安徽和睦山鐵礦-300 m水平運輸巷道錨索加強支護技術

李國平 朱文龍

(馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業公司)

安徽和睦山鐵礦-300 m水平運輸巷道擔負后和睦山礦段以及后觀音山-250，-300 m中段溜井出礦與運輸任務。該水平運輸巷道處于軟弱巖層中，圍巖軟硬極不均勻，局部存在軟弱裂隙帶，部分圍巖具有高節理化、軟化、泥化、膨脹性等特征[1]。巷道圍巖物理力學性質較差，現有的錨網噴支護無法有效改善巷道圍巖力學性質，使得運輸巷道變形逐漸加劇，導致支護結構發生破壞，巷道周邊圍巖位移較大，頂板破碎、兩幫內移，嚴重影響了采出礦石的連續運輸，無法滿足巷道長期穩定要求。因此，有必要對該礦-300 m水平運輸巷道支護方案進行合理設計，確保巷道服務期限內安全與穩定。

1 預應力錨索支護方式確定

巷道圍巖收斂曲線是以圍巖特性曲線和支護控制線為根據確定的[2-4]，采用收斂控制法作為巷道圍巖收斂線確定的理論基礎。收斂控制法認為圍巖破壞特征為剪性破壞，以圍巖彈塑性本構關系為基礎，遵循庫倫-莫爾準則，來推導收斂控制方程。通過對巷道圍巖與支護相互作用的彈塑性分析，可以得出巷道塑性區半徑以及圍巖周邊位移的表達式。巷道塑性區半徑Rp的計算公式為

(1)

式中，a為巷道半徑，m；C為圍巖黏聚力，MPa；φ為圍巖內摩擦角，(°)；p0為巷道圍巖的原巖應力，MPa。

巷道周邊圍巖彈塑性位移u0的計算公式為

(2)

式中，G為彈性切變模量。

綜合考慮圍巖力學性質、支護強度等因素，本研究利用收斂控制法設計和睦山鐵礦-300 m運輸巷道支護方案。引入應力釋放系數概念，將該巷道斷面荒徑的2倍作為應力影響范圍。應力釋放系數的計算公式為

(3)

式中，Ki為應力釋放系數；ηi為量測點的臨空系數。

利用應力釋放系數Ki對式(1)、式(2)進行了修正，可得

(4)

(5)

根據式(4)、式(5)，可進一步分析巷道圍巖位移u0與巷道開挖臨空系數ηi在不同支護抗力p1作用下的關系，如圖1所示。

圖1 圍巖位移與臨空系數的關系

由圖1可知：當p1≤3.0 MPa時，表明支護抗力偏小，圍巖位移u0伴隨開挖臨空系數ηi的增大而加速發展，該支護方式無法有效控制巷道圍巖變形，最終會導致圍巖發生破壞；當p1=3.5 MPa時，表明支護抗力p1為巷道圍巖與支護結構趨于穩定的臨界值，巷道位移u0的發展趨勢隨著開挖臨空系數ηi的增大而逐漸趨于勻速變化；當p1≥4.0 MPa 時，巷道圍巖u0的發展趨勢隨著開挖臨空系數ηi的增大呈減速增長，表明支護力p1已經達到使巷道圍巖與支護結構維持穩定的抗力值。

根據收斂控制法確定的圍巖收斂線進行分析可知，和睦山鐵礦-300 m水平運輸巷道圍巖屬于大松動圈中的不穩定圍巖，維持巷道圍巖與支護結構穩定所需的支護抗力p1不宜小于3.5 MPa。根據現場施工經驗與相關測量資料，巷道圍巖與錨網噴支護混凝土噴層的接觸應力一般為1～3 MPa，錨索托盤承受的接觸力為3～7 MPa。

綜上所述，根據圍巖與支護結構的相互作用關系，考慮到和睦山鐵礦-300 m水平運輸巷道所穿巖層的具體地質特征，確定采用錨網噴支護+預應力錨索的聯合支護方案。

2 預應力錨索支護參數計算

為確保支護結構的合理性，應對巷道頂板冒落范圍(巷道幫部破碎深度C和潛在冒落拱高度b)進行分析計算[5-8]。

2.1 巷道頂板冒落范圍分析

巷道頂板破碎深度C的計算公式為

(6)

式中，K為自然平衡拱角應力系數，2.39；L為巷道寬度，4.5 m；h為巷道掘進高度，3.5 m；γh為上覆巖層平均容重，3.75 kN/m3；H為上覆巖層厚度，30 m；B為固定(殘余)支撐壓力影響系數，2；fc為巖石普氏系數，1.955；α為礦體傾角，50°；φ為礦體內摩擦角，25.2°。

經計算，C=6.08 m。

潛在冒落拱高度b的計算公式為

(7)

