謙比希銅礦大型維修硐支護(hù)方案*

楊 鵬，張東紅，王貽明，胡國斌，鄭學(xué)敏，陳順滿

（1.中色非洲礦業(yè)有限公司 謙比希銅礦；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

隨著淺部礦產(chǎn)資源的不斷消耗，越來越多的礦山開始由淺部到深部開采進(jìn)行過渡。由于深部開采埋深大，相應(yīng)的開采成本會(huì)大大增加。伴隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化設(shè)備的快速發(fā)展，越來越多的礦山向自動(dòng)化、信息化和智能化的方向發(fā)展［1-2］。自動(dòng)化、信息化和智能化礦山的建設(shè)與發(fā)展，離不開鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車、錨桿臺(tái)車、錨索臺(tái)車等大型設(shè)備，需建設(shè)大型維修硐室對設(shè)備進(jìn)行維修。由于深部礦山埋深大，若在地表建設(shè)維修硐室，其成本較高、效率低，因此，很有必要在井下建設(shè)大型維修硐室［3］。大型硐室的服務(wù)年限較長，斷面大，其穩(wěn)定性對保證礦山的安全生產(chǎn)至關(guān)重要［4-5］。

國內(nèi)外學(xué)者針對大型維修硐室的特點(diǎn)進(jìn)行了大量研究，李歲學(xué)結(jié)合酒鋼西溝礦大型破碎硐室復(fù)雜工程地質(zhì)特點(diǎn)，提出了錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)方案，應(yīng)用效果較好［6］。孫和林結(jié)合大型硐室支護(hù)技術(shù)，分析了硐室常用的支護(hù)方式有金屬支架支護(hù)、錨注支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨索支護(hù)和錨網(wǎng)索支護(hù)［7］。翟會(huì)超的研究表明影響大型硐室穩(wěn)定性的主要因素有地應(yīng)力、地下水、硐室斷面和硐室形狀等［8］。梁權(quán)宇采用數(shù)值模擬技術(shù)建立深井大斷面硐室三維模型，分析了硐室支護(hù)后的應(yīng)用效果［9］。王辰林以鶴壁四礦主皮帶機(jī)頭硐室為研究對象，結(jié)合該硐室工程地質(zhì)條件，提出了錨噴錨索組合支護(hù)技術(shù)［10］。Yang Yu 對大型軟巖硐室的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為巖性和節(jié)理裂隙分布是影響硐室穩(wěn)定性的重要影響因素［11］。Yu Werijian 對曲江煤礦主運(yùn)輸巷道進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查，認(rèn)為影響巷道大變形的主要因素為巖石強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力釋放形式、支護(hù)形式和地下水等［12］。雖然這些研究都解決了大型維修硐室的穩(wěn)定性問題，但不同工程地質(zhì)條件下的硐室其影響因素不同，需針對不同的工程地質(zhì)情況，有針對性的對其影響因素進(jìn)行分析，提出合理的支護(hù)方案。

本文以謙比希銅礦東南礦體井下大型維修硐室為工程研究背景，針對該維修硐室斷面大、埋深大、硐室群多等特點(diǎn)，對其工程地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查和巖體質(zhì)量穩(wěn)定性評價(jià)，并采用BIENIAWSKI強(qiáng)度理論和冒落拱理論對其穩(wěn)定性進(jìn)行校核和冒落拱高度預(yù)測，提出了該維修硐室的支護(hù)方案，可為類似工程提供一定的參考。

2 工程地質(zhì)概況

謙比希銅礦東南礦區(qū)礦體賦存于680ML至1060ML水平，設(shè)計(jì)采用豎井和平巷聯(lián)合開拓方式，地表無斜坡道通井下。設(shè)計(jì)5個(gè)生產(chǎn)運(yùn)輸中段，分別為680ML、800ML、900ML、980ML和1080ML，生產(chǎn)能力為330萬t/a。為滿足礦山生產(chǎn)需要，并實(shí)現(xiàn)將東南礦區(qū)建設(shè)成為高度自動(dòng)化、機(jī)械化的現(xiàn)代化先進(jìn)礦山，井下使用大型無軌設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，主要生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備型號為SANDVIK的DD422I鑿巖臺(tái)車、LH514鏟運(yùn)機(jī)、TH540礦卡、DS411支護(hù)臺(tái)車及GETMAN S3120撬毛臺(tái)車等。因此在800ML中段設(shè)計(jì)大型無軌設(shè)備維修硐室，用于井下無軌生產(chǎn)及輔助設(shè)備日常檢修、維護(hù)和大修，保障無軌設(shè)備的高效運(yùn)行。

