司家營(yíng)鐵礦厚大礦體空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_采協(xié)同支護(hù)方法

胡巍巍　翟會(huì)超

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，河北唐山063000）

隨著工業(yè)化程度的不斷提高及環(huán)保力度不斷加強(qiáng)，空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V技術(shù)在地下金屬礦山得到廣泛應(yīng)用，尤其是產(chǎn)能釋放大的鐵礦山[1-3]。然而大規(guī)模高效群采帶來的地壓變化勢(shì)必影響采場(chǎng)礦房礦柱和圍巖的穩(wěn)定性以及采礦作業(yè)安全和生產(chǎn)可持續(xù)性，探尋一種綜合利用圍巖、充填體協(xié)同支護(hù)的方法[4-5]對(duì)井下安全經(jīng)濟(jì)開采意義重大。

1　支護(hù)體系分析

研究發(fā)現(xiàn)，礦體大規(guī)模開采過程中，由于地壓變異影響，在礦體水平寬度范圍內(nèi)，礦塊上覆巖層中形成不可逆三鉸拱承載結(jié)構(gòu)，來承擔(dān)拱形結(jié)構(gòu)之上的礦巖重力，拱形之下的巖層自重則需要二步回采礦房礦柱來支撐維護(hù)。利用新奧法思想，在一二步礦房鑿巖硐室形成的過程中，適當(dāng)讓硐室頂板（即礦塊頂板）巖體自行變形、釋放應(yīng)力，然后再利用大水礦山注漿的工藝過程，加以錨固注漿（中空錨桿注漿和中空錨索注漿）。其中，中空錨桿注漿主要作用在于頂板淺層加固；中空錨索注漿則在于深部加固，并將大跨度不可逆三鉸拱結(jié)構(gòu)之下巖層自重懸掛到拱形結(jié)構(gòu)上，形成拱懸掛橋梁支護(hù)體系，如圖1所示。

該拱懸掛橋梁支護(hù)體系，首先是利用礦房上部剛掘進(jìn)的鑿巖硐室，在硐室頂板打入注漿中空錨桿，形成各個(gè)礦房頂板淺層小拱壓縮區(qū)來承載大拱下覆巖層自重；再在每個(gè)礦房或相隔幾個(gè)礦房的鑿巖硐室頂板打入注漿錨索，形成深部懸掛機(jī)構(gòu)，將大拱下覆巖層自重分配到大跨不可逆三鉸拱結(jié)構(gòu)上；最后在礦體上下盤礦房鑿巖硐室水平或微傾斜打入注漿錨桿加固大跨三鉸拱拱腳承載能力。這樣，就會(huì)形成包含深層錨索懸掛機(jī)構(gòu)、淺層錨桿壓縮機(jī)構(gòu)、上下盤水平加固機(jī)構(gòu)、礦房圍巖自穩(wěn)機(jī)構(gòu)4個(gè)承載機(jī)構(gòu)的拱懸掛橋梁支護(hù)承載體系。

2　結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

拱懸掛橋梁支護(hù)承載力學(xué)結(jié)構(gòu)，見圖2所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系平衡，可得：

式中，VA、VB均為拱腳垂直反力；HA、HB均為拱腳水平反力；Fi為注漿錨索懸掛力；x代表橫坐標(biāo)值；f為大跨拱拱失；L為大跨拱跨度；為對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)支梁C點(diǎn)處彎矩；q（x）為荷載。

模型中的Fi可根據(jù)大跨不可逆三鉸拱下覆巖層自重進(jìn)行簡(jiǎn)化近似求解計(jì)算：

則中空注漿錨索總長(zhǎng)度簡(jiǎn)化計(jì)算為：

3　工程應(yīng)用

司家營(yíng)南區(qū)為國(guó)內(nèi)罕見的大水地下礦山，采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采，設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵礦石1 500萬t，該礦體屬于傾斜到急傾斜厚大礦體[6]，水平厚度約200 m，傾角45°～60°，首采水平上覆荷載q=10.4 MPa，礦體單軸抗壓強(qiáng)度13.59 MPa，礦巖密度3 300 kg/m3，設(shè)計(jì)礦房長(zhǎng)度（L＇）50 m、寬20 m，階段高度50 m。

