某金属地下矿山灰岩破碎巷道支护方案比选.pdf

Serial No．592 August． 2018 现代矿业 MODERN MINING 总 第592 期 2018年 8 月第 8 期 张国强 1970 ， 男， 高级工程师， 硕士， 234000 安徽省合肥市 包河区武汉路 230 号。 某金属地下矿山灰岩破碎巷道支护方案比选 张国强 1 刘红岩 2 王成龙 3 1． 五矿矿业控股有限公司;2． 中国地质大学工程技术学院;3． 内蒙古金陶股份有限公司 摘要为了选择适合某金属地下矿山灰岩破碎巷道的支护方案， 通过结合以往支护经验并 考虑井巷工程的使用年限等因素， 初步确定混凝土支护、锚喷网支护、喷射混凝土 砂浆锚杆支 护 3 种方案， 并对混凝土支护、锚喷网支护方案进行现场监测。通过监测数据对比分析， 最终确定 锚喷网支护方案为最佳支护方案。 关键词灰岩破碎巷道锚喷网支护现场监测 DOI10． 3969/j． issn． 1674- 6082． 2018． 08． 059 某金属地下矿山生产能力为 220 万 t/a， 为保证 矿山正常生产， 每年都会施工大量的井巷工程 平 巷、 斜巷、 硐室、 竖井、 天井、 溜井等 ， 为防止开挖的 井巷工程发生冒落、 垮塌， 保证人员和设备设施的安 全， 并保证在合理的年限内正常使用， 需要对这些井 巷工程进行快速、 合适的支护 ［1 ］。自 20 世纪 90 年 代建矿以来， 该矿技术人员根据地质情况和井巷工 程的使用年限， 结合我国的科技发展水平， 探索了多 种支护方法， 如木支护、 金属支架支护、 管缝式锚杆 支护、 砂浆锚杆支护、 混凝土支护、 钢筋混凝土支护 等， 保证了矿山的正常生产衔接和安全。在施工至 某水平 7穿脉时， 遇到了该矿新的地质情况， 为解 决该地段的支护问题， 对支护方案进行比选研究。 17穿脉地质情况 7穿脉为碳酸盐岩工程地质岩组， 主要为 O2- 2 2 、 O2- 3 2 灰岩， 岩心较破碎， 裂隙、 岩溶不发育， 受闪长岩 岩脉穿插影响， 岩体多处发生蚀变和破碎， 为青色灰 岩和灰白色闪长岩相互交错。但 7穿脉开挖后， 实 际受闪长岩岩脉多次穿插， 使岩体相对较为破碎， 裂 隙和岩溶发育， 裂隙间含泥质充填物， 青色灰岩、 灰 白色闪长岩和暗红色泥质充填物相互交错， 发生蚀 变的岩体风化后遇水会膨胀变形。 2被动支护和主动支护 该矿采用的被动支护方法如木、 金属支架、 混凝 土、 钢筋混凝土支护的共同特点是在支护初期， 支护 体与围岩有一定的间隙， 围岩初期变形后才能与支 护体逐步接触， 使支护体逐步产生抵抗围岩变形力 的作用 ［2 ］。这种支护方法强调支护体与围岩间隙 充填要密实， 以期望在支护的初期阶段能最大限度 地抵抗围岩的变形力， 但往往都达不到预期的效 果 ［3 ］; 支护体在支护初期会因围岩变形受到初步破 坏， 在围岩变形中后期变形力持续增大的情况下被 压裂或被压垮， 使支护效果大大减弱。 该矿采用的主动支护方法如管缝式锚杆、 砂浆 锚杆、 锚喷网支护等 ［2 ］最显著的特征是支护体在支 护初期就能够和围岩紧密接触或和围岩形成共同支 护体， 主动抵消围岩变形力， 使围岩变形力减弱或逐 步释放， 最终减弱对支护体的最大应力破坏， 达到较 好的支护效果 ［4 ］。 