深部階段礦房層狀板巖上盤長錨索預支護技術及應用

摘要：隨著礦山開采往深部延伸，地壓逐漸增強，致使深部層狀板巖等復雜構造圍巖下采場地壓管理困難，導致采場生產效率無法提高等一系列深部開采難題。根據深部礦體上盤圍巖實際地質情況，結合長錨索支護理論及普氏理論，提出了一種用于礦體上盤層狀板巖預支護加固處理的長錨索支護技術，并根據現場實際情況進行了長錨索設計，如長錨索錨固力大小、錨固段長度、頂板長錨索支護參數及上盤沿礦體傾向長錨索支護參數等。該技術在新城金礦試驗采場的應用，不僅對保障深部礦房安全開采具有重要意義，而且極大地提高了礦塊的生產效率。

關鍵詞：深部開采;層狀板巖;長錨索;預支護;普氏理論;生產效率

中圖分類號：TD35????????? 文章編號：1001-1277（2021）05-0024-05

文獻標志碼：A?? doi：10.11792/hj20210505

引 言

隨著經濟的高速發展，中國對礦產資源的需求日益增大，淺部易開采礦產資源已經開采殆盡，為滿足國家可持續發展戰略，對深部礦體及復雜地帶礦體開采工作陸續展開。隨著采深不斷增加，地應力增強，圍巖松動圈逐漸變大[1]，在巷道開挖或礦體開采過程中，礦（巖）體因機械或爆破擾動變得松散、破碎，使巖層內部應力場重新分布，對于成型較差、承載能力低的巷道或圍巖較破碎、上盤出現斷層等復雜地質構造時，需進行支護處理，以保證工作面的整體穩定性，確保施工安全。

深部礦體開采時，由于地壓增大等原因，目前多采用上向水平分層充填采礦法或上向進路充填采礦法進行開采，礦塊采礦效率較低。相應的地壓管理方法也比較簡單，即通過減小采場暴露面積，采用膠結充填體充填采空區，從而有效管理地壓。

在深部礦體開采過程中，礦體上盤圍巖成為采場地壓管理的主要對象，特別是上盤圍巖為層狀板巖時，圍巖的支護工作直接影響采場的生產效率。如何既能對上盤層狀板巖進行有效支護，提高采場生產效率，又可以保證采場的穩定性及施工的安全性成為目前大多數礦山深部開采時需要探究的難題。本文通過研究實踐提出了采用長錨索支護技術對上盤層狀板巖進行預支護加固處理工藝，以保證在提高礦房生產效率的同時，對礦體上盤圍巖進行有效支護。

1 長錨索支護

長錨索支護是一種把長錨索錨固入巖層深部，將主體結構支護應力傳遞到深部，穩定巖層的主動支護方式，它可以傳遞較大的拉應力。長錨索一般是錨桿長度的3～5倍，除具有普通錨桿的懸吊作用、組合梁作用和組合拱作用外，與普通錨桿不同的是可對巷道圍巖進行深部錨固而產生較強的懸吊作用。近年來，國內外長錨索支護技術發展迅速，應用也越來越廣泛[2]，在巖土邊坡、交通隧道、礦山井巷、深坑基、壩基及結構加固等方面均有應用。在英國、澳大利亞等國家，長錨索支護技術的應用十分普遍，利用輕型錨桿鉆機即可施工。新材料、新機具的不斷出現，充實和發展了巖土錨固技術。長錨索支護技術在圍巖穩定性較差的大硐室、交叉點、斷層附近及受動力影響的巷道中應用前景比較廣闊[3-11]。

1.1 普氏理論

目前關于長錨索參數設計的理論還不是很完善，工程實踐中，普氏理論是長錨索參數設計的主要理論依據。長錨索參數設計過程中，通常會通過理論計算與工程經驗相結合的方式，確定一組適合現有工程實際，又合理有效的支護參數。

普氏理論認為，梯形、矩形采場或巷道的頂板發生冒落后，采場頂部將會形成自然平衡拱，在拱頂部分會有圍巖壓力作用在硐頂上，形成自然平衡拱的硐頂巖體只能承受壓應力，不能承受拉應力，其冒落示意圖見圖1。作用在深埋巖體硐室頂部的圍巖壓力僅為拱內巖體所受重力，在工程中為了方便，通常將硐頂的最大圍巖壓力視為均布荷載。冒落拱內巖體所受重力就是支護所要支撐的巖體壓力，認為拱內巖體重力即是作用在長錨索上的力。

