深部蝕變巖型巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用研究

李曉飛 孟祥凱 趙興東

（1.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司焦家金礦，山東 萊州 261441；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

隨著深部的不斷開(kāi)采，三高一擾動(dòng)現(xiàn)象越來(lái)越明顯［1］，受復(fù)雜的礦巖力學(xué)條件以及頻繁的開(kāi)挖擾動(dòng)影響，導(dǎo)致在蝕變巖型巖體內(nèi)施工巷道工程，頻繁出現(xiàn)不同程度的圍巖變形、片幫和冒頂破壞，甚至在一些區(qū)域發(fā)生大范圍的失穩(wěn)垮落，造成巷道支護(hù)工程量大，后期難以恢復(fù)不得不進(jìn)行改道現(xiàn)象，不僅影響礦山深部接續(xù)，對(duì)工人也造成了極大的安全隱患。因此，深部蝕變巖型巷道圍巖的穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)，已成為礦山工程技術(shù)人員所特別關(guān)注的問(wèn)題。

1 工程背景

焦家金礦施工15中段某蝕變巖型巷道巖石主要技術(shù)參數(shù)為普氏硬度系數(shù)5.62、松散度1.6。該工程為深部接續(xù)重點(diǎn)工程，在施工過(guò)程中，多次出現(xiàn)不同程度的塌方（見(jiàn)圖1）。15中段該巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)方式（見(jiàn)圖2）為錨噴支護(hù)，錨桿?42 mm、長(zhǎng)度1.8 m/根、間距1 m、排距2 m、噴漿厚度50 mm，隨著不斷掘進(jìn)，發(fā)現(xiàn)巷道出現(xiàn)不同程度的變形，局部變形超過(guò)1 m，為防止巷道繼續(xù)變形采用增加U型鋼加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)間距1 m/架。整改后的支護(hù)方案為采用錨桿+噴漿+工字鋼支護(hù)［2］。支護(hù)后仍出現(xiàn)不同程度變形，且修復(fù)過(guò)程中支護(hù)施工難度大。不僅耗費(fèi)較大而且給安全生產(chǎn)造成一定影響。

原有的支護(hù)方式已經(jīng)不能適應(yīng)該巷道的要求，需要對(duì)該段巷道進(jìn)行巖石質(zhì)量分級(jí)，選取合適的支護(hù)方式，從而更快速地通過(guò)該區(qū)域。因此，對(duì)于深部蝕變巖型巷道須由巖石力學(xué)工程師對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖石力學(xué)調(diào)查［3］，調(diào)查完畢后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果出具相應(yīng)支護(hù)參數(shù)，給采礦工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工提供理論依據(jù)。

2 方案措施

2.1 地質(zhì)調(diào)查

為準(zhǔn)確分析焦家金礦15中段深部高應(yīng)力蝕變巖型巷道的巖石穩(wěn)定性狀況，巖石力學(xué)工程師選擇用測(cè)線法［4］對(duì)高應(yīng)力蝕變巖型區(qū)域巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行了調(diào)查分析。圖3為巖石力學(xué)工程師現(xiàn)場(chǎng)布置節(jié)理測(cè)線和進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查，以節(jié)理走向的形式呈現(xiàn)出不同水平的節(jié)理組數(shù)、特點(diǎn)及方向［5］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面狀況的調(diào)查結(jié)果，將圍巖的結(jié)構(gòu)面情況列于表1。為其巖體質(zhì)量分級(jí)提供了技術(shù)支撐，使得巖石穩(wěn)定性分級(jí)準(zhǔn)確性得到提高。

2.2 巖體地質(zhì)力學(xué)RMR分級(jí)

RMR評(píng)分值由巖塊強(qiáng)度R1、RQD值R2、節(jié)理間距R3、節(jié)理?xiàng)l件R4、地下水R5及節(jié)理方向修正參數(shù)R6指標(biāo)組成：RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6。最后通過(guò)相關(guān)參數(shù)修正，得到最終巖石質(zhì)量分級(jí)［6］。各中段巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)如表2所示。

根據(jù)RMR=21～40分級(jí)結(jié)果應(yīng)選擇Ⅳ—差進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，結(jié)合礦山自身材料設(shè)備情況，采用巷道頂板和兩幫錨桿長(zhǎng)2 m，間距2 m，采用金屬網(wǎng)錨噴支護(hù)，頂板噴射混凝土厚度100 mm，局部采用工字鋼鋼支架，排距2 m。

