深部地壓控制技術(shù)與采場優(yōu)化支護研究

張瑞明 魏丁一 杜翠鳳 徐海月 常寶孟 王 遠

（1.山西工程職業(yè)學院，山西太原030009；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083）

由于當前經(jīng)濟的需要，礦山的開采深度越來越深，伴隨而來的同樣會有許多地壓、通風和熱害等問題［1］。而對于深部復雜環(huán)境下開采過程中的地壓控制和巷道支護等研究也顯得更為迫切，因此許多專家進行了相關(guān)工作。胡晴等［2］利用深部吸能錨桿支護原理并結(jié)合ANSYS對支護方案進行優(yōu)化，實踐表明優(yōu)化大大降低了圍巖變形量。吳鑫等［3］模擬了5種支護方案的巷道圍巖變形，確定了最佳支護方案。韓昌瑞等［4］考慮地應力、巖性、施工難度和造價等影響，得到正確的本構(gòu)模型對計算結(jié)果影響很大。許夢國等［5］提出以錨網(wǎng)支護技術(shù)為基礎(chǔ)的厚層泥質(zhì)頂板巷道圍巖控制對策，現(xiàn)場應用表明分級準確，還可判別支護難度較大的區(qū)域。戴怡文等［6］提出永久巷道采用錨噴支護，臨時巷道采用錨桿穿帶支護，優(yōu)化了支護結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基于此，本研究對于某礦現(xiàn)有支護系統(tǒng)進行分析，基于深部地壓變化對采場參數(shù)優(yōu)化后的支護進行設(shè)計，建立分級支護數(shù)學模型，得到支護等級指標RQ值并進行分級，最終確定各采場支護形式及支護參數(shù)，為深部安全高效開采提供指導。

1 現(xiàn)有支護系統(tǒng)分析

該礦采用上向水平進路式膠結(jié)充填采礦法開采，進路斷面規(guī)格為3.5 m×3.5 m，雖然有利于回采安全，但同時存在生產(chǎn)效率低和成本高等問題。目前大多數(shù)中段大巷、分巷、聯(lián)巷與采場均采取了支護手段，但仍存在一些問題，如鋼拱架支護不規(guī)范、錨噴滯后、支護網(wǎng)度稀疏及過度支護等。目前的主要支護手段如表1所示。

1.1 U型鋼拱架支護

U型鋼拱架通常都用于圍巖松碎、采動影響強烈的巷道，承載能力和支護阻力是判斷支架工作狀況優(yōu)劣的主要指標。支護阻力取決于支架形式、結(jié)構(gòu)、材料強度、承受載荷的特征及約束條件等。由于支架的承載能力和支護阻力相差懸殊，實際應用中鋼支架的有效承載能力都很低。

1.2 噴射混凝土支護

噴射混凝土支護能及時封閉開挖的圍巖表面，提供一定的支護力，防止圍巖強度惡化，提高強度且具有一定的柔性能適應圍巖在一定范圍內(nèi)的變形，在礦山使用很普遍。噴射混凝土的力學特性主要包括強度和變形特征。

（1）抗壓強度和粘結(jié)強度。為使噴射混凝土在不穩(wěn)定地層中及時有效地起加固作用，除了有較高早期強度外，其抗壓強度應隨齡期迅速增長，摻入適量速凝劑，可使早期強度明顯提高，有利于控制碎裂巖體變形。經(jīng)驗表明噴射混凝土與圍巖粘結(jié)力可達10～20 MPa。粘結(jié)力取決于巖石表面的清潔度，因此噴射作業(yè)前應先清洗巖石表面。

（2）噴層的變形破壞、厚度與柔性。噴層的受力變形分為3個階段：粘結(jié)抵抗，梁效應和薄殼效應。變形初期，噴層的粘結(jié)抵抗作用取決于圍巖表面礦物成分和噴層厚度，并一定程度上隨噴層厚度增加而增強。噴層的柔性與厚度直接相關(guān)［7］。經(jīng)驗表明井下噴層一般在50～100 mm之間。當厚度小于50 mm時，由于材料收縮導致噴層滲水和破壞。噴層厚度也可由巷道圍巖收斂量確定。噴薄層、多次噴層和加入速凝劑都可延長噴層的塑性時間，加入鋼纖維及使用鋼筋網(wǎng)都可增加噴層柔性。噴層厚度和強度的增加不呈線性變化，噴層厚度范圍為100～250 mm時噴層厚度每增加50%，強度只增加10%～20%。

