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组合喷锚支护在矿山中的应用 武汉理工大学资源与环境工程学院 胡建华 Ξ 张世雄 王福寿 摘 要利用金属网和加强筋等辅助支护构件与喷锚支护相结合的组合喷锚支护,大大改 善了喷锚支护的效果。本文对组合喷锚支护机理进行了探讨,并结合实际运用说明了组合喷锚 的支护效果。 关键词喷锚支护 金属网 加强筋 组合喷锚支护 1 前言 组合喷锚支护是以锚杆和喷射混凝土 作为主要的支护构件,并辅以金属网、 加强 筋、 托梁等辅助支护构件所形成的喷锚支护 系统,是我国在最近几年发展起来的喷锚支 护形式,主要有喷锚网支护、 喷锚网加强筋 支护和喷锚网加托梁支护等形式。它不仅 可以充分发挥单根锚杆和混凝土喷层的固 有支护作用,而且利用辅助支护构件的支护 和联系,使支护体系产生优越的整体支护效 果。特别对松散破碎的不稳定的 Ⅳ 类和极 不稳定的 Ⅴ 类围岩的支护,有良好的支护效 果和经济效益。 2 组合喷锚支护机理 组合喷锚支护在充分发挥喷锚支护的 作用和特点的基础上,利用辅助支护构件如 金属网、 加强筋等的辅助支护作用和联系纽 带作用,改善危岩的应力状态,防止局部危 岩的垮落,提高围岩的自身强度,完善喷锚 支护体系的整体作用,对锚杆间的非锚固区 进行了支护。喷锚支护中,锚杆与锚杆间的 围岩是支护的薄弱区,往往首先发生破坏, 尤其是节理、 裂隙对锚杆的托锚力的分布具 有很大的影响,由于节理、 裂隙的分割造成 锚杆的支护作用削弱,形成围岩加固的 “死 角” 。组合喷锚支护利用金属网托住危岩和 松散岩块,加强筋连接各锚杆,从而所有锚 杆作为一个系统进行支护,使单根锚杆的托 锚力分布趋于均匀,喷锚支护中的 “死角” 得 到托撑,大大改善了组合喷锚支护系统的整 体支护性能;并且由于加强筋或托梁的存 在,在围岩变形过程中,直接作为受拉部件 承受荷载,减少岩层所受的拉应力,提高围 岩的完整性和抗破坏能力。 喷锚支护是以锚杆和喷射混凝土作为 主要的支护材料的一种支护手段,它与围岩 形成承载环带一道工作,充分利用围岩的 自承载能力。在支护过程中,锚杆主要发挥 两种作用一是对围岩表面提供反力,以抑 制围岩向内空变位或抗拒危岩块体的脱落 坍方;二是加固作用,使围岩整体化。混凝 土喷层的作用主要体现在产生粘结力,喷 层同围岩紧密粘结,一般粘结力在1. 0MPa 以上,可使巷道表面被裂隙分割的岩块联结 起来,保持岩块的镶嵌、 咬合和联锁效应;封 闭围岩,维护围岩的固有性质,混凝土喷层 51 Ξ 胡建华 讲师 湖北武汉 430070 降低围岩受潮湿空气和地下水的侵蚀风化 作用,有利于保持围岩的固有强度,阻止节 理间充填物的流失,维持岩块间的摩擦力。 喷锚支护作为一种柔性支护,控制了延性流 变岩体的变形,容许围岩塑性区有一定的发 展,避开应力峰值,而又不至出现危害性的 松散,有效地发挥围岩的自承能力和支护材 料的性能。这可以从图1的支护压力与围 岩变形关系图进一步说明。Ⅰ-Ⅰ 线是由 Fenner公式计算的支护压力曲线。让塑性 区半径开展大一些即允许围岩有一定的变 形 , 则支护压力Pi将减少,但径向位移 △R 达到一定程度后,围岩将产生较大的松动压 力。图中 Ⅱ-Ⅱ,Ⅲ-Ⅲ,Ⅳ-Ⅳ 为支护结 构施工后提供的支护压力,Ⅳ-Ⅳ支护过 迟,松动压力较大;Ⅲ-Ⅲ 支护过早,支护压 力也较大;最好是 Ⅱ-Ⅱ,让岩体有一定的 变形,支护也有一定的柔性,这样 Ⅱ-Ⅱ 与 Ⅰ-Ⅰ相交点K处接近最小的支护压力 点。 图1 支护压力与围岩变形关系图 组合喷锚支护的辅助构件主要有金属 网、 加强筋和托梁。 金属网是组合喷锚支护的常用构件,其 主要作用是托住锚杆间已经破裂的岩石, 防止岩石垮落;将锚杆间的非锚固区的岩体 载荷传递给锚杆;改善围岩的应力状态,由 于金属网托住的碎裂岩石的碎胀作用和传 递力的媒介作用,使巷道深部外围岩仍保持 三向应力状态,大大提高了围岩的残余强 度。 加强筋和托梁用于将单根锚杆连接在 一起,一方面能够协调和均衡组合喷锚支护 体系中单根锚杆的受力,使各根锚杆的作用 均能发挥;另一方面,加强筋提供的托锚力 对锚杆间非锚固区的围岩起支护作用,使各 锚杆的锚固力更均匀地分布于巷道周边,提 供锚杆的整体支护效果。 3 矿山的实际应用 大冶铁矿尖林山矿 Ⅱ 号矿体赋存在大 理岩与闪长岩接触带,矿石多为致密块状磁 铁矿,少数为混合矿石。矿石质地致密坚 硬,强度高,以块状结构为主,稳固性属 Ⅱ 级,开采中不需支护。