為了求得硐頂的圍巖壓力，首先必須確定自然平衡拱拱軸線方程的表達式，然后求出硐頂到拱軸線的距離，以計算平衡拱內巖體所受重力。按照普氏理論計算，拋物線拱可以簡化為矩形拱，此時壓力均布，則拱頂的壓力強度為：

q=γh0（1）

頂板壓力（p0）即冒落拱所受重力計算公式為：

p0=2aγh0l（2）

式中：q為采場頂板的壓力強度（kN/m2）;l為采場的長度（m）;a為采場寬度的一半（m）;γ為礦巖的容重（kN/m3）;h0為冒落拱的高度（m）。

兩幫不穩定時：

h0=a+htan45°-φ21f（3）

兩幫穩定時：

h0=a/f（4）

式中：h為采場高度（m）;φ為巖石內摩擦角（°）;f為巖石的普氏硬度系數。

由于式（1）主要適用于淺埋情況，當埋深大于400 m后，要對普氏公式加以修正，其修正公式為：

p=Kp0（5）

式中：p為頂板壓力（kN）;p0為普氏公式計算的頂板壓力（kN）;K為修正系數。

1.2 長錨索數目計算

通常長錨索長度較長，在頂板安裝長錨索時空間較為狹小，本次設計采用鋼絞線材質的長錨索。承受空區頂部總壓力是在頂板安裝長錨索的主要目的，其安裝數目（m）計算公式為：

m=p0F0=2aγh0lF0（6）

式中：F0為單根鋼絞線抗拉荷載設計值（kN）。

在長錨索護頂設計時，鋼絞線抗拉荷載設計值是一個重要的參數，其計算公式為：

F0=Sση（7）

式中：σ為鋼絞線的設計抗拉強度（N/mm2）;S為長錨索截面面積（mm2）;η為長錨索效率（%）。

1.3 長錨索長度計算

在保證安全生產的前提下，長錨索安裝長度過長會浪費資源，增加生產成本;長錨索安裝長度過短，則會存在較大的安全風險，不利于礦山安全高效開采。根據長錨索支護結構，長錨索長度通常由3部分組成，其計算公式為：

lc=l1+l2+l3（8）

式中：lc為長錨索長度（m）;l1為長錨索錨固段長度（m）;l2為冒落拱高度和長錨索串聯分層高度之和（m）;l3為長錨索外露長度，取0.3 m。

1.4 長錨索錨固段長度計算

長錨索錨固段長度的確定通常根據2個原則：①長錨索的懸吊和組合作用，長錨索錨固段長度不得小于采場頂板最大冒落高度;②按照等強度原理，巖層與錨固劑的內聚力應大于或等于冒落拱所受重力。其計算公式為：

G0=πdl1τ（9）

式中：G0為單根長錨索分攤的冒落拱所受重力（kN）;d為鉆孔直徑（m）;τ為巖層與錨固劑的黏結強度（Pa）。

整理式（9）可得長錨索錨固段長度為：

l1=G0πdτ（10）

2 長錨索預支護設計及應用

山東黃金礦業股份有限公司新城金礦（下稱“新城金礦”）位于山東省萊州市金城鎮內，礦山主要由山東黃金礦業股份有限公司Ⅰ#和Ⅴ#礦體組成，礦體賦存于燕山晚期花崗巖與二疊系大石寨組地層的外接觸帶上，呈似層狀，平均厚度74 m，走向31°，傾向NW，平均傾角40°，根據地層順序及巖性組合分為3個巖性段：第一巖性段以中性火山噴發巖為主，下部夾有零星凝灰質板巖;第二巖性段以泥質板巖為主，夾粉砂質板巖、大理巖、變質砂巖、粉砂巖、凝灰巖;第三巖性段由泥質板巖組成，斑點板巖系選擇性蝕變而成，與上覆滿克頭鄂博組呈不整合接觸。

隨著采深增加，淺部Ⅰ#礦體厚大部分已基本回采結束，深部Ⅴ#礦體為礦山現階段主要開采對象。礦山目前主要采用上向充填采礦法開采，局部采用分段鑿巖階段充填采礦法，但受斷裂帶及地壓影響，頂板穩定性較差，尤其是階段采場頂板暴露面積大。因此，確定合理的支護方法及參數是確保新城金礦深部礦體安全開采的關鍵。

