沃溪坑口深井開(kāi)采支護(hù)工藝優(yōu)化與實(shí)踐

程 勃 徐家慶 覃 健3

（1.湖南辰州礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院）

沃溪坑口是湖南辰州礦業(yè)有限責(zé)任公司的核心礦產(chǎn)資源基地，位于湖南省沅陵縣官莊鎮(zhèn)境內(nèi)。近年來(lái)沃溪坑口2座千米深井先后投產(chǎn)，標(biāo)志著該礦逐步進(jìn)入深井開(kāi)采階段。深井采礦面臨的主要問(wèn)題是深部巨大的地壓［1-3］。在深部地壓的作用下，巷道變形更加嚴(yán)重，部分巷道在開(kāi)挖后斷面規(guī)格快速縮小，許多開(kāi)挖時(shí)間較長(zhǎng)的巷道需要進(jìn)行二次支護(hù)，原有支護(hù)工藝無(wú)法滿(mǎn)足深部開(kāi)采的要求［4-5］。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者都針對(duì)深部支護(hù)做了相關(guān)研究，李利峰等［6］針對(duì)金川礦區(qū)深部巷道圍巖高地壓、破碎的特點(diǎn)，通過(guò)分析其變形特征引入錨桿+TECCO網(wǎng)的支護(hù)技術(shù)，解決金川礦區(qū)深部的支護(hù)難題；高明仕等［7］針對(duì)義馬礦區(qū)深部高地壓下圍巖破碎情況，采用多種支護(hù)方式組合的“內(nèi)支—外卸”支護(hù)技術(shù)，有效維護(hù)了巷道圍巖穩(wěn)定性，保證了深部采場(chǎng)正常生產(chǎn)；單仁亮等［8］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)傳統(tǒng)聯(lián)合支護(hù)和錨桿（索）協(xié)同支護(hù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了協(xié)同支護(hù)具備良好的支護(hù)效果；冷建民等［9］針對(duì)三山島金礦深部巷道圍巖破壞現(xiàn)象，改進(jìn)傳統(tǒng)支護(hù)工藝并通過(guò)數(shù)值模擬的手段優(yōu)選最佳支護(hù)參數(shù)，保證了巷道的穩(wěn)定性。針對(duì)深部礦區(qū)地壓以及圍巖破壞特點(diǎn)，專(zhuān)家們或?qū)υ兄ёo(hù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，或提出新的聯(lián)合支護(hù)方式，或采用數(shù)值模擬的方法探討最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。

鑒于此，在沃溪深部礦區(qū)探索應(yīng)用新的支護(hù)工藝［10］，逐步淘汰落后的工藝，提高支護(hù)質(zhì)量，縮短作業(yè)時(shí)間，確保支護(hù)效果，盡量避免多次返修帶來(lái)的不利影響［11-12］，對(duì)促進(jìn)沃溪坑口安全可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 支護(hù)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 平巷支護(hù)現(xiàn)狀

礦山平巷目前主要的支護(hù)方式有傳統(tǒng)木支護(hù)、速凝水泥藥卷配合普通螺紋鋼錨桿支護(hù)及金屬架支護(hù)。其中傳統(tǒng)的木支護(hù)已逐步淘汰，金屬架支護(hù)常用于局部巖石破碎、斷層發(fā)育的地質(zhì)條件，水泥藥卷錨桿支護(hù)則主要應(yīng)用于普通地質(zhì)條件下的新掘進(jìn)巷道。

1.2 存在問(wèn)題

通過(guò)長(zhǎng)期的施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，沃溪坑口支護(hù)工藝主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）作業(yè)人員對(duì)平巷支護(hù)的重要性認(rèn)識(shí)不足，難以把握支護(hù)最佳時(shí)機(jī)，經(jīng)常在巷道頂板和兩幫問(wèn)題突出的時(shí)候才施工水泥藥卷錨桿，達(dá)不到支護(hù)效果時(shí)再增加金屬架支護(hù)，巷道的支護(hù)工作比較被動(dòng)和盲目。

（2）金屬架支護(hù)一般采用木頭接頂，導(dǎo)致金屬架至巷道頂板堆積大量的木頭，木材和鋼材消耗量大，支護(hù)成本高。

（3）使用年限較長(zhǎng)的巷道，因支護(hù)無(wú)法適應(yīng)巷道的大變形，經(jīng)常需要返修，影響礦山的正常生產(chǎn)。

（4）金屬架支護(hù)和木支護(hù)使得巷道的可利用斷面大幅度減小，斷面利用率低，對(duì)井下大件運(yùn)輸和通風(fēng)產(chǎn)生不利影響。

