新型長(zhǎng)錨索預(yù)加固合成采礦技術(shù)研究

李偉明 王明勤 王小軍 賴 偉

（1.中國(guó)五礦長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410012；2.山東黃金礦業(yè)（鑫匯）有限公司，山東青島266715）

紹興平水銅礦是一個(gè)年處理20萬(wàn)t礦石的中型礦山，自1970年建成投產(chǎn)以來(lái)，采礦方法主要為空?qǐng)霾傻V。由于深部-385 m水平采場(chǎng)頂柱和上盤(pán)圍巖不穩(wěn)固，造成采場(chǎng)垮塌等危害，礦山目前不具備充填采礦條件，所以必須研究較好的采場(chǎng)圍巖控制措施，方可保證后續(xù)采場(chǎng)在空?qǐng)鰲l件下生產(chǎn)的安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 巖體工程地質(zhì)條件

（1）礦體圍巖主要為蝕變花崗巖巖組、千糜巖巖組、礦巖巖組、斜長(zhǎng)花崗斑巖巖組、淺變質(zhì)中酸性火山碎屑熔巖巖組。近礦上盤(pán)圍巖主要為斜長(zhǎng)花崗斑巖和千糜巖，其巖層的穩(wěn)定性較差，開(kāi)采過(guò)程中容易出現(xiàn)垮冒和掉塊現(xiàn)象。

（2）運(yùn)用Q系統(tǒng)、RMR分級(jí)、RQD值分級(jí)3種分級(jí)方法，對(duì)礦山井下巖體進(jìn)行分級(jí)，得出了蝕變花崗巖巖組為中等巖體，千糜巖為差巖體，礦體、斜長(zhǎng)花崗斑巖巖組為中等巖體、碎屑熔巖巖組為穩(wěn)定巖體。

（3）對(duì)礦山地壓活動(dòng)規(guī)律調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)：千糜巖巖組巖體整體強(qiáng)度低、巖層風(fēng)化、片理化嚴(yán)重，是重要不利因素，對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性有直接影響，容易引起巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑移現(xiàn)象。

2 新型長(zhǎng)錨索預(yù)加固方案簡(jiǎn)介

為控制采場(chǎng)上盤(pán)圍巖的移動(dòng)，開(kāi)發(fā)巖層加固—礦石回采復(fù)合新技術(shù)，即直接將崩礦炮孔穿進(jìn)上盤(pán)圍巖，圍巖中的炮孔段用作錨固孔，礦體中的炮孔段用作正常的崩礦孔，以提高回采的安全性、大大降低開(kāi)采支護(hù)成本。

在采場(chǎng)最上一分段（-408 m水平）的鑿巖巷道中鉆鑿中深孔，炮孔穿過(guò)頂柱、礦體直接進(jìn)入需要支護(hù)的上盤(pán)圍巖內(nèi)，炮孔加長(zhǎng)部分在頂柱和圍巖中形成，圍巖中加長(zhǎng)部分作為長(zhǎng)錨索錨固孔。然后頂入長(zhǎng)錨索，采用后退式加壓注入水泥砂漿。砂漿錨固后即形成從礦體上盤(pán)、頂柱到礦體的扇形預(yù)錨固結(jié)構(gòu)體。最后在錨索孔下段進(jìn)行裝藥爆破。

3 長(zhǎng)錨索預(yù)加固技術(shù)研究

長(zhǎng)錨索作為深度加固具有十分好的效果，在采礦生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證，取得了較好的工程實(shí)踐效果。

3.1 加固原理

新型長(zhǎng)錨索預(yù)加固合成采礦技術(shù)，是在遇到上盤(pán)和頂柱破碎時(shí)又需要進(jìn)行空?qǐng)霾傻V的技術(shù)基礎(chǔ)上探索出來(lái)。其原理是在礦體崩落之前先將近礦頂柱及上盤(pán)圍巖進(jìn)行預(yù)先加固控制，而加固控制并非采用傳統(tǒng)的施工方案及工藝，而是采用長(zhǎng)錨索加注漿進(jìn)行。錨索孔在支護(hù)成本中占有較大比重，單獨(dú)進(jìn)行錨索孔施工，難度和成本均很大，而優(yōu)先考慮采礦炮孔在一定允許的參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行加深施工，使得加深部分達(dá)到進(jìn)行錨索孔支護(hù)的技術(shù)要求。上部頂柱巖層和上盤(pán)圍巖巖層在加深炮孔內(nèi)的錨索和漿體的延浸和懸吊作用下，改變了巖層的整體結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)調(diào)整了應(yīng)力的分布狀況，將從整體上加固上部破碎巖體，也大大節(jié)省了支護(hù)施工成本。錨索和漿體共同作用使得待支護(hù)頂板和破碎上盤(pán)圍巖體形成完整穩(wěn)固體，很好地加固和控制了待支護(hù)破碎圍巖體，確保了礦體周邊接觸環(huán)境的穩(wěn)固性，使得下一步崩落礦體后空?qǐng)鰲l件下能夠維持一段時(shí)間的穩(wěn)固性，確保了采場(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)開(kāi)采。

