章海象,吳巖佩
(貴州錦豐礦業(yè)有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550001)
樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)在錦豐金礦的應(yīng)用
章海象,吳巖佩
(貴州錦豐礦業(yè)有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550001)
錦豐金礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,風(fēng)化作用強(qiáng)烈,圍巖松軟、破碎、遇水泥化,很容易垮塌,而原來使用的管縫式錨桿的錨固力低、容易氧化銹蝕,為此錦豐金礦引進(jìn)了樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)。在技術(shù)引進(jìn)過程中,首先選擇了合理的支護(hù)參數(shù),其次實(shí)現(xiàn)了樹脂錨桿的機(jī)械化安裝。實(shí)踐表明,樹脂錨桿結(jié)合濕噴混凝土有效地控制了頂板圍巖變形,減少了頂板冒落事故的發(fā)生,大大減少了巷道的維修工程量,為錦豐地下礦的安全、正常生產(chǎn)提供了有利保證。同時(shí),針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件,指出了樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題。
樹脂錨桿;縫管錨桿;錦豐金礦;井巷支護(hù)
錦豐金礦地下礦礦區(qū)斷裂褶皺發(fā)育,地層支離破碎,產(chǎn)狀局部直立甚至倒轉(zhuǎn)。斷裂帶實(shí)質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)變帶及強(qiáng)礦化蝕變帶,帶內(nèi)巖石強(qiáng)烈變形。礦體及頂?shù)装鍑鷰r以薄至中厚層砂巖與薄層粘土巖為主,粘土巖十分松軟破碎,遇水軟化、泥化,極易垮塌,工程地質(zhì)條件復(fù)雜。
錦豐地下礦剛開始掘進(jìn)主斜坡道時(shí)采用的支護(hù)方式為管縫式錨桿+鋼網(wǎng)。管縫式錨桿桿體壁厚3 mm,直徑Φ47.5 mm,長(zhǎng)度2.4 m,開縫寬度15 mm。管縫式錨桿支護(hù)有許多優(yōu)點(diǎn),如安裝方便、及時(shí)提供支撐抗力、當(dāng)圍巖發(fā)生顯著位移時(shí)錨桿并不失去其支護(hù)抗力等,但同時(shí)也存在一些問題,包括錨固力低,錦豐金礦的管縫式錨桿抗拔力一般為6~10 t,大大低于同等長(zhǎng)度樹脂錨桿的抗拔力;對(duì)鉆孔孔徑要求較嚴(yán),孔徑偏大,錨固力低;孔徑偏小,錨桿容易彎曲,難以全部進(jìn)入鉆孔,錨固深度減少,錨固力降低;錨桿與空氣接觸,容易氧化銹蝕,特別在地下水較大的巷道,錨桿銹蝕更快,更嚴(yán)重。由于管縫式錨桿的以上缺點(diǎn),它應(yīng)用于巷道頂板支護(hù)和永久性巷道支護(hù)的可靠性很差。鑒于此,錦豐公司地下礦山引進(jìn)了樹脂錨桿,主要用于巷道頂板及一些使用壽命較長(zhǎng)的地下工程,如主斜坡道、井下配電站、風(fēng)井等。
樹脂錨桿由不同強(qiáng)度材質(zhì)的桿體及其附件與配套樹脂錨固劑一同使用,根據(jù)設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度,將桿體插入鑿好的孔洞中,經(jīng)過攪拌后,錨固劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),在一定時(shí)間內(nèi),將桿體與巖體粘合為一體。過了等待安裝時(shí)間之后,在螺紋端裝上托盤并擰緊螺母,對(duì)圍巖施加一定的預(yù)緊力,使圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài),這樣就改善了圍巖的受力狀態(tài),使圍巖的強(qiáng)度得到提高,起到加固圍巖,防止其移動(dòng)的作用,從而提高巷道的整體性、穩(wěn)定性[1]。具體說來,樹脂錨桿通過“懸吊、組合梁、擠壓加固拱、減跨”等作用來對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)、加固。