（5）水泥藥卷的浸水操作比較困難，如果浸水時(shí)間過(guò)短，藥卷內(nèi)部仍然干燥，無(wú)法產(chǎn)生作用；如果浸水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則藥卷過(guò)早凝結(jié)，使錨桿與鉆孔報(bào)廢?，F(xiàn)場(chǎng)情況表明，確實(shí)有部分錨桿沒(méi)有達(dá)到要求，桿體沒(méi)有完全埋入巖體中。

（6）部分支護(hù)工藝?yán)吓f、不規(guī)范，特別是木支護(hù)，國(guó)內(nèi)較多礦山都已經(jīng)放棄這種支護(hù)方法。

2 新支護(hù)工藝設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1 新支護(hù)工藝的提出

礦山深部支護(hù)主要特點(diǎn)在于巷道開(kāi)挖后，高地應(yīng)力使支護(hù)體系快速產(chǎn)生扭曲變形，同時(shí)帶來(lái)片幫、冒落以及巖爆等深部災(zāi)害；此外，在高應(yīng)力環(huán)境下巖性也有所改變，在淺部表現(xiàn)為脆性的巖石在深部則可能轉(zhuǎn)化為延性，適用于淺部的支護(hù)方式在深部無(wú)法滿(mǎn)足服務(wù)年限的要求。因此，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)深部實(shí)際情況，針對(duì)圍巖條件設(shè)計(jì)新的支護(hù)工藝。礦山井巷支護(hù)應(yīng)滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)原則：①滿(mǎn)足相關(guān)法律規(guī)程要求；②符合井下實(shí)際生產(chǎn)情況；③工藝簡(jiǎn)單、便于實(shí)踐推廣；④技術(shù)先進(jìn)，節(jié)約成本；⑤淘汰落后的支護(hù)工藝。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，結(jié)合深部支護(hù)思路，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)來(lái)面對(duì)不同的圍巖條件。在支護(hù)中通過(guò)鋼絲繩或者整體網(wǎng)，將錨桿連接形成支護(hù)整體，代替原有的單一錨桿支護(hù)，增強(qiáng)錨桿懸吊、組合梁等方面的作用效果。同時(shí)替換掉水泥藥卷錨桿，避免此類(lèi)型錨桿操作時(shí)間難以把控的問(wèn)題，提升施工效率。綜合以上條件，提出2種新支護(hù)工藝：鋼絲繩錨桿支護(hù)和整體錨網(wǎng)支護(hù)，并分別對(duì)這2種支護(hù)工藝進(jìn)行井下工業(yè)試驗(yàn)。

2.2 鋼絲繩錨桿支護(hù)

鋼絲繩錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)，可充分利用圍巖的自承能力，提高圍巖穩(wěn)定性。鋼絲繩錨桿支護(hù)與木支護(hù)相比，延長(zhǎng)了支護(hù)服務(wù)年限，減少了安全隱患；與金屬架支護(hù)相比，節(jié)約了成本，提高了效率。所以，采用鋼絲繩錨桿支護(hù)代替原有的木支護(hù)和金屬架支護(hù)，在深部礦區(qū)展開(kāi)應(yīng)用。

工藝流程：水泥藥卷錨桿在裝填即將完成時(shí)，將直徑8～10 mm的鋼絲繩纏繞在錨桿桿體上（一般纏繞一圈），卡入錨桿托盤(pán)和巖體之間預(yù)留的空間，然后沖擊錨桿桿體，使得托盤(pán)、鋼絲繩和巖體緊密結(jié)合，完成一根鋼絲繩錨桿的施工。

工程實(shí)踐表明，鋼絲繩錨桿主要適用于整體性較好、塊度較大的圍巖條件，通過(guò)鋼絲繩能夠有效地將可能冒落的圍巖連接形成整體，增加支護(hù)強(qiáng)度，提高支護(hù)質(zhì)量（圖1）。在長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中，鋼絲繩錨桿逐漸暴露一些問(wèn)題，首先是適用范圍受限制。沃溪坑口井下工程地質(zhì)復(fù)雜多變，大部分區(qū)域圍巖整體性較差，典型紫紅色板巖圍巖塊度為50～300 mm，采用鋼絲繩錨桿支護(hù)時(shí)有大面積支護(hù)盲區(qū)存在，脫錨現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生（圖2）。特別是當(dāng)斷層面與鋼絲繩平行時(shí)，鋼絲繩難以發(fā)揮其應(yīng)有的效果。由此可見(jiàn)，鋼絲繩錨桿支護(hù)適用范圍有限，適用于在深部圍巖整體性較好的區(qū)域使用。

2.3 整體錨網(wǎng)支護(hù)