有少量粉状、 蜂窝状 矿石,质地疏松,强度很低,主要位于矿体边 缘靠近闪长岩、 大理岩接触面处或构造破碎 带附近,属 Ⅳ ～ Ⅴ 级岩体,稳固性差,开采中 需随采随支护。矿体底板为白色大理岩,裂 隙少,层面粘结力较好,抗风化能力强,以层 状结构为主,稳固性属 Ⅱ 级岩体。矿体顶板 围岩多为一般蚀变闪长岩或矽卡岩,质地致 密坚硬,强度高,但节理裂隙发育,且伴有强 烈或轻微蚀变现象。当蚀变强烈时,岩体完 整性较差,以块状或镶嵌结构为主,属不稳 固的 Ⅲ 级岩体。局部构造断裂发育带及强 烈蚀变带,岩石破碎,绿泥石、 蒙脱石及石膏 富集,以破裂结构或散体结构为主,属不稳 固的 Ⅳ ～ Ⅴ 级岩体,掘进后需立即支护。该 矿 Ⅱ 号矿体用无底柱分段崩落法开采,在 - 40m上盘巷道曾发生比较严重的垮塌,垮 塌长度100m左右,与之相连的一些进路也 发生破坏,为了有效治理垮塌部位和对矿山 巷道进行合理的支护,保证矿山生产的顺利 进行,降低生产成本,我们确定了组合喷锚 支护方法,辅助构件为金属网和加强筋,对 100m跨落巷道进行二次支护。 3. 1 支护参数及其工艺 撬毛除渣。在安全员指导下,小心细致 地清除顶板浮石,剪断钢筋悬吊的原支护混 凝土块,必要时用外敷药包爆炸清除,浮石 61 清除后用铲运机出碴。 初喷混凝土。喷射混凝土标号为C20 , 选用425 普通硅酸盐水泥,重量配合比为 水泥∶ 砂∶ 石子 1∶2∶2 ,水灰重量比为0. 45 , 速凝剂加入量为水泥重量的2～3 ,喷射 厚度为5cm。 喷锚网支护。通过现场钻孔的观察,顶 板岩体的松弛高度在1～1. 2m ,理论与实践 证明,锚杆长度必须大于松弛高度。因此, 选定锚杆的长度为1. 8m ,且采用砂浆锚杆 和摩擦锚杆联合支护,在径向与轴向上均间 隔布置,排距与孔距均为0. 8m ,可发挥摩擦 锚杆具有锚固力和砂浆锚杆价廉与耐腐蚀 的优点。砂浆强度在20MPa以上。 钢筋网的网度为267267mm ,均采用 8mm圆钢。 锚杆与铺设钢筋网同时进行,凡经过摩 擦锚杆孔的钢筋,待摩擦锚杆快推进到孔底 时,把该钢筋塞在初喷混凝土与锚杆压板之 间,再开动气锤把摩擦锚杆锤击到底,这样, 钢筋就被锚杆压板紧压在初喷混凝土壁上, 该钢筋再要离层,就非得有七、 八吨的力把 锚杆拔出来才行,这就大大增加了喷锚支护 层的强度与承载力。锚杆与钢筋架设完毕, 再喷射5cm厚的混凝土。 喷锚网加加强筋支护。在矿岩极为破 碎的高地压地段,除用上述方法进行支护 外,还增设了加强筋。加强筋采用 16mm 圆钢制作,长5m ,宽0. 25m ,梯子状,从两端 开始,每隔0. 25m焊接横向圆钢。在安装 钢筋网的同时安装加强筋,沿进路拱顶轴向 等间隔平行安装三组加强筋,加强筋由锚杆 压板压紧在钢筋网上,再喷射5cm厚的混 凝土。 3. 2 巷道的变形监测及其支护效果的评价 对支护的巷道进行监测,测量其拱间部 的巷道表面水平位移和顶底板的垂直位移。 从支护完成一段时间后,开始进行收敛测 量,累计变形均在毫米级,日均变形量也在 10 - 5mm/ d 以下,巷道处于稳定状态,肉眼 观察亦未发现明显的开裂破坏,巷道稳定性 明显提高。运用组合喷锚支护成功地修复 了该矿严重垮塌的进路和巷道,同该矿原有 的支护方案相比巷道稳定性明显提高,保证 了生产的安全。实践证明组合喷锚支护是 对付该矿破碎的极不稳定的围岩的行之有 效的支护方法。 4 结束语 组合喷锚支护作为喷锚支护的发展,充 分利用了辅助支护构件的支护作用,大大改 善了原有的喷锚支护系统的整体性,使各支 护构件在支护系统中协调、 均匀地共同作 用;对支护工艺的适当改进如锚杆与铺设 钢筋网同时进行,使钢筋被锚杆压板紧压在 初喷混凝土壁上,增加了喷锚支护层的强度 与承载力 , 将使支护效果更趋完善;支护辅 助构件的组合运用可以根据实际需要确定, 支护参数灵活,形式多样,施工方便;组合喷 锚支护是破碎松散的极不稳定围岩的有效 支护方法。 参考文献 1.朱维申,刘泉声.不同锚固方式效果研讨及工程 模型试验研究.北京地震出版社,1992 2.程良奎.岩土加固实用技术.北京地震出版社, 1994 3.童光煦.高等采矿学.北京冶金工业出版社, 1995 4.吴顺川.锚注法原理及其在某矿脉回采中的应 用.有色金属矿山部分 ,2000 ,2 5.韩立军.锚喷支护巷道合理支护参数的研究.山 东矿业学院学报自然科学版 ,199 ,18 4 6.宋海涛.锚杆支护现状及其发展.矿山压力与顶 板管理,1991. 1 7.何水源,邓安福.锚喷支护设计专家系统及工程 应用.重庆建筑大学学报,1997 ,19 2 71