易風(fēng)化破碎巖體巷道機(jī)械化高效支護(hù)技術(shù)研究

韓 斌,湯 麗，江懷春，王少勇

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083 ；2.昆明冶金高等專科學(xué)校，云南 昆明 650033)

錦豐金礦工程地質(zhì)條件復(fù)雜，礦區(qū)劃分為三個(gè)工程地質(zhì)巖組，即松散巖組、砂巖夾黏土巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組和黏土巖夾砂巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組。礦體及頂?shù)装鍑鷰r以薄至中厚層砂巖與薄層黏土巖為主，其單軸抗壓強(qiáng)度一般在21.6～59.5MPa之間。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，黏土巖軟弱層及斷裂破碎帶分布廣，易發(fā)生垮塌和遇水泥化等現(xiàn)象，屬軟弱層狀碎屑巖類礦床，巷道變形表現(xiàn)出明顯的軟巖特性。在礦山建設(shè)初期，巷道支護(hù)全部采用“管縫式錨桿+鋼網(wǎng)”支護(hù)。工程實(shí)踐表明，采用該種支護(hù)方式，存在下述問題：①該礦礦巖風(fēng)化作用明顯，遇水易泥化，采用管縫錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度低，礦巖易出現(xiàn)掉塊和逐層片落，甚至引起巷道冒頂?shù)仁鹿?。隨著巷道服務(wù)時(shí)間的延長，這一現(xiàn)象逐漸加劇。②該支護(hù)工藝支護(hù)成本高，施工速度慢，每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)周期長，臺車效率不能充分發(fā)揮。③該礦礦巖呈層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，掘進(jìn)過程中巷道成型差，采用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)，巷道表面粗糙，既不利于巷道穩(wěn)定，也增大了巷道通風(fēng)阻力。

針對巷道支護(hù)存在的問題，該礦研發(fā)了我國黃金礦山首套基于濕噴混凝土臺車為核心的濕噴支護(hù)新工藝，研制了機(jī)械化安裝專用樹脂錨桿及配套工具，采用濕噴混凝土+樹脂錨桿支護(hù)取代了管縫錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)，很好的解決了易風(fēng)化破碎巖體巷道支護(hù)存在的問題，對國內(nèi)地下礦山同類巖體巷道支護(hù)具有重要參考作用。

1 濕噴混凝土與樹脂錨桿支護(hù)

1.1 濕噴混凝土

1.1.1 配合比優(yōu)化

合理的配合比是決定濕噴混凝土成敗的關(guān)鍵之一。該礦為篩選最佳配合比，選用了L9(34)正交表，以水泥、纖維、減水劑和速凝劑為關(guān)鍵因素，開展了基于正交設(shè)計(jì)的最佳配合比篩選現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，分別測定了不同配合比的7d、28d單軸抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度[1-4]，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 濕噴混凝土配合比試驗(yàn)試塊力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果

根據(jù)上述研究結(jié)果，結(jié)合錦豐金礦實(shí)際工程支護(hù)要求，確定了濕噴混凝土最佳配合比，如表2所示。

表2 濕噴混凝土最優(yōu)配合比

1.1.2 濕噴混凝土工藝

制漿及運(yùn)輸。采用HZS25型混凝土攪拌系統(tǒng)配制濕噴混凝土，砂石配料采用PLD800型配料機(jī)，水泥計(jì)量采用高精度電子秤及螺旋給料機(jī)，減水劑添加采用時(shí)間繼電器控制流量泵。該配料系統(tǒng)具有物料計(jì)量準(zhǔn)確、電器控制系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)控制模式自由切換、料漿攪拌質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)混凝土料漿在攪拌槽攪拌均勻后，裝入混凝土罐車，送往井下噴漿作業(yè)點(diǎn)[5-7]。

現(xiàn)場噴漿。噴漿采用帶遙控手柄控制的濕噴車。當(dāng)濕噴車進(jìn)入待噴作業(yè)點(diǎn)后，首先采用高壓水沖洗受噴面，之后混凝土罐車尾部下料口對準(zhǔn)濕噴車受料口，開始放料。操作人員采用遙控手柄控制濕噴車機(jī)械手噴漿作業(yè)，直至待噴巷道全部噴射完畢，之后轉(zhuǎn)移濕噴車與混凝土攪拌車至其他待噴巷道繼續(xù)作業(yè)。當(dāng)噴漿工作結(jié)束后，清洗濕噴車及混凝土攪拌車。據(jù)統(tǒng)計(jì)，濕噴車噴漿前的平均準(zhǔn)備時(shí)間10～15min，一個(gè)工作面平均噴射混凝土一罐(3.5～4m3)，噴漿能力一般為15m3/h左右。

