長(zhǎng)錨索預(yù)錨固控頂在謙比希銅礦中的應(yīng)用*

施發(fā)伍，王貽明，劉曉輝，張晉軍，胡文達(dá)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞，基特韋)

1 引言

中國(guó)有色集團(tuán)非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦位于世界著名的贊比亞－剛果銅礦帶上，其由主礦體、西礦體以及東南礦體三個(gè)礦床組成，主礦體位于卡伏埃背斜西翼，謙比西－恩卡納盆地的北翼。礦體走向近東西，傾向南，傾角 15～75°，走向長(zhǎng)約2280m。目前，主礦體已開采至地下900m，主要采礦方法包括上向分層充填法，分段崩落法以及嗣后充填法。其中，分層充填采礦法被應(yīng)用于500m以上東區(qū)及500m～700m以西部分礦體，在開采過程中，由于上盤圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，在采動(dòng)影響、爆破震動(dòng)以及地下水的作用下，極易導(dǎo)致頂拱的坍塌和上盤圍巖失穩(wěn)，單純的錨桿支護(hù)難以滿足要求，有效的頂板支護(hù)措施成為亟待解決的問題。

2 工程概況

2.1 開采技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)

目前，分層充填法采場(chǎng)主要集中于礦體500m～700m以西部分礦體。此區(qū)段內(nèi)礦體傾角小于55°，平均厚度3～10m，且位于剪切破碎帶內(nèi)，礦巖穩(wěn)固性較差，區(qū)段內(nèi)礦石品位一般高于3%，甚至達(dá)4%。礦體直接上盤圍巖是礦化泥質(zhì)板巖，該巖層厚度約10m，其巖性與礦體相近，穩(wěn)定性較差。直接下盤為礫巖，包括泥質(zhì)石英巖、卵石礫巖等，穩(wěn)定性較差。采場(chǎng)沿走向布置，長(zhǎng)60m，每2個(gè)采場(chǎng)間留3m永久間柱，每2個(gè)采場(chǎng)為一個(gè)盤區(qū)。采場(chǎng)分層高度3.3m，每5個(gè)分層為一個(gè)分段，分段高度16.5m?；夭蛇M(jìn)路沿礦體走向布置，斷面為3.6×3.3m，然后回刷至礦體水平厚度。

2.2 采場(chǎng)頂板冒落形式

根據(jù)地質(zhì)資料分析，謙比希礦體屬于沉積型礦床，其礦體和圍巖均為未風(fēng)化的堅(jiān)硬巖石，層理極其發(fā)育，層理面非常平整，其間充填有蝕變礦物，在水的作用下，將轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔谢佇?，無(wú)任何強(qiáng)度的物質(zhì)，對(duì)巖層之間的穩(wěn)定起到一定的“潤(rùn)滑”作用。在地壓活動(dòng)、采動(dòng)影響及爆破震動(dòng)條件下，將造成巖層之間無(wú)剪切力作用。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，采場(chǎng)頂板破壞形式主要表現(xiàn)為以下兩種:(1)在巷道剛開挖之后，由于傾斜層狀節(jié)理的存在以及與礦體走向正交節(jié)理的存在，剪切傾斜層狀節(jié)理，通常造成采場(chǎng)頂板出現(xiàn)倒楔形巖體冒落;(2)在層理發(fā)育的層狀巖體中，上盤圍巖巖體沿層理弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞，形成局部塌落，如圖1所示。

圖1 頂板破壞形式

2.3 支護(hù)現(xiàn)狀

礦山目前采取的支護(hù)方式主要為管縫錨桿+金屬網(wǎng)條支護(hù)，如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果表明，此種支護(hù)方式與區(qū)域內(nèi)巖體的破壞類型明顯不符，支護(hù)之后，由于節(jié)理裂隙切割巖體，同時(shí)受爆破震動(dòng)及自重的影響，在錨桿周圍出現(xiàn)松散破壞，造成絕大部分錨桿“懸掛”在巖體表面，其支護(hù)作用不能得到充分發(fā)揮，如圖3所示。因此，探尋有效的頂板支護(hù)措施成為亟待解決的問題。

3 長(zhǎng)錨索預(yù)錨固控頂技術(shù)

近年來(lái)，長(zhǎng)錨索護(hù)頂技術(shù)不論在巷道還是在采場(chǎng)均得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1－2]。會(huì)澤鉛鋅礦在頂板不穩(wěn)定的采場(chǎng)中應(yīng)用長(zhǎng)錨索護(hù)頂，基本杜絕了大塊冒落事故的發(fā)生，提高了礦石回收率[3]。南京棲霞山鉛鋅礦通過長(zhǎng)錨索護(hù)頂，有效地控制了上向分層充填采場(chǎng)的頂板冒落問題，礦石回收率達(dá)到85%以上，礦石貧化率在3%以下[4]。此外，在紅透山銅礦，銅錄山銅鐵礦，金川等礦山，長(zhǎng)錨索亦取得了明顯的應(yīng)用效果[5]。由此，根據(jù)以上礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合謙比希礦具體情況，決定采用長(zhǎng)錨索對(duì)礦體頂板圍巖進(jìn)行預(yù)先錨固，從而提高采場(chǎng)頂板穩(wěn)固性，控制采場(chǎng)頂板冒落問題。