為確定合理的支護(hù)參數(shù),對(duì)錦豐地下礦山的圍巖開展了現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查,根據(jù)調(diào)查結(jié)果,確定現(xiàn)場(chǎng)巖體Q值一般在0.1~15之間,其中Q值在0.4~4范圍內(nèi)的巖體所占比例較大,其他Q值范圍內(nèi)的巖體所占比例較小。
錦豐地下礦巷道的寬度為4.5~5 m,高度為5~5.5 m, 開挖支護(hù)比(ESR)在1.6~4之間。樹脂錨桿直徑為25 mm,根據(jù)更新后的Barton的Q support chart[2](見圖1),選取錦豐地下礦巷道的支護(hù)參數(shù)如下:錨桿排距1.1~1.5 m,同一排內(nèi)錨桿間距1.1~1.3 m,噴漿厚度65~75 mm,巖體質(zhì)量好時(shí)選大值,巖體質(zhì)量差時(shí)選小值。
錨桿長(zhǎng)度選取采用以下兩種方法:
(1) 根據(jù)Barton的錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式得出的錨桿長(zhǎng)度最大值為1.72 m。
式中:L——錨桿長(zhǎng)度,m;
B——巷道跨度,m;
ESR——開挖支護(hù)比。
(2) 根據(jù)Lang擬定的巖石錨桿網(wǎng)規(guī)范,錨桿長(zhǎng)度為錨桿間距的兩倍?;赒值選取的錨桿間距為1.1~1.3 m,所以相應(yīng)的錨桿長(zhǎng)度為2.2~2.6 m。巖石錨桿網(wǎng)規(guī)范是Lang在制定澳大利亞雪山水力發(fā)電規(guī)則(The Snowy Mountain Hydroelectric Scheme)期間擬定的,它仍被廣泛用于確定 “永久”硐室的錨桿長(zhǎng)度和間距[3]。對(duì)于礦山巷道,錨桿長(zhǎng)度的取值可以小一些。
綜合以上兩種方法得出的結(jié)果,同時(shí)考慮到錦豐地下礦所有巷道在安裝錨桿前需要噴射一層65~75 mm厚的混凝土,最后確定錦豐地下礦支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度為2.4 m。
圖1 基于Q值的巷道支護(hù)類型與支護(hù)參數(shù)選擇
巷道爆破出渣后,及時(shí)噴射一層65~75 mm厚的混凝土。當(dāng)噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到1 MPa后,開始安裝樹脂錨桿。錨桿施工順序?yàn)橹鹋庞赏庀蛴^,排內(nèi)由中間向拱腳。
經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)摸索、試驗(yàn),錦豐金礦實(shí)現(xiàn)了樹脂錨桿的機(jī)械化安裝,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了錨桿安裝效率,使巷道得到及時(shí)、有效支護(hù)。樹脂錨桿的安裝由Boomer282臺(tái)車完成,具體的安裝程序如下:
(1) 將似香腸狀串在一起的四節(jié)樹脂錨固劑依次放入PVC塑料管內(nèi);
(2) 把裝有樹脂錨固劑的PVC塑料管放在臺(tái)車左臂上,用臺(tái)車左臂慢慢把PVC塑料管推入鉆孔內(nèi)。PVC管前端距孔底10 cm左右時(shí)停止推進(jìn),打開左臂冷卻水閥門,用高壓水把樹脂錨固劑推送到孔底。
(3) 回退并卸下PVC塑料管,把錨桿桿體連同其附件一起裝在臺(tái)車右臂上。
(4) 操作臺(tái)車右臂,使錨桿對(duì)準(zhǔn)孔口且角度一致,打開鑿巖機(jī)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)手柄,使錨桿桿體旋轉(zhuǎn)進(jìn)入鉆孔,錨桿在孔外剩余5~8 cm長(zhǎng)時(shí)停止推進(jìn),繼續(xù)旋轉(zhuǎn)錨桿使孔內(nèi)樹脂藥卷攪拌均勻后停止轉(zhuǎn)動(dòng),錨桿停止推進(jìn)后錨固劑攪拌時(shí)間控制在10~20 s;從錨桿開始進(jìn)入鉆孔到攪拌結(jié)束,時(shí)間不超過40 s;
(5) 等樹脂錨固劑充分凝固后,鑿巖機(jī)再次旋轉(zhuǎn)先擰斷螺母聯(lián)接銷,進(jìn)而擰緊螺母使錨片緊貼噴射混凝土。
3.1 最佳的樹脂錨桿的“三徑”配合
