西石門鐵礦北區(qū)破碎圍巖錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)研究

宋德林，陳飛宇，鄭文翔，孫 明，闞景文

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.五礦邯邢礦業(yè)有限公司西石門鐵礦，河北 邯鄲 056303)

西石門鐵礦產(chǎn)于燕山期矽卡巖和中奧陶紀(jì)馬家溝組灰?guī)r的接觸帶中，為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床。礦體上盤圍巖為灰?guī)r，礦體為矽卡巖型磁鐵礦，下盤圍巖主要為閃長(zhǎng)巖，在礦體與下盤間夾有薄層蝕變閃長(zhǎng)巖與矽卡巖[1]。礦山掘進(jìn)過程中遇到的破碎巖性主要有：蝕變閃長(zhǎng)巖、矽卡巖、礦石。蝕變閃長(zhǎng)巖：軟弱，黏結(jié)性差，稍有擾動(dòng)即成松散粉狀或塊狀結(jié)構(gòu)，開挖后容易發(fā)生大規(guī)模冒落。矽卡巖：巖性較軟、泥質(zhì)，充填有黑色金屬光澤泥質(zhì)物，有一定黏結(jié)性，掘進(jìn)過程中容易發(fā)生小規(guī)模冒落，遇水易膨脹。礦石：較為破碎，有的部位礦石呈粉狀或小塊狀散體狀態(tài)。對(duì)于以上破碎巖性巷道，礦山一般采用拱架或超前錨桿+拱架支護(hù)[2]。對(duì)于蝕變閃長(zhǎng)巖和粉狀礦石部位來說，這種支護(hù)方式施工簡(jiǎn)便安全、支護(hù)用工少、用時(shí)短、有足夠的支護(hù)強(qiáng)度，可以很好適應(yīng)圍巖開挖后短時(shí)間冒落的特點(diǎn)。而對(duì)于矽卡巖和完整性尚可礦石部位來說，拱架支護(hù)有些過度，如在無明顯地壓作用情況下，拱架支護(hù)可保證巷道3年內(nèi)不發(fā)生明顯變形，而一般回采進(jìn)路存在時(shí)間不超1年。另外矽卡巖遇水泥化，泥化后的碎石從拱架間隙流出，造成巷道泥濘，通行條件差；拱架支護(hù)時(shí)，壁后會(huì)有較厚的松散體，給落礦時(shí)中深孔施工帶來困難。從支護(hù)適度性和便于中深孔施工以及作業(yè)環(huán)境來看，認(rèn)為拱架支護(hù)方式不夠合理。為此，需要研究適合于北區(qū)矽卡巖和完整性較好的礦體圍巖條件下的巷道支護(hù)措施。

針對(duì)西石門鐵礦北區(qū)矽卡巖和完整性較好的礦石中巷道的支護(hù)問題，考慮支護(hù)適度、便于施工等要求，分析選用了錨網(wǎng)噴支護(hù)措施，并利用Q系統(tǒng)確定了支護(hù)參數(shù)。之后對(duì)確定的錨網(wǎng)噴支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 巷道支護(hù)方式確定

在無明顯地壓作用的矽卡巖和礦體中的巷道采用拱架支護(hù)時(shí)，除了木背板被壁后的碎石壓裂，支護(hù)3年后拱架幾乎未變形，而一般回采進(jìn)路存在時(shí)間較短，可見拱架支護(hù)足可滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，甚至有過度支護(hù)現(xiàn)象。拱架支護(hù)時(shí)，壁后會(huì)有較厚的松散體，給落礦時(shí)中深孔施工帶來困難。另外，矽卡巖遇水泥化，從拱架間隙流出，造成巷道泥濘，通行條件差。從適度性和便于中深孔施工來看，拱架支護(hù)不作為首選。

從圍巖情況看，圍巖質(zhì)地疏松泥質(zhì)化，這時(shí)巷道用增強(qiáng)圍巖的辦法成本很大且不易實(shí)施，也就是說用注漿的方法增強(qiáng)圍巖的方法難度較大：①水泥遇到泥土細(xì)顆粒后，黏結(jié)強(qiáng)度變差，水泥消耗量會(huì)較大；②注漿給水后，由于圍巖遇水泥化，巷道圍巖自身強(qiáng)度會(huì)變低；③巷道圍巖泥化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙被土封閉，注漿液將不易擴(kuò)散，注漿范圍受限。

