預控頂支護在分段空場嗣后充填法中的應用

裴 斌， 王懷勇

(1.西烏珠穆沁旗銀漫礦業有限責任公司， 內蒙古 錫林郭勒 026200；2.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

國家對礦山開采的環境保護要求越來越嚴格，使得充填法成為了主要的采礦方法[1]。原來的空場采礦法也隨之轉變為空場嗣后充填法[2]。空場嗣后充填采礦法對于采場頂板穩定性有一定要求，以滿足工人在空場下安全作業的需求，這一要求也成為該采礦方法推廣應用的決定性因素之一。分段空場嗣后充填法具備生產效率高、開采強度大等優點，在許多礦山中得到了廣泛的應用[3-6]。

在采用空場嗣后充填采礦法過程中，對于部分采場頂板穩定性較差的情況，可以建立合理的頂板管理制度，如在開采過程中采取控制爆破落礦工藝、按反傾節理層的厚度分布布置炮孔排距、采用分段爆破等方法進行采場頂板的維護[7]。西北某銅礦9號采場采用分段空場嗣后充填采礦法進行開采時，其上盤圍巖節理裂隙特別發育，是采場發生大冒落的區域,采場頂板采用了噴錨網聯合支護,但該種支護沒有根據采場頂板穩定性進行適時的方案調整，導致部分采場出現冒落現象[8]。金山店鐵礦西區分段空場嗣后充填采礦法，頂板上方存在一條斷裂破碎帶，造成頂板垮落，無法形成采空區，因此采用了長錨索預控頂支護方法，并通過理論計算與數值模擬確定了合理的頂板參數[9]。阿舍勒銅礦700 m水平采用分段崩落階段空場充填采礦法，因采場頂板破碎，采用了錨索支護的預控頂支護方法，其7個采場得以順利回采[10]。

內蒙古某多金屬地下礦17#礦體走向85°，傾向北西，平均傾角85°，礦體平均厚度17.4 m，走向長度800 m左右。17#礦體主要為銅錫銀鋅礦體，屬斷裂構造控制的中低溫熱液型脈狀銅鉛錫銀鋅礦床。礦體主要賦存在F3斷層帶上盤黃鐵絹英巖化碎裂巖內，礦化以脈狀、網脈狀產出，以黃鐵絹英巖化、螢石化、高嶺土化為主，從施工的沿脈工程來看，礦體最富集部位，高嶺土化、螢石化較強，高嶺土呈帶狀產出，遇水后呈泥狀，巷道易冒落。礦體賦存于F3斷層上盤斷裂帶內，構造發育，節理縱橫交錯，增加了開采難度，開采條件較為復雜。

針對內蒙古某多金屬地下礦，采用空場嗣后充填采礦法時出現的局部頂板大規模冒落，本文采用了預控頂支護技術，該技術有效地解決了頂板冒落問題，使得礦山對該部分礦體實現了安全回采。

1 采場支護方法選擇

目前采用沿走向布置的分段空場嗣后充填采礦法，分兩步開采，一步回采礦柱，采場長度20 m，二步回采礦房，采場長度40 m。分段高度20 m，每個采場含兩個分段，鑿巖水平為820 m、840 m、860 m和880 m分段，出礦水平為820 m和860 m分段。

17#礦體中部的上盤圍巖、礦體、下盤圍巖整體穩定性條件較好，但存在局部穩固性差，且較破碎，況且目前820 m至860 m分段已基本回采結束，現場已有部分采場形成了較大的空頂高度，造成局部頂板冒落事故的可能性較大，這種情況下僅采用噴錨網支護還存在一定的風險，考慮到頂板下作業時間較長，因此需要采取更加安全的預控頂方案。

結合礦山的開采技術條件，對900 m分段、920 m分段17#礦體嗣后充填采場，以及800 m分段17#礦體擴幫采場，在噴錨網支護的同時，增加長錨索進行預加固的聯合支護方式。該支護方式能通過錨桿、網片及噴漿體形成組合梁，再利用錨索把巖體連成一體，借助桿體的懸吊作用，來提高采場頂板的巖體穩定性，可以有效地防治冒落，從而為回采提供安全的作業環境。

金屬礦山中，一般都采用鉆孔臺車等設備施工鉆孔，使用注漿錨索在上向孔安裝錨索時工序繁瑣，錨索表面清潔處理困難，也不容易施加預應力，因此我礦在實際施工中采用了樹脂錨索，由樹脂錨索取代注漿錨索，且樹脂錨索施工工藝簡單，安裝速度快，比較容易施加預應力，在頂板支護效果上比較明顯。

2 錨索支護參數設計

錨索支護參數可運用數值計算方法確定：據巖層賦存狀態確定合理的錨索錨固位置及長度；據簡支梁和薄板理論計算所需要的加強支護強度；據所選錨索材料力學性質參數確定錨索布置參數[11]。根據上述計算方法，確定900 m分段采用長度為3.5 m、5 m，直徑為15.2 mm錨索，支護網度為1.5 m×1.5 m；920 m分段采用長度為8 m，直徑為15.2 mm錨索，支護網度為2 m×2 m；圍巖較好地段只使用錨索進行支護，圍巖較破碎段結合錨網索聯合支護形式。

