情況，圖中①～⑩為主要硐室，包括有工具儲放室、材料倉庫、鏟運機維修車位和鑿巖臺維修車位等，硐室長度為35m，斷面形狀為矩形，斷面尺寸如表3所示。各個硐室之間留有巖柱，相當于房柱法中的礦柱，且相鄰兩硐室之間的距離為12m。

圖2 800ML中段維修硐室布置圖

表3 維修硐室斷面尺寸

（1）巖柱所受外來載荷。

如圖3所示為矩形巖柱受力示意圖，根據面積承載力學理論，巖柱承受的力為巖柱上覆圍巖的重力，假設巖柱分攤的面積按均勻分布，包括巖柱自身的面積和巖柱分攤的開采面積。根據巖柱的受力特點，得到如式（1）中的關系式。

圖3 矩形巖柱計算示意圖

式中：σp為巖柱軸向平均應力（所受外來荷載），MPa；pzz為巖柱承載面積上方的豎直應力，MPa；B0和L0分別為巖柱間的寬度和長度，m；Bp和Lp分別為巖柱的寬度和長度，m。

根據式（1）可以得出巖柱布置方式中平均應力的計算，得到矩形巖柱計算公式（2）：

式中：γ—上覆巖層的容重，N·m-3；H—上覆巖層厚度，m。

礦東南礦體800ML中段大型維修硐室現場情況進行分析，上覆巖層容重取平均值為27000N·m3，上覆巖層的厚度為800m，巖柱的長度和寬度為35m和12m，巖柱間隔的長度與寬度分別為5m和9m；將上述參數代入式（2）計算，可得打巖柱軸向平均應力為41.14MPa。

（2）巖柱抗壓強度。

巖柱強度主要取決于巖柱的單軸抗壓強度，且與巖柱的形狀和尺寸等有關，巖柱強度可采用BIENIAWSKI巖柱強度公式（3）：

式中：Sp—巖柱的抗壓強度，MPa；σc—巖柱巖體本身的單軸抗壓強度，MPa；h—巖柱間硐室高度，m；α—常數，取值根據巖柱的寬高比值而定，φ為折減系數，一般取值為0.5。

根據BIENIAWSK等人的實驗研究成果，當巖柱的寬高比大于5時，α＝1.4；而當巖柱的寬高比小于5時，α＝1。當≥1時，Sp=σc。謙比希銅礦東南礦體800ML中段維修硐室的設計情況，巖柱的寬高比普遍小于1，故取α＝1。

根據面積承載理論進行分析計算得到巖柱的安全系數如式（4）所示：

式中：K為安全系數，當K＞1時，巖柱較穩定；當K=1時，巖柱剛好處于安全狀態；當K＜1時，巖柱不穩定。

根據該維修硐室的設計情況，維修硐室的最大高度為8.8m，維修硐室圍巖為下盤石英巖，其單軸抗壓強度為172.61MPa，結合謙比希銅礦東南礦體800ML中段維修硐室巖柱的參數，可得到＞1，因此，巖柱的抗壓強度如式（5）所示：

代入巖柱軸向平均應力，得到巖柱安全系數如式（6）：

通過以上計算，可得到維修硐室間的巖柱安全系數為2.1，可保證巖柱的安全。

3.2 巷道冒落拱高預測

大量工程實踐證明，硐室開挖以后，其頂部會發生一定程度的下沉，但頂板不會無限的下沉，而是形成一定程度的拱，因此，可采用普氏拱理論對其冒落拱高度進行預測［14］。

圖4 普氏冒落拱示意圖

如圖4所示為普氏冒落拱示意圖，令巷道的寬度和高度分別為2b1和h0，冒落形成的壓力拱跨度和拱高分別為2b2和h，根據普氏壓力拱理論，可得到如下關系式：

根據東南礦體大型硐室的工程地質條件，主要巖性為下盤石英巖，實驗得其內摩擦角為38.17°，fk=17，考慮圍巖中存在一定的節理裂隙會對巖體進行分割，根據經驗理論，對fk進行一定的折減，取fk為10進行計算，計算中以維修硐室中最大斷面為依據，寬度分別為8.0m和7.0m，分別計算冒落拱高見表3，可以看出冒落拱最大高度為0.78m。

表3 不同硐室寬度時潛在的冒落拱高

4 維修硐室支護方案設計

通過對東南礦體800ML中段大型維修硐室在建地段的圍巖物理力學特性、工程水文地質條件、圍巖地應力分布特性等調查研究，顯示該維修硐室圍巖的強度較高，圍巖整體穩定性相對較好，冒落拱最大高度為0.78m，屬于中等松動圈。結合礦山現有的支護方式，確定維修硐室以錨噴支護為主，對于局部破碎地段需添加鋼網支護。

4.1 錨桿支護參數計算

常用的錨桿支護理論有松動圈理論、組合梁理論、組合拱理論和懸吊理論等，謙比希銅礦圍巖以層狀結構為主，且最大冒落拱高度為0.78m，因此，采用懸吊理論對錨桿支護參數進行設計。結合礦山現有的錨桿，采用砂漿錨桿對其進行支護，錨桿直徑為20mm。

