磷礦采空區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)方案的優(yōu)化研究

胡高見 陳松巍

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司）

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，對磷礦資源的需求日趨增大，由于多數(shù)磷礦的賦存地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此在開采過程中需要進(jìn)行大量的支護(hù)，確保在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性［1］。目前多數(shù)磷礦的井下支護(hù)均采用了錨桿支護(hù)方案，但在頂板結(jié)構(gòu)破碎性大、節(jié)理發(fā)育等復(fù)雜地形條件下，礦壓波動大，再加上綜采擾動的影響，極易導(dǎo)致巷道頂板的失穩(wěn)，給井下磷礦的綜采作業(yè)造成了嚴(yán)重的影響，因此迫切需要對復(fù)雜地形條件下的頂板支護(hù)方案進(jìn)行研究，提高支護(hù)穩(wěn)定性和可靠性。

王集磷礦賦存條件較為復(fù)雜，在采用錨桿支護(hù)的過程中，頂板的最大變形量達(dá)到了275 mm，需要不斷進(jìn)行加固，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)的效率和安全性。項目組在對井下實際地質(zhì)情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的采空區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)方案，根據(jù)頂板的穩(wěn)定性對頂板進(jìn)行分類，然后采用不同的支護(hù)方案對其頂板進(jìn)行加強(qiáng)。

1 磷礦頂板支護(hù)現(xiàn)狀分析

以我國目前儲量大、礦層厚度大、礦層賦存條件復(fù)雜的磷礦為例，其探明儲量超過1.8億t，磷礦礦層的最大厚度超過20 m，礦層的平均傾斜角約為15.4°，目前主要采用了切頂房柱法進(jìn)行綜采，采用錨桿支護(hù)的方案對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)。礦層厚度大，回采后的采場空頂極高，而且采區(qū)的體積巨大，采用強(qiáng)制放頂?shù)姆桨肝ｋU性高、穩(wěn)固性差［2］。目前該磷礦所面臨的問題主要包括頂板冒落、礦柱片幫剝落、地質(zhì)災(zāi)害威脅等。

（1）頂板冒落。由于在磷礦綜采區(qū)域的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，存在著頂板結(jié)構(gòu)破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育等問題，在礦壓波動和綜采擾動的情況下極易發(fā)生頂板冒落。通過對頂板冒落情況的分析，在冒落區(qū)的錨桿均發(fā)生了顯著的變形，變形比例達(dá)到了44.3%，通過對來壓情況的監(jiān)測，來壓時的沖擊遠(yuǎn)大于目前錨桿支護(hù)時的支護(hù)力，因此綜合分析后，頂板冒落主要是由于錨桿支護(hù)強(qiáng)度低，不足以抵抗頂板來壓時的沖擊導(dǎo)致的。井下采空區(qū)頂板冒落情況如圖1（a）所示。

（2）礦柱片幫剝落。通過對發(fā)生片幫的礦柱的分析，礦柱的破壞是以剪切破壞為主，在剪切力作用下礦柱表面發(fā)生裂紋，最終在應(yīng)力集中或者波動的情況下裂紋逐漸擴(kuò)大，引起片幫和剝落，使礦柱有效斷面面積逐漸減小。隨著時間的增加，礦柱有效面積不斷降低，在應(yīng)力的作業(yè)下礦柱片幫的情況迅速惡化，最終導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)，失去支撐作用，井下發(fā)生嚴(yán)重片幫剝落的礦柱如圖1（b）所示。

（3）地質(zhì)災(zāi)害威脅。主要是由于采空區(qū)的面積大，一旦發(fā)生塌陷將導(dǎo)致地面上的巖體和地表下沉，造成局部的地質(zhì)危害，影響安全。

2 頂板聯(lián)合支護(hù)方案研究

2.1 井下巷道頂板分類

井下巷道內(nèi)不同區(qū)域的頂板穩(wěn)定性不同，因此若全面采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，會導(dǎo)致井下巷道支護(hù)效率低下、支護(hù)成本高昂，難以滿足綜采效率和經(jīng)濟(jì)性的需求。因此需要對井下巷道頂板進(jìn)行分級并根據(jù)實際情況有選擇性的進(jìn)行支護(hù)，在確保支護(hù)安全的前提下，提高支護(hù)的效率和經(jīng)濟(jì)性。技術(shù)攻關(guān)小組通過鉆井勘探、電法勘探等手段，對井下巷道內(nèi)的巖石狀況進(jìn)行了研究，編制了巖層穩(wěn)定性勘探報告，再結(jié)合《巖石錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015）［3］，最終將井下巷道頂板主要分為3級，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，針對性的在井下進(jìn)行了模擬驗證，確保對井下不同頂板區(qū)域支護(hù)的可靠性。

