急傾斜極薄礦脈破碎軟巖支護技術(shù)研究

摘要：針對某礦山采場片幫頻發(fā)、超挖嚴重和采礦損失貧化較大等問題，結(jié)合極薄礦脈作業(yè)空間受限等問題，提出了采用錨桿+雙筋條的支護技術(shù)，其實質(zhì)是雙筋條支護的時效性和柔韌性，在支護過程中使整排的錨桿群在托板作用下協(xié)同起作用，從而使可能冒落的關(guān)鍵塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)。該支護技術(shù)很好地解決了極薄礦脈支護難題，有利于提高采場安全性，并降低礦石貧化率，從而提高礦山的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：急傾斜；極薄礦脈；破碎軟巖；圍巖支護；錨桿；雙筋條

中圖分類號：TD353文章編號：1001-1277（2024）05-0005-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240502

引言

軟巖是指具有強度低、強度衰減快，遇水極易軟化、崩解、泥化，有明顯膨脹性和流變性的巖體。常常有各種結(jié)構(gòu)面將軟巖切割成形狀不同和大小不等的塊體，巖體開挖后，有一些被結(jié)構(gòu)面切割的塊體處于臨空狀態(tài)，這種塊體通常被稱為關(guān)鍵塊體。如果沒有適當?shù)闹С校蓤錾媳P及頂板處于臨空狀態(tài)下的關(guān)鍵塊體有可能在自重作用下滑動或塌落，造成冒落事故，影響生產(chǎn)安全［1］。目前，極薄礦脈破碎軟巖支護面臨3方面問題：一是礦山壓力及構(gòu)造壓力增大，影響強度加大，作用方式更復雜；二是圍巖條件發(fā)生變化，大量泥質(zhì)成分、巖體結(jié)構(gòu)面和內(nèi)聚力控制了巖體的特性，巖體會產(chǎn)生塑性變形，特別是當巖體遇水易泥化膨脹時，支護更加復雜；三是極薄礦脈采場內(nèi)作業(yè)空間狹小，使得現(xiàn)場支護作業(yè)的可操作性難度大大增加。結(jié)合軟巖典型的流變特征和采幅空間限制，急傾斜極薄礦脈破碎軟巖支護需采用因地制宜、聯(lián)合多次支護、新奧法綜合治理措施及施工技術(shù)。

國內(nèi)某礦山在應(yīng)用淺孔留礦采礦法開采急傾斜極薄礦脈時，實際采幅在1.3 m左右。由于該礦床為侵入性蝕變礦床，受地質(zhì)構(gòu)造影響，常有微弱的脈石夾層侵入圍巖裂隙和層理中。侵蝕的礦脈與圍巖的礦巖接觸面形成實際上的軟弱層理錯動面，在采動應(yīng)力擾動下，經(jīng)工程揭露后形成屈曲板裂破壞導致離層而大量剝落。這種現(xiàn)象在礦體上盤尤為常見，被動加劇了采場采幅的超挖，帶來了較大的安全問題和嚴重的采礦損失貧化問題。礦山目前所采用的坑木橫撐支護強度有限，隨著開采向深部邁進，地壓進一步增大，當前所使用的臨時支護方式已不能保證采場的生產(chǎn)安全，故提出了一種適用于急傾斜極薄礦脈破碎軟巖的支護方式，以保證采場的生產(chǎn)安全，并提高經(jīng)濟效益。

1支護形式選擇

目前，有關(guān)采場支護的方法有數(shù)十種，具體采取哪種支護方法，需要結(jié)合礦山的礦床開采技術(shù)條件及生產(chǎn)條件等確定。通常采場支護方法的選擇主要遵循以下原則：①為保證其他作業(yè)不受采場支護作業(yè)的影響，采場支護應(yīng)加快速度，減少輔助作業(yè)時間，爭取在較短時間內(nèi)完成；②在選擇支護方法時，要考慮目前支護設(shè)備的發(fā)展情況，盡量選用與礦山生產(chǎn)相適應(yīng)的國產(chǎn)設(shè)備，同時，為減輕工人勞動強度，應(yīng)選擇機械化水平較高、操作快捷、工藝簡單的支護方法；③選取的支護方法與礦巖穩(wěn)固性要實現(xiàn)較好結(jié)合，支護后應(yīng)能立即發(fā)揮對破碎頂板、圍巖的支護作用［2］。

