充填體內(nèi)巷道掘進(jìn)預(yù)支護(hù)方案優(yōu)化選擇

蔣宗旋，蘇 環(huán)，黃永慶

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司新城金礦， 山東萊州市 261438)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)資源的需求量越來(lái)越大［1］。礦山回采礦體之后，地下巖體的整體性發(fā)生破壞，在一定范圍內(nèi)的巖體中應(yīng)力重新分布，局部地區(qū)還可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，力學(xué)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜。而且，在開(kāi)采礦體時(shí)，為保證采場(chǎng)的穩(wěn)定性，采場(chǎng)留設(shè)頂?shù)字?、間柱、不規(guī)則點(diǎn)柱等，這些殘留的礦體統(tǒng)稱(chēng)為二次資源。對(duì)充填法采礦的礦山而言，采空區(qū)用充填體處理，現(xiàn)在二次采礦的工作就是回采在充填體中的二次資源［2］。為了回采二次資源，必須要解決充填體內(nèi)巷道施工技術(shù)及保證巷道穩(wěn)定。然而由于充填體本身強(qiáng)度比較低，塑性流變大，在其內(nèi)開(kāi)挖巷道后，圍巖向開(kāi)挖空間移動(dòng)變形，變形量隨時(shí)間增大，甚至可能把整個(gè)巷道完全封閉;同時(shí)充填體內(nèi)巷道變形呈現(xiàn)蠕變變形特征，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，初期來(lái)壓快，收斂變形大，巷道自穩(wěn)能力差，如不加支護(hù)，很快會(huì)發(fā)生頂板冒落、邊墻彎曲，最終導(dǎo)致巷道破壞。

新城金礦上世紀(jì)80年代采用上向水平分層充填采礦法［3］，在淺部充填體及其周?chē)⒉剂硕鄠€(gè)礦石殘柱及破碎體，這部分資源具有品位高，儲(chǔ)量多的特點(diǎn)。據(jù)前期勘測(cè)資料顯示，－10～－120 m中段167#～191#柱之間高110 m、長(zhǎng)380 m范圍內(nèi)，金礦平均品位7.0 g/t以上，殘柱礦石量達(dá)40000 t左右，折合金屬量達(dá)280 kg，由此可見(jiàn)二次資源回收的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是巨大的。因此，本文對(duì)新城金礦充填體內(nèi)巷道掘進(jìn)預(yù)支護(hù)方案展開(kāi)研究，提出安全合理的支護(hù)方案。

1 充填體內(nèi)巷道失穩(wěn)變形特征

1.1 影響充填體內(nèi)巷道穩(wěn)定的因素

影響充填體內(nèi)巷道穩(wěn)定的因素有充填體性質(zhì)、上覆巖層應(yīng)力、工程因素、時(shí)間因素、地下水等因素，其中最主要的是充填體性質(zhì)和上覆巖層應(yīng)力。

(1)充填體性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，工程巖體的穩(wěn)定性主要視巖體的強(qiáng)度及變形特性與開(kāi)挖后重新分布的圍巖二次應(yīng)力互相作用的結(jié)果而定。前者強(qiáng)于后者則穩(wěn)定，后者強(qiáng)于前者則失穩(wěn)。充填體的強(qiáng)度非常低，具有重塑性、強(qiáng)脹縮性、易觸變性及流變性等特有性質(zhì)，因此，在充填體內(nèi)掘進(jìn)巷道，極容易發(fā)生跨冒。

(2)上覆巖層應(yīng)力。在充填采礦法中，充填體的作用主要是對(duì)圍巖的限制作用和與圍巖的共同作用，即一方面阻止和限制圍巖發(fā)生變形和位移，另一方面又與圍巖共同承載，提高承載能力，共同維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定。在一次采礦中，圍巖應(yīng)力已經(jīng)釋放，因此，在充填體內(nèi)掘進(jìn)巷道只承受上覆巖層應(yīng)力。

