錨索在大直徑深孔采礦法采場頂板加固中應用

許愛榮(新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司,新疆維吾爾自治區(qū) 哈巴河縣836700)

1 前言

阿舍勒銅礦地下采礦主要以大直徑深孔空場嗣后充填采礦法和中深孔分段空場嗣后充填采礦法為主。17 線礦體是礦山一期開采后期新增的可觀資源,但該礦走向長度短,采場布置極其有限,原有的大孔采場結構參數(shù)采切工程量大,準備周期長,采場布置困難。隨著二期生產(chǎn)接替的臨近,一期主開采區(qū)域資源基本回采殆盡,同時一期各采區(qū)生產(chǎn)能力將逐步下降,面對日益艱難的生產(chǎn)條件,新增17 線礦體的能否高效開采,成了穩(wěn)定生產(chǎn)及完成后期生產(chǎn)任務的關鍵因素。因此,急需一種適用于當前條件的采礦方法,而高階段大直徑深孔可以在提高采場生產(chǎn)能力與采礦作業(yè)效率的同時極大提高了采礦作業(yè)的安全性。

1975 年加拿大國際鎳公司Levack 礦首次采用大直徑深孔VCR 采礦方法成功進行了礦塊回采[1]。隨后,經(jīng)過30 多年的推廣,在國內(nèi)凡口鉛鋅礦、礦銅陵獅子山銅礦、鳳凰山銅礦等金屬礦山也得到了大量成功使用[2-5]。但是受地質(zhì)采礦條件影響,大直徑深孔采礦技術支護方式仍處在探索階段,近幾年錨索加固支護逐漸被認可并大量應用。鄒賢季[6]等通過使用廢棄豎井鋼絲,在優(yōu)化黏貼樹脂級配后對頂板進行支護,效果較好。郭利杰[7]運用數(shù)值模擬試驗了錨索加固對大直徑深孔采礦采場頂板的支護效果,結果表明錨索加固能夠得到較為理想結果。盡管有試驗結果表明,使用錨索對頂板進行加固能夠取得預期效果,但支護參數(shù)選擇、支護組合形式等關鍵技術仍未攻克,本文就此開展深入研究,以期為相似條件礦山提供可靠科學指導。

2 圍巖巖層特征及潛在冒落形式

2.1 采場巖層特征

本次試驗采場主要分布在500 ～600 m 中段,段高100 m。以500 m 中段1303#采場為例分析得到采場巖層主要特征如下。

(1)上盤似層狀巖層,存在潛在冒落風險。上盤巖層為黃鐵礦,巖層厚度為3 ～6 m,巖層厚度較薄。上盤巖層與凝灰?guī)r接觸,凝灰?guī)r巖體質(zhì)量為Ⅳ級,巖體較差。在結構面上的抗剪切強度值較低,且在垂直成層方向上,抗拉伸強度值近似等于零。采場頂板的暴露空間往往過大,似層狀頂板巖層就極易因應力集中而脫離上覆巖層,導致頂板發(fā)生彎曲變形、斷裂甚至冒落。

(2)礦體變化大,局部下盤變上盤。凝灰?guī)r為礦體的下盤圍巖,該巖組內(nèi)節(jié)理、裂隙較發(fā)育,整體穩(wěn)定性較差,遇水容易軟化、泥化、崩解、膨脹。

2.2 潛在冒落形式

當回采空間形成后,原巖應力平衡被打破,似層狀頂板巖層會出現(xiàn)明顯的彎曲、下沉帶,在采場中間位置出現(xiàn)拉應力集中。由于巖石的抗拉強度一般較低,在采場中間位置易出現(xiàn)拉伸破碎,形成裂縫,裂縫擴展貫通造成采場中部似層狀頂板大面積冒落,若某一分層的似層狀頂板中部結構破壞,則對該層似層狀頂板的整體性都會有嚴重影響,容易導致似層狀頂板,似層狀頂板冒落如圖1所示,從中部向兩側,從下往上冒落形式,其形成的冒落區(qū)域內(nèi)再進行二次支護就較為困難。

圖1 似層狀頂板冒落形式示意圖

3 錨索加固支護方案設計

3.1 設計原則

根據(jù)阿舍勒銅礦相關研究報告,大直徑深孔采場在采場寬度12 m 不變的情況下,當段高為100 m時,采場最大長度應不超過40 m。同時依據(jù)礦體賦存條件及采場特點,采用大直徑深孔采礦方法時對頂板及上、下盤圍巖支護。使用錨索對頂板進行加固支護時設計應遵循以下方案。

1)錨索網(wǎng)聯(lián)合協(xié)同支護

針對采場回采過程中,采場上盤似層狀巖層存在潛在的冒落,通過長錨索預控,對似層狀巖層潛在冒落進行提前加固,保持巖層的穩(wěn)定,實現(xiàn)錨索網(wǎng)協(xié)同支護,達到控制圍巖變形和巖層控制的目的。