以1 m寬度范圍內的頂板圍巖為例進行受力計算。由于新城金礦的圍巖穩固性相對較好，強度較高，故選擇索體為1 860 MPa級1×7-15.24 mm鋼絞線的樹脂長錨索錨固圍巖，長錨索主體示意圖見圖2。鉆孔直徑為32 mm，長錨索托盤規格為15 cm×15 cm，托盤厚度為8 mm。

2.1 錨固力計算

根據分段鑿巖階段充填采礦法采場結構參數，計算礦體開采后冒落拱高度。空區半寬a=9 m，高度h=12 m，矽卡巖巖石普氏硬度系數f=9，巖石內摩擦角φ=50°。根據式（3）可得圍巖松動圈冒落拱高度為1.97 m。

由于巖體密度為3 100 kg/m3，則巖體容重為31 kN/m3;巖石普氏硬度系數f=9;取單位寬度內圍巖進行力學計算，即l=1 m;普氏修正系數K取1.1;根據式（2）、式（5）可得采空區冒落拱范圍內圍巖總壓力，即冒落拱所受重力為1 209.19 kN。

由于礦體傾角為70°，因此在礦體開采完成后，圍巖具有一定的自承作用，通過計算可得作用在長錨索上的總壓力（p1）為413.57 kN。

礦區采空區圍巖力學簡化模型為簡支梁模型，見圖3。

簡支梁兩端的錨固力（F1，F2）計算公式為：

F1=F2=p12（11）

經計算：F1=F2=206.79 kN。

由于頂板圍巖已被長錨索錨固，因此對采空區頂板進行彎矩計算時按固支梁來計算頂板內圍巖受彎情況。由材料力學梁的受彎理論計算空區兩巷道連接長錨索承受力，最大正應力發生在冒落拱范圍內最下端中心點處。計算公式如下：

σmax=ηMymaxIz（12）

M=ql212（13）

Iz=lbb312（14）

式中：M為彎矩，M=620.36 kN·m;Iz為軸慣性矩，Iz=0.64 m4;ymax為固支梁頂端到中性層距離（m）;lb為固支梁截面長（m）;b為固支梁截面寬（m）。

經計算：σmax=479.81 MPa。則下部底板所受拉力（F3）為：

F3=0.5σmaxA（15）

式中：A為受拉底板面積（m2）。

經計算：F3=236.31 kN。

2.2 長錨索設計

1）頂板長錨索數目計算。1 860 MPa級1×7-15.24 mm鋼絞線的設計抗拉強度1 320 MPa，取η=0.99，則鋼絞線抗拉荷載設計值由式（7）計算為237.0 kN。

經計算可得采場頂板總壓力即冒落拱所受重力為413.57 kN。由式（6）可得采場頂板共需要安裝的長錨索根數為1.39，取2根。

2）頂板長錨索長度計算。長錨索承受的設計荷載即是每根長錨索所承受的冒落拱所受重力，由式（9）可得每根長錨索分攤的冒落拱所受重力為165.43 kN。

根據礦區礦（巖）體情況并參考GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術規范》，由式（10）可得長錨索錨固段長度l1=1.65 m，取l1=1.7 m。

根據式（8）可得長錨索設計長度lc=13.2 m，取lc=14 m。

3）沿傾向長錨索數目計算。空區傾向方向總壓力為236.31 kN，根據式（6）可得空區傾向方向共需要安裝的長錨索根數為0.99，取1根。

長錨索承受的設計荷載即是每根長錨索承受的冒落拱所受重力，由式（9）可得每根長錨索分攤的冒落拱所受重力G0=232.31 kN。

4）沿傾向長錨索錨固方案。傾向長錨索錨固端需要進行固定。現有2種端部錨固方案：①采用單根長錨索錨固;②采用多根錨桿錨固。采用單根長錨索連接，長錨索長度較大，造成材料浪費，施工工藝較為復雜;采用多根錨桿支護，不僅可以實現材料的節省，且施工便利，同時由于傾向長錨索受力較大，可以通過增加錨桿數量來減少錨桿承受的拉力，安全性更高。因此，在該方案中選擇多根錨桿對傾向長錨索端部進行固定，選取的錨桿數量為3根。

根據礦區礦（巖）體質量情況并參考GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術規范》，長錨索端頭采用3根注漿式錨桿連接，錨桿長度1.8 m，采用公稱直徑為18 mm的HRB335螺紋鋼，由此可計算單根錨桿錨固段長度l1=0.77 m，取l1=0.8 m。

