緩傾斜中厚礦體頂板安全管理研究

劉敏

(北京博鼎誠工程設計有限公司涿州分公司， 河北 涿州市 072750)

0 引言

湖北宜昌地區的礦山對以緩傾斜薄至中厚礦體一般采用房柱法、全面法等空場法進行地下開采[1]，隨著礦山開采深度逐步加深，其采場頂板的穩定性是急需解決的主要問題。

宜昌某磷礦Ph22礦層的頂板穩定性較差，尤其是遇斷層破碎帶時更易出現塌頂事件，必須予以高度重視并采取有效的頂板管理措施。在保證回采作業安全的前提下，提出頂板巖體分級管理制度，針對不同級別的采場頂板采用不同的支護方式。

1 開采技術條件

該磷礦自上而下依次賦存 Ph22、Ph21及 Ph133個磷礦層，其中Ph22為本礦段主要工業磷礦層，其平均厚度為9.32 m，礦體傾角為4°～10°，屬緩傾斜薄至中厚礦體。

本礦段的水文地質邊界條件較復雜，屬無限補給的邊界類型。工業磷礦層頂板圍巖以堅硬～半堅硬碳酸鹽巖為主，直接頂板為層狀夾薄層狀泥質云巖和云質泥巖，其中較軟或相對軟弱結構面發育，屬于穩定性較差圍巖。

礦山于 2011年開工建設，經建設施工揭露，發現礦段內工程地質、水文地質條件復雜，礦巖結構及穩固性較差，斷裂構造復雜且控制程度較低，坑內涌水量大。

2 采場頂板安全管理

2.1 采場頂板穩定性分級

影響礦巖穩定性的因素不僅多而且較復雜，大部分參數不能被準確的量化。在回采過程中，根據實際揭露后的巖體結構類型、地質構造、結構面特征和破碎程度，參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086—2015）、《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB 12719—91）中關于巖體分級的規定，將該礦段頂板巖體穩固性分為3個級別[2]，見表1。

在回采前加強探礦工作，明確頂板軟硬、穩固程度、地質構造和破碎程度、頂板的透水情況等地質條件，對巖體完整性指標進行預估。參照頂板巖體級別分類表，將揭露的頂板巖體劃分等級，按照頂板安全管理制度采取相應的支護方式。

2.2 頂板支護方式

通過理論計算，并參照類似礦山采場頂板支護方式及其支護參數，推薦采場頂板的主要支護方式為錨桿+長錨索聯合支護。針對穩定性較差的頂板，采用鋼筋網+噴射混凝土配合錨桿、錨索聯合支護。根據頂板巖體分級，不同級別的頂板采用不同的支護參數[3]。

2.3 支護方式及支護參數的確定

2.3.1 錨索支護參數設計

根據普氏理論及秦氏公式，上覆巖層壓力按公式（1）計算。

表1 頂板巖體的分級

式中，P為上覆巖層壓力，kN；a為采場寬度的二分之一，m；b為坍落拱的高度，m；γ為上覆巖層的體積密度，kN/m3；L為采場長度，m；h為采場高度，m；φ為巖石的內摩擦角，°；f為普氏堅固性系數。

錨索設計承載力Nt、錨索錨固力Nm分別按式（3）、式（4）計算。

式中，Nt為錨索設計承載力，N；Nm為錨索錨固力，N；m為錨索張拉應力控制系數；n為鋼絞線根數；S為單根鋼絞線參考截面面積，mm2；Rm為鋼絞線抗拉強度，MPa。

應用懸吊理論，按式（5）計算錨索支護數量。

式中，n為錨索數量，根；P為采場內錨索應承受總壓力，kN；Ns為預應力錨索鎖定后的預應力值，kN。預應力錨索鎖定后的預應力值不應小于設計值的90%。

預應力錨索主要包括內錨固段、張拉段、外錨頭3部分，錨索長度按式（6）確定：

其中內錨固段長度按式（7）確定：

式中，L1為內錨固段長度，m；γ0為結構的重要性系數，0.9；ψ為設計狀況系數，0.95；γd為結構系數，1.3；γc為黏結強度分項系數，1.2；γp為單根預應力錨索張拉力分項系數，1.15；Pm為單根預應力錨索超張拉力，kN；D為錨索孔直徑，mm；c為膠結材料與孔壁的黏結強度，MPa，取 1.2～0.8；L2為自由端長度，按被錨固圍巖的厚度計算，m；L3為外錨頭長度，m，取0.75～1.0。

2.3.2 支護參數確定

施工前首先要探明礦層直接頂板內泥質泥晶白云巖厚度及位置，根據軟弱層的厚度，調整錨桿及錨索網度；根據軟弱層的賦存深度，調整錨桿長度，保證錨桿能夠穿過軟弱層并有足夠的錨固長度。錨桿的錨固深度應深淺不一，類似鋸齒狀，避免錨桿端部形成應力集中。

針對不同的頂板分級采取相應的支護方式和支護參數，見表2。

3 數值模擬驗證

運用數值模擬軟件對采場頂板錨桿、錨索支護進行了模擬分析，通過比較頂板的沉降量可看出，采場頂板錨桿、錨索支護效果明顯，能有效地提高頂板穩定性[6-7]。

頂板最大沉降量出現在采場頂板中部，頂板未支護時最大沉降量達到 3.52 cm，采用短錨桿、長錨索聯合支護后，采場頂板沉降量明顯減小，最大沉降量減小為 1.95 cm，而且頂板巖層受開采擾動的范圍明顯縮小，頂板穩定性得到有效提高。采場頂板未出現明顯的破壞。

頂板在支護與不支護情況下，頂板各監測點頂板沉降量見表3。

4 結語

采用頂板分級管理制度，針對采場頂板穩定性的差異采用相應的支護方式和支護參數，頂板位移減少30%，圍巖收斂率降低，有效解決了采場冒落和坍塌問題，提高了工人作業安全性；礦石損失率減少11%，貧化率降低20%，采場支護成本降低7%，既節約支護成本又達到理想的支護效果，提高了礦山經濟效益。

表2 頂板支護參數

表3 支護與不支護情況下頂的板沉降量