深部蝕變巖型巷道錨桿錨索聯合支護應用研究

李曉飛 孟祥凱 趙興東

（1.山東黃金礦業（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

隨著深部的不斷開采，三高一擾動現象越來越明顯［1］，受復雜的礦巖力學條件以及頻繁的開挖擾動影響，導致在蝕變巖型巖體內施工巷道工程，頻繁出現不同程度的圍巖變形、片幫和冒頂破壞，甚至在一些區域發生大范圍的失穩垮落，造成巷道支護工程量大，后期難以恢復不得不進行改道現象，不僅影響礦山深部接續，對工人也造成了極大的安全隱患。因此，深部蝕變巖型巷道圍巖的穩定性與支護技術，已成為礦山工程技術人員所特別關注的問題。

1 工程背景

焦家金礦施工15中段某蝕變巖型巷道巖石主要技術參數為普氏硬度系數5.62、松散度1.6。該工程為深部接續重點工程，在施工過程中，多次出現不同程度的塌方（見圖1）。15中段該巷道原設計支護方式（見圖2）為錨噴支護，錨桿?42 mm、長度1.8 m/根、間距1 m、排距2 m、噴漿厚度50 mm，隨著不斷掘進，發現巷道出現不同程度的變形，局部變形超過1 m，為防止巷道繼續變形采用增加U型鋼加強支護，支護間距1 m/架。整改后的支護方案為采用錨桿+噴漿+工字鋼支護［2］。支護后仍出現不同程度變形，且修復過程中支護施工難度大。不僅耗費較大而且給安全生產造成一定影響。

原有的支護方式已經不能適應該巷道的要求，需要對該段巷道進行巖石質量分級，選取合適的支護方式，從而更快速地通過該區域。因此，對于深部蝕變巖型巷道須由巖石力學工程師對現場進行巖石力學調查［3］，調查完畢后，根據計算結果出具相應支護參數，給采礦工程技術人員現場指導施工提供理論依據。

2 方案措施

2.1 地質調查

為準確分析焦家金礦15中段深部高應力蝕變巖型巷道的巖石穩定性狀況，巖石力學工程師選擇用測線法［4］對高應力蝕變巖型區域巖體節理裂隙進行了調查分析。圖3為巖石力學工程師現場布置節理測線和進行節理裂隙調查。

通過現場節理裂隙調查，以節理走向的形式呈現出不同水平的節理組數、特點及方向［5］。根據現場結構面狀況的調查結果，將圍巖的結構面情況列于表1。為其巖體質量分級提供了技術支撐，使得巖石穩定性分級準確性得到提高。

2.2 巖體地質力學RMR分級

RMR評分值由巖塊強度R1、RQD值R2、節理間距R3、節理條件R4、地下水R5及節理方向修正參數R6指標組成：RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6。最后通過相關參數修正，得到最終巖石質量分級［6］。各中段巖體質量分級評價如表2所示。

根據RMR=21～40分級結果應選擇Ⅳ—差進行支護設計，結合礦山自身材料設備情況，采用巷道頂板和兩幫錨桿長2 m，間距2 m，采用金屬網錨噴支護，頂板噴射混凝土厚度100 mm，局部采用工字鋼鋼支架，排距2 m。

2.3 巷道（采場）穩定性分析

依據表1結構面調查結果相關信息，利用Unwedeg軟件對15中段該巷道進行潛在楔形體識別［7］。并對根據巖石力學分級結果提出的支護方案進行支護分析，如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以看出，當采用長度2 m的樹脂錨桿時楔形體未與上部巖石形成整體，極易導致塌落。因此為確保楔形體的穩定性，防止塌落，在巷道右上部楔形體位置采用了3根5 m的長錨索進行支護，支護排距2 m，間距1 m，如圖6、圖7所示。

通過Unwedge軟件對最大潛在楔形體識別表明：15中段該巷道頂板潛在楔形塊體安全系數為0，極不穩定，有垮塌危險，采用排距2 m、間距1 m、長度2 m樹脂錨桿支護后，頂板潛在楔形體安全系數變為20，仍不穩定，存在較大安全隱患。當采用樹脂錨桿間距1 m、排距2 m、錨桿長度2 m，頂板右上部楔形體部位增加3根支護長錨索（長度5 m、排距2 m、間距1 m）后頂板潛在楔形體安全系數變為356.386，能夠保持巷道的穩定。