充填體內(nèi)巷道的失穩(wěn)是由于巷道開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布超過(guò)充填體強(qiáng)度而導(dǎo)致充填體過(guò)分變形造成的，應(yīng)力重分布是否會(huì)達(dá)到危險(xiǎn)的程度由初始應(yīng)力的方向、量值和性質(zhì)而定，所以上覆巖層應(yīng)力是控制巷道圍巖穩(wěn)定的基本因素之一。在充填體中，圍巖應(yīng)力重分布后會(huì)產(chǎn)生較大的塑性區(qū)及松動(dòng)區(qū)，引起圍巖隨時(shí)間而增長(zhǎng)的大變形，直至擠壓破壞，在頂部表現(xiàn)為塌落，在側(cè)幫產(chǎn)生擠壓破壞。

1.2 充填體內(nèi)巷道變形破壞特征

充填體內(nèi)巷道的變形破壞特征不僅受充填體力學(xué)性質(zhì)的影響，而且受所處的地應(yīng)力環(huán)境和工程因素等的影響?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外充填體內(nèi)掘進(jìn)巷道的工程經(jīng)驗(yàn)，充填體內(nèi)巷道變形破壞特征如下:

(1)變形破壞形式多。變形破壞的形式有巷道直接跨冒破壞、巷道頂板在拉應(yīng)力作用下的跨冒破壞、巷道兩幫在壓剪應(yīng)力作用下的片幫破壞、巷道流變變形破壞等。

延安整風(fēng)運(yùn)動(dòng)是中國(guó)共產(chǎn)黨歷史上第一次在黨內(nèi)開(kāi)展集中教育并取得圓滿(mǎn)成功的重大政治活動(dòng)，是加強(qiáng)黨的建設(shè)一個(gè)偉大的創(chuàng)舉。延安整風(fēng)運(yùn)動(dòng)堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，創(chuàng)造性地將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與黨的歷史問(wèn)題相結(jié)合，把馬克思主義的普遍真理和中國(guó)革命的具體實(shí)際相結(jié)合，使全黨擺脫了教條主義嚴(yán)重禁錮，最終實(shí)現(xiàn)了全黨在馬克思主義中國(guó)化的成果——毛澤東思想基礎(chǔ)上的思想上的高度一致和組織上的空前團(tuán)結(jié)。

(2)變形量大。由于充填體強(qiáng)度非常低，巷道自穩(wěn)能力弱，巷道開(kāi)挖后很短時(shí)間即開(kāi)始跨冒，甚至將巷道堵死，拱頂下沉位移量達(dá)40～100 cm。

(3)變形速度高。一經(jīng)開(kāi)挖后，初期巷道收斂速度快，即使是對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)以后，巷道的變形速度依然很快。

(4)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)充填體這種軟破介質(zhì)而言，不僅變形量大，而且具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，其變形為不穩(wěn)定的蠕變變形，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

(5)來(lái)壓快。充填體內(nèi)巷道變形收斂速度高，在很短的時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，產(chǎn)生壓力。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用后，變形繼續(xù)發(fā)展，到一定程度后巖體會(huì)發(fā)生離層，原來(lái)的承載圍巖轉(zhuǎn)變?yōu)楹奢d作用在支架上，由此產(chǎn)生的壓力為松動(dòng)地壓，它很快轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃蔚貕海龃罅藝鷰r的失穩(wěn)性。

2 充填體內(nèi)巷道預(yù)支護(hù)方案優(yōu)選

2.1 預(yù)支護(hù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)充填體內(nèi)巷道變形特征，結(jié)合新城金礦充填體的特點(diǎn)，以及回采工作對(duì)巷道穩(wěn)定性的基本要求，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)和發(fā)展方向［4，5］，新城金礦優(yōu)先采用的預(yù)支護(hù)形式主要有以下3種:

(1)超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)。該支護(hù)方案就是在緊臨掌子面先安設(shè)一架25U型鋼拱架，然后以25U型鋼拱架為支點(diǎn)，沿巷道頂板打超前鋼管，鋼管長(zhǎng)度1.5 m，上仰角度6°左右，環(huán)向角度15°，縱向間距100 mm，每排平均13根Ф50 mm的鋼管，具體布置如圖1所示。