通過在現(xiàn)場進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，維修硐室主要賦存在下盤石英巖中，在室內(nèi)對巖石的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，得到下盤石英巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。如圖1所示為該大型維修硐室的節(jié)理裂隙調(diào)查情況，測線長度為44.1m，長度超過2m的節(jié)理裂隙共79條，節(jié)理密度為1.79條/m，即0.56m/條。優(yōu)勢節(jié)理面可分為三組，其產(chǎn)狀為：225°∠62°，323°∠79°，360°∠75°；三組節(jié)理互相穿插切割，加大了對圍巖的切割破壞程度。

圖1 節(jié)理裂隙調(diào)查情況

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該大型維修硐室的工程條件，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場節(jié)理裂隙調(diào)查情況，采用RMR分級系統(tǒng)對下盤石英巖進(jìn)行巖體質(zhì)量評價(jià)，該分級系統(tǒng)考慮了地下水、節(jié)理狀態(tài)、RQD和巖石強(qiáng)度等指標(biāo)，得到下盤石英巖的分級結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明下盤石英巖屬于Ⅱ級巖體，屬于相對較好的巖體類型。

表2 謙比希銅礦東南礦體巖體RMR分級結(jié)果

3 巖體穩(wěn)定性分析

根據(jù)謙比希銅礦東南礦體800ML中段維修硐室工程的設(shè)計(jì)情況，該維修硐室是由很多硐室而組成的硐室群，斷面較大，且硐室分布較為密集，為了保證其長期穩(wěn)定性，采用BIENIAWSKI巖柱強(qiáng)度理論對其設(shè)計(jì)的硐室尺寸進(jìn)行穩(wěn)定性校核［13］，并采用普氏壓力拱理論對其冒落拱高度進(jìn)行預(yù)測，為硐室的支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3.1 BIENIAWSKI強(qiáng)度校核

如圖2所示為設(shè)計(jì)的維修硐室群分布情況，圖中①～⑩為主要硐室，包括有工具儲(chǔ)放室、材料倉庫、鏟運(yùn)機(jī)維修車位和鑿巖臺(tái)維修車位等，硐室長度為35m，斷面形狀為矩形，斷面尺寸如表3所示。各個(gè)硐室之間留有巖柱，相當(dāng)于房柱法中的礦柱，且相鄰兩硐室之間的距離為12m。

圖2 800ML中段維修硐室布置圖

表3 維修硐室斷面尺寸

（1）巖柱所受外來載荷。

如圖3所示為矩形巖柱受力示意圖，根據(jù)面積承載力學(xué)理論，巖柱承受的力為巖柱上覆圍巖的重力，假設(shè)巖柱分?jǐn)偟拿娣e按均勻分布，包括巖柱自身的面積和巖柱分?jǐn)偟拈_采面積。根據(jù)巖柱的受力特點(diǎn)，得到如式（1）中的關(guān)系式。

圖3 矩形巖柱計(jì)算示意圖

式中：σp為巖柱軸向平均應(yīng)力（所受外來荷載），MPa；pzz為巖柱承載面積上方的豎直應(yīng)力，MPa；B0和L0分別為巖柱間的寬度和長度，m；Bp和Lp分別為巖柱的寬度和長度，m。

根據(jù)式（1）可以得出巖柱布置方式中平均應(yīng)力的計(jì)算，得到矩形巖柱計(jì)算公式（2）：

式中：γ—上覆巖層的容重，N·m-3；H—上覆巖層厚度，m。

礦東南礦體800ML中段大型維修硐室現(xiàn)場情況進(jìn)行分析，上覆巖層容重取平均值為27000N·m3，上覆巖層的厚度為800m，巖柱的長度和寬度為35m和12m，巖柱間隔的長度與寬度分別為5m和9m；將上述參數(shù)代入式（2）計(jì)算，可得打巖柱軸向平均應(yīng)力為41.14MPa。

（2）巖柱抗壓強(qiáng)度。

巖柱強(qiáng)度主要取決于巖柱的單軸抗壓強(qiáng)度，且與巖柱的形狀和尺寸等有關(guān)，巖柱強(qiáng)度可采用BIENIAWSKI巖柱強(qiáng)度公式（3）：

式中：Sp—巖柱的抗壓強(qiáng)度，MPa；σc—巖柱巖體本身的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；h—巖柱間硐室高度，m；α—常數(shù)，取值根據(jù)巖柱的寬高比值而定，φ為折減系數(shù)，一般取值為0.5。

根據(jù)BIENIAWSK等人的實(shí)驗(yàn)研究成果，當(dāng)巖柱的寬高比大于5時(shí)，α＝1.4；而當(dāng)巖柱的寬高比小于5時(shí)，α＝1。當(dāng)≥1時(shí)，Sp=σc。謙比希銅礦東南礦體800ML中段維修硐室的設(shè)計(jì)情況，巖柱的寬高比普遍小于1，故取α＝1。