首先，選擇中空注漿錨索鉆孔孔直徑0.032 m，錨索強(qiáng)度1.76×109Pa，利用式（2）與（3）可得到錨索總長(zhǎng)度值為360 m，考慮施工設(shè)計(jì)與組織便捷，研究選定每根錨索長(zhǎng)度均等20 m，則需要18根錨索，即在礦房長(zhǎng)度方向上布設(shè)6排懸掛錨索，每排在橫跨上均勻布置3根。

其次，利用式（1）和已經(jīng)設(shè)計(jì)好的錨索布設(shè)位置，對(duì)懸掛橋梁支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，得到VA=VB=3.5×109N，按照拱腳處承載寬度為20 m，承載長(zhǎng)度為50/3 m（因?yàn)?排錨索承擔(dān)的長(zhǎng)度是50 m，每排則是50/3 m），則拱腳處壓應(yīng)力值為10.5 MPa＜13.59 MPa，屬于穩(wěn)定狀態(tài)，故可以不進(jìn)行拱腳處的注漿錨桿加固。

最后，受大規(guī)模開采強(qiáng)爆破擾動(dòng)影響，礦塊頂板水平的淺層中空注漿錨桿加固是必要的，也是形成大跨拱結(jié)構(gòu)下覆巖層托梁的必要手段?；趹覓旃皹騾f(xié)同支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，司家營(yíng)南區(qū)地下大規(guī)模開采安全可得到充足保障，確保地表環(huán)境不受破壞。

4　數(shù)值模擬

針對(duì)拱懸掛橋梁支護(hù)承載體系平面問題進(jìn)行數(shù)值模擬[7-8]，非連續(xù)介質(zhì)模型同前一樣。礦體首采水平礦塊內(nèi)礦房劃分為一二步礦房，一步礦房寬20 m，二步礦房寬26 m，礦塊內(nèi)部在開采水平的礦體中央、上盤及下盤3處位置分別布設(shè)1條長(zhǎng)20 m注漿錨索，礦塊內(nèi)各個(gè)礦房均勻布置5 m長(zhǎng)錨桿，數(shù)值計(jì)算首采水平在支護(hù)前后的頂板位移、冒落、結(jié)構(gòu)面屈服等變化情況。

圖3、圖4的位移計(jì)算結(jié)果顯示，在沒有支護(hù)作用的保障下，靠近上盤礦房危險(xiǎn)單元塊的頂板發(fā)生了顯著冒落現(xiàn)象，位移已經(jīng)高達(dá)2.5 m，并有其他礦房伴隨冒落的可能性。而經(jīng)過深部錨索加固和頂板淺部錨桿加固作用后，頂板變形收到有效限制，在不平衡力趨于0的同時(shí)，頂板位移僅為0.5 m，并趨于穩(wěn)定，說明礦巖體自穩(wěn)性與外部支護(hù)技術(shù)協(xié)同維護(hù)采場(chǎng)圍巖工程穩(wěn)定性。

5　結(jié)語

（1）綜合大水礦山開采實(shí)際情況，研究形成包含深層錨索懸掛機(jī)構(gòu)、淺層錨桿壓縮機(jī)構(gòu)、上下盤水平加固機(jī)構(gòu)、礦房圍巖自穩(wěn)機(jī)構(gòu)四個(gè)承載機(jī)構(gòu)的拱懸掛橋梁支護(hù)承載體系。

（2）利用拱形理論分析了簡(jiǎn)易的力學(xué)計(jì)算和注漿錨索長(zhǎng)度計(jì)算模型，并應(yīng)用于礦山工程得到了支護(hù)分布方案，同時(shí)進(jìn)行了力學(xué)驗(yàn)證。

（3）運(yùn)用UDEC對(duì)支護(hù)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬結(jié)果驗(yàn)證了理論分析，表明利用拱懸掛橋梁支護(hù)承載體系的維穩(wěn)方案可以保障司家營(yíng)南區(qū)地下大規(guī)模開采安全，確保地表環(huán)境不受破壞。