(2)U型鋼拱架插板法。該支護(hù)形式與超前鋼管法原理基本相同，只是所采用的材料有所不同。該方法以U型鋼拱架為骨架，背后采用密集的鋼板和木板來(lái)封閉頂板與兩幫，以防止松散的充填體冒落與流出。具體支護(hù)工藝與參數(shù)為:U型鋼拱架緊臨掌子面架好后，在其頂梁上前方充填體內(nèi)插入鋼板，同時(shí)在U型鋼拱架兩幫沿巷道方向插入木板，每次進(jìn)尺1 m左右。U型鋼拱架采用25U鋼，每架間隔1 m，鋼板厚10 mm，長(zhǎng)度1.5 m，木板規(guī)格為寬250 mm，厚30 mm，長(zhǎng)1 m。此種超前支護(hù)方式尤其適用于極為松散的礦巖體的開(kāi)挖。

圖1 超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)(單位:mm)

預(yù)支護(hù)方案充分考慮了充填體自穩(wěn)性差的特性，以防在開(kāi)挖時(shí)巷道輪廓尚未形成便垮塌了，所以采用此種形式加固的目的是暫時(shí)穩(wěn)住上覆巖層，然后在此預(yù)支護(hù)后的充填體內(nèi)掘進(jìn)巷道，安全性系數(shù)明顯提高。

圖2 超前混凝土拱支護(hù)(單位:mm)

2.2 預(yù)支護(hù)方案的優(yōu)選

在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上比較上述3個(gè)預(yù)支護(hù)方案，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種方案比較表

從表1可知，第3種方案最經(jīng)濟(jì)，但是對(duì)于充填體這種軟破介質(zhì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)來(lái)壓增大時(shí)，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力將大為增加，有破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)，安全系數(shù)不高。而對(duì)于第1種方案，它雖然經(jīng)濟(jì)上比較高，但是利用鋼管的高抗彎性能，對(duì)待開(kāi)挖的巷道能夠起到很好的預(yù)支護(hù)作用，因此，本文選用第一種方案進(jìn)行預(yù)支護(hù)。

3 預(yù)支護(hù)方案的驗(yàn)證

對(duì)于上面選定的預(yù)支護(hù)方案，即超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，應(yīng)用力學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)圖1的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，將其等效為外伸梁結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 等效力學(xué)模型

將外伸梁AC看作是由簡(jiǎn)支梁BC和固定在B處的懸臂梁AB組成。

在圖4(a)中，將AB段的均布力等效為剪力FQ和彎矩

在彎矩M作用下，可得出B處的轉(zhuǎn)角為:

在均布力q作用下，可得出B處的轉(zhuǎn)角為:

將(1)和(2)疊加，得出M和q共同作用下B

處的轉(zhuǎn)角為:

圖4 力學(xué)模型分析

懸臂梁AB整體轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)θB，則與轉(zhuǎn)角θB相應(yīng)的A處的撓度為:

在圖4(b)中，在均布力q作用下，懸臂梁AB的端點(diǎn)A撓度為:

將(4)和(5)疊加，得出A處最終的撓度為:

將 l1=0.6 m，l2=0.9 m，q=2.13 ×103×20 ×9.8 kN/m=417.48 kN/m(最壞的情況)，E=170代入公式(6)中，得出:

由結(jié)果可知，當(dāng)鋼管總長(zhǎng)度為1.5 m時(shí)，A處的撓度為62.6 mm，而相鄰鋼管縱向之間的距離為100 mm，即A處最大位移不超過(guò)相鄰鋼管間的距離，滿(mǎn)足工程上的要求，因此選定的預(yù)支護(hù)方案─超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)是可行的。

3 結(jié)論

(1)影響充填體內(nèi)巷道穩(wěn)定性的主要因素是充填體自身強(qiáng)度和巷道上覆巖層應(yīng)力，且充填體內(nèi)巷道穩(wěn)定性差，破壞形式多種多樣;

(2)針對(duì)充填體內(nèi)巷道變形特征，結(jié)合新城金礦充填體的特點(diǎn)以及回采工作對(duì)巷道穩(wěn)定性的基本要求，綜合比較提出安全合理的預(yù)支護(hù)方案─超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù);

(3)建立力學(xué)模型，應(yīng)用力學(xué)理論對(duì)所選支護(hù)方案進(jìn)行計(jì)算，分析得出所選方案滿(mǎn)足工程要求，即超前鋼管與U型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)是安全經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案。

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