3支护方案比选 灰岩破碎带在该矿山初次遇到， 为选出最佳支 护方案， 根据该矿以往支护经验， 结合 7穿脉地质 开挖后较破碎情况， 选择地质情况相似的 3 段巷道， 初步确定 3 种支护方案 方案一为混凝土支护段支 护方案， 方案二为锚喷网支护段支护方案， 方案三为 喷射混凝土 砂浆锚杆支护段支护方案， 巷道底板 均采用井下碎石 C15 砂浆铺底。 3． 1方案一 从上盘运输巷 150 m 为混凝土支护段。主要支 护参数 混凝土强度为 C25， 喷射混凝土厚 250 mm; C25 混凝土的配合比 质量比 为 0． 47∶ 1∶ 1． 342∶ 3. 129 水∶ 水泥∶ 砂子∶ 石子 。将混凝土所需材料 运输到现场进行现场搅拌， 采用 425普通硅酸盐水 泥; 中砂含泥量不得大于 3; 石子宜用碎石， 最大 粒径不宜大于 40 mm， 含泥量不大于 1， 吸水率不 391 ChaoXing 大于 1． 5; 水宜用井下天然洁净水。浇注混凝土 按断面检查、 清理模板、 支模板、 混凝土入模、 振捣、 收尾清理、 养护等工序进行。为保证连续浇注， 配备 2 台混凝土搅拌机， 1 台备用; 3 个插入式振动棒 另 配棒头 3 个 ; 2 个移动配电箱; 5 组混凝土试块模， 水泥、 砂、 石子、 灰槽、 钢模板及附件、 铁锹等施工机 具。浇注前检查断面， 保证混凝土荒断面巷道的高 度和宽度不小于设计参数; 混凝土分层振捣， 快插慢 拔， 混凝土不再沉落和冒气泡为止; 喷水养护时间不 小于 7 d。方案一支护方案见图 1。 图 1混凝土支护示意 3． 2方案二 从下盘运输巷 150 m 为锚喷网支护段。主要支 护参数 喷射 C20 混凝土厚 150 mm， 砂浆锚杆长 1． 8 m， 砂浆等级为 M20， 砂浆锚杆间排距为 0． 9 m 0． 9 m， 呈菱形布置， 钢筋网间距为 150 mm。 C20 喷射混凝土配比为 1∶ 2∶ 2 水泥∶ 砂∶ 石 子 ， 水灰比为 0． 4 ～0． 5， 水泥为不低于 325的普通 硅酸盐水泥; 采用干净的中细砂， 粒径小于 2． 5 mm， 砂含泥量不大于 3; 采用干净的水， 速凝剂按说明 书比例掺加。 砂浆锚杆的杆体采用 HRB400 钢筋， 钢筋直径 为 32 mm， 锚杆杆体使用前平直、 除锈、 除油; 砂浆锚 杆的抗拔力不低于 5 t/根; 砂浆锚杆的锚固深度和 间距视围岩结构和工程跨度而定， 锚杆垂直于岩石 面。水泥砂浆强度按 M20 配制， 采用干净的中细 砂， 砂粒径小于 2． 5 mm， 砂含泥量不大于 3; 水泥 和砂的质量比宜为 1∶ 1 ～2 ， 水和水泥比例宜为 1 ∶ 0． 38 ～0． 45 ; 砂浆拌合均匀， 随拌随用; 一次拌 合的砂浆应在初凝前用完， 并严防石块、 杂物混入。 钻孔注浆时， 注浆管应插至距孔底 50 ～100 mm 处， 随砂浆的注入缓慢匀速拔出; 砂浆锚杆杆体插入锚 杆孔中心， 若孔口无砂浆溢出， 应及时补注; 杆体插 入孔内长度不应小于设计规定的 95; 锚杆安装 后， 未凝固前不得随意敲击。砂浆锚杆孔距的允许 偏差为 150 mm， 锚杆孔深允许偏差为 50 mm， 砂浆 锚杆孔径应大于杆体直径 15 mm。 钢筋网选取 HPB300 钢筋， 主筋采用 10 mm 圆钢， 副筋采用 8 mm 圆钢， 主筋沿巷道横断面方 向布置， 副筋沿巷道走向布置， 钢筋间距为 150 mm， 钢筋网的搭接长度为 20 倍钢筋直径， 钢筋网之间及 锚杆与钢筋网间用细铁丝绑扎牢固; 金属网在地表 预制成 1 m 1 m 的网片， 运输到井下， 现场绑扎到 砂浆锚杆上。 