在使用樹脂錨桿支護(hù)時(shí),鉆孔、錨桿、樹脂藥卷直徑“三徑”之間的合理匹配是獲得最大錨固力和最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。澳大利亞、英國(guó)等樹脂錨桿支護(hù)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家對(duì)此進(jìn)行過一些研究,認(rèn)為鉆孔直徑與無(wú)縱筋左旋螺紋鋼直徑相差4~5 mm時(shí)的錨固力最大。楊振茂、馬念杰等人的研究結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)丶哟箦^桿直徑,不會(huì)明顯增加支護(hù)成本,而錨桿的破斷強(qiáng)度卻可大幅度提高。而樹脂錨固劑直徑比鉆孔直徑小3~5 mm為宜[4]。
結(jié)合當(dāng)前錦豐公司正在進(jìn)行的用直徑Φ22 mm樹脂錨桿代替原來直徑Φ25 mm樹脂錨桿的試驗(yàn)研究,筆者認(rèn)為,該研究不能光考慮Φ22 mm樹脂錨桿的抗拔力能不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,還應(yīng)該對(duì)這兩種不同直徑的錨桿的破斷力、價(jià)格進(jìn)行綜合對(duì)比,同時(shí)還要考慮巖體結(jié)構(gòu)及其賦存條件、賦存環(huán)境的復(fù)雜性、多變性及不確定性。
3.2 錨桿質(zhì)量
錨桿桿體由螺紋鋼加工而成,錨桿桿體及螺母的材質(zhì)、桿體尾部絲扣、螺母絲扣的精度、長(zhǎng)度和強(qiáng)度應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。否則當(dāng)錨桿受力時(shí),特別是當(dāng)巷道圍巖壓力較大時(shí),錨桿容易損壞、失效,從而引發(fā)冒頂、片幫等事故。
錨桿托盤是配套用于錨桿支護(hù)的重要部件。若托盤外形不符合要求,螺母與托盤會(huì)閉合不嚴(yán),造成錨桿扭矩力下降,預(yù)緊力降低。若托盤的規(guī)格尺寸、材質(zhì)不符合要求,當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力增大時(shí),易造成托盤變形,甚至被抽脫,極大降低錨桿的支護(hù)功能。
樹脂錨固劑所使用的原材料、外觀、直徑、長(zhǎng)度、樹脂膠泥的稠度、固膠比、抗壓強(qiáng)度、凝膠時(shí)間、等待安裝時(shí)間、熱穩(wěn)定性等性能指標(biāo),對(duì)樹脂錨桿的錨固性能影響很大。
為此,錦豐公司建立了嚴(yán)格的支護(hù)材料與產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了產(chǎn)品的形狀、規(guī)格、材質(zhì)及各項(xiàng)性能指標(biāo)、允許的偏差等。所有的支護(hù)材料與產(chǎn)品必須有出廠合格證、質(zhì)量鑒定文件等。此外,礦山定期進(jìn)行支護(hù)材料與產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)抽檢試驗(yàn)和材料外檢工作,以確保支護(hù)材料與產(chǎn)品的質(zhì)量。
3.3 錨桿安裝質(zhì)量
錨桿孔太深則錨桿伸不到孔底,孔底錨固劑得不到攪拌,產(chǎn)生不了錨固效果,同時(shí)使錨固長(zhǎng)度減小,錨固力降低;孔太淺,會(huì)使托盤無(wú)法安設(shè),無(wú)法施加預(yù)應(yīng)力,起不到主動(dòng)加固圍巖的作用。為此錦豐公司地壓控制程序規(guī)定在穿鑿錨桿孔時(shí),必須在鉆桿上作標(biāo)記,保證鉆孔深度符合設(shè)計(jì)要求。
錨桿眼內(nèi)的粉塵和積水若不清洗干凈,相當(dāng)于在錨固劑配料中加入了粉塵和水,會(huì)削弱錨固劑的強(qiáng)度。為此,錦豐公司地壓控制程序規(guī)定錨桿安裝前必須用壓風(fēng)或水把打好的錨桿孔里面的巖粉、積水或其他雜質(zhì)吹干凈。
