采礦工程中的預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

趙其禎

（甘肅省金川集團(tuán)有限公司二礦區(qū)，甘肅 金昌 737100）

我國工業(yè)的快速發(fā)展，促使了對礦產(chǎn)資源的需求。資源的供應(yīng)問題日益緊張，有限的淺地表礦產(chǎn)資源在近年來幾乎開采殆盡[1，2]。因此，對深層資源的開發(fā)已經(jīng)成為礦山企業(yè)的重點生產(chǎn)內(nèi)容，但深層資源開發(fā)伴隨而來的坍塌、滲水等問題引發(fā)的礦山生產(chǎn)安全事故層出不窮[3]。所以，采礦工程中的預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展十分重要，故必須要發(fā)展相關(guān)的支護(hù)技術(shù)的理論及支護(hù)方法。技術(shù)發(fā)展的同時也需要兼顧經(jīng)濟(jì)效益，如何更有效的控制礦產(chǎn)資源的開采成本并且保障生產(chǎn)安全，在生產(chǎn)安全及井下支護(hù)成本之間如何去取舍和優(yōu)化也是各大礦企十分關(guān)心的事情[2，3]。本文通過對預(yù)控頂支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)研究及數(shù)值模擬來對優(yōu)化支護(hù)方案，以尋求經(jīng)濟(jì)和安全之間的最優(yōu)化。并希望為類似條件礦山的深層資源開采帶來參考指導(dǎo)作用。

1 常用的預(yù)支護(hù)技術(shù)

預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用在工程建設(shè)行業(yè)及礦產(chǎn)開發(fā)行業(yè)中應(yīng)用廣泛，無論是公路、鐵路隧道，還是市政工程都時常能見到預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前，主流的預(yù)支護(hù)技術(shù)如圖1所示。

1.1 小導(dǎo)管注漿

在作業(yè)面頂板位置，均勻插入小導(dǎo)管布置，采用高壓注漿機(jī)往導(dǎo)管內(nèi)注漿，漿料硬化將在作業(yè)面上方產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的支護(hù)圈，可與鋼拱架組成棚架，從而抑制頂板圍巖的變形。

1.2 水平高壓旋噴

作業(yè)面頂板上方鉆水平孔，注入漿料加固，此法具有成功率高，速度快的優(yōu)點，但是支護(hù)抗彎性能較差。

1.3 超前錨索桿

是實際工程中最為常用的支護(hù)方式，通過對工作面施加錨桿進(jìn)行超前預(yù)加固。

2 頂板冒落原因分析

頂板冒落產(chǎn)生的原因機(jī)理較為復(fù)雜，大致來說可以從頂板的事故種類、巖體問題類型、頂板冒落這幾個方面來進(jìn)行分析。

2.1 頂板事故類型

首先，頂板冒落事故大多可分為局部冒落及大范圍冒落兩種情況，前者多因現(xiàn)場作業(yè)時未對破碎頂板進(jìn)行及時支護(hù)所導(dǎo)致，后者冒落面積大，且具有突發(fā)性，并且造成的后果嚴(yán)重，其原因多是因為巖體破壞加劇導(dǎo)致超過巖層變形臨界點。

2.2 巖體破壞類型

巖體破壞是指巖體在一定的應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)喪失聯(lián)結(jié)或者承載力和穩(wěn)定性喪失的現(xiàn)象的總稱。不同結(jié)構(gòu)的巖體破壞的機(jī)理不同，因此破壞類型也不同，而巖體的主要破壞類型分為拉伸破壞和剪切破壞[4]。

2.3 頂板冒落原因

頂板冒落產(chǎn)生的原因可分為自然因素及人為開采因素，采場頂板冒落是自然因素和人為開采因素同時起作用，發(fā)生冒落的基本規(guī)律為：在巖體開挖過程中，由于巖體的自重或者采動中產(chǎn)生的次生應(yīng)力場的作用，使得采場頂板向采空區(qū)的自由面發(fā)生彎曲變形。而巖體的抗拉強(qiáng)度一般比較小，當(dāng)圍巖的暴露面積相對過大、頂板處的圍巖中的拉應(yīng)力超過巖體抗拉強(qiáng)度時，就發(fā)生了頂板的破壞和冒落。

3 金屬礦山的頂板支護(hù)設(shè)計

以甘肅某金屬礦礦區(qū)為例，結(jié)合該地區(qū)的圍巖特征，設(shè)計兩種支護(hù)方案如下。

3.1 錨索桿+小導(dǎo)管注漿支護(hù)

頂板支護(hù)采用小導(dǎo)管注漿工藝，并且打入錨索進(jìn)行聯(lián)立支護(hù)。

圖2 錨索+小導(dǎo)管注漿支護(hù)

通過錨索和小導(dǎo)管的共同支護(hù)作用，提高了頂板的抗剪切和抗拉強(qiáng)度，使頂板的抗變形能力變大。

3.2 錨索+錨桿的聯(lián)立支護(hù)

此方案采用錨索桿的超前支護(hù)進(jìn)行聯(lián)立支護(hù)。

圖3 錨索+錨桿的聯(lián)立支護(hù)

4 數(shù)值模擬及分析

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

模型所設(shè)計的材料的參數(shù)，包括采區(qū)圍巖體的力學(xué)參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

表1 鎳礦巖石力學(xué)參數(shù)表

頁巖（底板） 42.2 27.6 36.5 0.23 25900 123.6 21銅鎳礦（礦石） 41 67.9 69.2 0.25 35600 180.9 32.9

表2 材料力學(xué)參數(shù)表

4.2 數(shù)值模擬

對本文設(shè)計的兩種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如下圖4所示：

圖4 垂直位移應(yīng)力分布云圖

從模擬的結(jié)果來看，頂板的沉降變形最大位移主要集中于頂板跨中，在未采取支護(hù)措施的情況下，頂板最大位移量31.64mm，錨桿加小導(dǎo)管注漿聯(lián)立支護(hù)方案的最大位移量為22.98mm。錨索+錨桿的聯(lián)合支護(hù)方案中頂板位移最大值為26.26mm。前一方案較后者的位移量縮減了23.6%，因此采用錨桿+小導(dǎo)管注漿的方式較優(yōu)，從而在該礦山的頂板預(yù)支護(hù)中采用這一方案。

5 結(jié)語

通過模擬研究表面明，采用錨桿+小導(dǎo)管的支護(hù)方案優(yōu)于錨索桿支護(hù)，復(fù)合以往的實際經(jīng)驗。這也表明通過對預(yù)控頂支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)研究及數(shù)值模擬可以更好的輔助優(yōu)化預(yù)控頂支護(hù)方案。