1.1.3 特點(diǎn)

濕噴混凝土與干噴混凝土綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較，見表3。

表3 干、濕噴混凝土技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

考慮噴射混凝土回彈等綜合因素，濕噴和干噴混凝土兩者成本基本持平，但濕噴混凝土具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)主要材料相同條件下，濕噴混凝土平均強(qiáng)度比干噴混凝土平均強(qiáng)度高45%～85%?；炷翉?qiáng)度的提高，改善了巷道支護(hù)剛度，減小了圍巖松動(dòng)圈的擴(kuò)大，保證了巷道支護(hù)的工程質(zhì)量，從而可延長工程的使用壽命和達(dá)到運(yùn)營安全的目的，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2)在正常情況下，若采用干噴混凝土，其回彈損耗一般在30%以上，但采用濕噴混凝土作業(yè)，回彈損耗約為5%～15%，節(jié)約了材料，降低了成本。同時(shí)，濕噴混凝土混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，強(qiáng)度分布均勻。

3)干噴作業(yè)一般均在井下完成水泥、砂石料及速凝劑的配制，并采用人工上料和噴漿工藝，上述過程會產(chǎn)生大量的粉塵?，F(xiàn)場實(shí)測表明，干噴作業(yè)時(shí)形成的粉塵是濕噴工藝粉塵濃度的2～8倍，可見采用濕噴工藝顯著改善了井下作業(yè)環(huán)境。

4)干噴混凝土作業(yè)時(shí)，工人在現(xiàn)場攪拌混合干料，噴射手懷抱噴槍作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度高，噴射混凝土能力一般約3～4m3/h；采用濕噴混凝土作業(yè)，由于其施工機(jī)械化程度高、速度快，實(shí)際平均作業(yè)效率比一般比干噴法高4～5倍；同時(shí)由于有效使用各種外加劑材料，一次噴射厚度最大可達(dá)到80mm以上，與干噴混凝土相比，同等厚度的噴射次數(shù)可顯著減少，加快了施工進(jìn)度。

1.2 樹脂錨桿

1.2.1 新型樹脂錨桿研制

為適應(yīng)樹脂錨桿的鑿巖臺車機(jī)械化安裝工藝的要求，該礦研制了專用樹脂錨桿[8-10]。該錨桿具有如下特征：

1)樹脂錨桿頭部異型結(jié)構(gòu)可迅速破壞樹脂錨固劑包裝，并充分?jǐn)嚢铇渲^固劑。

2)錨桿桿體波浪結(jié)構(gòu)可以起到充分?jǐn)嚢铇渲^固劑的作用，也可以提高錨桿的錨固力。

3)錨桿螺母和錨桿之間獨(dú)特的阻尼裝置，可確保臺車旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)錨桿充分?jǐn)嚢铇渲^固劑，并使錨桿螺母壓緊托板至巖面。

1.2.2 樹脂錨桿機(jī)械化安裝工藝

樹脂錨桿機(jī)械化安裝工藝如下：

1)安裝于鑿巖臺車大臂上的錨固劑安裝裝置，將樹脂錨固劑裝入錨桿孔內(nèi)。

2)將錨桿托盤安裝在錨桿桿體上，并用鑿巖臺車大臂錨桿安裝裝置將錨桿插入孔內(nèi)。

3)鑿巖臺車機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)錨桿螺母旋轉(zhuǎn)，以充分破壞孔內(nèi)樹脂錨固劑包裝，并充分?jǐn)嚢铇渲^固劑。

4)鑿巖臺車旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)十秒內(nèi)樹脂錨固劑凝固后，再次啟動(dòng)臺車旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，錨桿螺母壓緊托板至巖面。

1.2.3 特點(diǎn)

我國礦山安裝樹脂錨桿的鑿孔工作都采用氣腿式鑿巖機(jī)，安裝頂板樹脂錨桿一般在爆堆上作業(yè),操作中有以下缺點(diǎn):

1)工作人員在安裝樹脂錨桿時(shí)，必須要暴露在未支護(hù)頂板下作業(yè)，工作人員的安全難以保證。

2)樹脂藥卷用人工逐一裝入錨桿孔，前后樹脂藥卷端部會相互重疊，上推困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