根據(jù)面積承載理論進(jìn)行分析計(jì)算得到巖柱的安全系數(shù)如式（4）所示：

式中：K為安全系數(shù)，當(dāng)K＞1時(shí)，巖柱較穩(wěn)定；當(dāng)K=1時(shí)，巖柱剛好處于安全狀態(tài)；當(dāng)K＜1時(shí)，巖柱不穩(wěn)定。

根據(jù)該維修硐室的設(shè)計(jì)情況，維修硐室的最大高度為8.8m，維修硐室圍巖為下盤石英巖，其單軸抗壓強(qiáng)度為172.61MPa，結(jié)合謙比希銅礦東南礦體800ML中段維修硐室?guī)r柱的參數(shù)，可得到＞1，因此，巖柱的抗壓強(qiáng)度如式（5）所示：

代入巖柱軸向平均應(yīng)力，得到巖柱安全系數(shù)如式（6）：

通過以上計(jì)算，可得到維修硐室間的巖柱安全系數(shù)為2.1，可保證巖柱的安全。

3.2 巷道冒落拱高預(yù)測

大量工程實(shí)踐證明，硐室開挖以后，其頂部會(huì)發(fā)生一定程度的下沉，但頂板不會(huì)無限的下沉，而是形成一定程度的拱，因此，可采用普氏拱理論對其冒落拱高度進(jìn)行預(yù)測［14］。

圖4 普氏冒落拱示意圖

如圖4所示為普氏冒落拱示意圖，令巷道的寬度和高度分別為2b1和h0，冒落形成的壓力拱跨度和拱高分別為2b2和h，根據(jù)普氏壓力拱理論，可得到如下關(guān)系式：

根據(jù)東南礦體大型硐室的工程地質(zhì)條件，主要巖性為下盤石英巖，實(shí)驗(yàn)得其內(nèi)摩擦角為38.17°，fk=17，考慮圍巖中存在一定的節(jié)理裂隙會(huì)對巖體進(jìn)行分割，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論，對fk進(jìn)行一定的折減，取fk為10進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中以維修硐室中最大斷面為依據(jù)，寬度分別為8.0m和7.0m，分別計(jì)算冒落拱高見表3，可以看出冒落拱最大高度為0.78m。

表3 不同硐室寬度時(shí)潛在的冒落拱高

4 維修硐室支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過對東南礦體800ML中段大型維修硐室在建地段的圍巖物理力學(xué)特性、工程水文地質(zhì)條件、圍巖地應(yīng)力分布特性等調(diào)查研究，顯示該維修硐室圍巖的強(qiáng)度較高，圍巖整體穩(wěn)定性相對較好，冒落拱最大高度為0.78m，屬于中等松動(dòng)圈。結(jié)合礦山現(xiàn)有的支護(hù)方式，確定維修硐室以錨噴支護(hù)為主，對于局部破碎地段需添加鋼網(wǎng)支護(hù)。

4.1 錨桿支護(hù)參數(shù)計(jì)算

常用的錨桿支護(hù)理論有松動(dòng)圈理論、組合梁理論、組合拱理論和懸吊理論等，謙比希銅礦圍巖以層狀結(jié)構(gòu)為主，且最大冒落拱高度為0.78m，因此，采用懸吊理論對錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合礦山現(xiàn)有的錨桿，采用砂漿錨桿對其進(jìn)行支護(hù)，錨桿直徑為20mm。

（1）錨桿長度。

砂錨桿長度可由式（9）確定：

式中：L—錨桿總長度，m；La、Lb、Lc—分別為錨桿深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度、懸吊的不穩(wěn)定巖層高度和錨具、托盤厚度，m。

砂漿錨桿為粘結(jié)型錨固體，其錨固段長度La可由公式（10）計(jì)算：

式中：K—安全系數(shù)，一般取為2；d—錨桿的直徑，mm；fs—錨桿的抗拉強(qiáng)度，MPa，取455 MPa；fc—錨桿與水泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度，fc=7MPa。將以上參數(shù)代入式（10）中，即可得到錨固長度為715mm。

根據(jù)計(jì)算，冒落拱最大高度為0.78m，錨具、托盤厚度為0.2m，將上述參數(shù)分別代入公式（9），計(jì)算可得到錨桿的長度為1.695m，礦山現(xiàn)有的錨桿長度為2.1m，因此采用2.1m長的砂漿錨桿滿足支護(hù)要求。

（2）錨桿間、排距。

砂漿錨桿排間距可由式（11）進(jìn)行計(jì)算：

式中：a—錨桿間、排距，m；G—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，KN/根，取70KN/根；K—安全系數(shù)，一般取2；Lb—有效長度，即冒落拱高度，位0.78m；γ—巖體容重，由圍巖的性質(zhì)決定。