長(zhǎng)錨索支護(hù)加固參數(shù)的確定是一個(gè)比較復(fù)雜的工作，為了確定錨索的孔網(wǎng)參數(shù)、錨索長(zhǎng)度和控制面積等參數(shù)，目前主要的理論依據(jù)為普氏松散體理論，采用計(jì)算的方法確定理論參數(shù)，后根據(jù)工程情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進(jìn)。工程理論分析認(rèn)為在空?qǐng)龅V體崩落后采場(chǎng)頂部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛擬的自然平衡拱（即冒落后形成的拱形，如圖1所示），在這個(gè)即將或已經(jīng)形成的拱區(qū)范圍內(nèi)離層礦巖的重力將會(huì)是垮冒的誘力，所以設(shè)計(jì)計(jì)算的長(zhǎng)錨索必須承受的拉力即為所要研究的力載，計(jì)算長(zhǎng)錨索的各項(xiàng)參數(shù)將依據(jù)此力開(kāi)展相關(guān)的計(jì)算和研究。

根據(jù)常規(guī)普氏計(jì)算式，沿采場(chǎng)長(zhǎng)軸方向頂部l m范圍內(nèi)的頂壓計(jì)算過(guò)程如下，其計(jì)算的基礎(chǔ)條件是依據(jù)所研究礦體和設(shè)計(jì)劃分的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

式中，a為采場(chǎng)寬度的一半，m；b為理論冒落拱的形成高度，為巖體的體重，kN／m3；f為普氏硬度系數(shù)。

則

空?qǐng)霾蓤?chǎng)范圍內(nèi)所接觸的礦巖體種類多，礦巖性質(zhì)具有分布的不均勻性，導(dǎo)致γ值取值的多樣性和難選性，為此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)上述理論公式進(jìn)行一定的修正，其修正后的結(jié)構(gòu)公式為

式中，k為礦巖不均勻系數(shù)，0＜k≤1。

采場(chǎng)頂部的總壓力P為

式中，L為采場(chǎng)的露空長(zhǎng)度，m。

依據(jù)所研究礦體的形態(tài)和采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)工程現(xiàn)場(chǎng)取采場(chǎng)平均寬度18 m，即：a=9 m，γ=36.85 kN/m3，L=40 m，k=0.85，f=7，由式（4）計(jì)算得出：

3.2 長(zhǎng)錨索支護(hù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

長(zhǎng)錨索支護(hù)參數(shù)包括長(zhǎng)錨索的支護(hù)面積、根數(shù)、網(wǎng)度、長(zhǎng)度、直徑和砂漿配比等，系列參數(shù)均采用經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出。

3.2.1 采場(chǎng)頂部長(zhǎng)錨索的安裝數(shù)量

在所對(duì)應(yīng)的空?qǐng)霾蓤?chǎng)頂部待支護(hù)礦巖體和結(jié)構(gòu)體中安裝的長(zhǎng)錨索，必須要求牽引住頂部平衡拱范圍內(nèi)的總壓力P，依據(jù)每根長(zhǎng)錨索所能承受的拉力，設(shè)采場(chǎng)頂部所有的壓力均勻分布至各根長(zhǎng)錨索上，可得出一個(gè)平衡拱范圍內(nèi)所需要安裝長(zhǎng)錨索的根數(shù)為

式中，P為平衡拱內(nèi)總壓力，kN；N為鋼絲繩根數(shù)；m為安全系數(shù)，取1.5；R為鋼繩破斷拉力，kN。

由R=343 kN，計(jì)算得n＝116.998。

3.2.2 錨索網(wǎng)度

依據(jù)采場(chǎng)內(nèi)待支護(hù)巖體結(jié)構(gòu)體的形態(tài)、工程巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育情況和計(jì)算參數(shù)，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式將錨索網(wǎng)度D的計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

