三山島金礦深部高應力巷道支護方式研究

劉大兵，付其銳

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261441)

1 前言

隨著礦產資源的不斷開發(fā)，金屬礦淺部資源逐漸枯竭，開采深度以每年25m的速度增加，金屬礦已進入到千米以下的深部開采階段[1]。隨著開采的深入，巷道圍巖處于高溫、高地壓、高滲透壓的復雜環(huán)境中，出現(xiàn)了不同程度的工程災害，威脅著井下的生產進度和人員生命安全[2]。

深部巷道支護技術經過多年的研究和嘗試，取得了一些成功的經驗。邱忠躍[3]在深部巷道支護中采用了預應力錨索錨網聯(lián)合支護技術，該方案可較短時間內達到及時支護的目的，解決了該處大跨度巷道、交叉點、斷層、破碎帶及高應力區(qū)的支護難題，并且維修工程量小、勞動強度低、支護快捷方便。劉永等[4]通過實際研究也認為在深部巷道中使用錨索結合噴錨網效果較好。周宏偉等[5]提出了改變支護順序的方法，即改先錨后噴為先噴后錨，并通過在素噴混凝土中摻入適量鋼纖維的方法來改善混凝土噴層的整體力學性能，使之能很好地適應軟巖大變形的力學特征。孔德森[6]在支護參數(shù)方面進行了研究，結果表明錨桿支護密度變化對控制效果影響較大，在一定范圍內錨桿長度對巷道支護效果影響不大。綜上，由于巷道賦存條件和影響因素的復雜性和不確定性，巷道變形機理不盡相同。針對三山島金礦深部巷道在原有支護條件下變形嚴重的現(xiàn)狀，通過對深部地應力的大小、方向進行測量，并分析其空間分布規(guī)律和對深部巖體質量進行質量分級，提出相應的巷道支護方案，以期達到有效控制深部裂隙巖體巷道圍巖的目的。

2 工程地質條件調查

2.1 地應力測量

隨著礦區(qū)開采深度不斷增加，地應力值也不斷增大，地溫升高，開采環(huán)境急劇惡化。地壓顯現(xiàn)加劇，采場塌方、冒頂?shù)仁鹿孰[患日漸增多，嚴重威脅采礦生產安全和資源充分回收。為了更好地在高地應力條件下進行支護，分別在深部進行一系列地應力測量工作，分析礦區(qū)地應力的大小、方向和空間分布規(guī)律。根據(jù)所得到的應力解除曲線，見圖1，以及打孔位置巖石力學性質，最終計算得到礦山深部地應力值，其結果見表1，最大主應力σ1值達到48.93MPa，西山礦區(qū)深部已進入高地應力環(huán)境狀態(tài)。

圖1 應力解除曲線圖

表1 深部某水平地應力測試結果

2.2 深部巖體質量分級

巷道永久支護需要根據(jù)深部巖體質量的特點而確定，根據(jù)巖體質量分級提出針對性的支護方案。通過室內巖石力學試驗以三維不接觸測量系統(tǒng)對礦山深部巖體結構面信息進行采集，為巷道支護方案設計提供可靠依據(jù)。

經過調查，巷道圍巖結構面傾向310°～350°所占比例約為24.7%，85°～95°所占比例約為30%，其中以88°最多為65組。兩組結構面的平均傾角小于50°，其所占比例為6.74%；傾角主要集中在50°～80°，且比例達到87.6%，其中以55°左右最多為87組。根據(jù)BQ法進行巖體質量分級：

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc——巖石飽水抗壓強度，試驗值為55.21MPa；

Kv——巖體完整性系數(shù)。

當Rc>90Kv+30時，取Rc=90Kv+30與Kv代入式(1)中計算BQ；當Kv> 0.04Rc+0.4時，取Kv=0.04Rc+0.4與Rc代入式(1)中計算BQ。

