大尹格莊金礦深部巷道錨桿支護參數(shù)優(yōu)化

張宏偉，張富興，夏自鋒，董國強

(招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠 265400)

近年來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求與日俱增，消耗量逐步增大，特別是我國東部地區(qū)，礦山開采歷史悠久，大部分礦山淺部資源逐漸枯竭，并逐步進入深部開采。隨著采深的逐漸增加，井下地質條件復雜多變，地壓顯現(xiàn)劇烈，斷層節(jié)理裂隙發(fā)育，礦體松軟破碎，巷道極易產(chǎn)生開裂、變形，發(fā)生冒頂事故，影響礦山安全生產(chǎn)[1-4]。如何解決破碎圍巖巷道的支護問題，尋找一種經(jīng)濟可靠的支護方式，已成為目前深部礦體開采亟需解決的技術難題。

玻璃鋼錨桿主要是由玻璃纖維增強塑料(GFRP)制成的一種非金屬錨桿，與傳統(tǒng)的螺紋鋼錨桿相比，不僅耐腐蝕，還具備質量輕、強度高的特點，在煤礦支護中獲得了廣泛應用，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益[5]。然而，由于玻璃鋼錨桿支護初期強度低，且不能快速達到錨固強度，不能達到初期工程施工防護要求，玻璃鋼錨桿在金屬礦山支護中還未得到普遍應用。本文以大尹格莊金礦深部破碎巷道為研究對象，在分析玻璃鋼錨桿支護效果的基礎上，提出了采用管縫式錨桿和玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護的方式，解決深部破碎巷道支護難題。

1 回采巷道地質條件分析

1.1 工程概況

大尹格莊金礦深部礦體主要采用上向水平分層充填采礦法回采。礦塊沿走向布置，長60 m，寬為礦體厚度，其中礦房長56 m，間柱4 m，回采時不留頂?shù)字?。中段?0 m，分層落礦高度2.4 m，控頂高度4.0 m，每條分段巷道服務5個分層的回采，分段高為12 m。分段運輸巷道布置于礦體下盤的絹英巖、絹英巖化花崗閃長巖中，受地質構造應力作用，巖體穩(wěn)定性較差，巷道局部松軟破碎，維護困難。

1.2 巷道規(guī)格及斷面尺寸

大尹格莊金礦回采巷道形狀為三心拱形，高3.2 m，寬3.6 m。實際生產(chǎn)過程中，回采巷道根據(jù)地質條件采用多種支護方式，主要方式有單錨桿支護、錨網(wǎng)支護、錨噴網(wǎng)支護及鋼支架聯(lián)合支護等。目前，主要以錨網(wǎng)支護為主。錨桿長為1 800 mm，直徑42 mm，內(nèi)徑38 mm，支護間排距約為800 mm×800 mm，正方形布置，錨網(wǎng)采用Ф6.5 mm的鋼筋編制，網(wǎng)格：100 mm×100 mm，長1 800 mm，寬900 mm。

管縫式錨桿由于安裝簡單、方便，是金屬非金屬礦山比較常見的一種支護材料，但在破碎帶及大斷層、含水層等構造復雜區(qū)域，特別在后期受后續(xù)采場鑿巖爆破影響，巷道圍巖松動，因此管縫式錨桿并不能起到很好的支護作用，極易發(fā)生片幫冒頂事故，應優(yōu)化支護參數(shù)，改變支護形式。

1.3 巷道變形破壞特征

隨著礦山開采深度增加，地壓作用顯現(xiàn)，巷道開挖后圍巖應力狀態(tài)發(fā)生改變，極易發(fā)生片幫、變形甚至冒頂坍塌事故，通過對巷道變形破壞規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形主要以松動破壞為主，主要表現(xiàn)在巷道支護后，節(jié)理裂隙發(fā)育，部分巖體脫落并懸掛在錨桿桿體上，后期在自重應力影響下，巷道松動圈進一步擴大，巷道片幫、垮冒的頻次及規(guī)模都愈發(fā)嚴重，因此，破碎、高應力條件下巷道支護問題長期困擾著采礦工程，成為井下生產(chǎn)安全的重大隱患[6]。如圖1所示，大尹格莊金礦深部破碎圍巖巷道支護作業(yè)完成后，受臺車鑿巖作業(yè)和采場爆破作業(yè)影響，圍巖松散破碎，巷道頂板及兩幫巖體發(fā)生離層破壞，極易發(fā)生片幫和冒頂?shù)劝踩鹿剩绊懞罄m(xù)生產(chǎn)。