式中，S為采場(chǎng)頂部暴露面積，S=2La，m2。根據(jù)礦山實(shí)際，取D=2.8 m。

也可根據(jù)類似礦山按類比法確定。一般情況下，相同類似巖體，類似工程經(jīng)驗(yàn)中選取的長(zhǎng)錨索網(wǎng)度一般為（3～4）m×（3～5）m，平均每根長(zhǎng)錨索的支護(hù)面積約為10～15 m2，少量簡(jiǎn)易工程達(dá)到20 m2左右。

3.2.3 長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度

一般長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度是依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況確定，礦山支護(hù)的大多數(shù)工程經(jīng)驗(yàn)為8～12m左右。新型長(zhǎng)錨索支護(hù)的錨索長(zhǎng)度確定還需要在具體工程施工環(huán)節(jié)中考慮鑿巖穿孔設(shè)備能力、錨索安裝方式及注漿工藝等因素，此次工程參數(shù)最終按以下兩個(gè)原則來(lái)確定。

（1）依據(jù)長(zhǎng)錨索具有的組合、懸吊和拉固作用原理，要求支護(hù)的長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度應(yīng)大于待支巖層冒落可能的最大高度，在可控的范圍內(nèi)布置長(zhǎng)錨索。

（2）根據(jù)冒落體的強(qiáng)度等值原則，即錨索的承受強(qiáng)度和所受載荷與砂漿粘結(jié)力應(yīng)相等。

根據(jù)礦山實(shí)際，對(duì)冒落體巖體進(jìn)行工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育情況進(jìn)行分析和調(diào)查，同時(shí)分析其余采場(chǎng)內(nèi)的垮冒巖塊體的形態(tài)和尺寸，綜合考慮相關(guān)類似的工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，選取長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度為5～10 m，平均在8 m左右。

3.2.4 鋼絲繩直徑

鋼絲繩直徑依據(jù)其受力用途和施工設(shè)備能滿足的要求而定，一般直徑為15～25 mm的鋼絲繩，其破斷力在120～350 kN之間。通常理論計(jì)算公式是根據(jù)長(zhǎng)錨索鋼絲繩拉斷受力大小和鋼絲繩外表面積進(jìn)行計(jì)算選取。當(dāng)使用舊鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩的直徑應(yīng)選得稍微大一些。在礦山生產(chǎn)過(guò)程中為考慮節(jié)約生產(chǎn)成本，一般長(zhǎng)錨索支護(hù)采用礦山廢棄的提升用鋼絲繩，起到廢物利用的目的。對(duì)此我們需要校驗(yàn)現(xiàn)有廢棄鋼絲繩的承壓能力和完好程度充分滿足需要即可。根據(jù)礦山實(shí)際，選取新鋼絲繩直徑為?20 mm，舊鋼絲繩直徑為?25 mm，礦山目前廢棄的鋼絲繩基本能夠滿足長(zhǎng)錨索支護(hù)的強(qiáng)度需要。

3.2.5 長(zhǎng)錨索支護(hù)砂漿配比

長(zhǎng)錨索支護(hù)砂漿中所采用水泥為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的標(biāo)號(hào)為425或325的普通硅酸鹽水泥，砂漿配比中砂子要求主要為細(xì)砂，目前的砂漿配比情況暫沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，一般是參照工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，水灰比一般為0.3～0.45，灰砂比為1∶2～1∶3。所以，只需要其固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到3.5～4 MPa即可。調(diào)研部分礦山的工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和使用情況，考慮其配比可參照表1中國(guó)國(guó)內(nèi)部分礦山的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。表1為國(guó)內(nèi)部分礦山的支護(hù)砂漿比例配制情況和黏結(jié)強(qiáng)度值。

?