2)多維度長錨索預控支護

預應力長錨索支護方式可以改變似層狀頂板支護安全性結構,提高該類型頂板支護結構的整體性和承載能力,起到預控頂作用。錨索設計依據(jù)所在中段不同和圍巖條件不同,分別設置上向和下向長錨索,實現(xiàn)多維度支護,從三維立體角度改善巖層應力狀態(tài),提高其自承載能力,以達到控制頂板、圍巖變形的目的。要求是長錨索的長度應大于頂板冒落最大高度。

3.2 支護參數(shù)設計

1)錨索長度

錨索長度為

式中:L——錨索總長度,m;

La——錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度,取值1.5 m;

Lb——需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度,m;

Lc——上托板及錨具的厚度(一般≥0.1 m),m;

Ld——需要外露的張拉長度(一般≥0.2 m),m。

上盤黃鐵礦巖層厚度為36 m,從鑿巖硐室進行下向支護,斜長約8～10 m,因此錨索長度為10～12 m,具體長度應根據(jù)巖層厚度和錨索位置確定。

2)錨索布置

為獲得最佳懸吊效果,錨索以垂直巷道頂板巖層層面安裝最為有利,同時垂直布置也便于施工操作。根據(jù)現(xiàn)場前期錨索施工經(jīng)驗,錨索的間距和排距為2 m。

3)錨索鉆孔直徑

鉆孔直徑不僅與錨索的直徑有關,還應考慮排氣管、注漿管的直徑,以滿足三者的要求。根據(jù)經(jīng)驗,鉆孔的直徑一般為錨索直徑的2 ～3 倍。

4 工程實踐

4.1 采場試驗

1)500m 中段長錨索設計

500 m 中段是該采場的底部結構,設計有共設計有2 對即4 條出礦進路。本階段的長錨索均為上向扇形長錨索。其主視圖如圖2所示。

圖2 500 m 中段1303#采場長錨索主視圖

2)550m 中段長錨索設計

550 m 中段為該采場的中間段,不但要保證頂板安全而設置長錨索孔,還需要保證底板安全而設置下向長錨索,長錨索主視圖如圖3所示。

圖3 550 m 中段1303#采場長錨索主視圖

3)600m 中段長錨索設計

600 m 中段為回采的第二分層,既要控制頂板安全,也要控制底板安全,所以需要設置上向/下向長錨索。600 m 中段長錨索孔主視圖如圖4所示。

圖4 600 m 中段1303#采場長錨索主視圖

4.2 應用效果

1)采場控制效果

通過長錨索頂板預控制技術,提前加固了采場頂板,對似層狀巖層可能冒落區(qū)域進行了提前加固,巖層穩(wěn)定性大大提高。同時通過設置上、下向預應力長錨索,從多維度使巖層應力狀態(tài)得到了改善,使支護結構性得到了提高,增強了其自承載能力,達到了控制頂板、圍巖發(fā)生大變形的目的。

2)支護經(jīng)濟效益

通過長錨索支護控制頂板,減少了一個分層中深孔爆破,減少采礦成本約2.9 萬元。同時避免了在殘礦堆中掘進,提高掘進作業(yè)安全性,減少了工字鋼和超前桿支護,減少支護成本22.5 萬元。減少采場準備周期,減少采準工程80 m,減少掘進費用約為95.4 萬元。

5 結論

(1)通過現(xiàn)場調(diào)研對分布在500 ～600 m 中段的采場圍巖巖層特征及潛在冒落形式進行了研究分析,發(fā)現(xiàn)存在兩種潛在風險:一是上盤似層狀巖層與凝灰?guī)r接觸,而凝灰?guī)r較為破碎,存在潛在冒落風險;另一種是礦體變化大,局部存在下盤變上盤,而下盤多為凝灰?guī)r,遇水易膨脹,形成破碎頂板,產(chǎn)生冒落危險。由于頂板跨度變大,頂板向下彎曲,在拉應力影響下逐漸發(fā)生冒落,會出現(xiàn)從中部向兩側,從下往上的冒落形式。

(2)通過對圍巖巖層特征及潛在冒落形式的分析,確定了錨索支護設計形式,核心內(nèi)容是錨索網(wǎng)聯(lián)合協(xié)同支護與多維度長錨索預控支護。根據(jù)支護形式依據(jù)經(jīng)驗公式計算得到錨索支護參數(shù),主要參數(shù)為錨索長度為10 ～12 m,錨索的間距和排距為2 m,鉆孔的直徑一般為錨索直徑的2 ～3 倍。

(3)在500 ～600 m 中段進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗,在500 m 中段設計了上向扇形長錨索布置,在550 m、600 m 中段為保證頂、底板安全設計了上、下向扇形長錨索布置。通過應用表明使用長錨索對頂板進行加固,不僅能夠使采場頂板得到控制,同時大大增加了支護經(jīng)濟效益。