三山島金礦深井聯合支護技術的研究與應用

張恒超

（山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州 261441）

三山島金礦隨著回采重心不斷下移，地壓逐漸顯現，巖石節理裂隙發育，巖石整體性差，同時深井高溫、高濕、高地壓問題愈來愈烈。深部開采地應力和溶水壓力大，片幫、冒落、塌方、巖爆等工程地質災害增多，安全生產條件變差；開采深度大、地應力高，開采后空區處理時限縮短，支護與充填費用增大，生產成本變高；埋深大、地溫高，設備磨損腐蝕嚴重，導致生產效率下降和生產能力降低[1]。隨著原巖應力急劇增加以及圍巖自身質量等級的不同，傳統的單獨的錨桿或者錨索很難達到支護效果，必須對不同質量分級的巖體進行有針對性的 。

1 礦區地質概況

三山島金礦礦體屬于破碎帶蝕變花崗巖型大型金礦床。礦體內存在主裂面。其下盤礦體的蝕變礦化隨著距離的拉大而逐漸減弱，主礦體走向為NE38°，礦體沿走向長度約為1000m，傾向SEE，傾角約為40°，礦體中間較為厚大，兩翼逐漸變窄尖滅[2]。目前三山島金礦深部揭露的地點巷道下盤大多為鉀化花崗巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、局部為黑云母花崗巖。在施工深部中段巷道和分段巷道時，局部有煌斑巖穿插巷道，煌斑巖較脆。鉀化花崗巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖、黑云母花崗巖較硬，巖石硬度系數在10～12左右。

2 工程地質條件調查

近十年以來，三山島金礦先后與中科院、中南大學、東北大學、北京科技大學等多家科研院所合作開展了礦區工程地質水文地質調查、礦山三維建模、巖石力學基礎研究、地應力測量、圍巖穩定性分析、開采優化等研究工作，所獲取的礦山基礎數據表明三山島金礦深部以全面進入高地應力環境狀態。通過對于三山島金礦深部巖石強度試驗及結構面分析，根據BQ法對深部中、分段巷道進行巖體質量分級：

式中: Rc-巖石飽水抗壓強度；Kv-巖體完整性系數。

注：上式應遵循以下條件：①當Rc＞90Kv+30時，以Rc=90Kv+30和Kv代入計算；②Kv＞0.04Rc+0.4時，以Kv＞0.04Rc+0.4和Rc代入計算；

代入基礎數據后得出三山島金礦深部各中、分段普遍為Ⅲ級巖體，局部為Ⅳ級巖體。

3 巷道支護參數

3.1 錨桿參數

3.1.1 錨桿長度

對于錨桿長度的設計，既要保證其有效長度大于松動區，同時又要小于塑性區。尤其是巷道頂板圍巖來說，其具有較大的變形可能性，設計方案應確保錨桿可以根據圍巖變形情況而相應的移動。這樣在圍巖變形過程中，錨桿支護會逐漸增加抗力，提高支護結構的柔韌性。可按照加固拱原理確定錨桿參數；

其中:L -錨桿全長，m；L1-錨桿外露長度，一般取0.05-0.2m,包括墊板、螺母;為了進行拉拔試驗通常取0.2m；L2-錨桿有效長度，m；L3-錨桿錨固長度,一般為0.3-0.5m；

其中:L2-錨桿有效長度,m；B-巷道掘進跨度，取4.2m；H-巷道掘進高度，取3.4m；W-圍巖內摩擦角，取45°；f-巖石普世系數,取2.5；

則L2=[4.2/2+3.3＊tan(45° -45° /2)]/2.5=1.39

所以錨桿長度L≥L1+L2+L3=0.2+1.39+0.5=2.09m。

3.1.2 錨桿間距

國內礦山使用錨桿間距一般為0.5～2.0m，常用0.7m～1.5m。根據經驗公式計算：

式中：a-錨桿間距；L-錨桿長度；

則錨桿間距為（0.5～0.7）L=1.0m～1.4m。

3.1.3 錨桿直徑

國內外礦山使用的錨桿直徑一般為12mm～42mm錨桿直徑與錨桿種類有關：楔縫式錨桿直徑為20mm～30mm，常用24mm～26mm；脹殼式錨桿直徑為12mm～20mm，常用14mm～16mm；管縫式錨桿直徑為32mm～42mm，常用38mm～42mm；鋼筋砂漿錨桿直徑為12mm～20mm，常用14mm～16mm。采用以下公式進行計算：