（1）錨桿長度。

砂錨桿長度可由式（9）確定：

式中：L—錨桿總長度，m；La、Lb、Lc—分別為錨桿深入到較穩定巖層的錨固長度、懸吊的不穩定巖層高度和錨具、托盤厚度，m。

砂漿錨桿為粘結型錨固體，其錨固段長度La可由公式（10）計算：

式中：K—安全系數，一般取為2；d—錨桿的直徑，mm；fs—錨桿的抗拉強度，MPa，取455 MPa；fc—錨桿與水泥漿的黏結強度，fc=7MPa。將以上參數代入式（10）中，即可得到錨固長度為715mm。

根據計算，冒落拱最大高度為0.78m，錨具、托盤厚度為0.2m，將上述參數分別代入公式（9），計算可得到錨桿的長度為1.695m，礦山現有的錨桿長度為2.1m，因此采用2.1m長的砂漿錨桿滿足支護要求。

（2）錨桿間、排距。

砂漿錨桿排間距可由式（11）進行計算：

式中：a—錨桿間、排距，m；G—錨桿設計錨固力，KN/根，取70KN/根；K—安全系數，一般取2；Lb—有效長度，即冒落拱高度，位0.78m；γ—巖體容重，由圍巖的性質決定。

將上述參數代入式（13）中進行計算，即可得到錨桿的間排距為1.29m，因此，間排距取值為1.3m。

4.2 噴層厚度確定

常用的確定噴層厚度的方法有理論計算法和經驗取值法。在工程實踐中，應用較多的為經驗取值法，但需根據實際地質條件進行確定。而噴層常用的破壞形式為沖切破壞作用和黏結破壞作用［15］，因此，采用沖切破壞作用和黏結破壞作用對該維修硐室的噴層厚度進行計算。

4.2.1 沖切破壞作用

假設硐室斷面為半圓拱形狀，按照最不利的情況來進行計算，危巖的范圍為圖5中ABC所包圍的體積減去硐室的拱高部分體積，其中沿硐室軸向方向取值為1m，得到噴層厚度的計算公式為：

式中 ：H—噴層厚度，cm； G—危石重量，kg；S—危石周邊長，cm；δ—混凝土抗剪強度，一般取δ=6kg/cm2；k—安全系數，k=2.5。

危巖的容重和周邊長計算公式分別如式（12）和（13）所示：

圖5 按沖切破壞理論計算噴射混凝土厚度

圖6 按粘結破壞理論計算噴射混凝土厚度

4.2.2 黏結破壞作用

如圖6所示，在危石重量G的作用下，噴射混凝土與圍巖壁間將產生粘結應力，當噴層設計的黏度大于現場實際的黏度時，則混凝土會發生拉裂破壞。采用黏結破壞作用對噴層厚度進行計算的公式如式（14）所示。

式中：δN—噴射混凝土的黏結強度，3kg/cm2；K—巖石彈性拉伸系數，1×104kg/cm2；E—巖石的彈性模量，kg/cm2，由圍巖的性質決定。

分別代入上式中的各參數，取硐室的寬度分別為7m和8.0m進行計算，當采用沖切破壞理論時，噴層厚度分別為20.68mm和23.64mm；采用黏結破壞作用理論時，噴層厚度分別為47.12mm和56.30mm，結合經驗取值法，該維修硐室噴層厚度的取值為50mm。

4.3 金屬網參數確定

金屬網的作用在于防止碎石掉落，并與錨桿和噴層共同作用，使支護形成一個整體，提高支護阻力。其參數主要根據礦山現有的金屬網來進行確定，其材質為A3的鋼，直徑為6mm，網格尺寸為150mm×150mm，網片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長度為200mm。

4.4 支護方案確定

根據懸吊理論、沖切破壞作用、黏結破壞作用和經驗取值法等，確定謙比希銅礦東南礦體800ML大型維修硐室采用錨噴支護，局部添加鋼網進行支護。主要支護參數如下：錨桿為砂漿錨桿，長度和直徑分別為2100mm和20mm，間排距為1.3m。噴層厚度為50mm，鋼網直徑為6mm，網格尺寸為150mm×150mm，網片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長度為200mm。

5 結論

（1）通過對維修硐室的現場情況進行工程地質調查，確定巖體的質量等級為Ⅱ級，屬于較好的巖體類型。

（2）根據維修硐室現有的設計，BIENIAWSKI巖柱強度理論對其間排距進行了校核，得到維修硐室間的巖柱安全系數為2.1，可保證巖柱的安全。并采用普氏拱理論對硐室的冒落拱高度進行了預測，得到冒落拱的最大高度為0.78m。

（3）結合理論公式和經驗取值法，確定維修硐室的支護方案為錨噴支護，局部破壞地段添加鋼網支護，其支護參數為：錨桿為砂漿錨桿，長度和直徑分別為2100mm和20mm，間排距為1.3m。噴層厚度為50mm，鋼網直徑為6mm，網格尺寸為150mm×150mm，網片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長度為200mm。

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