樹脂錨固劑有其特定的凝膠時(shí)間和等待安裝時(shí)間。安裝樹脂錨桿時(shí),樹脂藥卷的攪拌時(shí)間太短,樹脂膠泥與固化劑混合不均勻,將大大降低錨固劑與圍巖及錨固劑與金屬桿體之間的粘結(jié)力。攪拌時(shí)間太長(zhǎng),超過了凝膠時(shí)間,影響樹脂膠泥與固化劑之間的化學(xué)反應(yīng),錨固劑與金屬桿體、圍巖之間的粘結(jié)力大為降低;而如果等待安裝時(shí)間不到就上托盤擰緊螺母,錨固劑的強(qiáng)度還未得到充分發(fā)展,施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)值,也會(huì)降低樹脂錨桿的錨固性能。為此,錦豐公司有針對(duì)性地制定了樹脂錨桿安裝標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序,該程序規(guī)定了臺(tái)車司機(jī)必須嚴(yán)格按照規(guī)定的樹脂錨固劑的攪拌時(shí)間、等待安裝時(shí)間來進(jìn)行樹脂錨桿的安裝作業(yè)。
還有一點(diǎn)要注意的是,當(dāng)圍巖特別松散、破碎時(shí),要適當(dāng)增加樹脂錨固劑的數(shù)量,讓樹脂錨固劑能夠密實(shí)地充滿桿體與孔壁之間的環(huán)形空間,保證樹脂錨桿有足夠的錨固力。2015年5月,錦豐露天礦南部邊坡發(fā)生滑坡,造成地下礦主斜坡道480~500 m RL段噴射混凝土開裂,圍巖嚴(yán)重破壞。在修復(fù)該段主斜坡道時(shí)使用了大量樹脂錨桿,但每個(gè)鉆孔中樹脂錨固劑的數(shù)量還是4節(jié)。過后對(duì)這些樹脂錨桿進(jìn)行抗拔力抽查時(shí)發(fā)現(xiàn)它們的錨固力只有16~60 kN。后來重新打孔安裝樹脂錨桿,每個(gè)鉆孔中裝入8節(jié)樹脂錨固劑,抗拔力達(dá)到200 kN以上。
樹脂錨桿與原使用的管縫式錨桿的技術(shù)參數(shù)比較見表1。
表1 兩種錨桿的技術(shù)參數(shù)對(duì)比
從技術(shù)上分析,樹脂錨桿錨固能力是管縫式錨桿的兩倍以上,而且孔徑比管縫式錨桿小,材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于管縫式錨桿,這對(duì)于錦豐金礦巷道的頂板管理以及延長(zhǎng)重點(diǎn)井巷工程的服務(wù)年限有著非常重要的意義。從經(jīng)濟(jì)上分析,樹脂錨桿(包括錨固劑)的價(jià)格比管縫式錨桿高24元/套,按井巷支護(hù)消耗樹脂錨桿3.8萬(wàn)套/a計(jì)算,錦豐因使用樹脂錨桿每年增加成本約91.2萬(wàn)元,但每年節(jié)約巷道返修費(fèi)用約150萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
與管縫式錨桿相比,樹脂錨桿具有支護(hù)及時(shí)、防腐能力強(qiáng)、錨固力大、對(duì)巖體進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。樹脂錨桿結(jié)合濕噴混凝土有效地控制了巷道頂板變形,減少了頂板冒落事故的發(fā)生,提高了地下礦山井巷的穩(wěn)定性,大大減少了巷道的維修工程量,延長(zhǎng)了重點(diǎn)工程的使用壽命,為錦豐地下礦的安全、正常生產(chǎn)提供了有利保證。
[1]李龍水.淺談樹脂錨桿支護(hù)在井巷掘進(jìn)應(yīng)用應(yīng)注意的問題[J].能源與環(huán)境,2014(5):53-56.
[2]Songül co_ar. Application of Rock Mass Classification Systems Forfuture Support Design of the d_m Tunnel Near Alanya[C]//A Thesis Submitted to the graduate School of Naturaland Applied Sciences of Middle East Technical University,September,2004:24-24.
[3]B.H.G.Brady, E.T.Brown. Rock Mechanics for Underground Mining[R]. Third Edition,2004:333.
[4]楊振茂,馬念杰,官山月,等.錨桿鉆孔、桿體、樹脂卷直徑的合理匹配[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003(4),659-663.
2017-03-15)
章海象(1970-),男,江西高安人,高級(jí)工程師,主要從事礦山巖石力學(xué)相關(guān)工作,Email:haixiang.zhang@gzjinfenggold.com。