2 巷道支護結構的試驗與參數(shù)設計

2.1 玻璃鋼錨桿加固方案的確定

大尹格莊金礦-676 m中段一分段巷道在地質構造應力作用下，加上對復雜地質條件認識不足，巷道支護主要以管縫式錨桿支護為主，支護強度較小，抗剪能力差，巷道片幫冒頂事故頻發(fā)，不能達到預定支護效果，二次支護多以鋼支架支護為主，但鋼架支護安裝復雜，施工周期長，勞動強度大，且施工成本高，不適合巷道大范圍內(nèi)支護作業(yè)[4]，因此，針對大尹格莊金礦深部破碎圍巖巷道支護難題，提出玻璃鋼錨桿與管縫式錨桿聯(lián)合支護方案，解決破碎巷道支護難題。

設計擬對試驗巷道預先進行錨網(wǎng)支護，由于深部破碎圍巖巷道在構造應力作用下，圍巖完整性進一步破壞，極易發(fā)生片幫和冒頂事故，利用管縫式錨桿可以提供初始錨固力，固定錨網(wǎng)，提高圍巖整體性，并為下階段施工玻璃鋼錨桿做好基礎，滿足玻璃鋼錨桿初期施工安全要求，初期支護完成后，再采用玻璃鋼錨桿作為支護主體進行加固，形成完整的支護結構。

2.2 玻璃鋼錨桿參數(shù)的確定

為在工程實踐中最大可能地體現(xiàn)玻璃鋼錨桿與管縫式錨桿聯(lián)合使用后的支護效果，管縫式錨桿支護參數(shù)在保持不變的基礎上，對玻璃鋼錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化，確定錨桿長度、桿體直徑等支護參數(shù)。

1)玻璃鋼錨桿長度的確定

巷道支護過程中，需充分考慮錨桿嵌入堅固巖層的深度，并懸吊破碎冒落圍巖或形成有效擠壓拱，從而控制巷道變形，提高圍巖穩(wěn)定性，根據(jù)松動圈和懸吊理論確定玻璃鋼錨桿長度L為[7-8]：

L=L1+m+L2

(1)

式中：L1—錨桿外露長度，mm；m—錨桿錨固厚度，mm；L2—錨桿嵌入堅固巖層的深度，mm。

錨桿外露長度L1主要取決于錨桿類型及錨固方式，需考慮托盤、螺帽和桿體外露長度，支護時利用托盤和螺母施加預應力，取值100 mm；錨桿錨固厚度m即為錨桿錨固巖層的厚度，需根據(jù)圍巖條件來確定，大尹格莊金礦深部圍巖整體來說不破碎，局部存在規(guī)模較大的張性構造，造成局部巷道較破碎且涌水較大，局部破碎區(qū)域成塊狀冒落，因此需要加大巖層錨固厚度，通常情況下，錨桿錨固厚度m取1 000～1 400 mm，考慮破碎帶特點，取值1 400 mm，防止圍巖冒落；錨桿嵌入堅固巖層的深度L2一般為300 mm。綜上，根據(jù)大尹格莊金礦深部巷道圍巖變形特征，求得玻璃鋼錨桿長度為1.8 m，另結合圍巖松動圈理論，當錨桿錨固厚度低于巷道圍巖變形深度時，錨桿端部受壓，只能起到懸吊作用，不能形成有效的擠壓拱，長時間變形會導致桿體斷裂，造成大面積坍塌，因此，本著安全有效的原則，確定選用玻璃鋼錨桿長度為2 000 mm。

2)玻璃鋼錨桿直徑的確定

玻璃鋼錨桿的錨固力應與錨桿桿體的抗拉強度盡量保持一致，才能發(fā)揮最大支護作用，由此可以推算玻璃鋼錨桿直徑d為[7-8]：

(2)

P拉=Q固

得：

式中：P拉—材料的抗拉力，kN；σ拉—錨桿桿體的設計抗拉強度，kN/mm2；Q固—錨桿的錨固力，kN。

根據(jù)實驗室對玻璃纖維增強塑料桿體進行的多次試驗，得出玻璃鋼錨桿的平均抗拉強度σ拉為400～500 MPa，錨桿的拉拔力Q固為40～70 kN。由此可得出玻璃鋼錨桿直徑d≥14.9 mm，同時類比其他相似礦山，本著安全有效的原則，確定選用玻璃鋼錨桿的直徑為18 mm。

