地壓與支護方式選擇研究及應用

方自生

(蕪湖文武玄武巖礦業有限公司，安徽 蕪湖 241319)

1 基本概況

南陵縣戴家匯銅礦為接觸交代矽卡巖型銅礦，礦體主要賦存于花崗閃長斑巖與圍巖接觸帶矽卡巖中，與石炭系黃龍組、船山組灰巖接觸處礦體較厚、品位較好。

（1）工程地質條件。礦石及頂底板巖石為塊狀結構，圍巖以層狀結構。受F1斷裂節理裂隙及地下水的影響，巖石常夾軟弱夾層，易于膨脹，且具有強的高嶺土化、綠泥石化巖（礦）石穩固性較差，井巷開拓時易于產生片幫、冒頂等不良現象，工程地質條件為復雜型。

（2）水文地質條件。礦床各含水層由于受F1斷裂帶影響，地層出露不全，礦床主要含水層為碳酸鹽巖巖溶裂隙水～溶洞水，其次為構造裂隙水，根據地質資料預測-290m水平正常涌水量為7000m3/d；最大涌水量為12000m3/d，屬大水礦山；水文地質條件較為復雜型。

（3）巷道地壓顯現情況。巷道主要布置于底板圍巖中，圍巖總體巖性較差，巖體強度低，裂隙較發育，完整性不好，易膨脹粘土質成分含量高，巷道掘出后松動圈半徑較大，巷道變形持續時間長；巷道頂板下沉及兩幫內移量大，受采動影響破壞嚴重，造成巷道維護困難；已施工穩定段兩幫變形基本在400mm～500mm，二次支護后主要變形在底鼓，底鼓量600mm左右，中間噴層開裂嚴重，拱形頂板基本成為平頂。該巷道的維護特點為：①-190m回風平巷埋深大，距地表350米，沿礦體下盤布置，斷面為2.2×2.5m2，穿過巖層為粉砂巖、白云質灰巖、矽卡巖，花崗閃長斑巖、角礫巖，其中穿過F1斷層約60米，該斷層為壓扭復合斷層。除了花崗閃長斑巖不含水外，其他巖層的涌水量30m3/h～400m3/h。②巷道平均允許暴露時間在8h～11h，施工控頂難度大，打眼、安裝錨桿、錨索等工序操作相對困難，存在涌水現象，對施工隊伍的操作水平、施工質量和現場的管理水平等要求相應較高。先期施工巷道采用了錨架聯合支護、鋼筋混凝土封閉支護、普通錨噴等支護巷道變形嚴重，頂板下沉、幫板收斂、底鼓，整個斷面來壓，維修周期僅為0.5年～1.2年，急需解決此類高壓軟巖巷道的支護方法和長期穩定性問題。

2 支護技術體系

2.1 強化錨桿及配套支護手段

提高鋼筋梯、網等支護材料的剛度與錨桿、錨索承載性能的匹配，強化組合支護系統整體強度。

2.2 強化組合、注漿加固，提高圍巖應力狀態

除了采用組合支護外，輔助以高強并具有一定韌性的鋼纖維混凝土噴層，并在靠近巷道表面200mm～500mm范圍、破裂圍巖內注入水泥漿液，對巷道表面、破裂松動巖體進行有效的修復與固結，改善圍巖完整性、提高圍巖強度；注漿與錨桿統一起來實現錨注一體化，提高巖體變形剛度。

2.3 關鍵技術手段

①采用高強配套支護材料。主要支護有：高性能超高強錨桿、大托盤、新型阻尼螺母和高預緊力錨索。②錨網索噴支護。錨桿（索）、高強預應力鋼筋網、噴射混凝土的配比及標號要求。③特殊地質帶，打孔注漿加固、底板加固。

3 支護方法工業試驗

初步設計中給出斷面為直墻三心拱，該類型的拱頂受力薄弱點在大圓弧和小圓弧的接點處，因此將實際施工斷面形狀設計為直墻半圓拱。因礦山各類用途不同的巷道斷面尺寸大小不等，采用不同的支護方法。

（1）井巷工程規格。戴家匯銅礦為新建礦山，各類用途的地下工程都有，斷面面積從5m2～18m2，其中提升機硐室9.2×5.6m2。

（2）確定巷道支護形式。按照毛斷面面積在9m2以下、以上、提升機硐室來確定支護形式。9m2以下頂、幫板均采用錨網噴（鋼纖維）聯合支護，底板采用厚度為300mm單層鋼筋混凝土澆底；9m2以上巷道頂板采用錨網+錨索+鋼筋梯+噴，巷幫采用錨網（索）支護，底板采用厚度為400mm雙層鋼筋混凝土澆底；提升機硐室采用錨網+錨索+鋼筋梯+鋼纖維砼噴射+注漿；特殊地質采用自固式注漿錨桿加固底板（錨桿參數：長1.5m，間距0.8m，排距1m），形成反拱結構；底澆筑底板混凝土標號不低于C25。

①支護材料規格

頂錨桿：Ф18mm×1500mm螺紋鋼錨桿；

1993年，剛剛30歲的王逸平被確診患有克羅恩病，克羅恩病尚無法治愈，只能靠藥物控制。在隨后長達25年時間里，王逸平以抱病之軀，先后承擔起國家科技重大專項、科技部專項、863項目、國家自然科學基金委項目、中科院重大專項等眾多研究任務。2018年4月11日，王逸平因病在辦公室離世，年僅55歲。

