錨網噴漿聯合支護技術在太白金礦板巖巷道中的應用

白朝陽 賈西鋒 白 偉 白向陽

（1.陜西太白黃金礦業有限責任公司；2.蕪湖和成礦業發展有限公司；3.陜西五洲礦業股份有限公司）

井巷工程支護技術是地下礦山井巷施工與安全回采的一項核心技術，安全、有效的井巷支護是保證地下礦山高效產出的前提條件。井巷工程支護技術經歷了從單一型支護到多種技術聯合支護的發展過程。最早支護多以木材作為井巷工程及回采工作面的預支護材料，隨著支護材料和技術的提升，逐步采用錨網、混凝土、鋼筋混凝土等支護形式，木材支護材料耗費大且受圍巖條件影響，支護效果有限。隨著礦山開采深度的加大，地質條件惡化，破碎巖體增多，地應力增大，為了進一步提升井巷工程的安全性和穩定性，行業中出現了多種支護理論及支護方式。

本研究通過對太白金礦板巖型巷道圍巖進行力學分析，闡述了錨網噴漿聯合支護技術在板巖巷道中的施工工藝，并通過對比不同支護方式，證明錨網噴漿聯合支護技術具有較為理想的支護效果，可以實現較好的經濟效益。

1 支護理論國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

20世紀初期，以海姆（A.Haim）和朗金（W J M Rankine）為主要代表人物，用古典材料力學和結構力學來分析研究巷道支護問題［1］。他們認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態，巖石工程上的垂直應力和水平應力均等于單位面積上覆巖層重力，開挖后自然形成坍落拱，支架上的壓力等于坍落拱內巖石的重力。

20世紀50年代，芬納（R.Fenner）和塔羅勃（J Talobre）將彈塑性力學方法引入巷道支護研究中，并應用連續介質理論推導了著名的R Fenner-J Talobre公式［2］。奧地利專家臘布希維茨（L V Rabcewicz）總結前人的經驗，提出一種新的隧道施工方法，即新奧法［3］，核心是利用圍巖的自承作用來支撐隧道，使圍巖成為支護結構的一部分而與支護體共同形成支撐環，提出了“研究工程圍巖的穩定性必須了解原巖應力和開挖后圍巖的自承作用強度變化”及“節理裂隙對巖石工程穩定性的影響較大”等觀點。

20世紀70年代薩拉蒙（M.D.Salamon）提出能量支護理論［4］，認為支護結構與圍巖相互作用、共同變形，在變形過程中，圍巖釋放一部分能量，支護結構吸收一部分能量，但總能量沒有變化。

1.2 國內研究現狀

國內對巷道支護理論研究較晚，但研究成果比較顯著，尤其是煤炭系統對支護的研究，已由過去單一的支護形式，逐步發展為各種多次支護、聯合支護形式，主要以“圍巖松動圈理論”和“聯合支護理論”為主。

2 影響板巖巷道的穩定性因素

2.1 巖性因素

太白金礦賦礦圍巖板巖由泥巖或者粉砂巖等經過區域淺變質作用形成，巖性致密，板狀劈理發育，巖層層理明顯，但巖層間褶曲變形量較小。巖性因素是影響板巖巷道安全的根本原因。板巖巷道圍巖塑性變形與巖石的應力—應變全過程密切相關。巷道在受到擠壓并破壞的過程中，圍巖通常會相繼出現3種過度變形和狀態［5］（圖1，圖2）:彈性范圍和彈性狀態（OA段）、塑性范圍和塑形狀態（AB）、裂隙范圍和裂隙狀態（BC）。

2.2 時間因素

板巖巷道變形程度與時間關系密切，時間越久變形程度越大。巷道在開挖后，形變過程可以分為3個階段［6］:初始形變、等速形變和加速形變。初始階段在壓力和時間的作用下，巷道圍巖以極小的速度發生塑性變形，并逐漸穩定下來，速度趨零。在等速階段，巷道圍巖開始出現裂隙，并逐漸轉換為加速階段。加速階段末期，圍巖最終破壞失穩。因此支護板巖型巷道首先要確定板巖巷道的變形階段，然后采取相應措施防止發展到加速階段。

2.3 工程布置因素

工程布置因素主要包括①工程所在的方位，例如是否靠近采空區、處于構造薄弱帶等；②斷面面積和開挖方法、支護形式及時間等因素。

3 錨網噴漿聯合支護技術工藝

太白金礦的容礦巖石為鈉質構造角礫巖，圍巖為層狀鈉質板巖，板巖內沉積構造較為發育，多見水平層理、斜層理等，破碎帶不發育。開拓系統多在板巖之中。因板巖的性質，及受構造影響，圍巖在開挖后形成的斷面較為松散，但一般不出現大面積片幫、冒頂等事故，主要是松散浮石。若采用常規支護耗材大，費工也費時，后續維護頻繁。