圍巖的大變形主要是深層次的圍巖投入移動(dòng)及圍巖遇水后膨脹影響，如果將巷道開挖后的表層及時(shí)穩(wěn)固，深層次的圍巖不發(fā)生移動(dòng)，巷道的穩(wěn)定性將有很大改進(jìn)，所以支護(hù)方式一定要及時(shí)提供支護(hù)抗力及封閉暴露面。為此，這類圍巖初次支護(hù)應(yīng)立足于錨網(wǎng)噴支護(hù)，然后選取合理的支護(hù)參數(shù)，以取得理想的支護(hù)效果。

2 巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)定及估算

為了確定合理的支護(hù)參數(shù)并為支護(hù)效果模擬研究提供計(jì)算參數(shù)，在點(diǎn)荷載和結(jié)構(gòu)面調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖塊物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減處理，得到礦體和矽卡巖的巖體力學(xué)參數(shù)。

2.1 礦巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度的測(cè)定

在北采區(qū)0 m水平和-40 m水平選取礦石和矽卡巖試樣，進(jìn)行了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理。通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)[3]，計(jì)算得到了北采區(qū)巖礦試樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度，見表1。

表1 西石門鐵礦北區(qū)點(diǎn)荷載強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.2 礦巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查

通過結(jié)構(gòu)面調(diào)查確定的定量指標(biāo)，能夠反映巖體結(jié)構(gòu)的特征。結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，分別對(duì)0 m、-40 m階段的矽卡巖、礦石進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)調(diào)查結(jié)果整理計(jì)算，結(jié)果見表2。

2.3 巖體完整性系數(shù)Kv

由巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)可計(jì)算巖體完整性系數(shù)，計(jì)算見式(1)。

Kv=1.0-0.083JvJv≤3

Kv=0.75-0.029(Jv-3) 3≤Jv≤10

Kv=0.55-0.02(Jv-10) 10≤Jv≤20

Kv=0.35-0.013(Jv-20) 20≤Jv≤35

Kv=0.15-0.007 5(Jv-35)Jv>35

(1)

式中，Jv為巖體體積節(jié)理數(shù)，指單位體積內(nèi)所含節(jié)理(結(jié)構(gòu)面)條數(shù)(條/m3)，可以用式(2)計(jì)算。

Jv=N1/L1+N2/L2+……+Nn/Ln

(2)

式中：L1，L2，……，Ln為垂直于結(jié)構(gòu)面的測(cè)線長(zhǎng)度，m；N1，N2，……，Nn為同組結(jié)構(gòu)面的數(shù)目。

巖體完整性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 結(jié)構(gòu)面調(diào)查數(shù)據(jù)表

表3 巖體完整性系數(shù)

2.4 基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的巖體強(qiáng)度參數(shù)估算

為獲取計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)，以點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)面調(diào)查得到的巖塊物理力學(xué)參數(shù)、巖體完整性系數(shù)為基礎(chǔ)，采用廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則[4-5]對(duì)巖塊物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減處理。計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：σ1為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；σ3為巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力；σci為組成巖體完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；mb為材料參數(shù)mi的折減值，由式(4)給出。

(4)

式中：GSI(geological strength index)為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；mi可由式(5)估算得出[6]。

(5)

式中：σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;σt為巖石的單軸抗拉強(qiáng)度。

s和a為巖體材料參數(shù)，由式(6)和式(7)給出。

(6)

(7)

式中，D為節(jié)理巖體遭受破壞和應(yīng)力松弛受擾動(dòng)程度的參數(shù)。對(duì)于未受擾動(dòng)的巖體，D=0；對(duì)于嚴(yán)重受擾動(dòng)的巖體，D=1[7]。

σ3=0時(shí)，由式(3)得到巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。

σc=σcisα

(8)

巖體的抗拉強(qiáng)度由式(9)給出(巖石力學(xué)里默認(rèn)壓為正，拉為負(fù))。

(9)

巖體的彈性模量由式(10)給出。

Em(GPa)=

(10)

根據(jù)式(11)和式(12)可以分別求得巖體的摩擦角及內(nèi)聚力。

(11)

(12)

式中，σ3n計(jì)算見式(13)。

(13)

(14)

(15)

北區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)估算時(shí)，σc、σt通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)換算得出；巖體擾動(dòng)參數(shù)D按文獻(xiàn)[5]中推薦值取0.7；巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI根據(jù)結(jié)構(gòu)面調(diào)查獲取的巖體參數(shù)Jv，參考文獻(xiàn)[8]選取。巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算所需數(shù)據(jù)見表4。