3)安裝頂板樹脂錨桿必須在爆堆上作業(yè)，因此，掘進(jìn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。

采用鑿巖臺車機(jī)械化安裝樹脂錨桿、安裝樹脂錨固劑、安裝錨桿桿體、攪拌樹脂錨固劑、緊固錨桿螺母等各工序均由鑿巖臺車完成。機(jī)械化安裝樹脂錨桿具有安裝工藝簡單、工作效率高、操作過程安全、錨桿預(yù)應(yīng)力大等顯著優(yōu)點(diǎn)。

2 兩種支護(hù)方案及其比較

2.1 支護(hù)方案

對于斷面規(guī)格為5.5m×5.5m的巷道，原管縫錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下：

1)錨桿間距1100mm，排距1100mm。

2)管縫錨桿規(guī)格為φ47.5mm×2400mm，壁厚3mm，材質(zhì)為16Mn或20MnSi。

3)錨桿托盤規(guī)格(長×寬×高)為300mm×300mm×5mm，材質(zhì)為Q235。

4)鋼網(wǎng)規(guī)格為φ2000mm×4000mm，鋼筋直徑為φ5mm，網(wǎng)孔尺寸100mm×100mm，鋼網(wǎng)表面采用鍍鋅處理。

改進(jìn)后的濕噴混凝土+樹脂錨桿支護(hù)方案[6,10]如下：

1)錨桿間距1200mm，排距1200mm。

2)樹脂錨桿規(guī)格為φ25mm×2400mm，材質(zhì)為HRB335螺紋鋼。

3)錨桿托盤規(guī)格(長×寬×高)為150mm×150mm×6mm，材質(zhì)為Q235普通鋼。

4)錨固劑規(guī)格為φ28mm×2000mm，選用快速型。

5)濕噴混凝土選用C30標(biāo)號，厚度75mm。濕噴混凝土主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

錦豐金礦初期巷道全部采用管縫式錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)，由于存在鑿巖臺車掛網(wǎng)工藝復(fù)雜、施工效率低、掛網(wǎng)工藝導(dǎo)致錨桿消耗大等問題，一直存在支護(hù)速度慢、支護(hù)成本高的弊病。通過樹脂錨桿+濕噴混凝土支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用，簡化了支護(hù)工藝，加快了支護(hù)速度，每米巷道錨桿消耗明顯下降，巷道支護(hù)時(shí)間由原來的106min/m縮短為55min/m，每米巷道支護(hù)成本同時(shí)下降了30%。

2.3 支護(hù)效果比較

該礦采用樹脂錨桿+濕噴混凝土支護(hù)技術(shù)后，支護(hù)效果得到了顯著改善，與管縫式錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)方式相比，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)濕噴混凝土能及時(shí)封閉并密貼已開挖的圍巖表面，對圍巖形成徑向的壓力和環(huán)向的剪力，阻止了巷道表面塊體的脫落。

2)噴射混凝土還可以填平巷道表面的凹穴，緩和表面的應(yīng)力集中，有利于表層圍巖環(huán)向應(yīng)力的傳遞。

3)噴射混凝土還可以堵住地下水的通道，防止裂隙充填物的流失，保護(hù)裂隙的原始強(qiáng)度。

4)現(xiàn)場實(shí)測表明，φ25m×2400mm樹脂錨桿拉拔力平均在20 t以上，明顯大于平均錨固力為10t的φ47.5m×2400mm管縫式錨桿。

3 結(jié)語

錦豐金礦為典型的易風(fēng)化破碎巖體，針對前期管縫式錨桿+鋼網(wǎng)支護(hù)存在的不足，采用了濕噴混凝土技術(shù)與樹脂錨桿技術(shù)，顯著提高了地下礦山的巷道穩(wěn)定性，縮短了每循環(huán)作業(yè)時(shí)間，改善了掘進(jìn)效率，降低了生產(chǎn)成本，提高了鑿巖臺車使用效率，為該地下礦的正常生產(chǎn)提供了有利的保證。同時(shí)，樹脂錨桿+濕噴混凝土在不良巖體巷道支護(hù)中的成功應(yīng)用，也為相似巖體巷道支護(hù)提供了一個(gè)良好的范例，對解決該類礦山不良巖體巷道支護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。

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