幫錨桿：Ф16mm×1200mm螺紋鋼錨桿；

錨桿托板：150mm×150mm×10mm方形鋼板；

錨索規格：Ф15.24mm×5000mm鋼絞線；

錨索托板：300mm×300mm×10mm方形鋼板；

錨索錨具：OVM15型單體錨具；

錨固藥卷：S2360型雙速樹脂藥卷；

金屬網：網格為50mm的礦用方形金屬網，規格為2.5m×1.2m；

鋼筋梯：采用Ф12mm圓鋼焊接而成寬度120mm長度3m鋼筋間距約80mm～100mm鋼筋梯。

②巷道支護參數

頂錨桿：間距為0.6m，排距為0.6m；幫錨桿：幫錨桿至頂板向下300mm處按間排距0.6×0.6m打安，切眼至頂板向下0.2m處按間排距0.6×0.6m打安；錨索在頂板正常段間距為1.6m，排距為2m（遇地質構造頂板不穩定時采用全錨索支護，間距0.8m，排距1m）。

此外，針對軟巖在掘進時巷道頂板來壓加大，屆時根據頂板來壓變化情況對巷道支護設計進行調整。

圖1 錨網索噴支斷面布置示意圖

4 工業試驗

4.1 錨網索噴支護

及時清理工作面浮石，定好錨桿的孔位，安裝完所有的錨桿后及時初噴混凝土（鋼纖維）封閉圍巖，防止圍巖風化潮解，噴層厚度50mm～70mm；厚度達不到要求的要進行二次復噴，混凝土配比：水泥：黃沙：石子=1:2:2。使錨桿（索）、金屬網、鋼筋梯梁與混凝土形成強度加固圈。

（1）錨桿安設要求。①錨桿螺紋外露長度為30mm～50mm；錨固力：頂錨不小于64KN，幫錨不小于50KN。②頂板不穩定段及巷道兩幫擠壓變形過大等特殊情況需調整支護形式和制定相關安全措施。③頂錨桿角度不小于75°，遇裂隙時盡量要與裂隙面垂直布置；幫錨桿要垂直巷幫布置，托板要垂直于頂底板。④錨桿間排距誤差不得超過±0.1m。

（2）鋪聯網鋼筋梯梁要求。及時清理工作面的浮石，先定中間頂部三根錨桿的孔位，用YT-28風鉆打孔并安裝，5分鐘后將金屬網及鋼筋梯梁同時安裝到位，上好托盤并用錨桿機擰緊螺母（扭矩不低于90N.m）,直到擰不動為止,使托盤緊貼巖面；然后鉆孔安裝其余鋼筋梯梁的錨桿。頂網長邊垂直巷道中線鋪設（幫網長邊沿巷道走向鋪設），相鄰網搭接不少于10cm，并用16#雙股鉛絲每隔15cm將網相連，且擰緊不少于3圈。

（3）錨索支護要求。①錨索承載能力應在230KN以上，張拉預緊力為95KN。②錨索外露長度從索具算起不大于350mm。

4.2 工業試驗中的注意事項

（1）巷道交叉口均采用錨桿、金屬網、鋼筋梯、錨索進行聯合支護，大型牛鼻子處采用錨索+槽鋼鋼帶2～3排進行鎖口、排距為1m。

（2）根據頂板情況，在破碎頂板或壓力大時，適當加密錨索，加密補打幫錨桿。

（3）交叉點，網要連接合理，幫錨桿要垂直巖壁，抹角處控頂距超過30cm時要補打錨桿。

5 觀測結果與結論

（1）巷道傳統支護位移觀測。礦山建設初期，巷道采用傳統支護方式，部分巷道為素（鋼筋）混凝土。開始兩個月，素（鋼筋）混凝土巷道頂板下沉速度和兩幫相對移近速度明顯，傳統支護幾乎全部破壞，巷道表面位移急劇增大。半年后，圍巖處于穩定狀態，但巷道仍有不小的變形量，由于深部圍巖具有蠕變特性，巷道仍保持一定的變形速度，經測量最終巷道頂底最大移近量為370mm，兩幫最大移近量為470mm。

（2）巷道（維修巷道）強化組合支護位移觀測。依照強化控制理論和技術方案，對已破壞的巷道進行了修復，巷道整體支護狀況良好，尤其在采用錨索強化支護后，頂底板、兩幫相對移近速度快速降低并趨于穩定，兩幫及頂底板相對移近量顯著減小，巷道變形得到有效控制，變形穩定后，巷道頂底板相對移近量最大為82mm，兩幫相對移近量最大為54mm，均處于可控制范圍內。對后期施工的巷道按照本次論文中的支護技術參數進行了有效支護，施工過后的巷道至今沒有出現明顯裂紋、掉塊、起層、變形等現象。

（3）結論。①傳統支護體系承載能力不足以抗衡高地壓軟巖強烈的地壓突出，致使巷道嚴重變形，維護困難。為較好地控制巷道的大變形和維持巷道的長期穩定，應積極研究采用新強化組合支護體系[2]。②強化組合支護體系，強化錨桿及配套支護手段、提高巷道淺部圍巖應力狀態、破裂圍巖的注漿加固、提高強度、強化關鍵技術手段，較好解決了高地壓軟巖巷道的大變形失穩問題，對同類巷道的支護設計有借鑒作用。

[1]李寶玉.《高地壓軟巖巷道圍巖組合控制技術》中國科技論文在線http://www.paper.edu.cn

[2]司文.《高地壓軟巖巷道控制技術》中國科技論文在線http://www.paper.edu.cn