錨網噴漿聯合支護技術可以控制巷道變形和防止裂隙化圈層內的浮石掉落，首先使用錨桿固定巖石，然后通過掛網使整個錨網與巖壁成為整體，達到初次支護，再對巷道進行噴漿，進而錨網漿與破碎巷道成為整體，從而使破碎巖壁平整均勻，增強抗彎抗剪切能力。

3.1 錨網時間確定

板巖巷道在按照設計要求完成施工后不宜立即進行掛錨噴漿，應擱置一斷時間再進行。因為掘進后形成的新斷面破壞了原巖石受力結構，應力需要重新分配，必須等待一段時間才能繼續施工，但又不能超過等速變形階段，因此確定繼續施工時間很重要。大量工程實踐證明，采用下列計算公式較為合理［7］。

其中，［U］為巷道變形允許的極限位移，mm；U'為巷道最終位移值，mm。

3.2 錨網施工

打錨桿是錨網噴漿聯合支護技術的第一道工序，其只對錨固范圍內的巖石提供徑向壓力，延伸范圍在裂隙和部分塑形范圍內（圖2）。打上錨桿后，巷道圍巖將被錨固并重新回到初始的彈性狀態。

在施工中要注意錨桿眼深度應與錨桿長度基本一致，并且嚴格按錨桿長度打眼。為方便快捷打眼時先用短釬桿打眼，再換用長釬，由外向里先頂后幫、先中間后兩邊的順序依次進行［8］。然后用高壓水沖洗鉆孔，其次安裝單向左旋螺紋鋼錨桿和掛金屬網，并套上托盤和螺母，把錨桿機和錨桿鏈接并攪動至孔底。錨桿的間排距約為80 mm×80 mm，呈菱形分布。金屬網規格為60 mm×20 mm，網格為50 mm×65 mm，在其交匯接茬處互相摻入不小于150 mm。最后用扳手或者其他工具擰緊螺母，錨桿掛網安裝完成，此時錨桿開始發揮作用。

3.3 錨固強度計算

假設每根錨桿的錨固力為Q，錨桿長為L，每米巷道使用M根錨桿，斷面基本呈方形，可近似看作圓［9］。那么錨桿給錨固圈內側提供的徑向支護強度為

其中，a=a1+a2+a3+a4+......+an。

錨桿給錨固圈外側提供的徑向支護強度為

其中，a=a1+a2+a3+a4+......+an。

3.4 噴射混凝土

支護中的混凝土是水泥、砂子、石子和速凝劑的混合物，其中水泥、砂子和石子的比例以1∶2∶2較為合適，石子粒徑要控制在1 cm以下。速凝劑的使用量約為水泥質量的2%~3.5%。另外，為防止噴射時混凝土出現流淌或者黏著力強等情況，及時調整加水和速凝劑量。

噴射時先噴射兩壁再噴射頂部，從巷道底部開始自下而上有序進行，并保證噴射槍頭與所噴射巖壁垂直。1次噴射厚度約為2 cm，往返多次直至覆蓋全部金屬網。

4 混凝土與鋼拱架支護技術經濟分析

混凝土一般變形量較小，承受荷載能力較大。但當地壓釋放到一定程度時，混凝土結構破壞幾乎是毀滅性的，很難再恢復。另外施工過程復雜，需要搭建工作平臺，制作模具現場拌制混凝土，勞動強度大，效率也低［10］。

鋼拱架也屬于剛性支護，通常采用工字鋼、鋼管等。拱架的整體剛度很大，也可以與錨桿、鋼筋網、噴漿相結合，構成聯合支護形式，其相對制作簡單，操作簡便，但成本高，并且施工支護前要進行試拼。

5 結論

太白金礦針對淺變質板巖巷道開展錨網噴漿聯合支護技術試驗研究，目前較普遍解決了單一支護形式達不到層狀板巖巷道支護設計的要求。該技術的試驗研究，為解決層狀板巖型巷道淺變質板巖工程的支護問題，提供了一種新的方法與思路。“錨”，通過圍巖內部的錨桿改變圍巖本身的力學狀態，利用錨桿與圍巖共同作用，達到維護巷道穩定的目的。“網”，網住錨桿間破碎的巖石，提高錨桿之間的整體效果，提高混凝土的柔性，防止噴射混凝土開裂掉塊。“噴”，隔絕空氣、水與圍巖的接觸，防止風化，并充填圍巖的裂隙、節理以及凹穴的巖面，提高了圍巖的穩定性和自身的支撐能力。錨網噴支護將支護材料與圍巖形成一個整體，因而使噴射混凝土層與圍巖形成了一個共同作用的力學統一體，具有把圍巖載荷轉化為巖石承載結構的作用，從根本上提升了支護效果。

這種技術應用6 a以來，井巷完整性、穩固性較好，沒有出現明顯變形、片幫冒頂的現象，理論與實踐分析證明，斷層破碎帶采用錨網噴支護技術是可行的，它與鋼拱架、鋼筋混凝土等其它支護相比，優勢在于主動支護，施工工藝簡單且靈活，施工安全且效率高，人員勞動強度低，支護成本低。因此錨網噴支護在斷層破碎帶及不穩定圍巖中的應用值得推廣。