通過計(jì)算、整理，西石門鐵礦巖體力學(xué)參數(shù)匯總，見表5，其中泊松比按文獻(xiàn)[9]中的測(cè)定選取。

3 錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)確定

確定采用錨網(wǎng)噴支護(hù)措施后，應(yīng)選取合理的支護(hù)及施工參數(shù)，以取得理想的支護(hù)效果。

3.1 噴層厚度和錨桿參數(shù)選取

BARTON等[10]為了指導(dǎo)巖體支護(hù)設(shè)計(jì)，提出了Q系統(tǒng)巖體分類方法，該方法作為巖體質(zhì)量指標(biāo)的函數(shù)定義,見式(16)。

(16)

式中：RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)；Jw為裂隙水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

對(duì)于質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和Q之間的關(guān)系，HOEK等[11]對(duì)大量工程進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了GSI和Q間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系見式(17)。

(17)

在西石門鐵礦北區(qū)，掘進(jìn)掌子面有滴水，部分部位中等水流，取Jw為0.66。矽卡巖層含有黏土，礦石呈小塊狀，SRF值取5.0。按表4選取GSI值。經(jīng)計(jì)算矽卡巖和礦石的Q值分別為：Q礦=0.15、Q矽卡=0.085，巖性描述為很差和非常差。開挖安全率ESR按1.6選取，Q系統(tǒng)法推薦的支護(hù)等級(jí)為5和6[12]，如圖1所示。 即西石門鐵礦北區(qū)破碎部位推薦支護(hù)參數(shù)為：噴射鋼纖維混凝土厚度9～12 cm；錨桿長(zhǎng)度2.4 m，間距1.2～1.3 m。

表4 巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算所需數(shù)據(jù)

表5 巖體力學(xué)參數(shù)

注：CCA-澆筑混凝土拱；RRS+B-拱架+噴射混凝土+錨桿；Sfr+B-噴射鋼纖維混凝土+錨桿；B+(S)-錨桿+噴射混凝土支護(hù)；B-系統(tǒng)錨桿支護(hù)；Sb-點(diǎn)錨支護(hù)。

3.2 錨桿類型選擇

樹脂錨桿的錨固力較大，膠凝固化速度快，從而迅速、有效地產(chǎn)生錨固作用，另外其屬于端部錨固，錨固力不隨表層圍巖的剝落而降低。對(duì)于北區(qū)破碎圍巖，樹脂預(yù)錨桿比管縫式錨桿優(yōu)越。

3.3 錨桿直徑和鉆孔直徑

選擇樹脂錨桿進(jìn)行支護(hù)時(shí)，“三徑(錨桿直徑、鉆孔直徑、樹脂藥卷直徑)”應(yīng)合理匹配[13-14]，實(shí)現(xiàn)順利安裝及錨固力最佳的效果。結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)特征及影響因素，西石門鐵礦北區(qū)支護(hù)選用直徑28 mm的鉆頭，應(yīng)用直徑20 mm的左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，直徑23 mm的樹脂錨固劑。選用加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度不小于800 mm。因此選擇錨固劑的型號(hào)為K2350和Z2350，一個(gè)孔兩卷，一個(gè)中速一個(gè)快速，安裝時(shí)快速錨固劑放置在孔底。

3.4 西石門鐵礦北區(qū)錨網(wǎng)噴支護(hù)方案

根據(jù)巷道施工要求和施工方便的特點(diǎn)，特?cái)M定支護(hù)方案：混凝土厚度10 cm，強(qiáng)度等級(jí)C20，配合比1∶2∶2，摻3%～5%速凝劑。選用Ф20 mm×2 400 mm的樹脂錨桿，150 mm×150 mm×8 mm的拱型高強(qiáng)度托盤，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，全斷面布置9～10根錨桿，如圖2所示。錨桿孔直徑為Ф28 mm，采用樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度不少于800 mm。

圖2 錨桿布置形式及參數(shù)

同排錨桿用鋼筋托梁連接，托梁由在兩條直徑Ф14 mm的鋼筋之間焊接縱筋制成，鋼筋間距為60 mm。縱筋位置與錨桿安裝間距對(duì)應(yīng)，在錨桿位置左右各焊一個(gè)，間距取60 mm。托梁長(zhǎng)度在拱頂處為2 500 mm，幫部為2 000 mm。兩相鄰的鋼筋托梁搭接，利用錨桿壓緊搭接的兩根鋼筋托梁。

鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5 mm鋼筋焊接，規(guī)格為頂板網(wǎng)片2 500 mm×1 800 mm，兩幫網(wǎng)片2 000 mm×1 800 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。網(wǎng)與網(wǎng)的搭接長(zhǎng)度不少于100 mm，搭接處應(yīng)采用鐵絲綁扎，綁扎點(diǎn)間隔不超過150 mm。巷道支護(hù)緊隨掘進(jìn)掌子面，爆破出渣后頂板暴露時(shí)間不允許超過24 h。

4 支護(hù)效果

4.1 支護(hù)效果模擬研究

按照所設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)，對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，分別模擬無支護(hù)、1.4 m錨桿(礦山曾使用過1.4 m錨桿，但效果不佳)、2.4 m錨桿支護(hù)條件下塑性區(qū)分布情況，結(jié)果如圖3所示。

開挖后不采取支護(hù)措施，如圖3(a)所示，兩幫塑性區(qū)最大深度可達(dá)1.5 m，頂板最大可達(dá)1 m。這種情況下若用拱架支護(hù)，背板后將充填大量碎石。另外，巷道表面未封閉，這種圍巖剝落趨勢(shì)將繼續(xù)向深部發(fā)展，給中深孔鑿巖帶來不便。 開挖后采用1.4 m錨桿支護(hù)時(shí)，如圖3(b)所示，兩幫塑性區(qū)深度有所減少，至1.2 m，頂板塑性區(qū)最大深度減少至0.8 m，范圍仍較大。使用2.4 m錨桿支護(hù)后，雖然兩幫塑性區(qū)最大深度未進(jìn)一步減少，但范圍明顯縮小，頂板塑性區(qū)最大深度減少至0.5 m，并且影響區(qū)域縮小明顯，如圖3(c)所示。因此，考慮回采時(shí)中深孔施工，采用2.4 m長(zhǎng)的錨桿進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)更適合北區(qū)破碎圍巖的支護(hù)。

4.2 支護(hù)成本分析

錨網(wǎng)噴支護(hù)方案與拱架支護(hù)方案成本分析見表6和表7。從成本方面看，錨網(wǎng)噴支護(hù)方案較拱架支護(hù)最少可節(jié)約1 800元/m，其中拱架支護(hù)未計(jì)算修復(fù)時(shí)所需成本。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

北采區(qū)-80 m水平下盤聯(lián)巷巖性為蝕變閃長(zhǎng)巖和矽卡巖，原來一直使用直腿拱架支護(hù)。在1#穿脈掘進(jìn)時(shí)，按上述方案改為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿采用管縫錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，支護(hù)時(shí)在液壓支柱頂網(wǎng)防護(hù)下打錨桿孔。支護(hù)后巷道未出現(xiàn)頂板冒落、錨桿掉落現(xiàn)象，見圖4。

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，未受采動(dòng)壓力作用的軟破圍巖部位，使用2.4 m長(zhǎng)的錨桿進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)可以滿足穩(wěn)定性要求，在此前提下，可節(jié)省巷道支護(hù)成本1 800元/m。

5 結(jié) 論

1) 分析表明，西石門鐵礦北區(qū)無明顯地壓作用的矽卡巖和礦體中的巷道使用拱架支護(hù)存在過度支護(hù)、矽卡巖持續(xù)泥化等問題；從支護(hù)適度性和便于中深孔施工以及作業(yè)環(huán)境來看，這類圍巖初次支護(hù)應(yīng)立足于錨網(wǎng)噴支護(hù)，然后選取合理的支護(hù)參數(shù)，以取得理想的支護(hù)效果。

圖3 支護(hù)前后巷道塑性區(qū)對(duì)比

表6 錨網(wǎng)噴支護(hù)成本計(jì)算表

表7 拱架支護(hù)成本計(jì)算表

圖4 破碎圍巖錨網(wǎng)噴支護(hù)效果

2) 基于Q系統(tǒng)選取了錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)，確定西石門鐵礦矽卡巖和礦體部位支護(hù)參數(shù)為：噴射混凝土厚度9～12 cm；錨桿長(zhǎng)度2.4 m，間距1～1.2 m。

3) 經(jīng)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，西石門鐵礦北區(qū)在未受采動(dòng)壓力作用的矽卡巖和礦石圍巖部位，使用2.4 m長(zhǎng)的錨桿進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)可以滿足巷道穩(wěn)定性要求，在此前提下，可節(jié)省巷道支護(hù)成本1 800元/m，同時(shí)也說明了基于Q系統(tǒng)選取錨網(wǎng)噴支護(hù)參數(shù)的可靠性。