3.1 長(zhǎng)錨索預(yù)錨固控頂原理

所謂長(zhǎng)錨索預(yù)錨控頂，就是在礦塊回采之前，利用長(zhǎng)錨索對(duì)礦體的頂板圍巖預(yù)先進(jìn)行錨固，然后在其預(yù)先錨固的頂板圍巖下進(jìn)行礦石的回采。由于長(zhǎng)錨索是在頂板原巖應(yīng)力狀態(tài)下錨固的，這就使得在礦塊開采過程中，長(zhǎng)錨索一直起著限制巖塊位移，調(diào)整巖層內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)，以及使頂板圍巖及時(shí)形成完整穩(wěn)固巖體的作用，有效提高了采場(chǎng)頂板圍巖的穩(wěn)定性[6－7]。

在采場(chǎng)頂板圍巖揭露后進(jìn)行支護(hù)，由于原巖應(yīng)力分布的變化，支護(hù)前已經(jīng)產(chǎn)生單個(gè)巖塊的移動(dòng)，松弛和機(jī)理裂隙的膨脹等，其結(jié)果是降低了節(jié)理巖塊之間的結(jié)合強(qiáng)度，使支護(hù)后采場(chǎng)頂板圍巖的整體穩(wěn)固性，遠(yuǎn)不如在原巖應(yīng)力狀態(tài)下長(zhǎng)錨索預(yù)先錨固的整體穩(wěn)固性好[8]。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)

長(zhǎng)錨索的長(zhǎng)度在使用時(shí)應(yīng)針對(duì)具體情況的支護(hù)要求進(jìn)行確定。謙比西礦分層充填采場(chǎng)分段高度為16.5m，第1分層回采時(shí)采幅控制在5m以內(nèi)，則上部分層的高度為12m左右，礦體傾角為55°左右，為保證注漿質(zhì)量，設(shè)計(jì)一次支護(hù)能夠保證上部2個(gè)分層的回采，即錨索長(zhǎng)度為6.5～9m。同時(shí)，根據(jù)采場(chǎng)頂板揭露的地質(zhì)情況，綜合考慮節(jié)理、裂隙發(fā)育程度、礦體內(nèi)接觸面分離狀態(tài)等因素，結(jié)合國(guó)內(nèi)其他礦山經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定施工網(wǎng)度為:錨索排距為3m，孔口間距2.0 ～2.4m，孔底距不大于 3.0m，錨孔傾角 60～70°，如圖4 所示。

3.3 錨索布置方案

根據(jù)上述分析，則錨索布置方案如圖4所示，為保證施工安全，第1分層回采時(shí)采幅控制在5m以內(nèi)，充填到要求的高度后(2m)，采用手抱鉆施工到設(shè)計(jì)寬度，即可進(jìn)行錨孔施工;第3分層回采完充填到要求高度后，即進(jìn)行上兩分層支護(hù)施工。

圖4 長(zhǎng)錨索布置方案

4 長(zhǎng)錨索施工工藝

4.1 材料要求及施工設(shè)備

錨索孔采用YQ－90型鉆機(jī)施工，錨孔直徑56～60mm。長(zhǎng)錨索采用Ф15.2mm鋼絲繩。托板尺寸為200mm×200mm×8mm的方形托盤，采用Q235鋼板或其他同等強(qiáng)度鋼材;注漿管內(nèi)徑應(yīng)不小于18mm，最大承壓能力應(yīng)大于1.5MPa，以防止注漿過程中造成爆管傷人事故，其長(zhǎng)度在1.5m左右;排氣管內(nèi)徑應(yīng)大于10mm，采用硬質(zhì)塑料管，長(zhǎng)度與錨索長(zhǎng)0.5m。注漿用水泥砂漿采用標(biāo)號(hào)為425的普通硅酸鹽水泥、水和細(xì)砂組成，水灰比為0.4～0.45;灰砂比為1∶1 ～1∶1.5。砂漿的攪拌及注漿采用GSV40B變量灌漿泵，該機(jī)器自帶攪拌裝置，能實(shí)現(xiàn)攪拌和注漿同時(shí)進(jìn)行，注漿壓力為0.5～1Mpa。