式中，a為巷道有效跨度的1/2，2.25 m；k為頂板巖性系數，0.8。

經計算，b=3.42 m。

為確保預應力錨索具體施工參數的可靠性，應確定巷道頂板潛在冒落高度。根據該礦-300 m運輸巷道拱頂破碎圍巖的冒落高度，確定的預應力錨索的具體施工參數，應確保預應力錨索施工至巷道穩定巖層中，將巷道頂板松動圈內的不穩定巖層或冒落拱內的破碎巖層固定于上部穩定的巖層中。

2.2 錨索支護參數確定

巷道拱頂潛在冒落區整體載荷的計算公式為

Q=γbDSH，

(8)

式中，γ為拱頂冒落區巖體容重， 37.5 kN/m3；b為巷道寬度，4.5 m；DS為錨索排距，1.6 m；H為巷道潛在冒落區的高度，3.42 m。

經計算：Q=923.4 kN。

該預應力錨索材料由φ17.8 mm低松弛預應力鋼絞線制作，其破壞力為353 kN。巷道每排施工錨索數量可按下式計算，

n=k′Q/Q1，

(9)

式中，k′為安全系數，1.2；Q1為每根錨索的極限承載力，353 kN。

經計算，n=3.13，本研究n=3。

錨索可承受的荷載可計算如下

Q′=Q/n=923.4/3=307.8 .

(10)

根據懸吊理論，錨索總長度應按下式計算，

L=L1+Lp+L2，

(11)

式中，L1為錨索錨固段長度，m；L2為錨索外露長度，200 mm；LP為錨索有效長度(巷道潛在冒落區高度)，3.42 m。

錨索錨固段長度L1可根據錨固劑與鋼絞線的黏結長度或巖體的黏結長度確定。錨固劑與鋼絞線黏結長度的計算公式為

(12)

錨固劑與巖體的黏結長度可按下式計算，

(13)

式中，τa為樹脂與鋼絞線的黏結力，5.0 MPa；τb為錨固劑與巖孔的黏結力，3.5 MPa；K為安全系數，2.0；Q′為錨索設計荷載，307.8 kN；da為預應力鋼絞線直徑，17.8 mm；db為錨索孔直徑，30 mm。

經計算：La=2.2 m，Lb=1.85 m，為提供足夠的錨固力，取L1=2.2 m。故錨索的總長度為L=5.82 m。

綜上所述，預應力錨索直徑為17.8 mm，長度為6 300 mm；施工孔徑為32 mm，采用1卷快速2350型和2卷中速2350型樹脂藥卷進行加長錨固，其極限承載力為353 kN，伸長率為4%[9]；預應力錨索托盤采用規格為300 mm×300 mm×20 mm(長×寬×高)高強度可調心托盤；采用專用錨具與設備對其進行張拉、固定和切割；錨索預應力不低于150 kN，間排距為1 400 mm×1 600 mm。

3 工程應用

3.1 支護方案

根據計算出的預應力錨索的間排距(1 400 mm×1 600 mm)，按“2-3-2”形式或均勻布置3根的方式在2排錨桿之間布置預應力錨索進行加強支護[10]，采用MDS3型電動錨桿鉆機(φ32 mm鉆頭、φ19 mm鉆桿)進行鉆孔，孔徑與孔深應與錨索規格相符，錨索規格為φ17.8 mm×6 300 mm。鉆孔完畢后，鉆孔無泥巖時可用清水清孔，壓風復清，如遇泥巖或泥巖互層時，宜采用壓風多次清孔，以提高錨頭錨固力。樹脂藥卷與錨索進行同步安裝，采用1卷快速2350型和2卷中速2350型樹脂藥卷進行加長錨固。

錨索采用規格為300 mm×300 mm×20 mm(長×寬×高)的高強度可調心托盤進行固定，利用OVM15型錨具與YCD-180型千斤頂、GQ-190型液壓切斷器進行張拉和切割。錨索預應力不小于150 kN，達到設計預應力值時可停止拉張。張拉時若發現有錨固不合格的錨索，必須立即在其附近補打、安裝合格錨索，或者用張力器將不合格的錨索拔出，而后用鉆機將原來的鉆孔清一遍，重新安裝錨索。本研究巷道錨索加強支護結構如圖2所示。

圖2 錨索加強支護結構斷面(單位：mm)

3.2 支護效果

和睦山后觀音山礦段-300 m水平運輸巷道應用錨網噴+預應力錨索加強支護方案后，對該支護巷道進行了60 d的巷道位移監測，觀測結果如圖3所示。

圖3 -300 m運輸巷道頂板與兩幫位移變化情況

分析圖3可知：-300 m水平運輸巷道頂板與兩幫的位移變化量分別為30，20 mm，混凝土噴層未有發生明顯變形，表明本研究設計的錨網噴+預應力錨索加強支護方案能夠有效控制該礦-300 m水平運輸巷道圍巖變形。

4 結 語

通過采用巷道圍巖變形機理分析與理論計算相結合的方法，設計了安徽和睦山鐵礦-300 m水平運輸巷道錨網噴+預應力錨索加強支護方案，并確定了合理的錨索支護參數。根據巷道圍巖變形監測結果，驗證了該方案的有效性，可供類似礦山參考。