塹溝底部結構復合支護技術

徐大智

(中核北方鈾業有限公司， 遼寧 葫蘆島市 125100)

0 引言

某金屬礦山礦巖破碎，采用塹溝底部結構出礦，當遇到斷層及靠近斷層的軟弱巖層時，巷道存在冒頂、片幫現象。施工中未采取任何支護措施，在塹溝底部結構爆破過程中，受到爆破震動的影響原本不穩固的出礦進路出現垮塌、冒落等現象。在上盤深孔爆破時，爆破震動和崩落礦石的沖擊對裝礦進路的穩定性影響更大，進而破壞裝礦進路眉線，減少裝礦進路的長度，甚至導致裝礦進路報廢而無法使用，造成礦石的損失，嚴重時還會影響礦山的生產安全。因此，須對塹溝底部結構采取及時有效的支護措施。

1 復合支護原理

適合礦區塹溝底部結構支護方案有噴射混凝土支護、管縫錨桿支護、水泥卷錨桿支護、U型鋼拱架聯合支護，其具體的支護作用如下。

（1）在巖壁上的噴射混凝土填充圍巖節理、裂隙，使得不連續的巖層緊密膠結在一起，增加摩擦阻力，防止巖石弱面位移，使得各巖層整體穩定性好。此外，噴射混凝土的黏結作用和抗剪切作用，使得巖層黏合在一起，并且與圍巖形成統一受力結構，混凝土噴層的受力情況得到很大的改善。圍巖變形可以通過噴層來控制，在噴層的作用下，圍巖變形較大時仍不會坍塌，提高了圍巖的自承載作用。從防止圍巖風化的角度，噴射混凝土可以快速地使暴露圍巖形成封閉環，減少圍巖風化。

（2）管縫式錨桿是將不穩定巖塊懸吊在穩定巖體上，或者將應力降低區內的不穩定圍巖懸吊在應力降低區以外的穩定巖體上。在側壁則用錨桿阻止巖塊滑動。管縫式錨桿見效快，對巖層表面的加固能力強。

（3）水泥卷錨桿是在破壞區形成次生承載層，將深部巖層與外部巖層的應力趨于平均，金屬網可以很好地將破碎頂板兜住，并且和雙筋拱形成整體起到組合梁的作用，兩幫形成的支撐點可以使錨桿的受力更加均衡，起巖層縱深阻斷作用，從而達到卸壓的效果，防止次生承載層失穩，引起頂板垮落，提高圍巖與支護結構的整體承載性。

（4）在破碎、特別松軟巖層的巖石條件下，采用錨桿網噴支護效果不理想時，根據圍巖的變形情況，采用分階段復合支護手段，首先采取錨網噴作為初期臨時支護，噴射混凝土及時封閉圍巖，防止巖石風化、遇水軟化等現象，做到及時支護，并且提供一定的初期錨固力和黏結力，使得破碎、特別松軟圍巖巷道初期變形盡可能小，待巷道圍巖變形基本趨于穩定后，再及時進行二次支護，支護手段為U型鋼拱架，與錨、網、噴作初期支護形成整體支護系統，抵抗第2階段的圍巖變形應力。

2 支護技術方案

針對礦巖穩固條件，根據實踐論證和經驗選擇以下3種支護方式進行支護。

2.1 水泥卷錨桿噴錨網支護

塹溝部結構出礦進路的支護形式采用水泥卷錨桿噴錨網支護。主要工藝步驟如下：在比較破碎的地方盡快采用素噴混凝土進行封閉，阻止破壞進一步發展，在素噴凝固后采用水泥砂漿錨桿支護，支護網度1m×1m；水泥卷錨桿養護24 h后掛金屬網，再進行噴射混凝土支護，支護厚度為50mm。水泥卷錨桿材質為螺紋鋼，尺寸為Φ16mm，金屬網為8碼絲編織網，網格大小為100mm×100mm。

水泥卷錨桿施工方法：待素噴混凝土完全凝固后，采用鉆孔孔徑為38mm～40mm的潛孔鉆機進行施工，打孔完成后，再及時將處理過的水泥卷塞進巖石孔內，接下來將端部帶有螺母、墊片、墊板、彈簧墊片的錨桿插入孔中，最后待水泥卷經過24 h養護后將螺母擰緊。在支護之前應先進行撬毛，并清洗巷道壁。水泥卷錨桿噴錨網支護設計見圖1。