1.1主要支護工藝選擇

雙筋條支護能夠滿足支護時效性的要求，其施工簡單方便，使得隨挖隨支很容易實現(xiàn)。支護過程中，雙筋條能使整排錨桿群在其托板的作用下協(xié)同起作用，從而使有可能冒落的關(guān)鍵塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時雙筋條支護的柔韌性，使其能夠緊貼巖壁，迅速與巖體一起形成很好的支護圈，如圖1所示。與此同時，采場內(nèi)關(guān)鍵塊體厚度、長度和寬度大小不等，一般幾十厘米厚，最厚1～2 m，長度最長可達5 m以上。因此，綜合考慮施工便捷性、可操作性、承載強度及支護理論，優(yōu)先考慮采用雙筋條支護，即錨桿+雙筋條的支護形式。

1.2錨桿選擇

常見的錨桿有管縫式錨桿、楔縫式錨桿、樹脂錨桿、水泥卷錨桿等，考慮到極薄礦脈施工是在窄小空間內(nèi)作業(yè)，管縫式錨桿等通常需要較長的桿體才能實現(xiàn)較好的支護效果，不適用于采幅1.3 m左右的上盤支護。而樹脂錨桿的錨固力較大，膠凝固化速度快，能在幾分鐘之內(nèi)獲得較高的初錨能力，從而迅速、有效地產(chǎn)生錨固作用［3］，比較適合采場實際情況。因此，初步選定采用樹脂錨桿作為雙筋條固定錨桿的主要材料和錨桿形式。

錨桿與圍巖共同作用如圖2所示，二者形成整體結(jié)構(gòu)，錨網(wǎng)支護后的圍巖，其抗壓、抗拉、抗剪及殘余強度均有所提高，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，形成壓縮拱結(jié)構(gòu)，共同維護巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1.3其他支護形式選擇

礦用高強度阻燃聚酯纖維網(wǎng)已在公路、煤礦支護上取得了良好應(yīng)用進展，尤其在煤礦巷道護幫支護加固等具有良好效果。該種材料采用高強滌綸紗線經(jīng)編織涂覆而成，與金屬網(wǎng)相比具有質(zhì)量輕、強度大、抗靜電、阻燃、耐腐蝕等優(yōu)點，安裝使用方便，是金屬網(wǎng)的最佳替代品［4］?？紤]到部分采場圍巖比較松軟破碎，而錨桿+雙筋條支護主要是針對大塊滑板石，對比較破碎細小的圍巖作用不是很大，因此考慮引入礦用高強度阻燃聚酯纖維網(wǎng)來防止細小碎塊落入采場內(nèi)。

2支護參數(shù)設(shè)計驗算

2.1錨桿長度確定

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況及該礦山的圍巖特征，最終確定按圍巖松動圈和組合梁理論2種方法校核錨桿長度［5］。

1）按圍巖松動圈計算錨桿長度。根據(jù)采礦方法結(jié)構(gòu)參數(shù)及普氏拱理論計算開采后冒落拱重量和松動圈范圍［6］，計算公式為：

h0=［a+2htan（45°－φ2）］1f（1）

式中：h0為圍巖松動圈冒落長度（m）；a為采空區(qū)半寬，取0.65 m（現(xiàn)場實際平均采幅1.3 m）；h為采空區(qū)高度，取4 m（最大）；φ為內(nèi)摩擦角（°）；f為普氏硬度系數(shù)。