根據(jù)沃溪坑口井下實(shí)際情況，提出用樹(shù)脂錨桿取代水泥錨桿，并配置錨網(wǎng)使其成為整體錨網(wǎng)支護(hù)，如圖3所示。該工藝強(qiáng)化了圍巖完整性，克服了鋼絲繩錨桿只適用于圍巖完整區(qū)域的限制，效果優(yōu)良。該工藝推廣應(yīng)用后，井下尚未發(fā)生一起冒頂片幫事故。

工藝流程：根據(jù)井下工程實(shí)際需要，加工或采購(gòu)整體網(wǎng)、螺紋錨桿和管縫式錨桿、樹(shù)脂藥卷、錨桿推進(jìn)器、螺旋支柱；用螺旋支柱將整體網(wǎng)貼緊巖面初次固定，按照從頂板中間至兩幫的順序依次施工樹(shù)脂螺紋錨桿，再次固定整體網(wǎng)；最后檢查整體錨網(wǎng)質(zhì)量，在局部施工少量管縫式錨桿來(lái)進(jìn)一步固定整體網(wǎng)，使其與巖面貼緊。

經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和不斷改進(jìn)，確定了適合于沃溪坑口的整體錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)，見(jiàn)表1。在整體錨網(wǎng)試驗(yàn)過(guò)程中獲得一些寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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（1）因整體網(wǎng)緊跟作業(yè)面設(shè)置，直徑4 mm以下的鐵絲網(wǎng)在下一作業(yè)循環(huán)爆破后會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞，所以選取直徑5 mm以上的鐵絲，經(jīng)過(guò)強(qiáng)焊制作，能夠有效抵抗爆破損壞。

（2）整體網(wǎng)規(guī)格可根據(jù)實(shí)際需求加工，一般寬度為1.0～1.2 m，與錨桿的排距保持一致，便于整體網(wǎng)之間順利搭接。

（3）通過(guò)錨桿抗拔力測(cè)試，減小錨桿鉆孔直徑，并配置對(duì)應(yīng)規(guī)格的樹(shù)脂藥卷，提高支護(hù)效率的同時(shí)，又能夠達(dá)到預(yù)期的錨桿抗拔力。沃溪坑口整體錨網(wǎng)支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，將原錨桿鉆孔直徑38 mm減小至28 mm，單孔（孔深1.65 m）鉆孔時(shí)間從4～5 min縮短至2～2.5 min，鉆孔效率提高近一倍。錨桿推進(jìn)器代替人工裝填水泥藥卷，施工一根錨桿的時(shí)間由原來(lái)8～10 min減少至3～5 min，大幅度提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，采用整體錨網(wǎng)和長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)，能達(dá)到良好的效果。在沃溪坑口深部豎井井底車(chē)場(chǎng)破碎帶進(jìn)行整體錨網(wǎng)和長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)，有效控制該區(qū)域地壓顯現(xiàn)，確保井底車(chē)場(chǎng)安全。

（5）針對(duì)永久工程，采用整體錨網(wǎng)支護(hù)后，可增加噴射混凝土層（圖4），或?qū)⒄w錨網(wǎng)預(yù)先進(jìn)行鍍鋅防腐處理（圖5），可大幅延長(zhǎng)整體錨網(wǎng)支護(hù)壽命。

整體錨網(wǎng)支護(hù)工藝效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，支護(hù)效果好，2 a來(lái)井下已基本杜絕冒頂片幫事故，且單根錨桿配2根樹(shù)脂藥卷成本遠(yuǎn)小于配置6～8根水泥藥卷，同時(shí)整體錨網(wǎng)可有效規(guī)范錨桿數(shù)量，避免錨桿布置過(guò)密，對(duì)比原有支護(hù)每年可節(jié)約大量錨桿及藥卷成本。

3 結(jié)論

（1）鋼絲繩錨桿主要適用于井下較大采空區(qū)、設(shè)備機(jī)房等圍巖整體性較好的情況，能夠承載較大地壓，成本較低，但不適用于圍巖破碎的地質(zhì)條件。

（2）整體錨網(wǎng)支護(hù)適用面廣，但工藝略微復(fù)雜，整體錨網(wǎng)與長(zhǎng)錨索、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，能較好地滿(mǎn)足復(fù)雜地質(zhì)條件及永久工程支護(hù)要求。

（3）整體錨網(wǎng)支護(hù)宜配置凝固速度較快的樹(shù)脂藥卷錨桿和管縫式錨桿，便于整體網(wǎng)緊貼巖面，管縫式錨桿一般作為臨時(shí)支護(hù)，樹(shù)脂藥卷錨桿作為永久支護(hù)。