一級頂板的結(jié)構(gòu)完整性最好，不存在節(jié)理發(fā)育，僅允許存在少量的斷層和錐體，穩(wěn)定性最好。因此整體穩(wěn)定性較高，在支護(hù)時可以選擇較寬的間距，在保證支護(hù)可靠性的情況下提升支護(hù)效率。

二級頂板的巖層相對比較堅固，存在一定的層、節(jié)理發(fā)育，在圍巖的區(qū)域還會存在一定的滲水，穩(wěn)定性一般。該類型頂板處雖然存在一定的節(jié)理發(fā)育，但整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能較高，因此在支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇時可以參考一級頂板的支護(hù)，但由于穩(wěn)定性不及一級頂板，因此在支護(hù)時需要增加支護(hù)密度（實際驗證支護(hù)密度應(yīng)為一級頂板支護(hù)的2～3倍），而且為了提高井下支護(hù)的通用性，支護(hù)方式應(yīng)和一級頂板一致。

三級頂板的巖層較為疏松，層、節(jié)理發(fā)育較為嚴(yán)重，存在大范圍的斷層或者構(gòu)造錯動，而且在頂板上還會存在大量的角錐體和碎石塊，有較嚴(yán)重的滲水和陷落情況。該類型頂板穩(wěn)定性最差，且有大量的碎石塊，因此需要采取措施，對碎石區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，同時在進(jìn)行錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上需要增加金屬網(wǎng)，防止出現(xiàn)碎石垮落情況。

2.2 錨網(wǎng)索支護(hù)機(jī)理分析

針對現(xiàn)有錨桿支護(hù)無法確保巷道頂板穩(wěn)定性的情況，在對多種礦井支護(hù)方案分析后，確定采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方案。

錨網(wǎng)支護(hù)是利用錨桿將金屬防護(hù)網(wǎng)固定到巖體的表面，形成一個包括巖石、金屬防護(hù)網(wǎng)、錨桿共同組成的整體，當(dāng)圍巖變形后對錨桿和金屬網(wǎng)形成一個作用力，在金屬網(wǎng)和錨桿反作用力的作用下降低圍巖的變形。單根錨桿在支護(hù)時，通過鎖緊力會在疏松的地層中產(chǎn)生一個錐形的擠壓區(qū)域，從而使錨桿周圍巖層的密實度和強(qiáng)度增加。多組錨桿功能組作用的情況下，會在支護(hù)區(qū)域形成一個均勻的壓縮條帶，在該壓縮條帶的組合下，在圍巖破碎地帶形成一個完整的組合拱，從而提高了對圍巖破碎區(qū)域的支護(hù)效果，錨桿組合拱支護(hù)機(jī)理如圖2（a）所示［2］。

在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，針對破碎區(qū)域更嚴(yán)重的地方，需要進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，在巖層內(nèi)設(shè)置錨索并對錨索施加一定的預(yù)應(yīng)力，錨索和巖層的角度呈45°角，使椎體范圍內(nèi)的巖層相互擠壓，形成一個整體且均勻的擠壓區(qū)域，增強(qiáng)對破碎巖石的加固效果。當(dāng)在一個區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個錨索后，各個錨索的有效作用區(qū)內(nèi)就形成了一個穩(wěn)定的加固條帶，進(jìn)而改變了整個巖層內(nèi)的應(yīng)力環(huán)境，和錨桿、金屬護(hù)網(wǎng)一起形成了一個穩(wěn)定的支護(hù)體。磷礦井下錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)作業(yè)機(jī)理如圖2（b）所示。

3 井下頂板支護(hù)方案

根據(jù)井下頂板的實際情況，結(jié)合對綜采作業(yè)過程中巷道內(nèi)礦壓波動和綜采擾動的分析，對3種不同的頂板設(shè)置了不同的支護(hù)方案。