依據(jù)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，在此工程中取水灰比為0.4，灰砂比為1∶3左右進(jìn)行試驗(yàn)，后期進(jìn)行小幅調(diào)整，工程驗(yàn)證取得了較好的效果。

4 預(yù)加固布置方案

理論計(jì)算確定了錨索的孔網(wǎng)參數(shù)，現(xiàn)施工中通過(guò)分析和微調(diào)整采場(chǎng)鑿巖爆破參數(shù)和長(zhǎng)錨索支護(hù)參數(shù)，中深孔采礦炮孔的排距為1.5～2 m，孔底距為1.8～2.2 m，長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度為8 m左右，網(wǎng)度為（3～4）m×（3～5）m，施工的炮孔必須在一定范圍內(nèi)符合錨索孔網(wǎng)參數(shù)，崩礦炮孔可小幅調(diào)整。經(jīng)調(diào)整后，確定鑿巖炮孔可以間隔一排穿過(guò)頂柱和礦體上盤(pán)圍巖，即每2排鑿巖炮孔中有一排作為加固孔進(jìn)行加深施工，既可滿足長(zhǎng)錨索支護(hù)要求又不影響鑿巖爆破落礦，新型長(zhǎng)錨索預(yù)加固方案如圖2所示。

5 結(jié)論

利用加長(zhǎng)上向崩礦炮孔進(jìn)行長(zhǎng)錨索支護(hù)加固接觸處的圍巖體，前期施工稍有難度，但該項(xiàng)研究成果的應(yīng)用有效控制了采場(chǎng)垮冒等大面積地壓災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了礦山安全生產(chǎn)，大大降低了采場(chǎng)內(nèi)的貧化損失指標(biāo)。由于將崩礦和支護(hù)加固同時(shí)協(xié)同進(jìn)行施工，進(jìn)而節(jié)約了支護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了預(yù)加固合成采礦技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。截止2017年底，在工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用中，安全回采了7個(gè)采場(chǎng)，采出礦量約60萬(wàn)t，其中因此項(xiàng)支護(hù)技術(shù)的改革而增加了采出礦量約12萬(wàn)t，占比較大。

采場(chǎng)最終實(shí)現(xiàn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：回采損失率4.08%～6.01%，采礦貧化率7.16%～8.15%，采切比12.1～13.5 m/kt，采場(chǎng)生產(chǎn)能力350～400 t/d。

［1］ 何滿朝，孫曉明.中國(guó)煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工指南［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.He Manchao，Sun Xiaoming.Chinese Engineering of Soft Rock Roadway in Coal Mine Design and Construction Guide［M］.Beijing:Science Press，2004.

［2］ 王衛(wèi)軍，李樹(shù)清，歐陽(yáng)廣斌.深井煤層巷道圍巖控制技術(shù)及試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，25（10）:2012-2017.Wang Weijun，Li Shuqing，Ouyang Guangbin.Study on technique and test of surrounding rock control of deep shaft coal roadway［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，25（10）:2012-2017.

［3］ 康紅普，林 健，楊景賀，等.松軟破碎硐室群圍巖應(yīng)力分布及綜合加固技術(shù)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（5）:808-814.Kang Hongpu，Lin Jian，Yang Jinghe，et al.Stress distribution and synthetic reinforcement technology for chamber group with soft and fractured surrounding rock［J］.Chinese Journal of geotechnical engineering，2011，33（5）:808-814.

［4］ 康紅普，林 健，楊景賀，等.松軟破碎井筒綜合加固技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（4）:447-452.Kang Hongpu，Lin Jian，Yang Jinghe，et al.Study and practice on combined technology for reinforcing soft and fractured shaft［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2010，27（4）:447-452.

［5］ 劉文朝.采動(dòng)影響下破碎圍巖巷道注漿加固支護(hù)技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（6）:17-20.Liu Wenzhao.Grouting reinforcement support technology for gateway with broken surrounding rock under the mining activity influences［J］.Coal Science and Technology，2009，37（6）:17-20.

［6］ 王旭鋒，張東生，邵 鵬，等.深部軟巖錨噴支護(hù)巷道快速掘進(jìn)技術(shù)［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011（3）；415-419.Wang Xufeng，Zhang Dongsheng，Shao Peng，et al.A rapid excavation technology for shotcreting and bolting roadway in deep soft rock［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2011（3）.415-419.

［7］ 蔡 斌，喻 勇《.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》與Q分類法、RMR分類法的關(guān)系及變形參數(shù)估算［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，10（8）：1677-1679.Cai Bin，Yu Yong.Relationship among national code，Q system and RMR in rockmass classification and evaluation of deformation parameter［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，10（8）:1677-1679.

［8］ 李學(xué)華，楊宏敏，等.動(dòng)壓軟巖巷道錨注加固機(jī)理與應(yīng)用研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012（4）；234-238.Li Xuehua，Yang Hongmin，et al.Research on bolt-grouting reinforcement technology in dynamic pressure and soft rock roadway［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2012（4）:234-238.