將上述參數(shù)代入式（13）中進(jìn)行計(jì)算，即可得到錨桿的間排距為1.29m，因此，間排距取值為1.3m。

4.2 噴層厚度確定

常用的確定噴層厚度的方法有理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)取值法。在工程實(shí)踐中，應(yīng)用較多的為經(jīng)驗(yàn)取值法，但需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行確定。而噴層常用的破壞形式為沖切破壞作用和黏結(jié)破壞作用［15］，因此，采用沖切破壞作用和黏結(jié)破壞作用對該維修硐室的噴層厚度進(jìn)行計(jì)算。

4.2.1 沖切破壞作用

假設(shè)硐室斷面為半圓拱形狀，按照最不利的情況來進(jìn)行計(jì)算，危巖的范圍為圖5中ABC所包圍的體積減去硐室的拱高部分體積，其中沿硐室軸向方向取值為1m，得到噴層厚度的計(jì)算公式為：

式中 ：H—噴層厚度，cm； G—危石重量，kg；S—危石周邊長，cm；δ—混凝土抗剪強(qiáng)度，一般取δ=6kg/cm2；k—安全系數(shù)，k=2.5。

危巖的容重和周邊長計(jì)算公式分別如式（12）和（13）所示：

圖5 按沖切破壞理論計(jì)算噴射混凝土厚度

圖6 按粘結(jié)破壞理論計(jì)算噴射混凝土厚度

4.2.2 黏結(jié)破壞作用

如圖6所示，在危石重量G的作用下，噴射混凝土與圍巖壁間將產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力，當(dāng)噴層設(shè)計(jì)的黏度大于現(xiàn)場實(shí)際的黏度時(shí)，則混凝土?xí)l(fā)生拉裂破壞。采用黏結(jié)破壞作用對噴層厚度進(jìn)行計(jì)算的公式如式（14）所示。

式中：δN—噴射混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，3kg/cm2；K—巖石彈性拉伸系數(shù)，1×104kg/cm2；E—巖石的彈性模量，kg/cm2，由圍巖的性質(zhì)決定。

分別代入上式中的各參數(shù)，取硐室的寬度分別為7m和8.0m進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)采用沖切破壞理論時(shí)，噴層厚度分別為20.68mm和23.64mm；采用黏結(jié)破壞作用理論時(shí)，噴層厚度分別為47.12mm和56.30mm，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取值法，該維修硐室噴層厚度的取值為50mm。

4.3 金屬網(wǎng)參數(shù)確定

金屬網(wǎng)的作用在于防止碎石掉落，并與錨桿和噴層共同作用，使支護(hù)形成一個(gè)整體，提高支護(hù)阻力。其參數(shù)主要根據(jù)礦山現(xiàn)有的金屬網(wǎng)來進(jìn)行確定，其材質(zhì)為A3的鋼，直徑為6mm，網(wǎng)格尺寸為150mm×150mm，網(wǎng)片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長度為200mm。

4.4 支護(hù)方案確定

根據(jù)懸吊理論、沖切破壞作用、黏結(jié)破壞作用和經(jīng)驗(yàn)取值法等，確定謙比希銅礦東南礦體800ML大型維修硐室采用錨噴支護(hù)，局部添加鋼網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。主要支護(hù)參數(shù)如下：錨桿為砂漿錨桿，長度和直徑分別為2100mm和20mm，間排距為1.3m。噴層厚度為50mm，鋼網(wǎng)直徑為6mm，網(wǎng)格尺寸為150mm×150mm，網(wǎng)片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長度為200mm。

5 結(jié)論

（1）通過對維修硐室的現(xiàn)場情況進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，確定巖體的質(zhì)量等級為Ⅱ級，屬于較好的巖體類型。

（2）根據(jù)維修硐室現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，BIENIAWSKI巖柱強(qiáng)度理論對其間排距進(jìn)行了校核，得到維修硐室間的巖柱安全系數(shù)為2.1，可保證巖柱的安全。并采用普氏拱理論對硐室的冒落拱高度進(jìn)行了預(yù)測，得到冒落拱的最大高度為0.78m。

（3）結(jié)合理論公式和經(jīng)驗(yàn)取值法，確定維修硐室的支護(hù)方案為錨噴支護(hù)，局部破壞地段添加鋼網(wǎng)支護(hù)，其支護(hù)參數(shù)為：錨桿為砂漿錨桿，長度和直徑分別為2100mm和20mm，間排距為1.3m。噴層厚度為50mm，鋼網(wǎng)直徑為6mm，網(wǎng)格尺寸為150mm×150mm，網(wǎng)片尺寸為2400mm×1200mm，搭接長度為200mm。

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