4.2 施工工藝

施工時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)確定的錨孔網(wǎng)度、直徑、孔深、傾角進(jìn)行施工。錨孔孔位誤差應(yīng)小于20cm，傾角誤差在±5°內(nèi)。錨索與水平面的夾角一般應(yīng)為90°，不宜小于75°，終孔后應(yīng)使用壓縮空氣或壓力水進(jìn)行清洗，以免孔壁上的粉塵影響注漿質(zhì)量。

安裝前應(yīng)將排氣管、注漿管以及錨索進(jìn)行綁扎，安裝過程中，注漿管應(yīng)塞入孔內(nèi)0.8～1m，排氣管則需插入孔底，距孔底距離在0.5m之內(nèi)，并用紗布、編織袋、木楔等材料封口和固定鋼絞線，確保注漿過程中無(wú)漏漿。錨索采用前進(jìn)式連續(xù)注漿，當(dāng)稀漿從排氣管中流出時(shí)，表示水泥漿已充滿鉆孔。

注漿完成24小時(shí)以后，再安裝墊板和錨具。錨具安裝時(shí)，利用千斤頂進(jìn)行張拉，可以使長(zhǎng)錨索立即承載，充分發(fā)揮錨索的支護(hù)作用，避免由于錨具安裝不合格導(dǎo)致錨索失效的弊病。

5 支護(hù)效果

經(jīng)過長(zhǎng)錨索錨固后的礦塊，頂板穩(wěn)固性有顯著提高，但由于礦巖的節(jié)理裂隙、斷層發(fā)育，采場(chǎng)爆破震動(dòng)的影響，在錨索之間仍有發(fā)生小的礦石掉塊，因此，在實(shí)踐中采用管縫錨桿進(jìn)行輔助支護(hù)，錨桿直徑為40mm，長(zhǎng) 2.0m，網(wǎng)度(排距 × 間距)為 1.2 ×1.2m，對(duì)于局部極不穩(wěn)定地段加鋼筋條網(wǎng)，如圖5所示。經(jīng)過長(zhǎng)錨索和錨桿聯(lián)合對(duì)頂板進(jìn)行主動(dòng)加固，頂板掉塊的現(xiàn)象大大減少，極大地提高了采場(chǎng)作業(yè)的安全程度，提高了采場(chǎng)的出礦能力。

圖5 長(zhǎng)錨索+錨桿(網(wǎng))聯(lián)合支護(hù)效果

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)長(zhǎng)錨索預(yù)錨固控頂技術(shù)在謙比希礦的應(yīng)用實(shí)踐表明，該控頂技術(shù)有效地控制了上向水平分層充填采場(chǎng)的頂板冒落問題，取得了較好的支護(hù)效果，解決了分層采場(chǎng)頂板暴露面積過大帶來(lái)的安全問題。

(2)施工質(zhì)量是確保錨索支護(hù)性能的關(guān)鍵因素，應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比，注漿長(zhǎng)度等參數(shù)。同時(shí)，在安裝錨具時(shí)，必須利用千斤頂進(jìn)行張拉，使長(zhǎng)錨索立即承載，充分發(fā)揮其支護(hù)作用。

(3)對(duì)于較破碎的礦巖，由于節(jié)理裂隙、斷層發(fā)育，采場(chǎng)爆破震動(dòng)的影響，在錨索之間仍有發(fā)生小的礦石掉塊，在實(shí)踐中應(yīng)輔以錨桿及鋼條聯(lián)合支護(hù)，確保頂板穩(wěn)定性。

[1]王新民，趙彬，張欽禮.采場(chǎng)頂板冒落機(jī)理及控頂技術(shù)探討[J].中國(guó)礦業(yè)，2007，16(11).

[2]高元，楊照群.長(zhǎng)錨索預(yù)控頂技術(shù)在上向進(jìn)路充填采礦法的應(yīng)用[J].萊鋼科技，2008(4).

[3]余斌，曹連喜.長(zhǎng)錨索護(hù)頂技術(shù)試驗(yàn)研究[J].湖南有色金屬，2001(1):1－4.

[4]焦鵬，錢義貴，佟磊，等.長(zhǎng)錨索錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)在上向分層充填采場(chǎng)的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2012，12(3):37－38，114.

[5]鄒賢季，楊小聰.大直徑深孔采礦法采場(chǎng)頂板長(zhǎng)錨索加固[J].有色金屬(礦山部分)，2006(5):17－20.

[6]郭利杰，楊小聰.大直徑深孔采礦法采場(chǎng)頂板長(zhǎng)錨索加固穩(wěn)定性分析[J].礦冶，2007(2):1－4.

[7]葉綠.基于巖石強(qiáng)度的長(zhǎng)錨索支護(hù)錨固規(guī)律研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2011，27(6):31－32.

[8]愈德慶.應(yīng)用長(zhǎng)錨索加固技術(shù)提高礦巖自支承能力[J].有色礦山，2001，30(6):4－7.