現在17#礦體900 m分段Ⅰ-6、Ⅰ-8、Ⅰ-12采場及920 m分段Ⅰ-10采場、13-1線至1-1線之間的采場，均進行了錨索預控頂支護，900 m分段Ⅰ-8采場和920 m分段Ⅰ-10采場已回采結束，900 m分段Ⅰ-6、Ⅰ-12采場正在回采，現空區頂板都比較穩定，沒有出現較為嚴重的片幫和頂板垮塌現象。

3 采場預控頂支護方案

針對礦體厚度不同，采場預控頂支護采用全斷面支護和預留間柱兩個方案。

(1)全斷面支護方案

920 m分段17#礦體采場當礦體厚度小于8 m，采場沿走向進行拉底擴幫，擴幫時采用錨網支護，錨桿采用長度3 m的樹脂錨桿，間排距均為1 m，中間采用直徑15.2 mm、長度8 m的樹脂錨索，網度為2 m×2 m，采場兩幫采用60°～70°傾角鉆孔，安裝長度8 m的樹脂錨索，局部輔以短錨桿支護，如圖1所示。

1.采場邊界 2.聯絡道 3.保安礦柱 4.長錨索 5.錨桿圖1 全斷面支護方案

(2)預留間柱支護方案

礦體厚度大于8 m或擴采采場面積大于200 m2以上的采場，應留設間柱。如800 m分段17#礦體擴幫拉底采場，以沿脈巷或出礦進路作為自由面，選擇合適位置預留4 m寬的間柱，其余將礦體全部擴幫到采場邊界位置，間柱附近的長錨索向外傾斜一定角度。擴幫時采用噴錨網支護，樹脂錨桿長3.0 m，排距、間距均為1.0 m。正常錨索孔采用豎直鉆孔，間柱處采用60°～70°傾角鉆孔，錨索參數與全斷面支護方案相同，如圖2所示。

1.采場邊界 2.聯絡道 3.保安礦柱 4.長錨索 5.錨桿圖2 預留間柱支護方案

4 錨索施工

8 m錨索選用直徑Φ21.5 mm的鋼絞線，樹脂藥卷選用2350錨固劑，錨索鉆孔使用華泰CYTC70型潛孔鉆機，改裝后施工孔徑45 mm，每孔裝入3卷樹脂錨固劑；3.5 m和5 m錨索選用直徑15.2 mm的鋼絞線，樹脂藥卷選用2335錨固劑，鉆孔使用YT 28鑿巖機，孔徑32 mm，先用短釬鉆一淺孔，再用長釬鉆孔達到要求孔深，每孔裝入3卷樹脂錨固劑。錨索孔施工完成后，安裝錨索前必須進行洗孔，將鉆孔內的巖粉碎渣沖洗干凈，現將樹脂錨固劑送入孔內，再將錨索穿入鉆孔，錨索送入孔內后，使用錨索鉆機進行邊送邊攪，通過桿體攪破錨固劑卷，使用錨索鉆機送進時速度要均勻，攪拌要充分，待攪拌結束15 min后方可進行拉拔安裝鎖具。

5 支護監測

(1)錨索測力計

為了掌握長錨索的受力情況，采用錨索測力計對錨索的受力變化情況進行監測。選用了MCJ- 200系列振弦式錨索測力計。MCJ- 200系列振弦式錨索測力計由優質彈性合金鋼制作的彈性圓筒、密封殼體和3(或4)根振弦及電磁線圈、電纜等組成。

當被測載荷作用在錨索測力計上，將引起彈性圓筒的變形并傳遞給振弦，使振弦的張力發生變化，從而改變振弦的振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至MCJ- 200系列振弦式讀數儀上，即可測讀出頻率值，計算出作用在錨索測力計相應的載荷值。連續觀測1個月，每1～3天觀測一次并記錄壓力值。

(2)頂板離層儀

選用了YHW150型頂板離層儀，監測長錨索支護采場頂板的沉降量。YHW150型頂板離層儀用井下監測頂板沉降的智能化儀表，具有監測和光報警的功能。長度20 m采場布置4個，豎直安裝，孔深約5 m，配套一個數據采集器，每天啟記錄一次數據，直到采場全部采完。YHW150型頂板離層儀的量程為0～150 mm，也可以設置報警值，一旦位移量超過設定值，離層儀會發出紅光報警。

6 結論

(1)在該礦17#礦體應用噴錨網+長錨索預控頂聯合支護方式是成功的，針對不同礦體厚度和采場面積大小分別采用了不同的支護方案，在采場頂板支護中取得了良好的效果。

(2)實踐證明，該種采場預控頂支護方法在改善頂板力學性能、提高頂板自承載能力、控制頂板位移，保持頂板的穩定性上發揮了較大作用。

(3)對于采用分段空場嗣后充填采礦法時產生的局部頂板冒落現象，采用預控頂支護是一種行之有效的措施。