3 巷道支護數(shù)值模擬分析

本次模擬運用FLAC3D軟件以大尹格莊金礦2#礦體-676 m中段83#～84#勘探線間的一分段巷為計算模型，對管縫式錨桿單一支護和管縫式錨桿和玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護兩種情況下巷道圍巖變形情況和塑性區(qū)分布進行模擬分析。

3.1 計算模型的建立

設計計算模型沿巷道斷面方向取40 m×40 m×20 m(寬×高×長)，在考慮邊界效應的基礎上，模型網(wǎng)格由外到內(nèi)逐漸加密。模型X、Y邊界施加水平約束，底部Z邊界固定約束，頂部施加上覆巖層重力，巷道圍巖主要為絹英巖化花崗巖，具體巖體力學參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計算中巖體力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass in numerical calculation

根據(jù)FLAC3D內(nèi)置結構單元特點，模擬管縫式錨桿時采用樁(pile)單元，玻璃鋼錨桿采用錨索(cable)單元，根據(jù)實驗室試驗和工程經(jīng)驗得錨桿力學參數(shù)，見表2、表3。

表2 數(shù)值計算中管縫式錨桿力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of split-set bolt in numerical calculation

表3 數(shù)值計算中玻璃鋼錨桿力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of GFRP anchor in numerical calculation

3.2 計算結果分析

1)巷道圍巖變形分析

通過數(shù)值模擬分析可以看出，巷道開挖后圍巖應力狀態(tài)改變，在兩種支護條件下巷道圍巖產(chǎn)生了不同程度的收縮變形，且在初期變形較大，隨后變形速率減緩逐漸趨向穩(wěn)定。如圖3所示，當采用單一支護時，模擬至2 000步后，巷道頂?shù)装遄冃乌呌诜€(wěn)定，頂板下沉量為5.54 mm左右，底鼓量將近3.28 mm，頂?shù)装逡平窟_到了8.82 mm，兩幫移近量達6.43 mm；采用聯(lián)合支護時，模擬至約1 800步時趨于平衡，最終頂板下沉3.91 mm，底板底鼓2.76 mm，頂?shù)装逡平窟_到6.67 mm，兩幫移近量達8.07 mm。由此可以得出，相較于管縫式錨桿單一支護形式，采用玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護能夠有效控制巷道變形，對頂板的變形控制效果要優(yōu)于兩幫的變形，且對玻璃鋼錨桿施加一定預緊力的情況下，能夠減緩變形速率，大大提高支護結構的穩(wěn)定性。

2)巷道圍巖變形分析

塑性區(qū)是指發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞的區(qū)域。巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)決定圍巖的破壞形式及破壞程度。巷道的塑性區(qū)范圍越大，破壞就越嚴重[9-10]。由圖4可知，在兩種支護方案條件下，巷道圍巖均出現(xiàn)了塑性變形，頂?shù)装逅苄詤^(qū)域相對較大，且破壞形式以剪切破壞為主，說明巷道塑性區(qū)在應力作用下發(fā)生變化，圍巖受力狀態(tài)基本不受支護形式影響，但采用聯(lián)合支護時，由于錨固劑與圍巖相互作用，有效改善了圍巖塑性狀態(tài)，提高了巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 結論

通過理論計算對大尹格莊金礦回采巷道的支護參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，確定了合理的玻璃鋼錨桿支護參數(shù)，提出了聯(lián)合支護的方式，并通過數(shù)值模擬分析證明其支護效果良好。

1)根據(jù)大尹格莊金礦回采巷道圍巖地質條件，分析破碎圍巖巷道變形破壞規(guī)律，并通過理論分析計算確定玻璃鋼錨桿支護參數(shù)，本著操作簡便、安全可靠、穩(wěn)定性高的原則，提出了管縫式錨桿和玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護方案。

2)通過數(shù)值模擬分析，在相同的地質條件下，采用玻璃鋼錨桿為支護主體的聯(lián)合支護方案能夠有效地控制巷道變形，改善破碎圍巖巷道的穩(wěn)定性，解決管縫式錨桿單一支護方式易腐蝕和抗剪性能較差的問題。

3)巷道開挖施工控制爆破技術時，光面爆破要遵循“多打眼、少裝藥”的原則，以保證兩幫平直，頂板和兩幫相連部分及頂板呈拱形，以降低應力集中，保護巷道圍巖的強度和整體性。對極破碎、礦巖不穩(wěn)固區(qū)域，建議輔以錨噴和混凝土支護。

4)優(yōu)化后的聯(lián)合支護參數(shù)可以在大尹格莊金礦回采巷道中推廣應用，并可為其他類似條件下礦山支護提供借鑒依據(jù)。