2.4 雙鋼筋支護

雙鋼筋制作簡單可靠（見圖 8）［8］，利用2根礦用?10～12 mm的圓鋼由工人現場焊接使用。整個雙鋼筋的長度根據巷道頂板及兩幫情況決定，原則是有錨桿錨索的地方都應被雙鋼筋覆蓋。在雙鋼筋之間每隔0.5 m焊接1個連接點，連接點的間距根據錨桿錨索間距確定，不能影響錨桿錨索托盤安裝使用。施工過程中，首先施工頂板錨桿，將雙鋼筋固定在頂板上，然后按巷道拱形輪廓以此施工錨桿錨索，使得雙鋼筋和錨桿錨索托盤緊貼巖壁，已達到錨桿錨索雙鋼筋形成一個整體拱，起到組合拱的作用。

根據前期雙鋼筋支護效果來看，采用錨桿+錨索+雙鋼筋支護方式，使得三者形成一個整體，相互作用，形成一個組合拱作用，使其本來單獨發揮作用的錨桿錨索，連接成為一個整體，極大提高了巷道整體的抗風險能力，保證了巷道穩定。將錨桿錨索采用雙鋼筋連接到一起在蝕變巖體中尤其重要，不僅能快速地進行支護，使其在巷道變形初期就將巷道變成一個統一的整體發揮作用，而且雙鋼筋具有一定的柔韌性，可以適當進行變形，屬于柔性支護，更適合深部開采需要。

2.5 支護方式確定

基于巖石力學調查進行的巖體質量分級和基于RMR分級的支護圖表進行支護設計，運用Unwedge軟件對該巷道進行潛在楔形體識別［9］，并對根據巖體力學分級提出的支護方案進行優化改進，創新性地提出了“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護方式［12］。該支護方式主要針對蝕變巖性巷道頂板：樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土；樹脂錨桿間排距2 m、長度2.4 m、直徑20 mm，全長錨固，噴射混凝土厚度100 mm、初噴30 mm。雙鋼筋?8～10 mm盤圓鋼線拉直焊接，間距6～8 cm，長度1.4 m；托盤200 mm×200 mm×8 mm，沖擊呈碗狀。初噴射混凝土后，在巷道右上部按照設計補打錨索支護，錨索長4～5 m，間排距2 m。現場支護方式示意見圖9。

3 巷道支護效果評價

3.1 工業試驗地點

根據確定的焦家金礦蝕變巖型巷道圍巖支護方案，進行現場工業試驗，驗證所提出支護方案的合理性。選取附近巷道，該巷道與原巷道距離20 m，巖石主要技術參數基本一致，通過前期巖石力學調查，頂板存在長度約4 m的楔形體構造。

3.2 工業試驗結果

15中段該巷道施工后1 d，在巷道頂板斷層F1、F2及兩幫斷層F3、F4處，設定6個巷道圍巖收斂變形監測點，監測采用“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護前后巷道圍巖的收斂變形值，錨桿錨索聯合支護效果見圖10。該巷道施工完畢20 d后，開始進行支護方案的現場工業試驗，巷道收斂變形監測周期為2019年12月30日—2020年2月8日，共計約1個月。

圖11顯示了巷道圍巖收斂變形監測斷面頂板和兩幫監測結果［10］。從圖中曲線可以看出，在巷道施工過程中，3處監測點的收斂變形呈階梯狀增加，且兩幫變形量遠遠少于頂板圍巖的變形量?？梢娦ㄐ误w構造對頂板影響較大。兩幫圍巖最大變形量為6 mm，頂板圍巖最大變形量為25 mm。自2019年12月30日—2020年2月8日，該巷道進行樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土支護后，巷道中所設的6個監測點的圍巖變形均趨于穩定，并在30 d監測中保持穩定，圍巖累計變形量不再增加。由此可以得出結論，該支護方式以及相應支護參數的選取能夠有效保證焦家金礦蝕變巖型巷道頂板兩幫在一定時期的穩定性。

4 結 論

（1）基于巖石力學工程師對該區域巖石力學調查進行的巖體質量分級，運用RMR分級的支護圖表，進行初步支護設計，運用Unwedge軟件對該巷道進行潛在楔形體識別，并對提出的支護方案進行分析改進，提出了“樹脂錨桿+長錨索+噴射混凝土”支護方式。

（2）利用雙鋼筋將錨桿錨索連接為一聯合體，有效地避免了單一錨桿錨索作用強度小的問題，避免了局部冒落和支護力不足的問題，增加了整體錨固力，使得巷道頂板及兩幫形成組合拱，極大提高了巷道整體的抗風險能力，保證了巷道穩定。雙鋼筋作用下使得單根錨桿錨索達到整排錨桿錨索的聯合支護效果，從而大大地提高了整體支護強度。

（3）最終選取的“樹脂錨桿+長錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護方案具有很好的效果，通過噴射混凝土能夠迅速與巖體一起形成很好的支護圈。避免巖石風化和塌落變形，能夠有效支撐破壞圍巖，阻止圍巖的進一步破壞。