2.2 水泥卷、管縫錨桿聯合支護

水泥、管縫錨桿聯合支護方式主要用于出礦穿脈的支護。施工工藝步驟如下：在巖石破碎的地方快速素噴混凝土進行封閉，待素噴混凝土完全凝固后，采用鉆孔孔徑為38mm～40mm的潛孔鉆機進行施工，錨桿孔打孔密度為1m×1m；然后采用網度為2m×2m的管縫式錨桿將金屬網和鋼帶固定在巖面上；水泥卷裝藥密度為2m×2m；待水泥卷經過24 h養護后將螺母擰緊；噴射混凝土為C20混凝土，噴層厚度為50mm。水泥卷錨桿桿體為Φ18mm螺紋鋼，金屬網為網度100mm×100mm的8碼絲編織網。水泥卷、管縫錨桿聯合支護設計見圖2。

圖1 水泥錨桿噴錨網支護設計

圖2 水泥卷、管縫錨桿聯合支護設計

2.3 U型鋼拱架與噴錨網聯合支護方案

U型鋼拱架與噴錨網聯合支護方案主要用于出礦穿脈與裝礦進路中不穩固礦巖、構造較發育的地段。主要工藝如下：首先初噴漿厚度20mm～30mm混凝土，頂板噴漿厚度可適當增加；然后安裝水泥卷預應力錨桿與金屬網，錨桿網度為1.0m×1.0m，金屬網為直徑6mm的金屬絲編織而成，網孔尺寸為50mm×50mm，規格為1.0m×2.0m，金屬網搭接寬度100mm，輔助使用10#鐵絲捆扎，3個網孔連接兩扣；再架設U型鋼拱架，U型鋼支架采用20#U型鋼加工，一弧拱兩腿3節組合而成，采用角鋼與螺栓連接。U型棚架支護見圖3。支架與金屬網之間用坑木背實、背牢。卡纜螺栓非常緊固牢靠，柱腳立在木鞋或實底上。兩架鋼拱架之間的距離為0.8m～1.0m，相鄰鋼架之間通過焊接Φ18mm的螺紋鋼進行連接，鋼拱架接縫在垂直面上應錯開20 cm以上，U型鋼棚的連接應采用錯縫連接。相鄰U型鋼拱架連接見圖4。最后再復噴60mm～70mm混凝土。必要時，對巷道頂板適當增加噴漿厚度。噴漿層與金屬網的聯合作用，使碎裂的圍巖相互黏結，形成整體，阻止碎裂巖塊移動與冒落。使得錨桿、金屬網、鋼帶等與U型鋼形成受力整體，提高承載能力，從而保證巷道的使用安全。

圖3 U型棚架支護

圖4 相鄰U型鋼棚連接

3 現場試驗及效果

在該礦山某礦塊分別開展了管縫錨桿與噴網支護、水泥卷錨桿與噴網支護、U型鋼拱架與噴錨網聯合支護技術現場試驗，試驗礦塊塹溝底部結構布置在下一中段，自下盤YD3每隔10m分別施工出礦穿脈和拉底巷道，從出礦穿脈開始向拉底巷道掘進出礦進路，拉底巷道底板高出出礦穿脈1m。下盤底部結構共布置3條拉底巷道，3條出礦穿脈，每隔4m～6m布置裝礦進路。自CD11N離上盤礦體邊界15m～20m布置上盤脈外巷，每隔10m分別施工出礦穿脈和拉底巷道，出礦穿脈和拉底巷道均與空區貫通，上盤底部結構共布置3條拉底巷道，4條出礦穿脈，每隔4m～5m布置裝礦進路。支護材料單價及塹溝底部結構復合支護方案成本見表1和表2。相關支護效果見圖5～圖7。

表1 支護材料單價

表2 塹溝底部結構復合支護方案成本表

圖5 管縫錨桿與噴網支護效果

圖6 水泥卷錨桿與噴網支護效果

圖7 U型鋼拱架與噴錨網聯合支護效果

4 結論

某金屬礦山礦巖破碎，采用塹溝底部結構出礦，塹溝底部結構部分巷道礦巖較破碎，遇到斷層及靠近斷層的軟弱巖層時，巷道存在冒頂、片幫現象。施工中未采取任何支護措施，在塹溝底部結構爆破過程中，受到爆破震動的影響，出礦進路可能出現垮塌、冒落等現象。因此，根據礦山實際提出了3種復合支護技術：水泥卷錨桿噴錨網復合支護技術，水泥卷管縫錨桿復合支護技術及U型鋼拱架噴錨網復合支護技術，最大限度地發揮巖體的自承載作用；在裝礦巷中采用素噴封閉+雙筋拱噴錨網復合支護技術，使底部結構整體穩定性大大加強，為礦山安全穩定開采奠定了基礎。