2.3 巷道（采場(chǎng)）穩(wěn)定性分析

依據(jù)表1結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果相關(guān)信息，利用Unwedeg軟件對(duì)15中段該巷道進(jìn)行潛在楔形體識(shí)別［7］。并對(duì)根據(jù)巖石力學(xué)分級(jí)結(jié)果提出的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)分析，如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以看出，當(dāng)采用長(zhǎng)度2 m的樹(shù)脂錨桿時(shí)楔形體未與上部巖石形成整體，極易導(dǎo)致塌落。因此為確保楔形體的穩(wěn)定性，防止塌落，在巷道右上部楔形體位置采用了3根5 m的長(zhǎng)錨索進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)排距2 m，間距1 m，如圖6、圖7所示。

通過(guò)Unwedge軟件對(duì)最大潛在楔形體識(shí)別表明：15中段該巷道頂板潛在楔形塊體安全系數(shù)為0，極不穩(wěn)定，有垮塌危險(xiǎn)，采用排距2 m、間距1 m、長(zhǎng)度2 m樹(shù)脂錨桿支護(hù)后，頂板潛在楔形體安全系數(shù)變?yōu)?0，仍不穩(wěn)定，存在較大安全隱患。當(dāng)采用樹(shù)脂錨桿間距1 m、排距2 m、錨桿長(zhǎng)度2 m，頂板右上部楔形體部位增加3根支護(hù)長(zhǎng)錨索（長(zhǎng)度5 m、排距2 m、間距1 m）后頂板潛在楔形體安全系數(shù)變?yōu)?56.386，能夠保持巷道的穩(wěn)定。

2.4 雙鋼筋支護(hù)

雙鋼筋制作簡(jiǎn)單可靠（見(jiàn)圖 8）［8］，利用2根礦用?10～12 mm的圓鋼由工人現(xiàn)場(chǎng)焊接使用。整個(gè)雙鋼筋的長(zhǎng)度根據(jù)巷道頂板及兩幫情況決定，原則是有錨桿錨索的地方都應(yīng)被雙鋼筋覆蓋。在雙鋼筋之間每隔0.5 m焊接1個(gè)連接點(diǎn)，連接點(diǎn)的間距根據(jù)錨桿錨索間距確定，不能影響錨桿錨索托盤(pán)安裝使用。施工過(guò)程中，首先施工頂板錨桿，將雙鋼筋固定在頂板上，然后按巷道拱形輪廓以此施工錨桿錨索，使得雙鋼筋和錨桿錨索托盤(pán)緊貼巖壁，已達(dá)到錨桿錨索雙鋼筋形成一個(gè)整體拱，起到組合拱的作用。

根據(jù)前期雙鋼筋支護(hù)效果來(lái)看，采用錨桿+錨索+雙鋼筋支護(hù)方式，使得三者形成一個(gè)整體，相互作用，形成一個(gè)組合拱作用，使其本來(lái)單獨(dú)發(fā)揮作用的錨桿錨索，連接成為一個(gè)整體，極大提高了巷道整體的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保證了巷道穩(wěn)定。將錨桿錨索采用雙鋼筋連接到一起在蝕變巖體中尤其重要，不僅能快速地進(jìn)行支護(hù)，使其在巷道變形初期就將巷道變成一個(gè)統(tǒng)一的整體發(fā)揮作用，而且雙鋼筋具有一定的柔韌性，可以適當(dāng)進(jìn)行變形，屬于柔性支護(hù)，更適合深部開(kāi)采需要。