巖體質量分級為Ⅲ級，局部破碎區(qū)域為Ⅳ級。

3 巷道頂板支護穩(wěn)定性分析

3.1 最佳支護時間確定

由于巷道處于高地應力環(huán)境中，巷道圍巖積累大量變形能，使得圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，通過對巷道兩幫以及頂板進行采動應力監(jiān)測，根據(jù)采動應力值隨時間變化值，確定圍巖應力趨于平穩(wěn)所需時間。監(jiān)測結果如圖2所示。

圖2 采動應力監(jiān)測結果

對掘進巷道端頭兩幫進行采動應力監(jiān)測，在監(jiān)測10～15d后巷道圍巖應力釋放后進入穩(wěn)定階段。應力變化趨勢可以為巷道圍巖永久支護提供參考。

3.2 支護參數(shù)

3.2.1 錨桿長度

經過綜合分析，采用長度為2.2m的錨桿符合要求，鉆孔孔徑32mm，孔深2.2m。

根據(jù)采礦設計手冊可進行相應支護參數(shù)驗證，可用下列經驗公式：

L=N(1.1+B/10)

(2)

式中：L——錨桿長度，m；

N——巖體穩(wěn)定性系數(shù)，圍巖穩(wěn)定性較好取0.9，中等穩(wěn)定取1.0，穩(wěn)定性較差取1.1，圍巖不穩(wěn)定取1.2；

B——巷道跨度，公式適用于B≤12m。

3.2.2 錨桿間距

國內外礦山使用錨桿間距一般為0.5～2m，常用0.7～1.5m，可用下列公式驗算：

a=(0.5～0.7)L

(3)

錨桿間距a取值為(0.5～0.7)×2.2=1.1～1.5m。

3.2.3 錨桿直徑

國內外礦山使用錨桿直徑12～42mm，錨桿直徑與錨桿種類有關，可以用下列公式驗算：

d=L/110

(4)

錨桿直徑d取值為2.2/110=20mm。

對巖體質量分級為Ⅲ級巖體的圍巖區(qū)域，采用“錨桿+鋼帶+噴漿”聯(lián)合支護。支護參數(shù)見表2，支護布置方式見圖3。

表2 中分段巷Ⅲ級巖體支護參數(shù)

圖3 中分段巷錨噴支護示意圖

處于不穩(wěn)固狀態(tài)(Ⅳ級巖體)的圍巖區(qū)域，擬采用錨桿+金屬網+穿筋鋼帶+噴漿聯(lián)合支護。支護參數(shù)見表3，支護布置方式見圖4。

表3 中分段巷Ⅳ級巖體支護參數(shù)

圖4 中分段巷錨網噴支護示意圖

4 結語

(1)大埋深高地應力環(huán)境下，對巷道進行永久性支護必須確保巷道圍巖的穩(wěn)定性，可以通過監(jiān)測采動應力方式確定巷道圍巖最大程度釋放應力的時間，以確定最佳永久支護時間。三山島金礦深部巷道最佳支護時間為掘進后10～15d。

(2)對巷道進行支護需要進行巖體質量分級，不同巖體質量需要有針對性的支護措施，相對較為破碎的頂板需采用“錨桿+金屬網+穿筋鋼帶+噴漿”支護方式。

(3)為減小支護壓力，需提高頂板圍巖自承能力，需加強頂板破碎巖塊之間位移約束，使破碎巖塊緊密咬合在一起，并利用頂板拱形幾何形狀，使頂板圍巖能承受部分自重。

[1] 何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16):2803-2813.

[2] 何滿潮.中國煤礦軟巖巷道支護理論與實踐[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2006.

[3] 邱忠躍.深部高壓破碎巖石錨索支護實踐[J].煤炭技術,2005, 24(6):100-102.

[4] 劉 永,劉玉元,王樹良.應力巷道深部開采支護方式探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004，(10):58-60.

[5] 周宏偉,謝和平,董正亮,等.深部軟巖巷道噴射鋼纖維混凝土支護技術[J].地質學報,2001,(4):393-398.

[6] 孔德森,蔣金泉.深部巷道錨桿支護參數(shù)優(yōu)化設計[J].煤,2001,(6):1-3.