錨桿錨固力（F4）驗算可由下式進行：

F4=3Sσ（16）

經計算：F4=243 kN>236.31 kN，滿足要求。

2.3 參數確定

1）頂板長錨索。長錨索數量為2根，長度為14 m，間排距1 m，長錨索錨固長度1.7 m。

2）傾向長錨索。長錨索數量為1根，長度為18 m，間排距1 m。長錨索連接端采用3根長1.8 m、直徑18 mm的HRB335螺紋鋼樹脂錨桿連接，錨桿錨固長度0.8 m，長錨索托盤規格10 cm×10 cm，托盤厚度6 mm。

2.4 工藝流程

該支護工藝已應用于新城金礦，主要工藝流程如下：

1）錨孔設計。在安裝長錨索預支護裝置時，采用MQT-130/2.8氣動錨桿鉆機在采場頂板內鉆鑿孔深14 m的垂直上向中深孔，若有特殊情況，如遇三角節理、人行通風天井等，鉆孔傾角可適當調整，鉆孔允許偏差為±50 mm。采場頂板穩固的情況下，鉆孔網度為1.0 m×2.0 m;如遇不穩固采場，根據頂板實際情況，還可適當加密，長錨索支護采用交錯梅花布置。

2）錨孔檢查。中深孔鉆鑿完成安裝預支護裝置前，測量技術人員應檢查孔位、孔徑、孔深及布置形式，孔內積水、石屑及巖粉是否吹洗干凈，并做好驗收記錄，達不到設計要求的孔要返工處理，直至達到設計要求。

3）安裝樹脂錨固劑。按“作業規程”規定的規格、順序將樹脂錨固劑送入錨索孔，用長錨索將錨固劑緩慢推至孔底。

4）攪拌錨固劑。將鉆機與錨桿連接、開動鉆機，邊攪拌邊將錨桿推進至孔底，然后繼續攪拌。攪拌時間和等待時間按照規范執行。

5）緊固長錨索。等待時間過后，開動鉆機、上緊螺母，使托盤貼緊巖面，長錨索達到規定預緊力。

3 結 論

1）結合礦區圍巖實際情況，確定采用索體為1 860 MPa級1×7-15.24 mm鋼絞線，托盤規格為15 cm×15 cm，托盤厚度為8 mm的樹脂長錨索錨固圍巖。

2）以分段鑿巖階段充填采礦法采場結構參數為參考依據，根據計算出的開采后冒落拱高度及采空區寬度確定了詳細的支護參數。

3）實踐證明：長錨索支護在新城金礦上盤層狀板巖預支護的應用十分有效，長錨索支護施工較簡單，錨固深度及區域大，可將礦體上盤不穩固的巖層錨固在上部穩定的巖層中，安全性能良好，與頂板形成的“組合梁”結構大大提高了頂板的整體穩定性。

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Long bolt cable pre-support of the upper wall of layered slate

in deep stage ore rooms and its application

Liu Zaitao

（Sanshandao Gold Mine of Shandong Gold Mining （Laizhou） Co.，Ltd.）

Abstract：With the extension of mining to the deep，the ground pressure increases gradually，which makes it difficult to manage the stope ground pressure under the complex structural surrounding rocks such as deep layered slate and results in a series of problems in deep mining，for example，the production efficiency of stope can not be improved.According to the actual geological conditions of the surrounding rock in the upper wall of the deep ore body，based on the long bolt cable support theory and Platts theory，a long bolt cable support technology is put forward for the pre-support and reinforcement of the layered slate on the upper wall of the ore body.The long bolt cable is designed according to the actual situation，such as the bolting force of the long bolt cable，the length of the bolting section，the support para-meters of the long bolt cable on roof and the support parameters of the long bolt cable along ore body inclination on upper wall and so on.The application of the technology in the test stope of the mining area not only is of great significance in ensuring the safe mining of the deep ore room，but also greatly improves the production efficiency of the ore block.

Keywords：deep mining;layered slate;long bolt cable;pre-support;Platts theory;production efficiency

收稿日期：2020-11-16; 修回日期：2021-03-15

基金項目：國家自然科學基金面上項目（51974043）

作者簡介：劉再濤（1969—），男，山東萊州人，高級工程師，從事金屬礦山采礦技術研究及管理工作;山東省萊州市三山島街道三山島村，山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦，261442;E-mail：liuzaitao@sd-gold.com