2.5 支護(hù)方式確定

基于巖石力學(xué)調(diào)查進(jìn)行的巖體質(zhì)量分級(jí)和基于RMR分級(jí)的支護(hù)圖表進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Unwedge軟件對(duì)該巷道進(jìn)行潛在楔形體識(shí)別［9］，并對(duì)根據(jù)巖體力學(xué)分級(jí)提出的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，創(chuàng)新性地提出了“樹(shù)脂錨桿+長(zhǎng)錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護(hù)方式［12］。該支護(hù)方式主要針對(duì)蝕變巖性巷道頂板：樹(shù)脂錨桿+長(zhǎng)錨索+雙鋼筋+噴射混凝土；樹(shù)脂錨桿間排距2 m、長(zhǎng)度2.4 m、直徑20 mm，全長(zhǎng)錨固，噴射混凝土厚度100 mm、初噴30 mm。雙鋼筋?8～10 mm盤(pán)圓鋼線拉直焊接，間距6～8 cm，長(zhǎng)度1.4 m；托盤(pán)200 mm×200 mm×8 mm，沖擊呈碗狀。初噴射混凝土后，在巷道右上部按照設(shè)計(jì)補(bǔ)打錨索支護(hù)，錨索長(zhǎng)4～5 m，間排距2 m?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方式示意見(jiàn)圖9。

3 巷道支護(hù)效果評(píng)價(jià)

3.1 工業(yè)試驗(yàn)地點(diǎn)

根據(jù)確定的焦家金礦蝕變巖型巷道圍巖支護(hù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證所提出支護(hù)方案的合理性。選取附近巷道，該巷道與原巷道距離20 m，巖石主要技術(shù)參數(shù)基本一致，通過(guò)前期巖石力學(xué)調(diào)查，頂板存在長(zhǎng)度約4 m的楔形體構(gòu)造。

3.2 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

15中段該巷道施工后1 d，在巷道頂板斷層F1、F2及兩幫斷層F3、F4處，設(shè)定6個(gè)巷道圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)采用“樹(shù)脂錨桿+長(zhǎng)錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護(hù)前后巷道圍巖的收斂變形值，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)效果見(jiàn)圖10。該巷道施工完畢20 d后，開(kāi)始進(jìn)行支護(hù)方案的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，巷道收斂變形監(jiān)測(cè)周期為2019年12月30日—2020年2月8日，共計(jì)約1個(gè)月。

圖11顯示了巷道圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)斷面頂板和兩幫監(jiān)測(cè)結(jié)果［10］。從圖中曲線可以看出，在巷道施工過(guò)程中，3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的收斂變形呈階梯狀增加，且兩幫變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于頂板圍巖的變形量?？梢?jiàn)楔形體構(gòu)造對(duì)頂板影響較大。兩幫圍巖最大變形量為6 mm，頂板圍巖最大變形量為25 mm。自2019年12月30日—2020年2月8日，該巷道進(jìn)行樹(shù)脂錨桿+長(zhǎng)錨索+雙鋼筋+噴射混凝土支護(hù)后，巷道中所設(shè)的6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形均趨于穩(wěn)定，并在30 d監(jiān)測(cè)中保持穩(wěn)定，圍巖累計(jì)變形量不再增加。由此可以得出結(jié)論，該支護(hù)方式以及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)的選取能夠有效保證焦家金礦蝕變巖型巷道頂板兩幫在一定時(shí)期的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

（1）基于巖石力學(xué)工程師對(duì)該區(qū)域巖石力學(xué)調(diào)查進(jìn)行的巖體質(zhì)量分級(jí)，運(yùn)用RMR分級(jí)的支護(hù)圖表，進(jìn)行初步支護(hù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Unwedge軟件對(duì)該巷道進(jìn)行潛在楔形體識(shí)別，并對(duì)提出的支護(hù)方案進(jìn)行分析改進(jìn)，提出了“樹(shù)脂錨桿+長(zhǎng)錨索+噴射混凝土”支護(hù)方式。

（2）利用雙鋼筋將錨桿錨索連接為一聯(lián)合體，有效地避免了單一錨桿錨索作用強(qiáng)度小的問(wèn)題，避免了局部冒落和支護(hù)力不足的問(wèn)題，增加了整體錨固力，使得巷道頂板及兩幫形成組合拱，極大提高了巷道整體的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保證了巷道穩(wěn)定。雙鋼筋作用下使得單根錨桿錨索達(dá)到整排錨桿錨索的聯(lián)合支護(hù)效果，從而大大地提高了整體支護(hù)強(qiáng)度。

（3）最終選取的“樹(shù)脂錨桿+長(zhǎng)錨索+雙鋼筋+噴射混凝土”支護(hù)方案具有很好的效果，通過(guò)噴射混凝土能夠迅速與巖體一起形成很好的支護(hù)圈。避免巖石風(fēng)化和塌落變形，能夠有效支撐破壞圍巖，阻止圍巖的進(jìn)一步破壞。