施工现场配备混凝土喷射机、 输料管、 钻机、 各 种型号钢筋、 锚杆拉拔器、 砂浆罐、 中砂、 水泥、 石子、 料斗、 铁锹等施工机具。方案二支护方案见图 2。 图 2锚喷网支护示意 3． 3方案三 从 8穿脉新掘进巷道中选取类似灰岩破碎段 50 m 为喷射混凝土 砂浆锚杆支护段。C20 喷射 混凝土及砂浆锚杆参数同方案二。施工现场配备混 凝土喷射机、 输料管、 钻机、 各种型号钢筋、 锚杆拉拔 器、 砂浆罐、 中砂、 水泥、 石子、 料斗、 铁锹等施工机 具。方案三支护方案见图 3。 图 3喷射混凝土 砂浆锚杆支护示意 3． 4变形监测 8穿脉的喷射混凝土 砂浆锚杆 50 m 支护段 支护后 0． 5 ～1 月内便发现多处有开裂、 破碎现象， 说明方案三的支护方案不适合于该段岩体的支护， 不再对该方案进行现场数据监测。 对 7穿脉混凝土支护段与锚喷网支护段每 5 m 设 1． 5 m 高的混凝土监测点， 每个监测点现场制作 30 mm 30 mm 20 mm 长 宽 厚 混凝土点， 在 支护体凝固 28、 60、 120、 180 d 分别进行水平位移监 测; 7穿脉混凝土支护监测点表面水平位移数据见 表 1， 7穿脉锚喷网支护监测点表面水平位移数据 见表 2。 从表 1 和表 2 可以看到， 7穿脉混凝土在支护 后120d有1个观测点碎裂破坏， 6个观测点在支 491 总第 592 期现代矿业2018 年 8 月第 8 期 ChaoXing 表 1混凝土支护监测点表面水平位移 mm 观测点 不同天数表面水平位移 28 d60 d120 d180 d 11. 211. 822. 52 碎裂3. 25 碎裂 21. 111. 512. 133. 29 碎裂 30. 941. 412. 093. 43 碎裂 41. 291. 632. 123. 56 碎裂 51. 321. 722. 183. 63 碎裂 61. 231. 522. 073. 71 碎裂 表 2锚喷网支护监测点表面水平位移 mm 观测点 不同天数表面水平位移 28 d60 d120 d180 d 10. 821. 712. 432. 56 20. 911. 321. 812. 35 30. 841. 421. 972. 46 41. 021. 632. 122. 57 51. 011. 411. 992. 76 61. 041. 521. 962. 53 护 180 d 后全部碎裂破坏; 而 7穿脉锚喷网支护只 出现宽度不一的裂缝， 没有出现碎裂破坏现象。7 穿脉混凝土支护厚度比锚喷网支护厚度增加 100 mm， 但破坏更严重， 各监测点的裂缝宽度比锚喷网 支护监测点要宽， 说明锚喷网支护方案比混凝土支 护方案更优。 4结论 1 3 种支护方案及现场数据监测比较分析， 最 终确定适合 7穿脉灰岩破碎带最佳支护方案是锚 喷网支护方案， 该支护方案对灰岩破碎段及类似围 岩的支护具有借鉴意义。 2 主动支护形式要优于被动支护形式， 优先 选用管缝式锚杆、 砂浆锚杆、 锚喷、 锚喷网支护等主 动支护形式， 能够较快地提供支护作用力， 尽早承接 围岩应力， 起到较好的支护效果。 3 不稳固围岩优先选用锚喷网支护方法， 可 以把锚杆、 喷射混凝土、 金属网各种支护作用联合发 挥， 最大限度地抵抗围岩的变形力， 从支护初期消弱 围岩的变形力， 提高支护体的支护效果，保证井巷 工程在合理的支护年限内正常使用。 