一級頂板的穩(wěn)定性較高，因此可以先采用錨桿組合掛網(wǎng)進(jìn)行臨時支護(hù)，然后在利用錨索進(jìn)行永久支護(hù)，在布置時，錨索需采用梅花形布置結(jié)構(gòu)，可以提高錨固區(qū)域的錨固強(qiáng)度，在支護(hù)時可選用規(guī)格為φ43 mm×1.8 m的高強(qiáng)度錨桿，錨桿之間的距離設(shè)置為100 mm，所使用的鋼筋掛網(wǎng)則可選用孔徑為50 mm×50 mm的雙層金屬網(wǎng)。錨索設(shè)置時錨索深度需要按照頂板的實際厚度確定，一般要比頂板厚度大1 m，錨索的間距設(shè)置為4 m，排距設(shè)置為2 m，在施工時候需要根據(jù)頂板的硬度情況靈活調(diào)整錨索的間距，保證錨固區(qū)域內(nèi)的巖層的強(qiáng)度，在進(jìn)行錨索孔鉆進(jìn)時可采用YT-29型鑿巖機(jī)［4］。一級頂板下錨桿、錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

二級頂板的整體穩(wěn)定性相對較好，為了降低井下支護(hù)材料的數(shù)量和種類，因此二級頂板的支護(hù)方案和一級頂板相同，但由于其穩(wěn)定性不及一級頂板，因此將錨索的間距由4 m降低到2 m，錨索排距保持不變。

三級頂板的整體穩(wěn)定性極弱，因此在支護(hù)時需要采用錨網(wǎng)索聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時要根據(jù)井下的實際情況調(diào)整礦柱大小、位置，特別是在節(jié)理面和破碎面要采用噴射混凝土［5］對破碎的頂板進(jìn)行加固，然后在利用長錨索和錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，在三級頂板處的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 井下礦柱加固

根據(jù)煤礦井下礦層的構(gòu)造情況，不同區(qū)域礦柱上的節(jié)理發(fā)育程度不同，因此為了提高礦柱的穩(wěn)定性和防片幫剝落性，需要根據(jù)礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行針對性的加固。穩(wěn)定型的礦柱一般不需要進(jìn)行專項加固，而不穩(wěn)定性的礦柱［6］需要根據(jù)礦層的松散程度及節(jié)理裂隙的發(fā)育程度，選擇錨網(wǎng)和錨桿聯(lián)合支護(hù)，一般錨桿選用規(guī)格為φ40 mm×1 600 mm，對應(yīng)的加固軟鋼筋的尺寸則選擇100 mm×100 mm，不穩(wěn)定礦柱的加固結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 應(yīng)用效果分析

為了對采用新采空區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)方案的實際效果進(jìn)行對比，在井下巷道頂板及圍巖處設(shè)置位移監(jiān)測儀，對在綜采過程中的頂板變形量進(jìn)行研究，為了提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，在井下設(shè)置了3組監(jiān)測儀，實際監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采用新的采空區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)方案后，井下頂板的變形量得到了顯著的控制，實際測量的最大變形量僅為33 mm，與傳統(tǒng)錨桿支護(hù)時275 mm變形量相比，頂板變形量降低了88%，顯著的提升了磷礦井下巷道的穩(wěn)定性。而且由于采用了分級分類的靈活支護(hù)方案，井下的實際支護(hù)效率并未降低，對提升磷礦井下綜采經(jīng)濟(jì)性和靈活性具有十分重要的意義。

6 結(jié)論

（1）目前該磷礦所面臨的問題主要包括頂板冒落、礦柱片幫剝落、地質(zhì)災(zāi)害威脅等。

（2）井下巷道頂板根據(jù)其穩(wěn)定性可分為一級、二級和三級，一級穩(wěn)定性最高，三級穩(wěn)定性最差，在支護(hù)時針對性地設(shè)置不同的支護(hù)方案，能夠在保證支護(hù)穩(wěn)定性的情況下，不影響支護(hù)效率。

（3）新的支護(hù)方案能夠?qū)㈨敯宓淖冃瘟拷档?8%，對提高巷道支護(hù)穩(wěn)定性具有十分重要的意義。