1.3 錨桿支護

錨桿支護對破碎頂板、層狀頂板和頂板塊體的支護均有明顯效果。但在圍巖大變形巷道中，無論是錨桿支護還是框式支護，實際支護阻力往往遠低于理論值。因此更大程度地發(fā)揮錨桿阻力是錨桿支護改善的關(guān)鍵問題所在。現(xiàn)場應用中可加大全長樹脂錨固錨桿的屈服強度，采用錨注支護工藝等手段，使錨桿支護阻力保持在0.3 MPa以上，便可有效地控制圍巖變形。

2 采場參數(shù)優(yōu)化后的支護設(shè)計

由于巖體性質(zhì)的復雜性，一些隱性的地質(zhì)構(gòu)造在地壓調(diào)查時不能觀測出來。基于生產(chǎn)安全方面的考慮，必須采取必要的支護手段，防止采場圍巖變形及部分巖塊塌落。

2.1 結(jié)構(gòu)面對采場穩(wěn)定的影響

節(jié)理裂隙等破裂結(jié)構(gòu)面破壞了巖體完整性，其賦存數(shù)量、連通情況等分布的復雜性影響巖體力學性質(zhì)、變形、破碎及滲透等破壞方式，是巖體介質(zhì)不連續(xù)的根本原因。由于結(jié)構(gòu)面空間形態(tài)具有非規(guī)則、非連續(xù)等復雜性，描述結(jié)構(gòu)面幾何特征的方位、間距和連通率等參數(shù)不僅難以準確反映結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格發(fā)育程度，而且現(xiàn)場的全面系統(tǒng)測量很難實現(xiàn)。特別是大型結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與采場和巷道的空間關(guān)系對穩(wěn)定性影響極大。某巖塊項目結(jié)構(gòu)面如表2所示。

將表中3組結(jié)構(gòu)面在空間上的位置關(guān)系分別做赤平面投影，得到的投影圖如圖1所示，從圖中可以看出存在一個有直接墜落可能的塌落錐，是一個標準的四面體形狀。后續(xù)主要考慮位置位于頂板時對采場穩(wěn)定性的影響。

以內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角為0時的破壞結(jié)果為例，如圖2所示，破壞形成滑塌錐后并不一定意味著塌落。內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角較大時滑塌錐由于裂隙自身強度仍可保持穩(wěn)定，當裂隙強度繼續(xù)減小，滑塌錐墜落［8］。

2.2 測點布置

（1）支護時機。該礦采用管縫式錨桿，巷道開挖完成后應立即對頂板或兩幫進行錨桿支護，這是因為此時彈塑性變形結(jié)束，峰后的剪脹變形成為錨桿的主要錨固力來源，能最大程度發(fā)揮錨桿支護作用。

（2）支護網(wǎng)度。錨桿網(wǎng)度是用來保證承受錨固區(qū)圍巖的重量。管縫錨桿的錨固力與錨桿尺寸及材料參數(shù)的關(guān)系為

式中，N為錨桿錨固力；α為安全系數(shù)，取0.21；K為圍巖周邊剪切強度；t為管壁厚度；R為錨桿打入后管的平均半徑；E為鋼材平面應力彈性模量；σs為鋼材的彈性恢復力；f0為鋼與圍巖的靜摩擦系數(shù)，一般取0.35～0.4；l為錨桿有效長度。計算可得該礦管縫式錨桿錨固力為53.41 kN。

該礦實際生產(chǎn)采用錨桿與穿帶聯(lián)合支護，鋼筋穿帶充分利用其高抗拉強度，將錨桿間巖石托住，構(gòu)成整體支護結(jié)構(gòu)，錨固力更大。這大大增強了整體支護能力，特別是倒三角礦巖的支護，起到了有效的安全保障作用。

當進路采場寬度為5 m時，有效懸吊巖層厚度1.8 m，礦體厚為15～80 m，懸吊巖石平均容重取28.1 kN/m3，則巖石總重力為3 793.5～20 232 kN；單位面積內(nèi)所需錨桿數(shù)為0.94根/m2。為便于施工，錨桿間排距應盡量相等，每根錨桿支護的面積為1.1 m2，理論上的錨桿間排距應為1.0～1.2 m×1.0～1.2 m。實踐證明，隨圍巖的錯動，錨桿受力狀態(tài)改變，錨桿長期錨固力會在一定的位移范圍內(nèi)不斷增長，管縫式錨桿的長期錨固力范圍為50～90 kN。取均值75 kN為例，因此在穩(wěn)定性一般或者較好的采場，單位面積內(nèi)所需錨桿數(shù)為0.67根/m2，錨桿網(wǎng)度可適當調(diào)大為1.5～2.0 m×1.5～2.0 m，若圍巖過于破碎，則可能由于變形過大導致錨固力失效，此時錨桿網(wǎng)度應嚴格按照設(shè)計施工。