参考文献 ［ 1］童光煦． 高等硬岩采矿学［M］． 北京 冶金工业出版社， 1995． ［ 2］蔡美峰． 岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用［J］． 金属矿 山， 2006 1 30- 32． ［ 3］高磊． 矿山岩石力学［M］． 北京． 机械工业出版社， 1987． ［ 4］解世俊． 金属矿床地下开采［M］． 北京 冶金工业出版社， 1986． 收稿日期 2018- 04- 28 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 上接第 192 页 整体呈现轻微下沉， 表现在恒阻器 释放位移， 再次实现平衡， 同时现场测量巷道高度变 形量为 600 ～ 700 mm 约有 300 mm厚的浮煤 ， 架 后巷高为 2． 1 ～ 2． 5 m 原巷高 2． 8 m 。由观测分 析可知， 工作面推进至 100 m 时， 巷道超前支护范围 内有轻微变形; 推进至 120 m 开始， 随着工作面推 进， 架后 20 m 范围内为巷道压力集中区 开始周期 来压 ， 顶板出现下沉， 下沉量为 20 ～ 30 mm; 架后 20 ～50 m 内巷道变形速率降低， 挡矸墙底部出现滑 动; 架后 50 m 往后巷道顶板及挡矸墙趋于稳定。 4结语 以山西马兰矿 62711 工作面为例， 提出了切顶 卸压沿空留巷施工方案。该方案的实施， 使得该工 作面可多回采原煤 11． 3 万 t， 按原煤价格 410 元/t 计算， 切顶留巷成本为 1 942 万元， 新增经济效益约 2 688 万元。此外， 该方案的顺利实施， 使得原巷道 得以保留， 用于下一工作面的顺槽， 可有效缓解该矿 生产衔接紧张的问题。 参考文献 ［ 1］袁亮． 低透气性煤层群无煤柱煤气共采理论与实践［J］． 中 国工程科学， 2009， 11 5 72- 80． ［ 2］孙恒虎， 赵炳利． 沿空留巷的理论与实践［M］． 北京 煤炭工业 出版社， 1993． ［ 3］李化敏． 沿空留巷顶板岩层控制设计［J］． 岩石力学与工程学 报， 2000， 19 5 651- 654． ［ 4］荣巨晋． 综采工作面切顶卸压收尾技术［J］． 山西焦煤科技， 2017， 41 3 41- 44． ［ 5］张国锋． 切顶卸压沿空成巷机理及关键技术研究［D］． 北京 中国矿业大学 北京 ， 2010． ［ 6］张东升， 马立强， 缪协兴， 等． 综放沿空留巷围岩变形影响因素 的分析［J］． 中国矿业大学学报， 2006， 35 1 1- 6． ［ 7］宋润权． 谢家鹏． 切顶卸压技术在工作面及沿空巷道维护中的 应用［J］． 煤炭科技， 2012 3 131． ［ 8］马俊生． 店坪矿切顶卸压无煤柱开采设计方案研究［J］． 山西 焦煤科技， 2016， 40 10 41- 44． ［ 9］张先尘， 钱鸣高． 煤矿开采方法［M］． 北京 煤炭工业出版社， 2005． ［ 10］秦永祥， 许少东， 杨张杰． 深部沿空掘巷煤柱合理宽度确定及 支护参数优化［J］． 煤炭科学技术， 2010， 38 2 15- 18． 收稿日期 2018- 03- 30 591 张国强刘红岩等 某金属地下矿山灰岩破碎巷道支护方案比选2018 年 8 月第 8 期 ChaoXing