經(jīng)計算：h0=0.58 m。即：圍巖松動圈冒落范圍為0.58 m。

采空區(qū)冒落拱范圍內(nèi)圍巖總壓力即冒落拱重量（p）為：

p=2Kaγh0l （2）

式中：K為普氏修正系數(shù)，取1；γ為巖體容重（kN/m3）；l為上盤頂板暴露長度（m）。

經(jīng)計算：p=1 055.6 kN。

桿體選用20MnSi無縱肋螺紋鋼，直徑18 mm時，設(shè)計抗拉強度［σ］=335 MPa，取η=0.99，則抗拉荷載設(shè)計值（T）為：

T=S［σ］η（3）

式中：S為錨桿橫截面面積（m2）。

經(jīng)計算：T=84 kN。

由式（2）計算得到采場頂板總壓力即冒落拱重量為1 055.6 kN，取安全系數(shù)f0=1.6，則采場共需要安裝的錨桿數(shù)（m）為：

m=f0pT（4）

經(jīng)計算：m=20.1。因此，需要安裝的錨桿為21根。

根據(jù)錨桿承受的設(shè)計荷載，由式（5）可得每根錨桿分攤的冒落拱重量（P0）為：

P0=f0pm（5）

經(jīng)計算：P0=80.4 kN。

根據(jù)上述計算，錨桿網(wǎng)度面積S1為3 m2?？紤]到現(xiàn)場情況，最后確定支護網(wǎng)度的間排距為1.5 m×1.5 m。由于錨桿錨固段長度為0.4 m，則錨桿設(shè)計長度為1.2 m。

考慮到采場鉆機操作空間較小，側(cè)幫支護時需鉆鑿斜孔，適當加長錨桿長度至1.5 m，最短不低于1.2 m。結(jié)合RQD值與巖體穩(wěn)定性之間關(guān)系，錨桿長度為1.2～1.5 m較為合理。

2）按組合梁理論計算錨桿長度。采場錨桿金屬網(wǎng)支護進行護頂，按組合梁作用原理來設(shè)計錨桿支護參數(shù)［7］。組合梁有效組合厚度t按式（6）計算：

t=0.612Bn1pzσk（6）

式中：B為上盤支護寬度，B=5 m；n1為安全系數(shù)，n1=4；pz為組合梁所受垂直載荷（MN/m2）；k為抗拉強度折減系數(shù)，取0.6；σ為頂板巖層抗拉強度（MPa）；為組合巖層層數(shù)系數(shù)，取0.70。

經(jīng)計算：t=0.86 m。

則錨桿所需長度（l）為：

l≥l1+t+l2（7）

式中：l1為錨桿外露長度，l1=0.1 m；l2為頂錨端長度，l2=0.3 m。

經(jīng)計算：l≥1.26 m。

因此，結(jié)合按圍巖松動圈計算結(jié)果，最終確定錨桿長度為1.5 m。

2.2雙筋條強度校核

雙筋條寬65 mm，用2根直徑10 mm的鋼筋切割平行焊接而成，平行鋼筋相距45 mm，連結(jié)筋采用同徑鋼筋，間隔200 mm，如圖3所示。10 mm圓鋼的抗拉強度是370 MPa，抗剪強度約為抗拉強度的58 %。

依沖切強度校核：

nG≤2NτSc（8）

式中：n為雙筋條金屬根數(shù)（2根）;G為可能墜落的關(guān)鍵塊體最大重力（1 055.6 kN）；Sc為圓鋼斷面面積（78.5 mm2）；τ為10 mm圓鋼的抗剪強度（214 600 N/mm2）。

經(jīng)計算：n＞1，雙筋條能夠網(wǎng)住關(guān)鍵塊體，能保證作業(yè)人員的安全，但為進一步確保安全，建議當關(guān)鍵塊體較大時，采用上下2個雙筋條加強支護。

2.3聚酯纖維網(wǎng)強度校核

依沖切強度校核，關(guān)鍵塊體最大重力為1 055.6 kN，取側(cè)向壓力系數(shù)為λ=0.25，最終確定關(guān)鍵塊體最大側(cè)向壓力為522.52 kN。因此，選用600 kN的聚酯纖維網(wǎng)即可滿足要求。