3 采準巷道分級支護標準與體系

3.1 分級支護數(shù)學模型

由于采準巷道的使用年限、暴露面積和影響程度等均不同，因此在設(shè)計具體支護方案和參數(shù)時，會為了降低成本而采取不同形式。針對采場工程地質(zhì)變化大的區(qū)域進行支護分級很有必要，后期可按不同等級的巷道標準來合理設(shè)計方案。

巷道支護分級主要考慮以下幾點:

（1）礦巖的工程質(zhì)量。其作為影響巷道穩(wěn)定性的最重要因素，必須重點分析。

（2）巷道的暴露面積。巷道暴露面積與自穩(wěn)能力成負相關(guān)。平巷斷面一般情況下變化不大，但巷道交叉處暴露面積明顯增大，因此需要考慮巷道暴露面積。

（3）巷道的使用時間。巷道使用時間與維護要求成正相關(guān)。原有的采準巷道隨開采的加深漸漸消失，巷道使用要求不同，保有期也不同。

（4）巷道的影響程度。不同巷道失去穩(wěn)定性對生產(chǎn)造成的影響程度也不同。

綜上所述，在進行具體的巷道支護分級時，主要因素取巷道所在的礦巖工程質(zhì)量，然后使用相應的系數(shù)將使用時間、暴露面積及影響程度與礦巖工程質(zhì)量指標Q相乘，得到支護等級指標RQ值。RQ值的計算公式為

式中，K1為巷道維護時間的影響因子；K2為暴露面積的影響因子；K3為影響程度的影響因子。

其中Q按《工程巖體分級標準》［9］中確定巖體堅硬程度的定性劃分及巖體完整程度的定性劃分方法取值。根據(jù)公式乘積得到RQ，從優(yōu)至劣對巷道支護分成5級，即I～V級。然后再按分級結(jié)果進行方案設(shè)計，分級級別及指標如表3所示。

3.2 巷道分級支護設(shè)計

由分級結(jié)果可知，該礦礦巖工程質(zhì)量變化較大（從Ⅲ級到Ⅴ級），沿礦體走向中部穩(wěn)定性明顯優(yōu)于兩翼，而深部礦體穩(wěn)定性優(yōu)于淺部，礦巖質(zhì)量級別分區(qū)比較明顯，因此適用于巷道支護分級設(shè)計。目前該礦主要采用上向水平進路充填法、中深孔雙幅分采分段充填采礦法和上向水平分層充填法等，巷道種類較復雜，因此綜合考慮各因素，支護分級所選取的系數(shù)及各位置巷道的Q值和RQ值如表4所示。

上向分層充填法進路法采場聯(lián)巷與上向進路充填法采場聯(lián)巷的巖石質(zhì)量處于Ⅲ級與Ⅳ級之間，由于開采速度快，因此巷道維護時間普遍較短，因此支護等級為Ⅱ級，可采用錨噴或錨網(wǎng)的支護形式，穩(wěn)定性較好的地段可采用Ⅰ級支護等級。而中深孔雙幅分采分段充填法的回采進路巷道維護時間稍長，支護等級需提高一級，采用錨噴網(wǎng)的支護形式。對于運輸大巷及豎井聯(lián)絡(luò)道需要長時間使用，若發(fā)生破壞，將對生產(chǎn)安全帶來重大隱患，因此支護等級應為Ⅲ或者Ⅳ級，需要采用中長錨桿錨噴網(wǎng)支護，個別破碎地段應進一步提高支護等級。

針對目前普遍情況所作的巷道分級支護設(shè)計，實際支護設(shè)計應根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇。經(jīng)過綜合考慮，分級支護方案如表5所示，分級支護示意圖如圖3所示。

4 結(jié)論

（1）通過調(diào)研可知U型鋼拱架、噴射混凝土、錨網(wǎng)和錨桿為該礦目前的主要支護方式，分別對其支護作用原理進行分析，為下一步支護設(shè)計優(yōu)化提供科學依據(jù)。

（2）通過計算分析對錨桿支護進行優(yōu)化設(shè)計，在穩(wěn)定性一般或較好的采場，單位面積內(nèi)所需錨桿數(shù)為0.67根/m2，錨桿網(wǎng)度可適當調(diào)大為1.5～2.0 m×1.5～2.0 m，若圍巖過于破碎時，錨桿網(wǎng)度應嚴格按照設(shè)計進行施工。

（3）建立礦區(qū)采準巷道分級支護標準與體系，根據(jù)巷道礦巖的工程質(zhì)量，然后結(jié)合巷道的使用時間、暴露面積及影響程度，得到支護等級指標RQ值，根據(jù)RQ值將巷道支護分成5級。綜合考慮支護分級的各種影響因素，確定各采場支護形式及支護參數(shù)。