式中d-錨桿直徑；L-錨桿長度

經綜合計算分析，三山島金礦采用Φ20mm的右旋螺紋鋼錨桿，長度2.2m；托盤采用150×150×8mm（長×寬×厚）鋼板，中部要沖壓成碗狀；鉆孔直徑為Φ32mm，孔深不小于2.15m；錨固劑使用快速、中速兩種樹脂藥卷（快速凝固時間約40～60秒，中速凝固時間約90～120秒），藥卷直徑為28mm，長度為700mm，每孔裝兩卷、裝藥長度不小于1400 mm，以保證錨桿安裝后的錨固長度不小于1500mm。

3.2 鋼帶參數

鋼帶采用Φ10mm圓鋼加工，凈長1.5m或2.4m，凈寬5cm,每50cm增加一處連接橫筋，所有焊接須采用雙面焊接。安裝過程中，鋼帶采用錨桿固定，保證緊貼巖壁，與巖壁距離最大不超過3cm，相鄰鋼帶必須用錨桿搭接。

3.3 金屬網參數

金屬網采用Φ5mm金屬網，網孔100mm×100mm，規格2.0m×1.0m；或者鍍鋅金屬網，網孔50mm×50mm，規格3.0m×1.2m或2.0m×1.0m。安裝過程中，金屬網之間搭接10cm，搭接位置必須由錨桿固定，金屬網要緊貼巖壁，金屬網與巖壁距離最大不超過3cm。

4 支護方案

基于三山島金礦深部巷道圍巖普遍為Ⅲ級巖體、局部為Ⅳ級巖體的地質條件[3]。現對不同圍巖等級的圍巖采用針對性的支護方案[4]。

4.1 Ⅲ級巖體支護方案

巷道成型后，根據圍巖破碎情況，采取不同的臨時支護措施：圍巖較穩固區段采用管縫式錨桿對頂板及兩幫臨時支護，錨桿網度2.0m×2.0m；圍巖較破碎區段：先對頂板及兩幫進行臨時噴漿支護。

臨時支護完成后，對頂板及兩幫進行樹脂錨桿、鋼帶全斷面聯合支護。每排施工6根樹脂錨桿，間距1.2m～1.6m，排距1.2m～1.6m；對于巷道頂板可采用十字鋼帶交叉支護，幫壁采用平行鋼帶支護。頂板及兩幫錨護后，對錨護區域噴漿支護，噴漿厚度至少50mm，強度C20，噴漿體必須將鋼帶嚴密覆蓋。

4.2 Ⅳ級巖體支護方案

巷道成型后，根據圍巖破碎情況，采取不同的臨時支護順序：圍巖較穩固區段采用管縫式錨桿對頂板及兩幫臨時支護，錨桿網度2.0m×2.0m；圍巖較破碎區段先對頂板及兩幫進行臨時噴漿支護。

圖1 Ⅲ級巖體中分段巷支護斷面圖

圖2 Ⅲ級巖體中分段巷支護俯視圖

成巷區段臨時支護完成后，對頂板及兩幫進行樹脂錨桿、金屬網、鋼帶全斷面聯合支護。每排施工9根錨桿，間距0.7m～1.3m，排距0.7m～1.3m；對于巷道頂板可采用十字鋼帶交叉支護，幫壁進行平行鋼帶支護；金屬網之間搭接不得低于10cm，金屬網四個角重疊搭接后必須采用樹脂錨桿固定，金屬網中間部分可采用管縫式錨桿固定，按照“先凹后凸”的原則進行幫壁掛網，保證金屬網緊貼巖壁，確保支護質量。頂板及兩幫錨護后，對錨護區域噴漿支護，噴漿厚度5cm～10cm，強度C20，噴漿體必須將鋼帶嚴密覆蓋。（見圖3、4）。

圖3 Ⅳ級巖體中分段巷支護斷面圖

圖4 Ⅳ級巖體中分段巷支護俯視圖

5 結論

對于三山島金礦深部巷道的支護，應先根據地質條件對圍巖進行質量分級。對于不同質量等級的巖體進行有針對性的支護措施。對Ⅲ級巖體進行“錨桿+鋼帶+噴砼聯合支護”；對Ⅳ巖體進行“錨桿+鋼帶+金屬網+噴砼聯合支護”。在支護過程中應保證支護材料與圍巖緊密咬合，以達到較好支護目的。