3工程應(yīng)用試驗

錨桿+雙筋條支護試驗地點選擇在采幅1.3 m、具有廣泛代表性的留礦采礦法采場。錨桿+雙筋條支護布置如圖4所示，錨桿+礦用高強度阻燃聚酯纖維網(wǎng)支護布置如圖5所示。由于錨桿長度為1.5 m，而采場采幅只有約1.3 m，嚴重限制了鑿巖機的作業(yè)空間，使其無法鉆鑿垂直于幫壁的水平孔，因此只能鉆鑿角度約為35°的斜孔。現(xiàn)場試驗時，考慮到工作面高度的限制，為方便雙筋條的安裝，現(xiàn)場最后確定的支護網(wǎng)度為1.3 m×0.8 m。錨桿安裝完成后，進行錨桿拉拔力檢測，其峰值拉拔力為69.77 kN，符合設(shè)計要求。

支護工作完成后，工作面開始正常鑿巖落礦通風，由于留礦采礦法采場每次只放三分之一的礦石，其余礦石全部留在采場內(nèi)作為向上開采的平臺，因此，現(xiàn)場大部分支護的錨桿已經(jīng)被爆下的礦石所掩埋，看不到支護效果。但是，在平場之前，放礦漏斗上方由于放礦會使得該區(qū)域底板較附近矮1 m多，這樣就會揭露部分支護區(qū)域，可以觀察到錨桿+雙筋條在爆破振動下依然能緊緊鎖住巖壁，使其不因爆破振動而脫落，如圖6所示，達到了設(shè)計的支護效果。

4結(jié)論

1）針對急傾斜極薄礦脈的破碎軟巖，提出采用錨桿+雙筋條進行支護，部分更加破碎的圍巖則采用錨桿+礦用高強度阻燃聚酯纖維網(wǎng)進行支護，使有可能冒落的關(guān)鍵塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證采場安全，降低礦石貧化率，提高經(jīng)濟效益。

2）通過支護參數(shù)校核計算，最終確定錨桿長度為1.5 m，支護網(wǎng)度為1.5 m×1.5 m，用直徑10 mm的鋼筋制作雙筋條能夠網(wǎng)住關(guān)鍵松動塊體，能保證作業(yè)人員的安全；當巖體比較破碎細小時，采用600 kN的礦用高強度阻燃聚酯纖維網(wǎng)加樹脂錨桿可護住幫壁。

3）通過現(xiàn)場應(yīng)用試驗，錨桿峰值拉拔力為69.77 kN，并且錨桿+雙筋條在爆破振動下依然能緊緊鎖住巖壁，使其不被爆破振動而脫落，達到了設(shè)計要求。

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Study on support technology of broken soft rock in steeply inclined and extremely thin ore vein

Wu Zhiliang1，Ren Yudong2，Zhou Le2，Zhou Jiaqi2

（1.China National Gold Group Corporation Jiapigou

; 2.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：To address the frequent occurrence of roof caving，severe over-excavation，and significant ore loss in a mine stope，combined with the limited operating space due to extremely thin ore veins，a bolt + double reinforcing bar support technology is proposed.The essence lies in the timeliness and flexibility of double reinforcing bar support，which allows the entire row of bolt groups to act collectively under the action of the support board during the support process，thereby stabilizing critical rock blocks that may cave in.This support scheme effectively solves the problem of supporting extremely thin ore veins，improves stope safety，and reduces ore dilution，thus enhancing the economic benefits of the mine.

Keywords：steeply inclined;extremely thin ore vein;broken soft rock;surrounding rock support;bolt;double reinforcing bar

收稿日期：2023-11-05； 修回日期：2023-12-20

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC2905003）

作者簡介：吳枝亮（1966—），男，高級工程師，從事金屬礦山采礦技術(shù)及管理工作；E-mail：18343298777@139.com